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21世紀(jì)給化學(xué)工業(yè)帶來了許多經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的挑戰(zhàn)。變化的主要推動力包括市場全球化，改善環(huán)境的需求，利潤率、生產(chǎn)率和改變生產(chǎn)力的要求。未來化學(xué)加工工業(yè)的競爭優(yōu)勢將是來自專利技術(shù)和技術(shù)訣竅。隨著環(huán)境影響和能源效率的提高，新的經(jīng)濟(jì)性高產(chǎn)量和高質(zhì)量工藝的特點(diǎn)將是許多工業(yè)化生產(chǎn)裝置都具有好的環(huán)境保護(hù)能力和高的能效。

很多化工產(chǎn)品和工藝都包含固體(顆粒)處理過程。過濾技術(shù)提供了一種通過機(jī)械分離(借助于專利設(shè)計的過濾器和獨(dú)特的運(yùn)行系統(tǒng))減少固體顆粒的方法。過濾能提高產(chǎn)品的純度，增加生產(chǎn)能力，減少污染物的排放(盡量減少或防止對水和空氣的污染)，并為過濾器下游的貴重設(shè)備提供保護(hù)。過濾技術(shù)的進(jìn)步包括以連續(xù)工藝代替陳舊的間歇工藝技術(shù)。成本節(jié)省包括有害排放物的減少和由于新技術(shù)而帶來的勞動力節(jié)省。全自動的過濾系統(tǒng)能與工廠的工藝控制相結(jié)合。

固體減少包括清除工藝廢液和清洗溶劑中的懸浮顆粒?；厥盏囊后w可被循環(huán)用作其他進(jìn)料。廢棄物的最小化包括回收或再循環(huán)中有害固體物質(zhì)和丟棄至垃圾處理場無害物質(zhì)的減少。過濾能減少廢水中的BOD(生物耗氧量)、COD(化學(xué)耗氧量)、TSS(總懸浮顆粒)和TOC(總有機(jī)碳)，根據(jù)國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)，上述指標(biāo)是目前排放物測量的主要參數(shù)。

1 過濾的基本原則

過濾的基本原則主要是確保過濾介質(zhì)的合理設(shè)計，特有介質(zhì)的最佳選擇和為每一種過濾應(yīng)用設(shè)計過濾器。可以考慮兩種主要的過濾方式，如深層過濾和表層過濾。深層過濾時粒子是在介質(zhì)中被捕獲，而表層過濾是粒子被截留在表面上，最后形成塵餅。

表層過濾主要是一個粗濾(過篩)的裝置，將過濾器表層前面的粒徑大于過濾介質(zhì)孑L徑的粒子分離掉，阻止大粒徑粒子進(jìn)入或通過氣孔。后來的粒子積累形成塵餅，隨著更多的粒子流進(jìn)入過濾介質(zhì)，塵餅增厚。塵餅良好的較小的孑L徑結(jié)構(gòu)使其分離的粒子比過濾介質(zhì)分離的粒子更細(xì)，但是塵餅在過濾過程中必須有足夠多的孑L以允許連續(xù)的氣流通過。操作可以在壓力增加的連續(xù)流動或壓力降低的連續(xù)流動下進(jìn)行。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的表層過濾器不是十分光滑或沒有很均勻的孑L徑結(jié)構(gòu)，會發(fā)生一些深層過濾，因而將會影響過濾器的壽命。

深層過濾主要用于微小粒子的分離上，例如保護(hù)下游的設(shè)備不被阻塞和腐蝕，保護(hù)催化劑不中毒和產(chǎn)品提純。粒子進(jìn)入介質(zhì)中，隨后被其多層結(jié)構(gòu)所捕獲。該多層結(jié)構(gòu)阻止了介質(zhì)的過早阻塞，并增加了介質(zhì)容納污物的能力和在線壽命。因?yàn)榱Ｗ釉诮橘|(zhì)的深層被捕獲，所以需要進(jìn)行離線清洗。離線清洗可通過溶劑、超聲波振動、高溫分解、水蒸氣清洗或用循環(huán)水清洗來完成。介質(zhì)可以打褶，這是將空間尺寸和成本降到最低的一種構(gòu)形。

了解過濾器去除氣流中粒子的能力是過濾器成功設(shè)計和運(yùn)行的關(guān)鍵。對于載有少量粒狀雜質(zhì)的流體采用內(nèi)部多孔介質(zhì)捕獲粒子的方法過濾是高效獲得粒子的關(guān)鍵。燒結(jié)金屬的結(jié)構(gòu)提供了一個曲折的路徑，可在其內(nèi)部將粒子捕獲。捕獲的粒子在介質(zhì)表面形成塵餅，新捕獲的粒子在以前沉積的粒子之上。這類過濾器的壽命取決于其容污能力和相應(yīng)的壓降。對于載有大量粒子的流體，現(xiàn)行的過濾設(shè)備是濾餅過濾。生成的濾餅超過了過濾元件，變成過濾層并產(chǎn)生附加的壓降。壓降隨著負(fù)載粒子的增加而增加。一旦在過濾循環(huán)中達(dá)到最終的壓力，過濾器就用潔凈的氣體反吹或沖洗掉濾餅。如果過濾介質(zhì)的孑L徑選擇正確，介質(zhì)的壓降能被恢復(fù)到初始壓降。但是，如果粒子在前面的流動中沉積在多孑L介質(zhì)內(nèi)部，并逐漸充填，那么過濾器的壓降在清洗循環(huán)之后可能不會完全回復(fù)。

過濾比率受到喂入粒子濃度、粘度和溫度因素的影響。過濾器運(yùn)行模式可以是恒定壓力，恒定流動率，或是過濾過程中壓力上升而流動率下降。如果粒子很快阻塞達(dá)到壓力極限，或是塵餅過濾的容塵已滿，即使沒有達(dá)到極限壓力，過濾循環(huán)都會被終止。滲透性用相對于壓降的流動率來表示，受到過濾器類型、流體溫度和固體載量的影響。

1．1 燒結(jié)金屬粉末介質(zhì)

燒結(jié)金屬介質(zhì)通過把金屬粉末壓成多孑L薄片或管狀物制成，然后再用高溫?zé)Y(jié)。具有代表性的燒結(jié)金屬粉末介質(zhì)的掃描電子顯微鏡照片見圖1。粉末細(xì)度、壓制和燒結(jié)操作綜合因素決定了孑L的尺寸和分布、多孔組件的強(qiáng)度和滲透性。燒結(jié)金屬介質(zhì)的孔徑用ASTME．128來測定。介質(zhì)等級的確定相當(dāng)于孑L的平均水平或過濾器孑L的平均尺寸。燒結(jié)金屬介質(zhì)有幾個等級，0．1、0．2、0．5、1、2、5、10、20、40和1O0。介質(zhì)等級在0．2～20的過濾級別，液體過濾等級是絕對值為1．4～35μm，氣體過濾等級為0．1～100μm。

由薄片或管狀物構(gòu)成的濾筒是一個全焊接結(jié)構(gòu)。設(shè)計和制成的過濾介質(zhì)是穩(wěn)定的多孔基體，具有精確的始沸點(diǎn)特性、精密的厚度偏差和均勻的滲透性，因而可確?？煽康倪^濾性能、高效的反沖洗性和長時間的在線服務(wù)壽命。

1．2 燒結(jié)金屬纖維介質(zhì)

金屬纖維過濾介質(zhì)由很細(xì)的金屬絲(1．5～80μm)均勻地鋪放，形成三維的非織造布結(jié)構(gòu)并在連接點(diǎn)進(jìn)行燒結(jié)構(gòu)成的，具有代表性的燒結(jié)金屬纖維過濾介質(zhì)的掃描電子顯微鏡照片見圖2。這些介質(zhì)是專門為表層或深層過濾器而設(shè)計的。利用每一層由不同直徑的纖維構(gòu)成的單層或多層復(fù)合的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)最佳的工作性能，例如壓降、過濾效率、粒子負(fù)載能力和介質(zhì)強(qiáng)度。多層復(fù)合材料采用分級設(shè)計，因此容污的能力更高，壽命期望值也更長。過濾器最終等級由使用的每層介質(zhì)的面密度及其纖維組成，以及層與層的結(jié)合狀況來決定。高孔隙率結(jié)構(gòu)(達(dá)85％)可提供非常高的滲透性，因而壓降很低。

由各種金屬合金構(gòu)成的金屬纖維過濾器特性，對于氣體過濾允許在高溫、高壓和有腐蝕性氣體等極端的情況下使用。燒結(jié)金屬過濾器的基本優(yōu)點(diǎn)是：強(qiáng)度大，斷裂韌性好，耐高溫、高壓，抗高熱沖擊，耐腐蝕，易清潔，全焊接組裝和工作壽命長。

金屬纖維介質(zhì)比金屬粉末介質(zhì)擁有更高的孔積率，因此導(dǎo)致較低的壓降。對于在高溫或腐蝕性的環(huán)境中的應(yīng)用，Bekaert已經(jīng)研究出了除AISI316L以外的新合金纖維。Inconel 601和Fecralloy兩種產(chǎn)品被應(yīng)用于高溫場合(分別高達(dá)560~C和1 000~C)，而合金HR可以耐高達(dá)600~C的溫度和潮濕的腐蝕環(huán)境。

金屬過濾器的內(nèi)在韌性保證了連續(xù)的反脈沖運(yùn)行，延長周期。對于高溫應(yīng)用領(lǐng)域需要添加另外的標(biāo)準(zhǔn)，如蠕變疲勞作用和高溫腐蝕機(jī)件。半永久性介質(zhì)的過濾器性價比好，因?yàn)樵撨^濾器的停機(jī)時間最短，能用最少的人員進(jìn)行停車和自動操作，且極少維修。

過濾介質(zhì)的合理選擇，包括合適的孔徑、強(qiáng)度和耐腐蝕性，使其能在粒子滯留下長期地高效運(yùn)行。液體的過濾等級是絕對值在2～35μm之間，氣體的過濾等級是0．1～1Oμm之間。

2 過濾器設(shè)計

液固分離的過濾器設(shè)計是選擇能提供符合要求的過濾，最小程度的反沖洗或噴吹以及最大的產(chǎn)量。三種類型的過濾器結(jié)構(gòu)描述如下：

(1)從外向內(nèi)過濾：傳統(tǒng)液固隔板分離發(fā)生在封閉端管式過濾器部件的外部邊界(LSP)。已證實(shí)充有氣體的水脈沖反沖洗是清洗燒結(jié)多孔金屬過濾器最有效的方法。

(2)從內(nèi)向外過濾：液固隔板分離發(fā)生在封閉端管式過濾器部件的里面(LSI)。LSI的反沖洗型式有全程反沖洗、空殼反沖洗、空殼和空的濕塵餅反沖洗、空殼卸除濕塵餅。

(3)從內(nèi)向外多級過濾：液固隔板式流動分離發(fā)生在開放式的管狀過濾器元件(LSM和LSX)的內(nèi)部。元件密封在兩個管狀薄片里，因而允許從頂部或底部進(jìn)料。LSM過濾器擁有進(jìn)料再循環(huán)的特點(diǎn)，已經(jīng)在幾個連續(xù)的密封反應(yīng)器系統(tǒng)得到證明。向下的速率控制著催化劑塵餅的厚度，速率越低塵餅越厚。過濾器反沖洗模式與LSI反沖洗模式相似，也包括碰撞和凝聚式的反沖洗，允許固體物質(zhì)在過濾器的元件或殼體內(nèi)不排盡。連續(xù)的密封反應(yīng)器系統(tǒng)可以不要求反沖洗。

過濾系統(tǒng)的能力要考慮到高流速和固體含量增加的需要。過濾單元適合于間歇或連續(xù)工藝。在流速允許，并且在反沖洗前的幾分鐘內(nèi)即可停止流動，或者可以進(jìn)行離線維護(hù)的工藝，建議采用單室的過濾系統(tǒng)；對于需要連續(xù)流動和只允許短時間離線維護(hù)的工藝，建議采用兩個過濾器的雙重系統(tǒng)；對于即使在維護(hù)階段也可連續(xù)運(yùn)行的工藝，建議采用三個過濾器的系統(tǒng)。

1985年首次在油漿的連續(xù)過濾中過濾中使用了采用從內(nèi)向外(LSI)HyPulse過濾技術(shù)的燒結(jié)金屬過濾器。該裝置證明了燒結(jié)金屬介質(zhì)適用于為改進(jìn)碳纖維工藝使用的油漿高溫過濾。過濾器成功運(yùn)行多年，生產(chǎn)了固體含量少于20×10“的潔凈油料，后來因產(chǎn)品需求少而被關(guān)閉。此后，全世界的煉油廠都認(rèn)識到在油漿運(yùn)轉(zhuǎn)中采用燒結(jié)金屬介質(zhì)過濾去除催化劑細(xì)粒的好處。

20世紀(jì)90年代許多LSI過濾系統(tǒng)被安裝用于流化催化裂化(FCC)工藝中油漿的過濾。最大的連續(xù)過濾系統(tǒng)使用(3)66”LSI過濾器，如圖8所示。在207 kPa和414 kPa操作壓力下，過濾周期2—16 h，分別過濾含固量1 000 X 10 的油漿。通過同時運(yùn)行的兩個過濾器來獲得更長的循環(huán)周期，但是循環(huán)時間是不確定的，當(dāng)其中一個過濾單元被反沖洗時，第三個過濾單元必須準(zhǔn)備工作。過濾器設(shè)計使用全程反沖洗。使用兩個在線過濾器產(chǎn)品的回收效率超過99．8％ 。

自1997年以來，中國已經(jīng)有許多煉油廠安裝了LSI過濾系統(tǒng)，用于渣油流化催化裂化(RFCC)單元去除催化劑。使用(2)24”LSI過濾器的過濾系統(tǒng)被安裝在一個年生產(chǎn)能力140萬t的RFCC單元上，每天的油漿輸出量為180 t，油漿的平均固體濃度為3000 X 10-6～5000 X 10-6，循環(huán)時間2—8h不等，濾液固體含量少于50 X 10-6。過濾器由PLC控制，與煉油廠的控制系統(tǒng)(DCS)相連接，操作者可在控制室內(nèi)監(jiān)視過濾進(jìn)程。該系統(tǒng)一直在連續(xù)運(yùn)行，為當(dāng)?shù)毓咎峁崈舻臑V液用來生產(chǎn)碳黑。

5．4 應(yīng)用4

一項生產(chǎn)二氧化鈾的工藝采用了HyPulse氣／固文丘里脈沖(GSV)反吹的燒結(jié)金屬過濾器(圖9)，用于在烘干工序中回收二氧化鈾細(xì)粒。該燒結(jié)金屬過濾器必須能耐爐中149~C的高溫氣流，并能耐氣體中的化學(xué)組分。與該反應(yīng)相關(guān)的問題是主要存在化學(xué)性危險和放射性。反應(yīng)過程使用強(qiáng)酸和強(qiáng)堿，使二氧化鈾溶解，可能導(dǎo)致鈾的吸人，并且腐蝕性的化學(xué)品存在引起火災(zāi)或爆炸的危險。成功應(yīng)用的領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)室提供的工況數(shù)據(jù)促成了在1984年第一個工業(yè)化過濾器的安裝和投入運(yùn)行。全封閉的GSV 過濾器運(yùn)行效率高達(dá)99．999％，固體負(fù)載很低，且很少反沖洗。主要的運(yùn)行參數(shù)包括過濾器控制達(dá)到的流速、高效率和為連續(xù)運(yùn)行使用反吹的流量。如今美國一家使用該專利技術(shù)的鈾冶煉廠仍在繼續(xù)運(yùn)行。

5．5 應(yīng)用5

末道工序?qū)Τ龎m效率有更高的要求，潔凈的燒結(jié)金屬纖維過濾器為該工序提供了經(jīng)濟(jì)的解決方法。金屬纖維過濾介質(zhì)的發(fā)展(例如Bekipor)通過較高過濾效率和更長的在線壽命有助于產(chǎn)品質(zhì)量提高。傳統(tǒng)的分離系統(tǒng)如旋風(fēng)除塵器、靜電除塵器(ESP)和一次性過濾器都失去了對人們的吸引力。多孔結(jié)構(gòu)是燒結(jié)金屬纖維介質(zhì)的特點(diǎn)，即使在高過濾速率下也會提供高的滲透性和低的壓降。投資少，運(yùn)行成本低。在線清洗表層過濾和離線清洗深層過濾的清潔度都很好。

人們已使用Bekiflow HG來去除氧化鋁和氫氧化鋁粉塵，該粉塵中50％ 的粒子粒徑小于l5μm。測得氣體溫度為450℃。過濾器入口粉塵濃度為250～800 mg／Nm ，過濾后氣體含塵濃度小于3Omg／Nm ，最大壓降是1．5 kPa，過濾器的總表面積830 m 。金屬纖維過濾器只產(chǎn)生有限的壓降，經(jīng)測試保證27 000 h的使用壽命。用戶可獲得的好處是更少的過濾器表面、較小的除塵袋和更小的安裝空間。

6 結(jié)語

燒結(jié)金屬介質(zhì)為去除微粒提供了一種有效的過濾方法，無論這些微粒是化工流程中的雜質(zhì)還是有價值的副產(chǎn)品。這些介質(zhì)十分適合于要求更高的應(yīng)用領(lǐng)域，包括高溫、高壓和(或)腐蝕性流體場合?；す菊诶眠^濾在源頭即把廢棄物減至最少，而不是在生產(chǎn)線的末端。在化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)中，過濾提高了產(chǎn)品質(zhì)量并保護(hù)了下游的設(shè)備。過濾技術(shù)的進(jìn)步包括用連續(xù)的工藝代替老的間歇工藝技術(shù)的發(fā)展。使用傳統(tǒng)的板式過濾器進(jìn)行液／固相過濾是很臟的，清洗存在危險，并且要求延長再循環(huán)時間來獲得潔凈的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的氣／固分離系統(tǒng)，例如旋風(fēng)除塵器、ESP和一次性過濾器正在被燒結(jié)金屬過濾系統(tǒng)所取代。

燒結(jié)金屬過濾器應(yīng)該在設(shè)計參數(shù)下運(yùn)行，以防止由于工藝操作的波動而過早出現(xiàn)介質(zhì)堵塞。使用流量控制可確保過濾器不受大的流量偏差的影響。隨著過濾器上塵餅的形成過濾器效率提高。塵餅成為過濾介質(zhì)，并且多孔介質(zhì)作為隔膜來擋住過濾器塵餅。過濾塵餅可以在原位有效地清洗和從過濾器套筒內(nèi)反沖洗。氣壓水脈沖幫助氣體反吹已被證明是燒結(jié)多孔金屬過濾器最有效的清洗方法。燒結(jié)金屬過濾器可全自動控制，從而避免了操作者直接接觸物料，減少了勞動力成本，同時為可靠、高效的操作創(chuàng)造條件。