1 壓縮機空氣過濾器的作用
在壓縮空氣系統中,污染可以引起嚴重的問題。因為空氣是能夠被壓縮的,在壓縮過程中污染物粒子也被吸入壓縮機。在一個0.8MPa的系統中,污染物的數量在壓縮系統內被強化8倍。此刻,這些污染物粒子便可以導致使用壓縮空氣生產的產品遭受嚴重的破壞。這些污染物就是管道灰塵、磨損粒子、燃燒過程的煙灰以及微生物。大致可以分為三類:
大灰塵,粒子大小在10μm以上。
細小灰塵,其粒子大小在10~1μm之間。
最細小的灰塵,其粒子小于1μm。
對于較大的灰塵及雜質,從目前的技術水平來看還是容易除掉的,而清除那些為人們肉眼所看不見,一般以0.3~5μm為計測下限值的塵埃微粒是較困難的。這就要求在系統中采取過濾、清除手段除去這些灰塵。采用過濾的目的在于減少污染,但是,過濾器也是系統的污染源。隨著近幾年來潔凈技術的提高,國外大量優秀品牌濾器、濾材以及生產系統被引進,雖然有些現行的過濾器本身不會引起污染,但是只有我們了解和熟悉粒子的分布狀況及粒子的過濾技術,了解和掌握各種濾材的使用特性,才能提高系統的潔凈度,并生產出不產生污染的過濾器。這個認識,無論對用戶,還是生產廠家都很重要。選用一種什么樣的過濾裝置、什么種類的過濾材料,才能夠有效地除去這些灰塵微粒,也正是我們共同關注的問題。
2 壓縮空氣過濾器的選擇
壓縮空氣中的污染物主要有兩種,一種是被吸入壓縮機的大氣污染物,其中80％直徑在2μm以下;另一種是壓縮機的帶出物,呈煙霧狀態,消散開來便成為0.01~0.8μm的氣溶膠。
一般性質的過濾可以除掉大部份液體和固體物質微粒,其粒徑一般大于1μm,而要除掉非常微小的固體粒子以及油水的氣溶膠,就必須采用高效能的過濾器,這在技術上是比較復雜的。就其方法和機理而言,作任何一種嚴密的物理分類都是不可能的。比如:重力分離離心分離慣性撞擊直接攔截布朗擴散渦流擴散熱凝聚靜電沉降磁力淀析布朗凝聚聲波凝聚湍流沉淀在某種場合,對特殊類型的粒子來說,只有一種機理起主導作用,然而多數場合是多種機理的綜合作用。一般來講,主要靠直接攔截、慣性撞擊、擴散或布朗運動以及熱凝聚等。直接攔截主要針對氣流中較大的粒子(一般粒徑在1μm以上),在攔截過程中慣性撞擊亦會同時發生,因為夾帶固液粒子的氣流在流經濾材時,粒子由于重量和速度的作用,不可能讓氣流同步迅速地改變方向,所以也就不可能通過濾材那種彎彎曲曲的通路,從而撞在濾材上,使濾材捕捉到粒子,因此氣流中的固體粒子,其歷程到此便結束了。而液體粒子就不完全一樣,在流經濾材時,微小的粒子便趨向集結,最后匯聚在一處,結合為較大的液滴,并被推向濾材外部,形成一個飽和的液體區,然后排出器外,這也就是凝聚式過濾。這樣的過濾方式可除掉大于0.01μm的固體粒子,如果污染物少于全部重量的0.01/106,那么氣流中的固體、液體污染物便可全部清除。
對于一個好的過濾裝置應能滿足下列要求:過濾效率高,一般應能達到99.99％以上;同時阻力小,以保證過濾氣體壓力、流量變化不大。
過濾裝置本身結構不僅應能承受對應的壓力,而且氣密性要好。為確保濾效,濾材本身要具備一定的機械強度,承受一定的壓力,而且要耐氣流沖擊,使用過程中不破裂,不起毛、掉渣以及不發生氧化或表層剝離的現象。另外,濾材的壽命要長,更換、清洗要方便。
壓縮空氣過濾器按濾材的結構形式可分為“深度”過濾器、“網孔”過濾器,或深度、網孔結合型過濾器。
“深度”過濾器的濾材多為亂墊的纖維,燒結的粉末冶金以及多孔陶瓷等,其功能便是造成一種彎彎曲曲的流徑,以便當氣流通過時捕捉塵埃粒子。
“網孔”過濾器由多孔金屬、塑料、各種纖維織物和微孔濾膜等為主要的過濾元件。這種濾材孔隙大小比較均勻,孔隙率也比較高,凡是大于孔隙的塵埃顆粒都可以被濾除掉。如較多采用的用超細玻璃纖維織物、聚酯纖維編織物制成的濾芯,對于大于0.9μm的塵埃顆粒基本都可除去。
2.1纏繞型濾芯
這種濾芯目前應用較多,使用也較廣泛,一般不考慮反向吹洗和重復使用,基本上為一次報廢性濾芯。主要材質為人造絲、尼龍絲、聚丙烯纖維、玻璃纖維等。由于采用機械纏繞,不使用粘結劑,從而對介質的適應性較強,而且價格便宜。由于該形式屬于深層過濾,因此含塵量較大,但過濾精度不甚高,國外產品可除掉0.8μm以上粒子,國內為1μm。由于纏繞質量問題,在初投入運行時,在氣流沖擊下有纖維帶出的可能性。
2.2無紡布濾芯
這種濾芯主要是用乙烯基纖維素、聚丙烯、聚四氟乙烯的多孔薄膜與補強材料加工為圓筒型濾芯,目前市場上所售濾器多為這種濾芯的組合體,比如醋酸纖維素和硝酸纖維素以及兩種混合材料組成的微孔過濾器,不宜受稀酸、稀堿及無極性液體的腐蝕,但使用溫度不得高于75℃。聚四氟乙烯濾芯是用純泰氟隆制造的,適用于有機溶劑、強酸、強堿,其本身在化學上也是惰性的,使用溫度在-100~260℃時是穩定的。聚氯乙烯濾芯強度高、韌性強,耐中等強度的酸堿,使用溫度不宜高于65℃,否則會軟化,而且有毒,故在食品、制藥行業應用上要持慎重態度。
這種濾材的濾芯,無論是液體、氣體,都可除掉大于0.5μm的微塵顆粒,工作壓力一般為0.8~1.0MPa。
這種濾芯的一個很大優點是,當氣體透過時,過濾元件往往會帶靜電荷,這種靜電能夠阻止因懸浮的微小粒子侵入孔道深處而堵塞過濾元件,使粉塵呈松散狀態沉積于過濾元件表面,易于排掉和清洗。
2.3中空纖維組合濾芯
由于微孔分布比普通濾膜密集的多,在每平方厘米過濾面積中的微孔數量十分可觀,意味著最大的微孔數減少。普通膜式濾器具有最大的微孔尺寸為0.3μm,而中空纖維為0.1μm,這同時意味著中空纖維較長的使用壽命和氣體過濾的安全性。中空纖維膜盡管由100％的聚丙烯加工制造,然而由于具有較好的透水性能,故有時也用來做為氣體干燥,排除氣體中水份的干燥器的組件。但是這種濾芯是有缺陷的,一是加工復雜,二是自身在中空狀態下承受連續流動,但由于工況的突然變化而經常使得中空纖維膜破裂,從而導致濾器失效。另外,多束中空纖維與固定花板的連接處的嚴密性,強度的保證,也是困難的,當然這些也在不斷改進和克服之中,因此它不失為一種優良的過濾裝置。
2.4粉末冶金多孔濾材
這種濾材是用粉末冶金工藝制得的多孔金屬或多孔合金,它既具有普通多孔料體因多孔而具備的過濾特性,而又具有金屬的全部性能,是當前過濾材料中的一大類。
2.4.1粉末冶金多孔材料的特點
粉末冶金多孔材料具有優良的透過性能,適用于過濾、流體的均勻分布與滲透裝置等。作過濾器時,濾速大,如海綿鈦粉燒結材料制作的過濾器在電解用的硫酸鋅溶液過濾時,其濾速是陶瓷過濾器的6倍;青鋼粉燒結所制作的濾器流量可為紙褶疊過濾器的4倍,為棉紗過濾器的6倍,然而褶絨和棉紗過濾面積卻比粉末冶金材料要大得多。
孔徑與孔隙度可以控制,作為過濾材料時過濾精度高。當用于氣體分離時分離效果好,而用于儀器、儀表可以比較精確的控制流體的流動,如大家熟悉的離心式壓縮機油路系統采用40μm不銹鋼粉末冶金濾材代替以前的金屬網濾材,由于有效地防止了固體微粒的侵入,離心機軸承的壽命可以提高到10~20年,而且濾效為篩網濾器的3倍以上。
比表面積大,作熱交換材料時,可以提高熱交換效果。
能夠吸收能量,故可做為干燥器排氣的消音、防震和緩沖材料。
保持有一定的金屬與合金特性,如導熱、導電、焊接加工等,由于具有一定的強度和韌性,故可以在高壓條件下工作。
2.4.2具體應用
粉末冶金濾材應用的領域極為廣泛,并且還在不斷擴大:
過濾液體中的固體微粒,分離各種介質。如過濾飛機、坦克、般舶之類使用的要求細凈化(5~10μm)液體燃料、油和潤滑材料,原子能技術中液態金屬鈉、鋰的過濾。中子發射裝置,以及醫藥衛生用來過濾病毒、細菌。制備青、鏈霉素時用來過濾、生產無菌空氣以及從母液中分離青霉素、鏈霉素這樣一些抗菌晶體。分離氣體中的液體,如壓縮空氣中混合的水和油等。
過濾氣體,用來收塵、排水和控制氣體壓力。如精密儀器、儀表用氣體的凈化。回收放射性塵埃;高爐廢氣收塵,還可作為高壓氧、氮、氫、空氣等氣體的緩沖器。
通過這種材料后的氣體、液體變得均勻,同時可以防止通過材料后的液體沸騰現象及停氣時的液體倒流現象。
我部一些廠用這種材料凈化壓縮空氣,一些抗菌素制藥廠用來清除空氣中0.5~1μm的灰塵與細菌,使之變為無塵無菌壓縮空氣均達到了理想的效果。
圖1是美國“氣體盾牌一培恩塔“鎳基合金粉末冶金終端過濾器(Gas Shield PENTA)。流量特性、阻力大小同泰氟隆,而且價格與泰氟隆相近。殼體為316L不銹鋼,保用15年。
目前采用的粉末冶金多孔材料,材質多為青銅、低碳鋼、不銹鋼、鈦、鎳及其合金等。無論片狀、管狀其耐壓強度都在0.98~8.34MPa。
2.4.3粉末冶金濾材的安裝
因為這種濾材具有金屬的全部特性,故當需要更大尺寸、更大面積及形狀復雜的濾材時,可以用小尺寸濾材拼接來實現。拼裝方式可以卷邊、壓裝、螺栓緊固、鉚接、焊接、螺紋連接和粘結膠合等。
2.5多孔陶瓷及其它濾材
多孔陶瓷是在國外出現較早,同時耐壓較高的一種濾材,近年在應用上又呈上升的趨勢,使用效果根據使用條件的不同也很不一致,國內產品的使用壽命最短為6~8個月。因此為確保可靠性,多采用兩級,而且在高壓場合應用較多。
美國帕克過濾器(Parker),殼體為316L不銹鋼,內壁粗糙度僅為0.8μm。承壓最高可達3000lbf/in2(1lbf/in2=6.8948×10-3MPa),是一種終端使用點采用的超凈系列。國內產品目前尚未達到高精度、超凈的水平,而且用一段時間后,濾管外表面往往變粗糙,甚至掉渣出現蜂窩狀麻點以及變酥。
多孔陶瓷和玻璃這類濾材由于質脆、抗熱震性能稍差,且不能焊接等原因而不被廣泛應用。目前尚未發現超凈系列的國產陶瓷濾器產品。其它濾材像各種編織金屬網和刻蝕網,雖然強度大,透過性能好,但在高溫下網孔易于變形以及影響過濾精度,特別是制造工藝復雜、價格昂貴,也只能用于少數特殊部門。
各種濾材在各種不同的部門和場合都有具體使用,至于哪一種濾材比較理想,要綜合氣體壓力、流量、溫度、氣體潔凈度的要求程度,以及使用條件等諸因素,進行技術、經濟比較再確定,不能一概而論。隨著國外設備、技術的引進,經過消化吸收,轉化為我們自己的東西,我相信,用不了多久,國內知名品牌便會涌現,為壓縮空氣的潔凈技術提供方便和優越的條件。
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