介绍

  过滤在工业品中以及使用液体作为机器能量来源或辅助工具是最广泛的应用之一。
 
  除了诸如离心,沉降,浮选旋流等固液分离技术外,过滤是最通用的一种。不论设备和操作原理多么不尽相同,也不论分离的范围如何:如从固液混合物中分离固体,或是给液体设定一个净化度或制定的固体悬浮物浓度等,绝大部分的问题都可以通过过滤器来解决。
 
  过滤器的滤材担负着关键角色。为了要满足分离过程和技术的需求,各种各样的滤材被开发出来。如何选择滤材是一个困难的任务:首先,过滤的需求有时并未被过滤器的用户所清晰地定义出来,这就意味着滤材用户有时根本就不知道客户的需求;其次,由于技术和资金的原因,已有的不同滤材在各种不同的特定环境的下的能力也很难被测定。
 
  一些试验因此会在实验室环境下开展,以尽可能真实地模拟真实工况,并量化滤材的属性及其将要实现的功能的关系。
 
  各个专业组织创建自己的测试方法和标准是一种对滤材性能的简化和澄清的方法。
 
液体过滤的应用

  罗列所有过滤过程的应用不是本文要讨论的范围:除非是一本书或对《过滤器和过滤手册》(1)的阅读概要可以做到,即便不是导向性的应用,对如此概述性的命题也是最好的基础。
 
  与其他固液分离技术相比,利用多孔固态滤材的过滤特性有其重要的功能是让所有液体以最小的流阻通过的同时部分或全部阻留住固体杂质。由于这样的拦截通常在滤材表面和其多孔结构中发生,各种关系也在发生着变化,孔被杂质堵塞而减少,渗透性降低,压差增加,流量降低,这些参数变化到其最大/最小可接受值,然后过滤过程必须被停止,滤材需要被反向冲洗或者滤清器需要被更换。因此,从根本上来说,过滤是一个不连续的过程,只有技术上的解决方案/改进可以让整个操作过程变得连续。
 
  基于测试方面的考虑,我们应该记住过滤应用可以被分为两个家族:
 
  • 从液体中提纯阶段的浓度 和/或 脱水。比方说如下一些例子:矿物提炼、纸浆生产、淤泥脱水,矿物或煤的处理,配药和化工方面的沉积物收集等等。
  • 通过利用滤清 和/或 净化的方法使其固态物质含量降低到期望的浓度。常见的例子有:所有类型发动机的燃油和润滑油过滤,饮料和饮用水,机床冷却,核电站液体,微电子加工化学,所有化学的和制药的液体等等其他很多。
  在第一个应用中,属性,尤其是多孔介质的性能起较小的决定性作用因为其分离过程主要是依靠颗粒的沉降来操作,称之为cake。相反,在滤清过程中,悬浮液连续地与滤材亲密地接触,任何滤材缺陷将影响过滤过程的质量和过滤效率。
 
过滤原料和滤材

  《滤材手册》(2)和一些类似手册对于市场上可以找到的各种各样滤材做出了很详细的解释。作为总结,我们采纳以下的分类:
  • 颗粒状滤材:由多种类型材质(硅石,碳,纤维素)制成的单独的圆形颗粒,它们主要被用作澄清液体和收集固体的密集(厚)层(从作为预涂的几毫米到作为深度滤材的上千毫米)。它们可更换或可清洗。
  • 纤维:它们被用作独立颗粒(也可被归类到上面的类别)在细的层,但主要被联合和组合成固态网格状:纸张,无纺布,平板,团块…… 它们在纤维素,玻璃,聚合物,碳或不锈钢,他们的主要区别:聚合物涂层,烧结,高温连结。
  • 金属盘:清一色为利用穿孔或电镀工艺在所有可用金属上制孔的材料。
  • 膜:厚度薄(小于1毫米)带有孔径小于10微米及狭窄分布,它们可用于有机物(纤维素硝酸盐,醋酸盐或酯,聚砜类,聚碳酸酯,尼龙,聚偏氟乙烯……)和无机物(碳,锆石,陶瓷,金属,玻璃……)。它们的多孔性和孔的形状取决于他们的加工过程(烧结,边缘增强,溶剂浇铸,拉伸……)

 

 
 
 过滤器

 

  本文并非要纵览和描述市场上所有可用的滤材,也并不会罗列所有过滤器,只是简单提及。如果需要完整的纵览文章,请向IFTS寻求文档服务(wu.zhigang@filtertesting.com)或浏览前面提及的文献。

  • 袋式过滤器(沙,活性炭)在封闭或开放油箱中配合反冲回路使用。
  • 带式过滤器使用筒状的丝网来支撑合成纤维或可持续有规律地滤除杂质的金属织网和无纺布。
  • 烛式过滤器采用的是封闭外壳和由织网,烧结的小珠子,层叠片等制成的有多种孔径的垂直圆柱体滤芯。
  • 旋转鼓(桶)状过滤器,通常包括应用于负压和正压的不同的部分,在含有杂质悬浮液的半圆筒中进行旋转。杂质形成块状后可以被清洗而且可以用刀将一层薄薄的杂质刮除或完全在外部区域。
  • 片状或盘状过滤器通常在封闭的垂直或水平包装内带有页片。页片有一面或两面覆盖金属网。杂质块可通过反向流量,振动或旋转来去除。
  • 旋转圆盘式过滤器有多种技术:类似旋转鼓状过滤器或片状过滤器或层叠过滤器。它们通常允许连续的过滤过程。
  • 盘式过滤器为带有紧密页片或滤室的垂直或水平的盘子。它们必须可有规律地开启以允许清除杂质或替换页片。
  • 筒式过滤器是封闭的垂直壳体,其中可装有包括多种技术的可移动的滤芯:折楞的,成块的…
  • 膜过滤器可以是在各种几何形状的封闭的外壳内覆盖了非常薄的各种形式的膜:管式,带凹坑的纤维,薄片或螺线切口…… 它们在压力下工作并且通过的流体允许连续的过滤过程。
  • 离心式过滤器有横向或纵向穿孔的,内部装有过滤料的旋转的碗构成。清除杂质可以是人工的或自动的。如同许多其他稳定的可重复使用的过滤器一样,它们也支持连续的过滤,干燥,清洗杂质过程。

 

 
 
过滤器选择指导

 

  对于给定的应用选择最好的过滤器应该基于需要达到的目标,要分离的产品的属性,废弃处置的可行性,健康和环境进行有序的考虑,所有技术数据应以经济性数据来加以衡量。

  NF X 45-600是一个很好的能够帮助工程师定义过滤过程的标准:“固体-液体 分离 定义固液分离设备”(3)

  第一步是确定过程特性:液体的最小、最大和名义流量,操作循环时间,过滤质量,上下游连续操作,允许的压差损失等等……  然后必须知道悬浮液的一些物理和化学特性:

  • 液体特性:比如化学种类,粘度,pH值,比重,温度和其他(氧化性,可燃性,腐蚀性,毒性……)
  • 固体特性:浓度,种类,颗粒尺寸和形状分布,比重,可溶性或其他类似的特性。

  最后,操作过程本身的特性也必须予以考虑:可能的预处理,温度,上下游压力,整体要求,自动化程度,允许 和/或禁用材料,环境要求(噪音,振动,气体,CIP等……)和尺寸及重量要求。

 
 

滤材的选择

  最理想的滤材选择方法是在产品进行分离工作的过程中使用实际工况来进行评估。但在许多情况下,并非所有的行业,时间,程序和预算方面的原因都允许对供应商的技术数据做出预选的。

  然后就需要可用的书面的测试方法,其中描述了如何测量相关参数的操作条款,滤材使用的能力和特性。有证据显示,任何这样的物理参数,取决于用来测试它们的条件。

  因此,就有了对标准测试方法的需求。标准化是包括过滤行业内多家厂商之间(滤材和过滤器生产厂,专家,最终用户和测试实验室)对测试操作环境,如何表述测试结果,定义每个测试所需的技术用词后产生的协议。若标准的测试方法仅仅参考滤材生产商的手册,最终用户针对他们实际需求选择滤材的工作将大大减少。

  大约有三十种关于选择滤材的标准可以被罗列。并非是为了审查所有这些标准的细节而只是简单回顾一些主要的:

  • 固有的和结构的特性描述了独立于其用途的固体结构和渗透性;
  • 液压特性确定了滤材对液流的影响。这方面的知识是定义滤材和计算过滤过程中能量损失所必须的;
  • 由于性能特性直接影响粒子保留能力以及堵塞的方式,因此他们也是很关键的。如综合的液压特性,发生时间;
  • 兼容性是通用术语,定义所有的相互作用(除液压和性能)之间的过程或机器,悬浮液和多孔介质可能影响,通常是负面的,它们的初始属性;

  最好的滤材是那种可以在技术性和经济性方面提供平衡的滤材,特别是有时候过滤,回收杂质,循环使用长度和对这些标准进行选择过程中有互相矛盾的要求时。

 

结构和固有特性

  当过滤介质是由单独的颗粒构成,无论其松紧,对其进行优化必须要知道颗粒尺寸和形状的分布参数。

  尺寸分布直接影响孔隙率,杂质排列和最终一致性,堵塞和反冲过程,过滤效率,循环时间以及其他很多过程环境。

  孔隙率,用无效体积与表面体积之比来定义,以百分数的形式(而不是微米)来表述,其与孔径分布(用微米来表示)一样都是滤材内部结构几何的主要特性参数。它们对于过滤效率,压差,容尘量和可“反向冲洗”的能力都有直接影响。

  滤材表面的物理化学属性,比如表面电位,可湿性,粗糙度及其他都会对滤材捕捉杂质颗粒和过滤效率,容灰量以及寿命有直接的影响。

  固有特性控制着过滤过程。但用它们的结果来预测过滤结果虽然简单但并不现实。举个例子,由于金属网的孔径分布非常狭窄,允许对于使用玻璃球测试的初始绝对效率进行较低误差幅度的预测,但只要一发生堵塞,其过滤能力的评级就会发生改变。

 

 

 

液压方面的特性

  滤材在液体流动过程中对其的影响是了解过滤器尺寸/优化过滤器的关键参数。渗透性(Bo)是用来评定该参数的一个值。它是通过测量当一定粘度(µ)的液体以一定的流量(Q)通过一定厚度(e)的给定滤材面积(A)时的压差 (ΔP)。达西等式如下:

Bo = µ * Q * e / A * ΔP

  渗透性是用来比较和排序滤材性能时的基准值。

  另一个方法是测量液体以给定流量(Q)通过滤材的时的全面压差(ΔP)并绘出曲线ΔP = f(Q)。Q可以被v取代,液体的流速(v = Q / A)

 
 

性能特性

  滤材的性能通过一种或多种过滤特性或者通过比较这些特性在上游和下游的值来确定。

  过滤效率(E%),如:被滤除掉的杂质所占上游总杂质量的百分比,可通过测量悬浮液的全面参数(浊度,浓度)或利用颗粒计数器测量不同颗粒的数量。然后,可绘出过滤效率vs颗粒尺寸的曲线(图1)。

典型的效率曲线图
图1:典型的效率曲线图

  杂质悬浮液的所有特性,悬浮固体和液体都将直接影响测试的效率结果,这也使得将测试方法标准化得到高度推荐。也因为这个原因,只有在同一测试环境下得到的试验结果才具备可比性。

  标准化委员会召集各领域的专家(液压动力,汽车,航空航天,饮用水,膜制造商,泳池过滤商,医药……)来共同寻找能尽可能模拟过滤器真实工况下的实验室环境:这也解释了不同的试验标准使用的试验液可能是矿物油,燃油或水;试验杂质可以是炭黑,金属氧化物,细菌或二氧化硅。效率测试可以用清洁的过滤样品(初始效率)或针对整个堵塞过程(平均或最小效率)。图1的效率曲线可用于定义过滤器在微米级别的过滤效率值。

  最新的一些标准(EN 13343-2, ISO 19438)已经通过修正相关效率值和修改措辞“参考”以与现存但商业的和不明确的“名义”和“绝对”效率来澄清对于过滤效率的定义。

  绝对效率只有在标准环境下测试可以通过清洁滤材的最大直径的玻璃珠时才是可参考的。

  过滤效率曲线和“参考”等级是液体过滤滤材应用的关键参数,与此同时绝对滤除率与杂质过滤相关性更高。

  因为对于高效的滤材来说,在持续堵塞的过程中,我们有必要知道杂质的质量,预过滤体积或滤材需要更换或清洗前已经使用的时间。这一现象我们可以通过杂质拦截能力(容灰量)来测量。下面的插图(图2)是几种测试标准下的堵塞曲线。曲线的形状类似于效率曲线,是试验环境,试验液和杂质共同作用的结果。

典型的堵塞曲线
图2:典型的堵塞曲线

 


其他特性:“兼容性”

  我们在本节中总结所有那些会对过滤效率带来负效应的特性以及那些在生产过程和液体对滤材完整性的特性。

  如果滤材的材质在被过滤液体中溶解或迁移将直接影响到过滤的效果:这通常是通过介质迁移,提取和泄漏试验来进行测试的。

  相反地,滤材内在特性可能会被“极限”的流体环境,高温,氧化,高/低的PH值,光线降解等等因素而改变。一些测试标准坚持对比被测样品测试前滤材特性和经过恒定或加速环境测试后的滤材特性。

  一些机械动作比如折楞,较高或循环的压差,拉伸或压缩,这些可能会改变滤材的性能或降低其寿命。其他标准解释了如何测量这些限制。

  一旦所有这些技术数据可通过标准试验得到,要保证过滤产品与所有声明的性能值有可比性,过滤工程师必须应用包括以下几步的选择矩阵。

  首先是使用过程中的兼容性(化学的,热学的……),有时会是几年,滤材的结构和特性将不会改变并且被过滤的液体没有机会因为滤材的复合物而改变

  其次是应用的环境。考虑可用空间,可接受的重量,安全要求,连续的过程和一些不同种类滤材的“非过滤”参数的打开或关闭。

  然后是被过滤液体中残余杂质的可接受程度,这定义了过滤器的过滤效率,也直接决定了选择何种级别的滤材。例如,微孔过滤参考过滤精度低于1微米,这如果使用烧结纤维是不可能做到的,但几乎所有的全合成高分子膜都可实现此要求。

  最后,过滤循环的时间取决于技术(可反冲或可消耗的)和滤材的尺寸,即其过滤面积。表面积(㎡)将直接影响在指定的液体杂质水平(g/m³)和液体流量下(m³/小时)的单位面积容灰量(g/㎡)和寿命(h)。

  最终的选择总是如图3和图4所示结果的折中选择结果。

 典型的效率试验中下游颗粒计数(单通)
图3:典型的效率试验中下游颗粒计数(单次通过)


 典型容灰量试验时的堵塞曲线(单次通过)
图4:典型容灰量试验时的堵塞曲线(单次通过)

 

  依据这些结果,药剂师会愿意选择能保证最低污染程度的过滤器A,即便其容尘量是最低的。

  相反地,一个连续的化学过程则需要有着高容尘量的过滤器C。比如,需要减少更换频次即便过滤器的质量不能在刚开始过滤时保证严格满足需求。

 

结论

  液体过滤器是一系列使用滤材作为扮演关键角色的工业产品的代表。

  对给定应用做出最恰当、最合适的滤材选择必须基于上述的这些必须测量的技术特性并且测试需声明在标准的条件下进行以使得这些数据具备可比性,与实际不偏离。

  性能和液压方面的特性在过滤应用中的重要性相对来说较低。如:实际效率可由杂质属性确保。直到需要考虑它们时,因为他们会影响连续的过滤过程和时间,这时就需要评估各方面的兼容性。

 

 

BIBLIOGRAPHY(参考文献)

T.C. Dickenson (1997) “Filters and Filtration Handbook”, 4th edition – Elsevier Advanced Technology, Oxford (UK).

D.B. Purchas and K. Sutherland (2002), “Handbook of Filter Media”,  2nd edition, Elsevier Advanced Technology, Oxford (UK).

NF X 45-600: “Solid-liquid separation – Specifications for defining solid-liquid separation equipment”, AFNOR, Saint-Denis, (F).