金屬絲網(wǎng)過(guò)濾器詳細說(shuō)明

金屬絲網(wǎng)過(guò)濾器是一種新型的多孔功能材料， 它具有理想均勻的孔徑分布和優(yōu)異的流體滲透性能， 強度高、能較好地承受熱應力及沖擊、可進(jìn)行機械加工、焊接、清洗再生， 尤其適用于高潔凈度、高安全性的凈化系統。目前， 以剛性燒結金屬絲網(wǎng)材料為核心的凈化分離技術(shù)與設備的開(kāi)發(fā)應用， 已被列入“九五”重點(diǎn)科技成果推廣項目。分析過(guò)濾器性能的影響因素， 對于降低過(guò)濾成本、優(yōu)化過(guò)濾器的設計、延長(cháng)過(guò)濾器的壽命均有指導意義。
    １ 金屬絲網(wǎng)過(guò)濾機理
     金屬絲網(wǎng)的過(guò)濾過(guò)程主要包括以下 ４ 個(gè)階段［１］：
   （１）過(guò)濾起始階段， 雜質(zhì)顆粒隨流體經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)介質(zhì)時(shí)沉積于潔凈絲網(wǎng)表面， 此時(shí)主要靠攔截和擴散機理。此時(shí)還沒(méi)有形成連續的顆粒層， 壓降損失較小。
    （２） 過(guò)濾中間階段， 逐漸形成連續的過(guò)濾層， 即濾餅。此時(shí)過(guò)濾孔徑縮小， 粉塵的攔截沉積作用大幅提高， 過(guò)濾效率急劇升高， 壓差迅速升高。
    （３）過(guò)濾穩定階段， 此階段主要靠濾餅的過(guò)濾篩分作用， 絲網(wǎng)起著(zhù)形成濾餅和支撐加強作用， 這時(shí)的過(guò)濾機理主要為篩分。這時(shí)的壓差變化緩慢， 相對中間階段近似不變。
    （４） 過(guò)濾反吹階段， 隨著(zhù)濾餅的不斷增厚， 需要進(jìn)行在線(xiàn)清洗， 實(shí)現過(guò)濾器的循環(huán)再生。此時(shí)除塵效率略有下降， 至此完成一個(gè)過(guò)濾周期。
    金屬絲網(wǎng)過(guò)濾器的性能評估包括三個(gè)方面， 即過(guò)濾效率、壓降和殘余壓降。過(guò)濾效率為過(guò)濾器出口與過(guò)濾器入口的雜質(zhì)量之比。壓降是由于絲網(wǎng)表面的顆粒沉積產(chǎn)生的， 壓降達到預先設定的大值時(shí)， 過(guò)濾器需要清洗再生。殘余壓降是由于過(guò)濾和再生循環(huán)之后過(guò)濾介質(zhì)內一些沉積的顆粒無(wú)法移除干凈而產(chǎn)生的。
    過(guò)濾效率高說(shuō)明顆粒被攔截的比例大， 所得流體純度高。但單純追求過(guò)濾效率， 會(huì )對過(guò)濾器的壽命產(chǎn)生負面影響。壓降高導致過(guò)濾運行成本高。清洗再生效果不理想會(huì )導致殘余壓降升高， 當升高至某極限時(shí)過(guò)濾過(guò)程由于壓力損失過(guò)高以及循環(huán)時(shí)間過(guò)短而變得不經(jīng)濟， 此時(shí)需要更換過(guò)濾介質(zhì)。這種情況需要盡量避免。圖 １ 為典型的壓降與殘余壓降變化曲線(xiàn)。
               
    ２ 過(guò)濾效率的影響因素
      金屬絲網(wǎng)的過(guò)濾效率可用下式計算：
           

其中， Ｎｄｏｗｎ 為過(guò)濾器出口的雜質(zhì)顆粒數目； Ｎｕｐ 為過(guò)濾器入口的雜質(zhì)顆粒數目。
      過(guò)濾效率主要與過(guò)濾介質(zhì)的結構有關(guān)， 即雜質(zhì)粒徑與過(guò)濾介質(zhì)孔徑之比［２］。同時(shí)還包括過(guò)濾介質(zhì)的孔隙率。粒徑與孔徑之比越大， 雜質(zhì)被攔截的幾率也越大，過(guò)濾器出口的雜質(zhì)數量越低， 過(guò)濾效率越高。很重要的一點(diǎn)是， 單獨考慮粒徑或孔徑并不能表征過(guò)濾效率。此外， 孔隙率增加時(shí)， 雜質(zhì)透過(guò)絲網(wǎng)的幾率也增加， 過(guò)濾效率相應較高。
   此外， 過(guò)濾效率隨著(zhù)過(guò)濾循環(huán)次數的增加而升高這是因為， 過(guò)濾器在清洗再生過(guò)程結束之后， 其表面仍殘留有部分未被清洗干凈的顆粒， 這些顆粒在之后的過(guò)濾過(guò)程中， 起到新的過(guò)濾介質(zhì)的作用［３］。
    ３ 壓降的影響因素
    整個(gè)過(guò)濾介質(zhì)的壓降由 ３ 部分組成： 流體在純流體區的壓降、在絲網(wǎng)介質(zhì)中的壓降以及在濾餅中的壓降。流體區的壓降變化很小， 相對與其他兩項壓降損失相比所占比例??； 絲網(wǎng)介質(zhì)中的壓降符合達西定律：
                 

其中， △Ｐ 為多孔介質(zhì)內的總壓降， δ為多孔介質(zhì)的厚度， ｕ 為多孔介質(zhì)內的平均速度， μ為流體粘度， ｋ為過(guò)濾介質(zhì)滲透率。隨著(zhù)濾餅的不斷形成， 除了濾餅厚度增長(cháng)外， 孔隙率不斷減小， 共同的作用結果使壓降快速升高。壓降的影響因素具體分析如下：
     ３．１ 過(guò)濾速度
    隨著(zhù)過(guò)濾流速的增加， 壓降增加的速度也逐漸加快。這是由于提高流速在過(guò)濾初始濾餅形成階段， 會(huì )有更多的顆粒堵塞濾芯的孔隙， 直到濾餅形成時(shí)壓降已經(jīng)很高了。所以提高過(guò)濾速度要以壓降的急劇升高為代價(jià)。
    文獻［４］指出： 常溫下， 濾速對燒結金屬絲網(wǎng)過(guò)濾效率的影響不大， 隨著(zhù)濾速的增加， 燒結金屬絲網(wǎng)過(guò)濾效率略有提高。因此， 適合于在高濾速下工作， 濾速的增加不會(huì )帶來(lái)過(guò)濾效率的降低。
    ３．２ 流體濃度
    在同一流速下， 流體濃度越大， 壓差升高得越快。因為濃度的提高， 在相同的過(guò)濾速度下， 顆粒堵塞孔隙的幾率越大， 造成過(guò)濾壓差增加變快。
    ３．３ 流體溫度
   文獻［５］指出， 對于金屬過(guò)濾器， 壓降與過(guò)濾流體的溫度有關(guān)。溫度高時(shí)， 由于熱脹冷縮， 導致孔徑增大， 壓降降低。
    ３．４ 顆粒粒徑
    對于粒徑越小的顆粒， 壓降增長(cháng)得越快。因為固體顆粒粒徑越小， 越容易進(jìn)入過(guò)濾介質(zhì)內部， 堵塞濾芯內的孔隙， 過(guò)濾通道減小， 導致過(guò)濾壓降升高。相反， 粒徑較大的顆粒， 越容易在濾芯表面形成架橋， 而阻止小顆粒進(jìn)入介質(zhì)內部形成絕對的堵塞。壓差增加得比較緩慢， 有利于過(guò)濾過(guò)程的進(jìn)行。
    ３．５ 濾餅的可壓縮性
    對于不可壓縮濾餅， 壓降在過(guò)濾初始階段增加的比較快， 之后隨著(zhù)濾餅厚度的增加而線(xiàn)性增加。這是因為金屬絲網(wǎng)在過(guò)濾初始的濾餅形成階段， 由于顆粒直接堵塞濾芯內部的孔隙， 而導致壓差增長(cháng)很快。在濾餅形成后， 壓差的增長(cháng)主要是由于濾餅的不斷增厚而導致的， 所以增長(cháng)速度變緩。
    對于可壓縮濾餅， 壓降則呈指數增加， 并很快達到大允許壓降， 而且循環(huán)周期非常短， 過(guò)濾器壽命也短。
    ４ 殘余壓降的影響因素
     殘余壓降是由于過(guò)濾器再生之后， 殘留在過(guò)濾介質(zhì)內部深處無(wú)法徹底清除的雜質(zhì)顆粒引起的。濾餅的可壓縮性是殘余壓降的主要影響因素， 此外還包括大允許壓降、過(guò)濾速度等。
     ４．１ 濾餅的可壓縮性
     可壓縮濾餅的過(guò)濾行為比不可壓縮濾餅要復雜得多。對于不可壓縮濾餅， 殘余壓降一般保持在一個(gè)較低值， 且在循環(huán)過(guò)程中基本恒定。而對于可壓縮濾餅， 由于粒子間的作用力相對較小， 幾個(gè)過(guò)濾再生循環(huán)之后，殘余壓降升高非?？?。
     文獻［６］中利用圖 ２ 分析了殘余壓降的變化機理。其中， 過(guò)濾介質(zhì)被分為兩層， Ｌａｙｅｒ Ｉ 和 Ｌａｙｅｒ ＩＩ。Ｌａｙｅｒ Ｉ代表過(guò)濾介質(zhì)的上部區域， 該區域內的雜質(zhì)顆粒能被完全清除。Ｌａｙｅｒ ＩＩ 代表過(guò)濾介質(zhì)的下部區域， 該區域內的雜質(zhì)顆粒不能被清除， 即 Ｌａｙｅｒ ＩＩ 層內的顆粒將增加過(guò)濾器的殘余壓降。
                      過(guò)濾初始階段，ＬａｙｅｒＩ內為空，粒子可滲透Ｌａｙｅｒ而進(jìn)入ＬａｙｅｒＩＩ，并被攔截在ＬａｙｅｒＩＩ的上半部分，如圖 ２ 所示的灰色區域。若濾餅層足以承受壓力， 即濾餅為不可壓縮性的， 粒子將在 Ｌａｙｅｒ Ｉ 層內被捕捉， 并被清除干凈。若濾餅為可壓縮性的， 則越來(lái)越多的粒子將進(jìn)入更深的區域 Ｌａｙｅｒ ＩＩ， 此時(shí)殘余壓降將增加得非?？?。
    進(jìn)一步分析指出， 濾餅的壓縮性取決于壓縮應力△Ｐｋ 與可承受應力 ｆ 之比， 并可通過(guò)其比值預測殘余壓降的變化。
    ４．２ 大允許壓降△Ｐｍａｘ
     過(guò)濾過(guò)程結束之后， 過(guò)濾器需要再生時(shí)的壓降即為大允許壓降△Ｐｍａｘ。大允許壓降較高時(shí)， 過(guò)濾時(shí)間相對較長(cháng)， 形成的濾餅更厚。