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        過濾器的zui新研究進展及應用

          過濾器在系統中是一種不可或缺的過濾裝置,其目的在于過濾介質中的雜質,保證介質流通順暢及保護系統內部的重要元件[1]。當介質進入置有過濾網或其他過濾部件的濾筒后,雜質被阻擋,而其余的介質則由過濾器的出口排出。過濾器一般用于石油、煤炭、化工、食品、醫藥、造紙、水電廠、壓縮機、農田灌溉、空調制冷、污水處理以及油水分離處理等領域[2]。近年來,我國越來越重視環境保護以及資源的有效利用,不斷加大環保資金投入,加強政策引導。中共十七大報告指出,必須把建設資源節約型、環境友好型社會放在工業化、現代化發展戰略的突出位置,加大節能環保投入,重點加強水、大氣、土壤等污染防治,改善城鄉人居環境[3]。因此,這都預示著過濾器巨大的應用前景。
            1· 過濾器的基本分類
            過濾技術直接影響著過濾器的發展,同時也制約著過濾器的研發。按照過濾機理的不同,過濾技術一般可分為表層過濾、涂層過濾、深層過濾等。
            表層過濾:雜質的中徑大于濾網的孔隙,過濾器此時起到一種篩網作用,雜質會被濾網截留并快速流散到其他地方。
            涂層過濾:分離過程中添加一定量的助濾劑,一段時間后,會在濾網上形成一層穩定的過濾涂層,能夠產生較強的過濾作用。
            深層過濾:分離過程只發生在過濾器內部,雜質的中徑小于內部管道的孔隙,依靠其受到的慣性力與阻力的平衡吸附到管道表面,分離過程見圖1。
                         
            過濾器的分類較為復雜,在不同的行業都有著不同應用。按照種類的不同,過濾器可分為液壓過濾器、發動機過濾器、空壓機過濾器、空氣過濾器、流體過濾器等。
            液壓過濾器:在液壓系統中,能夠濾除過濾介質中的雜質。常見的有吸油過濾器、壓力管路高壓濾、回油過濾器、油箱空濾器、雙聯過濾器等。
            發動機過濾器:位于發動機進氣系統中,由一個或幾個清潔空氣的過濾器部件組成的總成。作用是濾除將要進入氣缸的空氣中有害雜質,以減少氣缸、活塞、活塞環、氣門及氣門座的早期磨損。常見的有燃油過濾器和機油過濾器??諌簷C過濾器:由空濾總成和濾芯組成,外部通過接頭和螺紋管連接到空壓機的進氣閥,從而濾除進入空氣中粉塵,顆粒等雜質。常見的有空壓機空濾器、油壓機油濾器和油氣分離過濾器。
            空氣過濾器:一般用于潔凈車間,潔凈廠房,實驗室及潔凈室,或者用于電子機械通信設備等的防塵。常見的有廂式過濾器、袋式過濾器、板式過濾器、密褶式過濾器等。
            流體過濾器:具有自潔作用的濾筒型過濾器,適用于清除流體中的雜質顆粒。常見的有板框式過濾器、藍式過濾器、筒式過濾器、管式過濾器、盤式過濾器、帶式過濾器、立式過濾器、針式過濾器、微孔過濾器、網式過濾器、Y型過濾器、U型過濾器、T型過濾器、自沖洗過濾器、袋式過濾器、機械過濾器等。
            過濾器內部的濾芯是其zui重要的過濾元件。濾芯的主要材料是過濾網,過濾網主要是編織網、紙制濾材、玻璃纖維濾材、化學纖維濾材以及金屬纖維濾材[4],濾芯的基本結構見圖2。
                       
            盡管過濾器有著結構簡單、造價便宜、使用方便等優點,但隨著人們對機械性能要求的不斷提高,傳統過濾器的局限性也日益凸顯。為了加快國家工業化進程,提高社會綠色化發展,增強人民節能化意識,開發新型過濾器迫在眉睫。本文主要介紹了過濾器的發展過程及在相關行業中的應用,闡述了各種過濾技術及其zui新的科研動態,明確了其未來發展趨勢。
            2· 過濾器的研究進展
            公元105年,蔡倫總結前人經驗,發明了造紙術,將植物纖維紙漿蕩于致密的細竹簾上,水經竹簾縫隙濾過,一層薄濕紙漿留于竹簾面上,干后即成紙張。在一世紀的羅馬,人們在提純水銀的時候用粗麻制成的面具對自身進行保護。zui早的過濾大多為重力過濾,后來為提高過濾速度采用了加壓過濾,進而又出現了真空過濾。一戰期間,由于各種生化武器的使用,以石棉纖維過濾紙作為濾煙層的防毒面具應運而生[5]。二戰期間,為滿足空中堡壘B-17轟炸機液壓油過濾的需要,英國人為波音公司發明了疊片過濾器,并獲得了。20世紀60~70年代,動態過濾器的出現,使其能夠去除難以過濾的雜質[6],其穩定的運轉、安全的工作、無須助濾器等優點得到業內界一致好評。20世紀80年代,瑞士的Rosenmund公司首先推出了一款名為Nutrex的多功能過濾器,主要用于精細化工生產。20世紀90年代,生物過濾器的發展,使其對VOCs的去除率可達95%,對惡臭物質的去除率可達99%[7]。近些年,我國的新型過濾器的研究雖然取得一定成果,在相關行業都有著不俗的表現,但與國外同類產品相比仍有差距。
            2.1 自清洗過濾器的研究
            自清洗過濾技術是新型的過濾技術,該技術是利用水壓自動清洗且不停止過濾[8]。而自清洗過濾器是一種將過濾介質中的雜質在一定條件下自動過濾的裝置[9],其優點與傳統過濾器相比不言而喻。
            對于自清洗過濾器的研究,國外比較早并起始于20 世紀中后期,比如Vehashkaya Amiad Si?nun較早提出了一種自動反沖洗過濾器,Anon很早就對自清洗過濾器有了很深的研究,JanHermene針對一種自清洗連續過濾系統,解決了濾網堵塞問題等[10-15]。目前像美國、以色列、德國、日本等具有不少研制和生產自清洗過濾器的公司和廠家,它們出品的自清洗過濾器擁有著各種型號和種類[16-22]。國內對自清洗過濾器的研究較晚,起始于21世紀初,比如李亞雄等人研制了一種自動清洗網式過濾器,楊萬龍等人研制了一種灌溉用疊片式自動反沖洗過濾器,張振軍等人研制了一種全自動吮吸式自清洗過濾器,成玉彪等人研制一種全自動清洗過濾器等[23-26]。國內外過濾器的相關參數見表1。

            隨著引進國外先進過濾器產品數量的增多,國內相關人士對自清洗過濾器的研究有著進一步的深入。郭米[27]等人研制的LZ型立式自清洗過濾器解決了臥式過濾器的占地面積大、制作成本高等缺點,提高過濾效率,使過濾精度≤120 μm。于明言[28]等人在自清洗過濾器中添加了西門子S7-200PLC電控系統,在水處理應用中效果,濾后水質良好,不僅降低了生產成本,還提高了該過濾器的穩定可靠性和抗干擾能力。翟國亮[29]等人對微灌用砂石過濾器反沖洗參數進行了試驗研究,雖然這些成果從一定程度上完成了過濾雜質的自動清洗,但其清理機構和傳動機構仍需外力驅動,進而增加了過濾器的制造和使用成本。滕守容、榮劍波[30]等人研制的臥式水力驅動自清洗過濾器,只需水力驅動便可自動清洗。中國農業大學的李光永[31]等人研制的全自動自吸附反沖洗網式過濾器,利用水流反作用力實現污物吸附,無須利用液壓驅動。張晶晶[32]等人研制的輻射自清洗過濾器,其實際處理效果明顯優于模擬實驗的處理效果。潘子衡[33]等人通過ANSYS建立有限元模型,導入CFX軟件,對改進后的自清洗過濾器吸污器進行計算流體動力學分析,結果表明改進后的過濾器的過濾效率明顯提高。
            2.2 石油化工過濾器的研究
            2006年我國石油凈進口1.6億噸,同年中國原油產量在1.84億噸,據估計,到2020年zui多能達到2億噸[34]。在石油行業如此如火如荼的形勢下,石油化工過濾器在其中的應用也日漸顯現出來。
            為了滿足各種油層條件對注入水質的要求,近些年開發出了各式各樣的過濾器,比如石英砂過濾器、輕質濾料過濾器、主微孔陶瓷過濾器、膜過濾器、纖維介質過濾器等[35]。隨著過濾器在油田應用的不斷深入,一些新型的石油化工過濾器也應運而生。李濤[36]設計的低壓反沖洗過濾器,是在原石英砂過濾器的基礎上改進而來的,該技術降低了反沖洗壓力,保證了反沖洗流量,提高了反沖洗效果,確保了濾后水質達標,改進后的結構見圖3。
                        
            朱之錦[37]等人研制的PTI-500精細過濾器,具有耐腐性能高、使用壽命長、綜合成本低、過濾面積大等優點,懸浮物顆粒直徑能達到0.5 μm以下。尹先清[38]等人研制的雙濾料過濾器是為了解決低滲漏油田回注污水水質不達標的問題,濾后水質指標為懸浮物固體含量≤3 mg/L,油含量≤5 mg/L,顆粒粒徑≤3 μm(占總顆粒體積的85%以上)。胡子斌[39]設計的微孔精細過濾器由過濾介質與機體結構兩大部分構成,經過檢測,懸浮物固體含量<1.0 mg/L,濾后水中機雜粒度中值≤1.0 μm。為了更好的處理油水分離,楊慶忠[40]提出了兩種新型過濾器,即改性纖維球過濾器和碰撞聚結式油水分離器。改性纖維球過濾器具有親水曾油性,反洗再生能力強等特點,有著更好的過濾效果;碰撞聚結式油水分離器由碰撞、聚油、過濾三部分原件組成,濾后含油量<10mg/L,懸浮物<17 mg/L,顆粒中徑<4 μm,過濾效果較好。劉興宇[41]通過對油田注聚含油污水纖維濾料過濾器的性能研究,發現濾后水中含油均值為8 mg/L,懸浮物含量均值為2 mg/L,粒徑中值≤2.0 μm。
            2.3 污水處理過濾器的研究
            我國的水資源相對匱乏,并且水的污染問題也較為嚴重。不管在什么行業,對于污水的處理一直都是該行業的頭等大事。因此,推廣合適的過濾器對污水進行處理是節約水資源、提高水資源利用率的有效途徑,尤其是在水資源緊缺的西北地區。
            疊片式過濾器是一種較為常見的污水處理過濾器(見圖4),它具有占地面積小、自動化程度高、運行維護費用低等特點,是當前污水處理領域中的先進技術[42]。
                        
            崔春亮[43]等人對國內外疊片過濾器的性能進行比較,研究結果表明,國內自主研發的疊片過濾器,其過流性能、抗壓能力和過濾精度均達到了國外同類產品的的技術水平。在工業污水處理中,還有一種zui為常見的是盤式過濾器,其過濾機理[44]是通過壓緊的塑料盤片實現表面過濾與深層過濾的組合。劉廣容[45]等人將國產、進口的盤式過濾器進行了工藝性能對比試驗,結果表明,在相同試驗條件下,兩種過濾器的工藝性能和出水水質都相近,國內相關產品與國外同類產品的差距逐步縮小。郭沂林[46]等人研制了一種節水灌溉用新型水力旋噴自動吸附過濾器,較傳統過濾器而言,其具有工作壽命長、工作效率高、自動化程度高等特點。鄭春生[47]通過研究發現,壓力式濾料過濾器在污水懸浮物較多的情況下能確保濾后水質的質量。其具有過濾速度高、處理水量大、占地面積小、操作簡單省力、不易出現故障,并且能實現單臺或者多臺過濾器系統PC自控等優點。在循環供水系統中使用可改善水質,提高水的循環利用率,以達到節約新水用量的目的,是當前工業水處理設施中必備的設備。陳穎敏[48]等人研制彗星纖維濾料過濾器在過濾和反洗時均有其獨特的優點。過濾時,能提高濾床的截污能力;反洗時,能提高濾料的洗凈度。
            2.4 其他過濾器的研究
            對于流化床顆粒層過濾器的過慮性能,國內外都有一定的研究。Joseph S. Mei[49]等人對采用方柱形過濾元件的二維流化床顆粒層過濾器的過濾性能進行測試。數據表明,濾后的氣流中,灰塵的平均尺寸大約為1.5 μm。華中理工大學的張世紅[50]等人在實驗室規模的三維冷態試驗臺上,用黃砂作床料,濾后的清潔氣流中,灰塵的平均粒徑為5 μm左右。針對礦井下水質差、環境惡劣,徐雙用[51]研制了一種新型反沖洗過濾器,設計采用了棘輪控制方式,具有結構緊湊、過流量大、操作簡單及成本低廉等優點。PALL公司研制的S1501過濾器[52]是高溫高壓的灰塵過濾設備,由于Shell煤化氣產生的灰塵從氣化爐排出,為保證下游壓縮機及催化劑的健康運行,該過濾器是否正常工作是Shell氣化裝置穩定的一個制約因素。Gabriel Beko[53]等人通過對F7袋式過濾器的研究,將活性炭與該過濾器結合,大大提高了其過濾性能。跟傳統玻璃纖維過濾器做對比,后者的過濾性能僅為前者的50%。
            3 ·過濾器未來的發展趨勢
            過濾器作為一個系統的重要部件,在未來的科技發展過程中擁有一個全新的地位,它將逐漸走向成熟,成為一個公共的研究對象。隨著我國機械化進程的不斷加快,過濾器在未來的發展會有以下幾個趨勢:
            (1)集成智能化[47]通過在過濾器上添加集成電路、電子芯片等一些裝置,使得過濾器擁有可識別功能,對即將過濾的介質進行仔細掃描,篩選出可通過的物質,對于其它物質予以阻止,達到快速過濾的效果,從而提高過濾的效率及準確度,避免二次過濾。
            (2)精密大型化隨著國際競爭的不斷加大,我國的機械設備逐漸向大型化方向發展,同時其對過濾器的要求也會不斷提高。為了便于過濾器適用于不斷大型化的機械設備上,使其能夠更好的跟機械設備相兼容,在選材、整體設計和結構分配上也會十分苛刻。
            (3)系統編程化由于一些特定的要求,過濾器會演變成為一個可編程化的系統出現,編程控制在其身上會充分體現。通過編程,過濾系統會在特定的時間、特定的溫度、特定的光線對輸送的介質進行過濾,對于排放出的物質會充分回收并再次過濾,以達到過濾的標準。
            4 ·結束語
            過濾器在各行各業都具有廣泛應用,然而在重要場合使用的過濾器多為國外制造,國內擁有自主知識產權的產品依然很少,現如今,低碳的概念悄然進入人們的生活,這對于國內過濾器以及整個行業是個嚴峻挑戰,培養相關人才和擴大產業規模是該行業的當務之急。面對國外相關產品對本國市場的強烈沖擊,產業的合理化建設尤為必要。1992年美國廠商供應全世界的評定過濾器性能用的“實驗粉末"的停產以及1999年評定液壓過濾器標準ISO4572的“壽終",無疑是對國際過濾器行業的一次震撼,因此,發展本國評定標準及改變相關產業結構顯得十分重要。

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