金属丝网过滤器性能影响因素研究
    摘要： 对金属丝网过滤器性能的影响因素进行了综合分析， 为过滤器的良好运行提供建议。在分析过滤机理的基础上， 从过滤效率、压降、残余压降三个方面， 分析了过滤器性能的影响因素， 包括丝网结构、循环次数、过滤速度、流体浓度及温度、颗粒粒径、滤饼的可压缩性、最大允许压降、反吹压力等。结果表明， 各因素之间互相影响， 实际过滤过程中须综合考虑， 以达到过滤器的预期性能。
   关键词： 金属丝网； 过滤效率； 压降； 残余压降
   中图分类号： ＴＱ０２８．８； ＴＦ１２５．６    文献标识码： Ａ 文章编号： １００５－ ８２６５（ ２００７） ０１－ ０００５－ ０３
    金属丝网过滤器是一种新型的多孔功能材料， 它具有理想均匀的孔径分布和优异的流体渗透性能， 强度高、能较好地承受热应力及冲击、可进行机械加工、焊接、清洗再生， 尤其适用于高洁净度、高安全性的净化系统。目前， 以刚性烧结金属丝网材料为核心的净化分离技术与设备的开发应用， 已被列入国家“九五”重点科技成果推广项目。分析过滤器性能的影响因素， 对于降低过滤成本、优化过滤器的设计、延长过滤器的寿命均有指导意义。
    １ 金属丝网过滤机理
     金属丝网的过滤过程主要包括以下 ４ 个阶段［１］：
   （１）过滤起始阶段， 杂质颗粒随流体经过丝网介质时沉积于洁净丝网表面， 此时主要靠拦截和扩散机理。此时还没有形成连续的颗粒层， 压降损失较小。
    （２） 过滤中间阶段， 逐渐形成连续的过滤层， 即滤饼。此时过滤孔径缩小， 粉尘的拦截沉积作用大幅提高， 过滤效率急剧升高， 压差迅速升高。
    （３）过滤稳定阶段， 此阶段主要靠滤饼的过滤筛分作用， 丝网起着形成滤饼和支撑加强作用， 这时的过滤机理主要为筛分。这时的压差变化缓慢， 相对中间阶段近似不变。
    （４） 过滤反吹阶段， 随着滤饼的不断增厚， 需要进行在线清洗， 实现过滤器的循环再生。此时除尘效率略有下降， 至此完成一个过滤周期。
    金属丝网过滤器的性能评估包括三个方面， 即过滤效率、压降和残余压降。过滤效率为过滤器出口与过滤器入口的杂质量之比。压降是由于丝网表面的颗粒沉积产生的， 压降达到预先设定的最大值时， 过滤器需要清洗再生。残余压降是由于过滤和再生循环之后过滤介质内一些沉积的颗粒无法移除干净而产生的。
    过滤效率高说明颗粒被拦截的比例大， 所得流体纯度高。但单纯追求过滤效率， 会对过滤器的寿命产生负面影响。压降高导致过滤运行成本高。清洗再生效果不理想会导致残余压降升高， 当升高至某极限时过滤过程由于压力损失过高以及循环时间过短而变得不经济， 此时需要更换过滤介质。这种情况需要尽量避免。图 １ 为典型的压降与残余压降变化曲线。

               
    ２ 过滤效率的影响因素
      金属丝网的过滤效率可用下式计算：

     
      其中， Ｎｄｏｗｎ 为过滤器出口的杂质颗粒数目； Ｎｕｐ 为过滤器入口的杂质颗粒数目。
      过滤效率主要与过滤介质的结构有关， 即杂质粒径与过滤介质孔径之比［２］。同时还包括过滤介质的孔隙率。粒径与孔径之比越大， 杂质被拦截的几率也越大，过滤器出口的杂质数量越低， 过滤效率越高。很重要的一点是， 单独考虑粒径或孔径并不能表征过滤效率。此外， 孔隙率增加时， 杂质透过丝网的几率也增加， 过滤效率相应较高。
   此外， 过滤效率随着过滤循环次数的增加而升高这是因为， 过滤器在清洗再生过程结束之后， 其表面仍残留有部分未被清洗干净的颗粒， 这些颗粒在之后的过滤过程中， 起到新的过滤介质的作用［３］。
    ３ 压降的影响因素
    整个过滤介质的压降由 ３ 部分组成： 流体在纯流体区的压降、在丝网介质中的压降以及在滤饼中的压降。流体区的压降变化很小， 相对与其他两项压降损失相比所占比例小； 丝网介质中的压降符合达西定律：
          
      其中， △Ｐ 为多孔介质内的总压降， δ为多孔介质的厚度， ｕ 为多孔介质内的平均速度， μ为流体粘度， ｋ为过滤介质渗透率。随着滤饼的不断形成， 除了滤饼厚度增长外， 孔隙率不断减小， 共同的作用结果使压降快速升高。压降的影响因素具体分析如下：
     ３．１ 过滤速度
    随着过滤流速的增加， 压降增加的速度也逐渐加快。这是由于提高流速在过滤初始滤饼形成阶段， 会有更多的颗粒堵塞滤芯的孔隙， 直到滤饼形成时压降已经很高了。所以提高过滤速度要以压降的急剧升高为代价。
    文献［４］指出： 常温下， 滤速对烧结金属丝网过滤效率的影响不大， 随着滤速的增加， 烧结金属丝网过滤效率略有提高。因此， 适合于在高滤速下工作， 滤速的增加不会带来过滤效率的降低。
    ３．２ 流体浓度
    在同一流速下， 流体浓度越大， 压差升高得越快。因为浓度的提高， 在相同的过滤速度下， 颗粒堵塞孔隙的几率越大， 造成过滤压差增加变快。
    ３．３ 流体温度
   文献［５］指出， 对于金属过滤器， 压降与过滤流体的温度有关。温度高时， 由于热胀冷缩， 导致孔径增大， 压降降低。
    ３．４ 颗粒粒径
    对于粒径越小的颗粒， 压降增长得越快。因为固体颗粒粒径越小， 越容易进入过滤介质内部， 堵塞滤芯内的孔隙， 过滤通道减小， 导致过滤压降升高。相反， 粒径较大的颗粒， 越容易在滤芯表面形成架桥， 而阻止小颗粒进入介质内部形成绝对的堵塞。压差增加得比较缓慢， 有利于过滤过程的进行。
    ３．５ 滤饼的可压缩性
    对于不可压缩滤饼， 压降在过滤初始阶段增加的比较快， 之后随着滤饼厚度的增加而线性增加。这是因为金属丝网在过滤初始的滤饼形成阶段， 由于颗粒直接堵塞滤芯内部的孔隙， 而导致压差增长很快。在滤饼形成后， 压差的增长主要是由于滤饼的不断增厚而导致的， 所以增长速度变缓。
    对于可压缩滤饼， 压降则呈指数增加， 并很快达到最大允许压降， 而且循环周期非常短， 过滤器寿命也短。
    ４ 残余压降的影响因素
     残余压降是由于过滤器再生之后， 残留在过滤介质内部深处无法彻底清除的杂质颗粒引起的。滤饼的可压缩性是残余压降的主要影响因素， 此外还包括最大允许压降、过滤速度等。
     ４．１ 滤饼的可压缩性
     可压缩滤饼的过滤行为比不可压缩滤饼要复杂得多。对于不可压缩滤饼， 残余压降一般保持在一个较低值， 且在循环过程中基本恒定。而对于可压缩滤饼， 由于粒子间的作用力相对较小， 几个过滤再生循环之后，残余压降升高非常快。
     文献［６］中利用图 ２ 分析了残余压降的变化机理。其中， 过滤介质被分为两层， Ｌａｙｅｒ Ｉ 和 Ｌａｙｅｒ ＩＩ。Ｌａｙｅｒ Ｉ代表过滤介质的上部区域， 该区域内的杂质颗粒能被完全清除。Ｌａｙｅｒ ＩＩ 代表过滤介质的下部区域， 该区域内的杂质颗粒不能被清除， 即 Ｌａｙｅｒ ＩＩ 层内的颗粒将增加过滤器的残余压降。
                
     过滤初始阶段，ＬａｙｅｒＩ内为空，粒子可渗透Ｌａｙｅｒ而进入ＬａｙｅｒＩＩ，并被拦截在ＬａｙｅｒＩＩ的上半部分，如图 ２ 所示的灰色区域。若滤饼层足以承受压力， 即滤饼为不可压缩性的， 粒子将在 Ｌａｙｅｒ Ｉ 层内被捕捉， 并被清除干净。若滤饼为可压缩性的， 则越来越多的粒子将进入更深的区域 Ｌａｙｅｒ ＩＩ， 此时残余压降将增加得非常快。
    进一步分析指出， 滤饼的压缩性取决于压缩应力△Ｐｋ 与可承受应力 ｆ 之比， 并可通过其比值预测残余压降的变化。
    ４．２ 最大允许压降△Ｐｍａｘ
     过滤过程结束之后， 过滤器需要再生时的压降即为最大允许压降△Ｐｍａｘ。最大允许压降较高时， 过滤时间相对较长， 形成的滤饼更厚， 过滤介质内部产生的压缩应力更大。这意味着， 增加△Ｐｍａｘ将导致过滤介质内部颗粒的压缩， 即导致更高的残余压降。
    ４．３ 反吹压力
     反吹压力是指利用储气罐的高压气体反吹时的压力。文献［７］对 ５ 种不同反吹压力进行了对比实验， 发现反吹压力越高， 残余压降上升得越缓慢。但若反吹压力过高， 会造成二次卷吸。另一方面， 若反吹压力刚刚达到再生要求， 随着循环次数的增加， 从某一时刻起， 丝网表面某些区域堆积的粉尘会迅速增厚， 导致丝网内外压差增大而使反吹压力达不到此时的再生要求。因此， 应选择一个恰当的反吹压力， 既能保证过滤器的长周期稳定运行， 又能节省反吹气体耗量。
    ４．４ 过滤速度
     过滤速度对残余压降的影响包括两个方面。首先，过滤速度增加时， 滤饼层压降也增加， 总压降更高， 即压缩应力也更高。残余压降将升高。其次， 过滤速度的增加将提高过滤效率， 这意味着更多的过滤介质的上部将有更多的杂质颗粒被拦截， 而渗透至过滤介质深处的杂质颗粒将减少。残余压降将降低。实际上， 这两个方面密不可分。
    ５ 总结
    通过分析金属丝网过滤器的过滤行为， 研究得出影响过滤性能的主要因素有： 颗粒粒径与丝网孔径之比、过滤再生循环次数、过滤速度、流体浓度及温度、滤饼的可压缩性、最大允许压降， 反吹压力等。因此， 过滤过程中， 须综合考虑以上因素， 不能单独追求过高的过滤效率而忽略压降和残余压降的变化， 否则会导致运行成本过高而且缩短过滤器的寿命。