Сегодня к очистке сжатого воздуха, используемого в промышленности, предъявляются все более высокие требования.Это связано как с широким внедрением пневматических систем, применяемых для транспортировки сыпучих грузов, так и с необходимостью обеспечения чистоты различных производственных процессов, в которых используется сжатый воздух. Не последнюю роль играет ужесточение контроля за экологической обстановкой: возвращаемый в окружающую среду воздух должен содержать минимум загрязняющих веществ, вносимых компрессором и потребляющей системой.

Таким образом, в настоящее время установленные в контуре сжатого воздуха фильтры используются для:

• удаления загрязняющих веществ, находящихся в забираемом из окружающей среды

воздухе;

• удаления загрязняющих веществ, привнесенных компрессорами и внутренними источниками пневматической системы;

• защиты оборудования, используемого для обработки воздуха;

• подготовки сжатого воздуха к окончательному использованию;

• возврата в окружающую среду воздуха с низкой загрязненностью.

Многообразие решаемых задач привело к существенному усложнению конструкции и

расширению номенклатуры воздушных фильтров. В результате выбор наиболее эффективной системы очистки сжатого воздуха превратился в непростую проблему. Ниже рассмотрены наиболее важные вопросы, возникающие при установке фильтрующей системы, и даны практические рекомендации по правильному выбору воздушных фильтров.

1. Загрязняющие вещества и нормы их содержания

Загрязняющие вещества делят на твердые, жидкие и газообразные. К твердым загрязняющим компонентам относятся песок, пыль, частицы метала, ржавчины, угля, резины и т. п. Источниками их появления в контуре сжатого воздуха могут быть:

• внешний и внутренний заборы воздуха;

• распределительная система;

• движущиеся части;

• адсорбирующие осушители.

Основными жидкими загрязнителями являются вода и масло. Из-за естественной влажности в воздухе всегда содержится определенное количество воды в парообразном и взвешенном состояниях. Смазочные масла, применяемые в компрессорах, также попадают в воздушный контур. При этом они могут находиться в следующих состояниях:

• пар;

• аэрозоль с размерами от 0,05 до 1 мкм;

• дым с размерами от 0,2 до 0,8 мкм;

• масляный туман с размерами от 1,2 до 1,4 мкм.

Кроме того, вода и масло могут находиться в воздухе в форме эмульсии. Общее загрязнение забираемого воздуха приводит к появлению в воздушном контуре различных газов. Нормы ISO 8573-1:1991 устанавливают следующие классы чистоты сжатого воздуха (Таблицы 1,2,3).

Табл. 1. ISO 8573-1:1991. Классы частоты воздуха в зависимости от максимального размера частиц и концентрации твердых загрязняющихся веществ

Класс    Максимальный размер частиц, мкм         Максимальная концентрация, (*)мг/м3 

1             0,1         0,1        

2             1,0         1,0        

3             5             5            

4             15          8            

5             40          10         

Табл. 2. ISO 8573-1:1991. Классы частоты воздуха в зависимости от максимальной точки росы частиц и концентрации

Класс    Максимальная точка росы, *С   

1             - 70       

2             - 40       

3             - 20       

4             + 3        

5             + 7        

6             + 10      

7             Не установлено              

Табл. 3. ISO 8573-1:1991. Классы частоты воздуха в зависимости от максимального содержания масла

Класс    Максимальная концентрация (*) мгм/м3             

1             0,01      

2             0,1        

3             1            

4             5            

5             25         

Содержание загрязнителей всех видов в атмосферном воздухе, поступающем в контур

сжатого воздуха, сильно зависит от района расположения предприятия. В среднем регистрируются следующие уровни загрязнения атмосферного воздуха:

• жилые массивы 0,005 г/ м3;

• промышленные зоны 0,020 г/ м3;

• зоны добывающей промышленности 0,100 г/ м3.

Максимальный размер взвешенных частиц в большинстве случаев не превышает 25-35 мкм. Попадание загрязнений в пневматические системы ведет к резкому повышению износа и механическим повреждениям движущихся частей компрессора и к абразивному повреждению воздуховодов. Кроме того, нельзя забывать про возможную коррозию приточного воздуховода, вызываемую химическими элементами, содержащимися во всасываемом воздухе. При этом затраты на замену поврежденных и изношенных частей воздушного контура окажутся существенно выше затрат на установку фильтра.

2. Методы очистки воздуха и устройство современных фильтров

В Таблице 4 приведены основные методы очистки сжатого воздуха. Современные фильтры способны удерживать твердые загрязняющие вещества, туманы и аэрозоли жидких загрязняющих веществ.

Табл. 4. Методы очистки воздуха

Загрязняющее вещество              Процесс удаления/ снижения содержания          

Вода      Сепарация-адсорбция-поверхностное поглощение         

Масло   Сепарация-адсорбция-поверхностное поглощение         

Твердые частицы            Фильтрация      

При производстве таких фильтров применяются самые различные материалы, в том числе и композитные. Чаще всего используются:

• пропитанные смолой волокна целлюлозы;

• микроволокна боросиликата с или без связующей добавки;

• полимерные материалы;

• гидрофобные мембраны;

• агломераты бронзы и нержавеющей стали;

• керамика и кварцит.

Выбор материала зависит от характера загрязнений и требований, предъявляемых технологическим процессом. Имеющиеся сегодня на рынке мембраны позволяют создать фильтры, обеспечивающие различные уровни очистки воздуха, вплоть до получения стерильного или ультрачистого воздуха, используемого в таких областях, как фармацевтика, электроника, пищевая промышленность и т.п.

Для удаления из сжатого воздуха дыма, тумана и аэрозолей также используются коалесцентные фильтры. Дым состоит из микрокапель с размерами от 0,2 до 8 мкм, частицы аэрозоля имеют размеры от 0,05 до 1 мкм. Если сжатый воздух, содержащий такие микрокапли, пропустить через пористую субмикронную мембрану, возникает эффект коалесценции: микрокапли, вступая в контакт между собой, объединяются и увеличиваются в размерах до больших капель, выталкиваемых потоком воздуха и собираемых с другой стороны пористой мембраны. Структура пористой мембраны, скорость фильтрации и наличие барьеров являются основными факторами, влияющими на характеристики коалесцентного фильтра. Выделенная жидкость собирается на дне емкости фильтра, откуда она должна постоянно удаляться вручную и/или автоматически через сливы. Эффективность и надежность коалесцентных картриджей определяется посредством деструктивных (разрушающих) испытаний, которые могут сопровождаться неразрушающими испытаниями, предусмотренными некоторыми национальными нормативами. Производители, которые хотят гарантировать качество своей продукции, систематически проводят такие испытания и предоставляют соответствующую документацию по каждой партии. Наиболее эффективные коалесцентные фильтры позволяют снизить содержание масла до 0,01 ppm (частей на миллион, обычно выраженных в весе), исключая пары, которые могут быть удалены только адсорбентами.

3. Оценка эффективности и выбор необходимого фильтра

Основной технологической характеристикой фильтров является улавливающая способность, представляющая собой минимальный размер частиц, удерживаемых фильтрующим элементом. В зависимости от области применения улавливающая способность может выражаться несколькими способами.

Номинальный уровень фильтрации характеризуется некоторым минимальным размером частиц, начиная с которого фильтрующая мембрана надежно задерживает загрязняющие компоненты (фильтры ведущих производителей удерживают до 98 % частиц, размеры которых превышают номинальный уровень фильтрации).

Уровень фильтрации показывает, какой наибольший размер частицы может проходить через фильтрующую мембрану. B- соотношениепоказывает отношение количества частиц определенного размера, содержащихся в воздухе до фильтрации, к количеству таких же частиц в воздухе, прошедшем через фильтрующую мембрану. Размер частиц в микрометрах указывается как индекс B-соотношения. Так, например, (B)5 = 50 означает, что число частиц диаметром 5 мкм после прохождения фильтра стало в 50 раз меньше, чем до фильтра.

Еще одной важной характеристикой фильтра является падение давления. Любое препятствие, проходимое сжатым воздухом, поглощает часть энергии, хранимой потоком. Фильтр вызывает падение начального давления (^р при чистом фильтре), которое постепенно увеличивается вследствие попадания в фильтр твердых частиц. Чтобы фильтрующий элемент работал с требуемой эффективностью, необходимо следить за тем, чтобы падение давления загрязненного фильтра не превышало указанного производителем значения. Уровень фильтрации, B-соотношение и падение давления являются универсальными критериями, по которым следует выбирать тот или иной фильтр. При этом следует учитывать дополнительные требования, предъявляемые к фильтрующим элементам на различных этапах очистки.

Рассмотрим особенности фильтрации воздуха при его движении по пневматическому

контуру. В первую очередь следует обратить внимание на правильное расположение приточного воздуховода. Забор воздуха должен производиться:

• вдали от источников пыли;

• вдали от дымовых труб;

• вдали от выхлопов.

Всасываемый компрессором воздух содержит загрязняющие вещества, типичные для

данной окружающей среды. Чтобы избежать чрезмерного износа движущихся частей компрессора, на входе необходимо установить фильтр, задерживающий содержащиеся в окружающей среде загрязнения. Выбор фильтра зависит от типа компрессора и вида загрязнений, присутствующих в воздухе. Как степень фильтрации, так и установленная фильтрующая поверхность должны гарантировать низкий уровень падения давления (порядка нескольких миллибар) и автономность функционирования, совместимую с требованиями пользователя. При сжатии воздух сильно нагревается, из-за чего в нем повышается его способность удерживать влагу. Если компрессор относится к масляному типу, воздух также будет загрязнен туманом и парами масла. В винтовом компрессоре специальный фильтр, называемый

"сепаратором", выполняет важную функцию удаления тумана масла при температуре 70-90°С (при такой температуре вода присутствует только в форме пара, то есть не загрязняет масляный туман).

После компрессии воздух посредством теплообменника воздух/воздух или воздух/вода

охлаждается до температуры примерно 35°С и проходит в ресивер. На выходе из охладителя в сжатом воздухе происходит конденсация паров. Это связано, во-первых, с охлаждением воздуха при расширении, а, во-вторых, с изменением влажности воздуха из-за суточных перепадов температур. Применение воздуха с повышенным содержанием водяных паров в производственном процессе недопустимо, поэтому он должен быть осушен до конечного использования (подробно этот вопрос обсуждался в предыдущем номере нашего журнала).

Область применения воздуха определяет, какой из способов осушки должен быть использован. Выбор фильтра, в свою очередь, зависит от типа осушающего устройства. В то же время необходимо принимать во внимание тип всасываемого воздуха, тип компрессора, температуру воздуха на выходе из ресивера, путь трубопроводов, состояние труб, по которым перемещается воздух и т.д. Как видно, условий множество, важность каждого из них зависит от характера конкретного производственного процесса, поэтому составить какой-либо универсальный "рецепт" выбора фильтра вряд ли реально, однако можно дать несколько полезных рекомендаций.

Для досушивающих фильтров охлаждающего типа следует предусмотреть фильтр частиц на входе, поскольку твердые загрязнители могут засорить теплообменник и снизить коэффициент теплообмена. Установка коалесцентного фильтра на выходе из осушки повысит чистоту воздуха, снизив количество аэрозолей и туманов. Чистота воздуха для абсорбирующих осушающих фильтров имеет первоочередное значение, поэтому их следует снабдить:

• высокоэффективным коалесцентным фильтром предварительной очистки;

• высокоэффективным пост-фильтром для твердых частиц.

Коалесцентный фильтр должен защищать подушку из адсорбирующего материала (окись алюминия, силикатный гель, молекулярные экраны). Удаление аэрозолей и остатков масляного тумана предотвращает образование водоотталкивающей пленки на адсорбирующих материалах.

Устанавливаемый на выходе фильтр твердых частиц размером не менее 1 мкм предназначен для удаления пыли, выбрасываемой адсорбирующим материалом и увеличивающей износ пневматического оборудования. Особое внимание должно быть уделено выбору фильтров, которыми оборудованы сушильные установки с горячим восстановлением. Если фильтр пропускает туманы и аэрозоли масла, они собираются на осушающих колоннах и могут загореться. Поэтому на входе сушильной установки следует установить коалесцентный фильтр, который защитит ее от попадания масла.

Для увеличения сроков службы коалесцентного фильтра перед ним можно установить предварительный фильтр частиц, который будет задерживать крупные капли масляного аэрозоля, существенно повышающие износ коалесцентного фильтра. Фильтрующее средство должно быть изготовлено из огнестойких материалов, чтобы переносить вероятные короткие потоки горячего воздуха, связанные с аномальной работой сушильной установки. Воздух на выходе из фильтра, установленного за осушкой, готов к использованию; однако иногда между местом обработки сжатого воздуха и местом использования существуют источники загрязнения (например, происходит отслоение твердых частиц от воздуховода). В таких случаях необходимо установить фильтр для защиты конечного оборудования. Создание эффективной системы очистки сжатого воздуха является чрезвычайно сложной задачей, и ее решение следует поручить специалисту.

Сам пользователь должен обратить внимание на:

• документированную гарантию качества и эффективности предлагаемого продукта,

предоставленную производителем;

• эргономичность и безопасность;

• стоимость расходных материалов относительно характеристик;

• доступность расходных материалов.

И ни в коем случае нельзя забывать про правильное обслуживание системы очистки воздуха. Необходимо регулярно производить техническое обслуживание следующих частей:

• дифференциального манометра контроля падения давления;

• клапана автоматического слива конденсата.

Состояние фильтрующих элементов должно проверяться, по крайней мере, один раз в

шесть месяцев, а срок их службы не должен превышать одного года (за исключением восстанавливаемых фильтров, которые должны демонтироваться и промываться с той же периодичностью).

К особой категории подготовки воздуха относится стерильная очистка воздуха. Она может потребоваться в фармацевтической, пищевой, косметической промышленности, а также в биоинженерии. Присутствие в воздухе бактерий, мха, грибков может вообще привести к полному нарушению технологического процесса или снизить сроки хранения продуктов. Типичными областями применения воздуха стерильной фильтрации являются процессы аэробной ферментации, пневматическое движение пищевых жидкостей, антисептическая упаковка. Проблема стерильной очистки воздуха чрезвычайно сложна, поэтому следует использовать продукцию фирм, специализирующихся в данной области. Для получения стерильного воздуха применяются сложные комбинации фильтров, при этом все они делятся на сухие и влажные фильтры.

4. Классификация фильтров

Можно выделить две основные категории фильтров, используемых для очистки воздуха:

• сухие фильтры;

• влажные фильтры.

Сухие фильтры выполняются из следующих материалов:

• бумага, пропитанная смолой;

• фетр;

• пучки волокон;

• механические уловители в форме лабиринта.

С целью снижения потерь давления и увеличения автономности бумажные и фетровые

фильтры выполняются в изогнутой форме для получения большей фильтрующей поверхности в небольшом пространстве. Обычно эти фильтрующие элементы калиброваны так, чтобы падение давления не превышало 500 Па (или 50 мм водяного столба). Влажные фильтры состоят из пучков металлических или полимерных волокон, пропитанных маслом. Загрязняющие частицы прилипают к масляной пленке, обволакивающей волокна, что существенно повышает степень очистки воздуха.

Этот тип фильтров требует тщательного периодического обслуживания - очистки и увлажнения маслом. Они рекомендуются только для чистого всасываемого воздуха, а также для маленьких компрессоров, используемых непостоянно. В частности, влажный фильтр нашел применение в качестве входного в поршневых компрессорах. Во время работы в него подается воздух из картера компрессора, содержащий пары масла.

В некоторых фильтрах увлажнение волокон производится путем продувания воздуха через масляную ванну. При этом волокна остаются влажными от масла, постоянно поступающего из всасываемого воздуха. Такой фильтр требует менее тщательного обслуживания.

В зависимости от размера улавливаемых частиц фильтры делят на:

• предварительные, или фильтры грубой очистки - останавливают частицы размером свыше 5 - 40 мкм, в зависимости от выбранного фильтропатрона;

• фильтры тонкой очистки – останавливают частицы размером более 1 мкм, включая капельную фракцию масла (0,1 мг/ м3);

• микрофильтры - останавливают частицы размером более 0,01 мкм, остаточное содержание масла не превышает 0,01 мг/ м3;

• фильтры на основе активированного угля - останавливают частицы размером более 0,003 мкм, содержание масла не более 0,005 мг/ м3.

Чтобы достичь лучшего качества воздуха, а также продлить срок службы фильтрующего

элемента следует применять сочетания этих фильтров, устанавливая их последовательно: сначала предварительный фильтр, затем фильтр тонкой очистки, микрофильтр и, наконец, фильтр на основе активированного угля. Предварительный фильтр используется для грубой очистки сжатого воздуха, как входной элемент в линиях более тонкой фильтрации; он обычно устанавливается на входе осушителей, вакуумных насосов и пневмоприводов. Фильтр тонкой очистки применяется для защиты трубопроводов в системах подготовки воздуха, в оборудовании обработки поверхностей, в вакуумных насосах, пневмодвигателях. Он устанавливается перед осушителем рефрижераторного типа и на выходе адсорбционных осушителей, используется также как предварительный фильтр для микрофильтра. Микрофильтр применяется для защиты систем контроля, в пневмотранспорте, системах покраски, а также как входной фильтр для адсорбционных осушителей. Фильтр на основе активированного угля используется в фармацевтической промышленности, стоматологии, в

фотолабораториях, в линях упаковки и в гальванических установках.

Как правило, предварительный (магистральный) фильтр, представляет собой комбинацию влагоотделителя и непосредственно фильтра. Влагоотделитель работает следующим образом. Воздух с помощью специальных лопастей (дефлектора) закручивается внутри емкости и под воздействием центробежных сил капли жидкости, а также некоторые твердые загрязняющие частицы, оседают на стенках. Предварительно очищенный таким образом воздух проходит через фильтроэлемент из пористого материала. Конденсат и твердые частицы осаждаются на дне стакана. Кнопка служит для периодического слива скопившегося конденсата (при необходимости используется автоматическое устройство слива конденсата). Фильтр обеспечивает удаление частиц размером до 5 мкм. Из-за схожести с тропическим циклоном такие фильтры называются циклонными (рис. 1).

Рис.1 Принцип работы циклонного фильтра.

1. вход воздуха,

2 выход воздуха,

3 уплотнительное кольцо,

4 контейнер (стакан),

5 направляющие лопасти,

6 сепаратор,

7 монтажный винт,

8 фильтроэлемент,

9 кнопка для ручного отвода конденсата,

10 конденсат.

Фильтры грубой очистки состоят из металлических или пластиковых нитей, образующих поры размером 5 или 40 мкм в зависимости от выбранного картриджа. В отличие от циклонного фильтра в нем отсутствует дефлектор. Фильтры тонкой очистки имеют фильтроэлементы тонкой очистки (1мкм), выполненные из мелкоячеистого не тканевого материала. Таким материалом могут быть переплетенные боросиликатные волокна. Удаление частиц происходит путем абсорбции, просеивания, диффузии, удержания электростатическим зарядом и захвата силами Ван дер Вальса.

На рис. 2 показана сепарация пыли. Твердые частички не могут проникнуть через волокна, а жидкие прилипают друг к другу, образуя большие капли, которые затем собираются в стакане фильтра (коалесцентные фильтры).

Рис 2. Сепарация пыли посредством нетканевых волокон.

1 среда фильтра,

2 слой проникнувшей пыли,

3 поверхностный слой пыли,

который необходимо очищать,

4 вход воздуха,

5 выход воздуха.

Микрофильтры (0,01 мкм). Принцип работы фильтра сверхтонкой очистки точно такой же, как и у фильтра тонкой очистки, с той лишь разницей, что в нем фильтрующий элемент имеет дополнительные слои с более высокой фильтрующей способностью.

Фильтры на основе активированного угля останавливают частицы размером более 0,003 мкм, такие как носители запаха. Активированный уголь имеет необычайно большую площадь внутренней поверхности (от 500 до 1500 кв. м/г) и обладает чрезвычайно высокой способностью адсорбировать даже самые маленькие частицы. Адсорбция происходит в особенно активных местах поверхности, таких как сочленения, углы, кромки, пересечения. Срок службы фильтра из активированного угля всегда продлевают с помощью предварительного фильтра и микрофильтра. Обычно фильтроэлемент угольного фильтра меняют через 1000 часов работы или когда появляется запах масла. Остаточное содержание паров масла после угольного фильтра (с предварительной фильтрацией) составляет всего 0,003 ppm, или, более привычно, 0,003мг/м3. Такие сверхмикрофильтры рекомендуется применять в пищевой, фармацевтической промышленности и в медицине. Часто необходимо удалить из воздуха запах. Использование активированного угля в качестве адсорбирующего материала для удаления запахов является наиболее распространенным способом. Однако, если сжатый воздух содержит следы газообразных загрязняющих веществ, таких как оксиды углерода и азота, метан, этилен, аммиак, соединения серы и т.п.,

он должен быть подвергнут очистке химическим каталитическим адсорбентом.

Окончательный выбор системы очистки возможен только после учета всех особенностей конкретного производственного процесса, ознакомления с документацией фирмы-производителя, тщательного анализа технических характеристик системы, решения проблем обслуживания и снабжения расходными материалами.