闡述多孔陶瓷過(guò)濾器的應(yīng)用

       萍鄉(xiāng)市新銳化工科技有限公司資深工程師給大家講多孔陶瓷過(guò)濾元件的主要特點(diǎn)及過(guò)濾機(jī)理, 陶瓷器的組裝結(jié)構(gòu)及其在過(guò)濾、分離技術(shù)中的應(yīng)用。
　　1、概述：
　　多孔陶瓷是一種以耐火原料為骨料, 配以結(jié)合劑等經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)而制成的陶瓷過(guò)濾材料, 其結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有大量慣通的可控孔徑的微細(xì)氣孔。它除具有耐高溫、高壓、耐酸、堿腐蝕等特性外, 還具有孔徑均勻, 透氣性高等特點(diǎn), 因此可廣泛用做過(guò)濾、分離、布?xì)夂拖舨牧?。?guó)外自五十年代起, 就開始應(yīng)用多孔陶瓷做過(guò)濾元件進(jìn)行上、下水凈化, 礦泉水除菌, 含油氣體凈化等。國(guó)內(nèi)對(duì)多孔陶瓷在過(guò)濾技術(shù)中的應(yīng)用研究雖起步較晚, 但目前以多孔陶瓷作為過(guò)濾元件組成的陶瓷過(guò)濾器, 在各行業(yè)的分離, 凈化領(lǐng)域中已得到較全面的推廣應(yīng)用。如石化行業(yè)中液一固, 氣一固分離, 制藥、釀造行業(yè)中的無(wú)菌凈化處理, 環(huán)保行業(yè)中高溫?zé)煔獬龎m等。目前, 陶瓷過(guò)濾器以其獨(dú)特的功能特性, 在各分離, 凈化領(lǐng)域中已成為一種不可替代產(chǎn)品。
　　2 多孔陶瓷過(guò)濾元件。
　　2.1 多孔陶瓷過(guò)濾材料性能。
　　多孔陶瓷材質(zhì)、規(guī)格種類繁多。其中國(guó)外生產(chǎn)的多孔陶恣材料材質(zhì)主要有硅酸鋁質(zhì), 粘土質(zhì)、剛玉質(zhì)、石英質(zhì)、碳化硅質(zhì)和硅藻土質(zhì)等。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的主要有剛玉質(zhì)、石英質(zhì)和硅藻土質(zhì)。 多孔陶瓷過(guò)濾元件材質(zhì)性能主要有下幾個(gè)方面：
　　孔徑: 表明制品開口氣孔大小, 這里是指制品的最大開口直徑。多孔陶瓷過(guò)濾元件孔徑可分為1、5、10、20、30、50、80、100、120、150、200、250、300Lm 系列。
　　氣孔率.: 制品中開口氣孔體積占總體積百分比V 開口/V 總×100%.
　　透氣性K: 是指1mmH2O 壓差下, 在單位時(shí)間lh 內(nèi)通過(guò)厚度lcm , 面積1m 2 的多孔陶瓷的干式氣體量(m 3)。
　　耐酸性: 多孔陶瓷制品經(jīng)20% 硫酸溶液煮沸1h 后其彎曲強(qiáng)度與腐蝕前彎曲強(qiáng)度比。
　　耐堿性: 多孔陶瓷制品經(jīng)20%N aOH 溶液煮費(fèi)1h 后, 其彎曲喲度與腐蝕前彎曲強(qiáng)度百分比。
　　耐溫性: 多孔陶瓷制品抵抗溫度變化而不破壞的能力。
　　2.2　多孔陶瓷過(guò)濾材料主要特點(diǎn)。
　　與其它過(guò)濾材質(zhì)相比, 多孔陶瓷作為過(guò)濾材料具有如下特點(diǎn)。
　　1) 　多孔陶瓷過(guò)濾材料孔隙率高, 最高可達(dá)60% 以上。孔徑均勻且易于控制。過(guò)濾精度高, 可達(dá)011Lm, 適用于各種介質(zhì)精密過(guò)濾。
　　2) 　耐酸堿性好?？蛇m用強(qiáng)酸(硫酸, 硝酸,鹽酸) , 強(qiáng)堿(氫氯化鈉等) 和各種有機(jī)溶劑的過(guò)濾。
　　3) 　機(jī)械強(qiáng)度高, 工作壓力可達(dá)6M Pa , 壓差可達(dá)1M Pa。
　　4) 　耐高溫, 具有良好的急熱急冷性能, 工作溫度最高可達(dá)800℃。適用于各種高溫氣體過(guò)濾。
　　5) 　過(guò)濾元件自身清潔狀態(tài)好, 無(wú)毒、無(wú)味, 無(wú)異物脫落, 可適用于無(wú)菌處理操作。
　　6) 　過(guò)濾元件使用壽命長(zhǎng), 長(zhǎng)期使用, 微孔形貌不發(fā)生變化, 便于清洗再生。
　　2.3　多孔陶瓷過(guò)濾元件過(guò)濾原理
　　多孔陶瓷的過(guò)濾是集吸附, 表面過(guò)濾和深層過(guò)濾相結(jié)合的一種過(guò)濾方式。堅(jiān)于液一固, 氣一固系統(tǒng)的過(guò)濾與分離來(lái)講, 其過(guò)濾機(jī)理主要為慣性沖撞、擴(kuò)散和截留。
　　慣性沖撞: 流經(jīng)多孔陶瓷過(guò)濾元件微孔孔道的流體中的雜質(zhì)顆粒, 由于慣性而與微孔孔道壁接觸而被捕捉。慣性沖撞與雜質(zhì)顆粒直徑的平方成正比, 與流速及流體粘度成反比。擴(kuò)散: 雜質(zhì)顆粒由于布朗運(yùn)動(dòng)而離開流線和微孔孔道壁接觸, 從而被捕捉。擴(kuò)散捕捉和流速及流體粘度成反比。
　　截留: 雜質(zhì)顆粒由于比微孔孔道大而被捕捉, 屬表面過(guò)濾。截留只與雜質(zhì)顆粒的大小有關(guān), 而與流速, 流體粘度沒(méi)有關(guān)系。
　　當(dāng)流體流經(jīng)多孔陶瓷過(guò)濾元件時(shí), 大于過(guò)濾元件微孔徑的顆粒被截留在表面形成濾餅層, 小于多孔陶瓷陶瓷孔徑的顆粒由于慣性和受布朗運(yùn)動(dòng)影響而離開流線和微孔道壁接觸,仍有部份顆粒被截留在表面或沉積在多孔陶瓷孔道內(nèi)。由于多孔陶瓷微孔通道迂回曲折, 加上流體介質(zhì)在多孔陶瓷表面形成的架橋效應(yīng)及慣性沖撞和布朗運(yùn)動(dòng)影響, 因此其過(guò)濾精度要比本身孔徑高的多。如10Lm 孔徑多孔陶瓷過(guò)濾元件, 當(dāng)過(guò)濾介質(zhì)為液體時(shí), 其過(guò)濾精度為1Lm 當(dāng)過(guò)濾介質(zhì)為氣體時(shí), 其過(guò)濾精度達(dá)0.5Lm。
　　陶瓷過(guò)濾器運(yùn)行一定周期后, 由于過(guò)濾元件內(nèi)部通可能被流體介質(zhì)中顆粒雜質(zhì)堵塞, 表面濾餅層增厚, 導(dǎo)致過(guò)濾阻力增大, 流速降低時(shí), 可以通過(guò)氣體反吹, 液體反洗或氣一液混洗的方式再生, 而使具基本恢愎到初始狀態(tài)水平。因此定時(shí)反吹、反洗, 能大大延長(zhǎng)多孔陶瓷過(guò)濾元件的使用壽命。
　　3 多孔陶瓷過(guò)濾器
　　3.1　陶瓷過(guò)濾器的組裝結(jié)構(gòu)。
　　陶瓷濾器主要由多孔陶瓷過(guò)濾元件, 拉桿、花板和殼體組成。根據(jù)過(guò)濾元件的規(guī)格, 形狀不同和過(guò)濾方式不同, 過(guò)濾器的組裝結(jié)構(gòu)主要有板式, 單管式和多管式等種, 其中多管式陶瓷過(guò)濾器應(yīng)用較廣。下圖所示為多管式陶瓷過(guò)濾器中最常用的兩種組裝結(jié)構(gòu)。
　　燭形陶瓷過(guò)濾器安裝較方便, 密封性好, 適用于安裝小口徑的陶瓷過(guò)濾元件, 過(guò)濾面積大, 可以達(dá)到20m 2。但該結(jié)構(gòu)過(guò)濾元件抗機(jī)械沖擊, 熱沖擊性能較差, 因此適用于低壓液體過(guò)濾。
　　拉桿式陶瓷過(guò)濾器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,但抗機(jī)械沖擊, 熱沖擊性能好, 可適用各種介質(zhì)過(guò)濾。
　　3.2　陶瓷過(guò)濾器過(guò)濾效率主要影響因素。
　　1) 過(guò)濾精度: 是指能夠?yàn)V除流體介質(zhì)中最小固體雜質(zhì)顆粒的粒徑大小, 單位Lm, 前面已經(jīng)提過(guò), 對(duì)于陶瓷過(guò)濾器來(lái)講, 其過(guò)濾精度可達(dá)到0.1Lm。
　　影響陶瓷過(guò)濾器過(guò)濾精度主要因素是多孔陶瓷過(guò)濾元件的最大微孔直徑。對(duì)于同一流體介質(zhì)來(lái)講, 孔徑愈小, 則過(guò)濾精度愈高, 反之愈低。其次, 工作壓力對(duì)過(guò)濾精度也有微弱影響。
　　一般來(lái)講, 對(duì)液體介質(zhì), 其能過(guò)濾掉的雜質(zhì)顆粒大小約為陶瓷過(guò)濾元件孔徑的1/5 —1/10。對(duì)氣體介質(zhì), 由于布朗運(yùn)動(dòng)在氣體中比液體中活潑, 擴(kuò)散捕捉作用增大, 其截留雜質(zhì)顆粒大小約為過(guò)濾元件孔徑的1/15—1/25。
　　2) 過(guò)濾速率Q: 既單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)陶瓷過(guò)濾器的流體介質(zhì)質(zhì)量, 單位m 3?h。由于多孔陶瓷的過(guò)濾是一種集慣性沖撞, 擴(kuò)散和截留相結(jié)合的過(guò)濾方式, 因此, 流體介質(zhì)的粘度、介質(zhì)工作壓力, 過(guò)濾元件本身的微孔性能等對(duì)其過(guò)濾速率都有較大影響。理論上講:
　　Q 　∝ 　A △PEnKD r6/L G
　　上式中A —過(guò)濾器過(guò)濾面積, △P—過(guò)濾器進(jìn)出口工作壓差, E—過(guò)濾元件孔隙率。n—指數(shù)(2—4) , K—透氣系數(shù),D—過(guò)濾元件微孔直徑,L —過(guò)濾元件厚度, G—流體介質(zhì)粘度?？梢钥闯? 多孔陶瓷孔徑愈大, 孔隙率愈高, 工作壓差愈大, 則流量愈大, 而隨著多孔陶瓷壁厚增加, 粘度增大, 流量迅速減小。
　　4 陶瓷過(guò)濾器的主要應(yīng)用
　　4.1 液體過(guò)濾
　　1) 化工液體過(guò)濾。主要用于化學(xué)工業(yè)中酸、堿性液體過(guò)濾, 石化行業(yè)中航空煤油, 柴油過(guò)濾, 各種有機(jī)液體過(guò)濾等。如化纖行業(yè)中丙烯晴(N 2)單位過(guò)濾, 合成橡膠工業(yè)中丁基鋁催化劑過(guò)濾,制藥行業(yè)中的青霉素, 鏈霉素等針劑過(guò)濾。洛陽(yáng)石油化工總廠油品車間采用20—30Lm 的石英質(zhì)陶瓷過(guò)濾管進(jìn)行航空煤油過(guò)濾, 其過(guò)濾精度0.8Lm, 濾速達(dá)到10m 3/h 以上, 運(yùn)行三年來(lái), 效果一直很好。天津堿廠采用剛玉質(zhì)陶瓷過(guò)濾管進(jìn)行碳酸鎂液過(guò)濾, 濾速也達(dá)到1m 3/h 長(zhǎng)期運(yùn)行, 效果很好。采用陶瓷過(guò)濾器進(jìn)行液體過(guò)濾與相同介質(zhì)過(guò)濾的極框壓濾機(jī)相比, 投資可減少40% 以上, 效率提高2—4 倍。
　　2) 水過(guò)濾: 主要用于工業(yè)廢水處理, 生活用水、礦泉水, 超純水的制備等。如采用孔徑80—100Lm 多孔陶瓷過(guò)濾器進(jìn)行工業(yè)廢水處理, 處理能力為10—20m 3/m 2h, 過(guò)濾精度5Lm 懸浮物去除率> 95%。采用孔徑2—4Lm 的硅藻土質(zhì)陶瓷過(guò)濾器進(jìn)行生活用水, 礦泉水的無(wú)菌處理, 濾速可達(dá)到2—3m 3/m 2h。采用孔徑為0.8—2Lm 的陶瓷過(guò)濾器, 可以做注射液的消毒液的消毒過(guò)濾, 電子行業(yè)和光學(xué)透鏡研磨用純水和超純水制備。
　　4.2 氣體過(guò)濾
　　主要用于各種壓縮氣體的含油, 雜質(zhì)處理化工催化氣體精濾, 制藥、釀造行業(yè)中無(wú)菌空氣凈化以及高溫?zé)煔獬龎m等。如采用陶瓷過(guò)濾器進(jìn)行風(fēng)機(jī), 壓縮機(jī)含油氣體處理, 凈化后氣體含油量小于15ppm , 去除效率99.5% 以上。采用孔徑60—80Lm 陶恣過(guò)濾器可以進(jìn)行石化行業(yè)中干氣過(guò)濾。采用孔徑20Lm 的陶瓷過(guò)濾器可以進(jìn)行制藥、啤酒等釀造行業(yè)發(fā)酵用無(wú)菌空氣處理, 采用40—60Lm 的陶瓷過(guò)濾器則可以進(jìn)行高溫?zé)煔? 如化鐵爐, PFBC 燃煤鍋爐排放煙氣除塵凈化, 工作溫度可達(dá)800℃, 3Lm 以上塵埃粒子去除效率≥ 99% , 而阻力降小于500mmH2O , 同樣, 采用陶瓷過(guò)濾器還可以進(jìn)行水霧分離, 氣體分離等。
　　此外, 多孔陶瓷過(guò)濾元件還可用作布?xì)獠牧稀Ｈ绨l(fā)酵工業(yè)中利用嗜氣性細(xì)菌時(shí), 采用多孔陶瓷管(或板) 吹入空氣。污水處理中, 采用多孔陶瓷螺氣板進(jìn)行充氧曝氣。上、下水殺菌時(shí), 吹入氯氣、臭氧等。多孔陶瓷過(guò)濾元件還可以做各種電解液的氣體發(fā)散元件, 以及用做流化床和粘料輸送板等。
　　5 結(jié)束語(yǔ)
　　多孔陶瓷及過(guò)濾器以其自身具有的諸多優(yōu)點(diǎn), 使其在相當(dāng)廣地范圍內(nèi)能有效地替代傳統(tǒng)的過(guò)濾材料, 如尼龍篩網(wǎng)、纖維濾布、多孔塑料和粉未冶金多孔材料等, 并開拓了這些材料所不能應(yīng)用的領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見, 隨著多孔陶瓷材性及過(guò)濾技術(shù)的不斷提高, 多孔陶瓷過(guò)濾器將會(huì)自成體系, 在我國(guó)的氣體分離, 凈化和液體精濾方面起非常重要作用。但縱觀各方面情況, 目前的陶瓷過(guò)濾器在應(yīng)用方面仍存在不少問(wèn)題。1)人們對(duì)這方面認(rèn)識(shí)不足。目前應(yīng)用領(lǐng)域還比較窄。2) 陶瓷過(guò)濾器自動(dòng)化控制和配套技術(shù)水平不高。3) 高性能的陶瓷膜過(guò)濾器尚需進(jìn)一步研制開發(fā)。隨著這些問(wèn)題的逐步解決, 人們可以發(fā)現(xiàn), 陶瓷過(guò)濾技術(shù)在我國(guó)的分離, 凈化領(lǐng)域中將會(huì)起到舉足輕重的作用

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