1 压缩机空气过滤器的作用
在压缩空气系统中,污染可以引起严重的问题。因为空气是能够被压缩的,在压缩过程中污染物粒子也被吸入压缩机。在一个0.8MPa的系统中,污染物的数量在压缩系统内被强化8倍。此刻,这些污染物粒子便可以导致使用压缩空气生产的产品遭受严重的破坏。这些污染物就是管道灰尘、磨损粒子、燃烧过程的烟灰以及微生物。大致可以分为三类:
大灰尘,粒子大小在10μm以上。
细小灰尘,其粒子大小在10~1μm之间。
最细小的灰尘,其粒子小于1μm。
对于较大的灰尘及杂质,从目前的技术水平来看还是容易除掉的,而清除那些为人们肉眼所看不见,一般以0.3~5μm为计测下限值的尘埃微粒是较困难的。这就要求在系统中采取过滤、清除手段除去这些灰尘。采用过滤的目的在于减少污染,但是,过滤器也是系统的污染源。随着近几年来洁净技术的提高,国外大量优秀品牌滤器、滤材以及生产系统被引进,虽然有些现行的过滤器本身不会引起污染,但是只有我们了解和熟悉粒子的分布状况及粒子的过滤技术,了解和掌握各种滤材的使用特性,才能提高系统的洁净度,并生产出不产生污染的过滤器。这个认识,无论对用户,还是生产厂家都很重要。选用一种什么样的过滤装置、什么种类的过滤材料,才能够有效地除去这些灰尘微粒,也正是我们共同关注的问题。
2 压缩空气过滤器的选择
压缩空气中的污染物主要有两种,一种是被吸入压缩机的大气污染物,其中80％直径在2μm以下;另一种是压缩机的带出物,呈烟雾状态,消散开来便成为0.01~0.8μm的气溶胶。
一般性质的过滤可以除掉大部份液体和固体物质微粒,其粒径一般大于1μm,而要除掉非常微小的固体粒子以及油水的气溶胶,就必须采用高效能的过滤器,这在技术上是比较复杂的。就其方法和机理而言,作任何一种严密的物理分类都是不可能的。比如:重力分离离心分离惯性撞击直接拦截布朗扩散涡流扩散热凝聚静电沉降磁力淀析布朗凝聚声波凝聚湍流沉淀在某种场合,对特殊类型的粒子来说,只有一种机理起主导作用,然而多数场合是多种机理的综合作用。一般来讲,主要靠直接拦截、惯性撞击、扩散或布朗运动以及热凝聚等。直接拦截主要针对气流中较大的粒子(一般粒径在1μm以上),在拦截过程中惯性撞击亦会同时发生,因为夹带固液粒子的气流在流经滤材时,粒子由于重量和速度的作用,不可能让气流同步迅速地改变方向,所以也就不可能通过滤材那种弯弯曲曲的通路,从而撞在滤材上,使滤材捕捉到粒子,因此气流中的固体粒子,其历程到此便结束了。而液体粒子就不完全一样,在流经滤材时,微小的粒子便趋向集结,最后汇聚在一处,结合为较大的液滴,并被推向滤材外部,形成一个饱和的液体区,然后排出器外,这也就是凝聚式过滤。这样的过滤方式可除掉大于0.01μm的固体粒子,如果污染物少于全部重量的0.01/106,那么气流中的固体、液体污染物便可全部清除。
对于一个好的过滤装置应能满足下列要求:过滤效率高,一般应能达到99.99％以上;同时阻力小,以保证过滤气体压力、流量变化不大。
过滤装置本身结构不仅应能承受对应的压力,而且气密性要好。为确保滤效,滤材本身要具备一定的机械强度,承受一定的压力,而且要耐气流冲击,使用过程中不破裂,不起毛、掉渣以及不发生氧化或表层剥离的现象。另外,滤材的寿命要长,更换、清洗要方便。
压缩空气过滤器按滤材的结构形式可分为“深度”过滤器、“网孔”过滤器,或深度、网孔结合型过滤器。
“深度”过滤器的滤材多为乱垫的纤维,烧结的粉末冶金以及多孔陶瓷等,其功能便是造成一种弯弯曲曲的流径,以便当气流通过时捕捉尘埃粒子。
“网孔”过滤器由多孔金属、塑料、各种纤维织物和微孔滤膜等为主要的过滤元件。这种滤材孔隙大小比较均匀,孔隙率也比较高,凡是大于孔隙的尘埃颗粒都可以被滤除掉。如较多采用的用超细玻璃纤维织物、聚酯纤维编织物制成的滤芯,对于大于0.9μm的尘埃颗粒基本都可除去。
2.1缠绕型滤芯
这种滤芯目前应用较多,使用也较广泛,一般不考虑反向吹洗和重复使用,基本上为一次报废性滤芯。主要材质为人造丝、尼龙丝、聚丙烯纤维、玻璃纤维等。由于采用机械缠绕,不使用粘结剂,从而对介质的适应性较强,而且价格便宜。由于该形式属于深层过滤,因此含尘量较大,但过滤精度不甚高,国外产品可除掉0.8μm以上粒子,国内为1μm。由于缠绕质量问题,在初投入运行时,在气流冲击下有纤维带出的可能性。
2.2无纺布滤芯
这种滤芯主要是用乙烯基纤维素、聚丙烯、聚四氟乙烯的多孔薄膜与补强材料加工为圆筒型滤芯,目前市场上所售滤器多为这种滤芯的组合体,比如醋酸纤维素和硝酸纤维素以及两种混合材料组成的微孔过滤器,不宜受稀酸、稀碱及无极性液体的腐蚀,但使用温度不得高于75℃。聚四氟乙烯滤芯是用纯泰氟隆制造的,适用于有机溶剂、强酸、强碱,其本身在化学上也是惰性的,使用温度在-100~260℃时是稳定的。聚氯乙烯滤芯强度高、韧性强,耐中等强度的酸碱,使用温度不宜高于65℃,否则会软化,而且有毒,故在食品、制药行业应用上要持慎重态度。
这种滤材的滤芯,无论是液体、气体,都可除掉大于0.5μm的微尘颗粒,工作压力一般为0.8~1.0MPa。
这种滤芯的一个很大优点是,当气体透过时,过滤元件往往会带静电荷,这种静电能够阻止因悬浮的微小粒子侵入孔道深处而堵塞过滤元件,使粉尘呈松散状态沉积于过滤元件表面,易于排掉和清洗。
2.3中空纤维组合滤芯
由于微孔分布比普通滤膜密集的多,在每平方厘米过滤面积中的微孔数量十分可观,意味着最大的微孔数减少。普通膜式滤器具有最大的微孔尺寸为0.3μm,而中空纤维为0.1μm,这同时意味着中空纤维较长的使用寿命和气体过滤的安全性。中空纤维膜尽管由100％的聚丙烯加工制造,然而由于具有较好的透水性能,故有时也用来做为气体干燥,排除气体中水份的干燥器的组件。但是这种滤芯是有缺陷的,一是加工复杂,二是自身在中空状态下承受连续流动,但由于工况的突然变化而经常使得中空纤维膜破裂,从而导致滤器失效。另外,多束中空纤维与固定花板的连接处的严密性,强度的保证,也是困难的,当然这些也在不断改进和克服之中,因此它不失为一种优良的过滤装置。
2.4粉末冶金多孔滤材
这种滤材是用粉末冶金工艺制得的多孔金属或多孔合金,它既具有普通多孔料体因多孔而具备的过滤特性,而又具有金属的全部性能,是当前过滤材料中的一大类。
2.4.1粉末冶金多孔材料的特点
粉末冶金多孔材料具有优良的透过性能,适用于过滤、流体的均匀分布与渗透装置等。作过滤器时,滤速大,如海绵钛粉烧结材料制作的过滤器在电解用的硫酸锌溶液过滤时,其滤速是陶瓷过滤器的6倍;青钢粉烧结所制作的滤器流量可为纸褶叠过滤器的4倍,为棉纱过滤器的6倍,然而褶绒和棉纱过滤面积却比粉末冶金材料要大得多。
孔径与孔隙度可以控制,作为过滤材料时过滤精度高。当用于气体分离时分离效果好,而用于仪器、仪表可以比较精确的控制流体的流动,如大家熟悉的离心式压缩机油路系统采用40μm不锈钢粉末冶金滤材代替以前的金属网滤材,由于有效地防止了固体微粒的侵入,离心机轴承的寿命可以提高到10~20年,而且滤效为筛网滤器的3倍以上。
比表面积大,作热交换材料时,可以提高热交换效果。
能够吸收能量,故可做为干燥器排气的消音、防震和缓冲材料。
保持有一定的金属与合金特性,如导热、导电、焊接加工等,由于具有一定的强度和韧性,故可以在高压条件下工作。
2.4.2具体应用
粉末冶金滤材应用的领域极为广泛,并且还在不断扩大:
过滤液体中的固体微粒,分离各种介质。如过滤飞机、坦克、般舶之类使用的要求细净化(5~10μm)液体燃料、油和润滑材料,原子能技术中液态金属钠、锂的过滤。中子发射装置,以及医药卫生用来过滤病毒、细菌。制备青、链霉素时用来过滤、生产无菌空气以及从母液中分离青霉素、链霉素这样一些抗菌晶体。分离气体中的液体,如压缩空气中混合的水和油等。
过滤气体,用来收尘、排水和控制气体压力。如精密仪器、仪表用气体的净化。回收放射性尘埃;高炉废气收尘,还可作为高压氧、氮、氢、空气等气体的缓冲器。
通过这种材料后的气体、液体变得均匀,同时可以防止通过材料后的液体沸腾现象及停气时的液体倒流现象。
我部一些厂用这种材料净化压缩空气,一些抗菌素制药厂用来清除空气中0.5~1μm的灰尘与细菌,使之变为无尘无菌压缩空气均达到了理想的效果。
图1是美国“气体盾牌一培恩塔“镍基合金粉末冶金终端过滤器(Gas Shield PENTA)。流量特性、阻力大小同泰氟隆,而且价格与泰氟隆相近。壳体为316L不锈钢,保用15年。
目前采用的粉末冶金多孔材料,材质多为青铜、低碳钢、不锈钢、钛、镍及其合金等。无论片状、管状其耐压强度都在0.98~8.34MPa。
2.4.3粉末冶金滤材的安装
因为这种滤材具有金属的全部特性,故当需要更大尺寸、更大面积及形状复杂的滤材时,可以用小尺寸滤材拼接来实现。拼装方式可以卷边、压装、螺栓紧固、铆接、焊接、螺纹连接和粘结胶合等。
2.5多孔陶瓷及其它滤材
多孔陶瓷是在国外出现较早,同时耐压较高的一种滤材,近年在应用上又呈上升的趋势,使用效果根据使用条件的不同也很不一致,国内产品的使用寿命最短为6~8个月。因此为确保可靠性,多采用两级,而且在高压场合应用较多。
美国帕克过滤器(Parker),壳体为316L不锈钢,内壁粗糙度仅为0.8μm。承压最高可达3000lbf/in2(1lbf/in2=6.8948×10-3MPa),是一种终端使用点采用的超净系列。国内产品目前尚未达到高精度、超净的水平,而且用一段时间后,滤管外表面往往变粗糙,甚至掉渣出现蜂窝状麻点以及变酥。
多孔陶瓷和玻璃这类滤材由于质脆、抗热震性能稍差,且不能焊接等原因而不被广泛应用。目前尚未发现超净系列的国产陶瓷滤器产品。其它滤材像各种编织金属网和刻蚀网,虽然强度大,透过性能好,但在高温下网孔易于变形以及影响过滤精度,特别是制造工艺复杂、价格昂贵,也只能用于少数特殊部门。
各种滤材在各种不同的部门和场合都有具体使用,至于哪一种滤材比较理想,要综合气体压力、流量、温度、气体洁净度的要求程度,以及使用条件等诸因素,进行技术、经济比较再确定,不能一概而论。随着国外设备、技术的引进,经过消化吸收,转化为我们自己的东西,我相信,用不了多久,国内知名品牌便会涌现,为压缩空气的洁净技术提供方便和优越的条件。
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