1 壓縮機(jī)空氣過(guò)濾器的作用
在壓縮空氣系統(tǒng)中,污染可以引起嚴(yán)重的問(wèn)題。因?yàn)榭諝馐悄軌虮粔嚎s的,在壓縮過(guò)程中污染物粒子也被吸入壓縮機(jī)。在一個(gè)0.8MPa的系統(tǒng)中,污染物的數(shù)量在壓縮系統(tǒng)內(nèi)被強(qiáng)化8倍。此刻,這些污染物粒子便可以導(dǎo)致使用壓縮空氣生產(chǎn)的產(chǎn)品遭受嚴(yán)重的破壞。這些污染物就是管道灰塵、磨損粒子、燃燒過(guò)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(xì)小灰塵,其粒子大小在10~1μm之間。
最細(xì)小的灰塵,其粒子小于1μm。
對(duì)于較大的灰塵及雜質(zhì),從目前的技術(shù)水平來(lái)看還是容易除掉的,而清除那些為人們?nèi)庋鬯床灰?jiàn),一般以0.3~5μm為計(jì)測(cè)下限值的塵埃微粒是較困難的。這就要求在系統(tǒng)中采取過(guò)濾、清除手段除去這些灰塵。采用過(guò)濾的目的在于減少污染,但是,過(guò)濾器也是系統(tǒng)的污染源。隨著近幾年來(lái)潔凈技術(shù)的提高,國(guó)外大量?jī)?yōu)秀品牌濾器、濾材以及生產(chǎn)系統(tǒng)被引進(jìn),雖然有些現(xiàn)行的過(guò)濾器本身不會(huì)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(guò)濾技術(shù),了解和掌握各種濾材的使用特性,才能提高系統(tǒng)的潔凈度,并生產(chǎn)出不產(chǎn)生污染的過(guò)濾器。這個(gè)認(rèn)識(shí),無(wú)論對(duì)用戶,還是生產(chǎn)廠家都很重要。選用一種什么樣的過(guò)濾裝置、什么種類的過(guò)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(guān)注的問(wèn)題。
2 壓縮空氣過(guò)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(jī)的大氣污染物,其中80％直徑在2μm以下;另一種是壓縮機(jī)的帶出物,呈煙霧狀態(tài),消散開(kāi)來(lái)便成為0.01~0.8μm的氣溶膠。
一般性質(zhì)的過(guò)濾可以除掉大部份液體和固體物質(zhì)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(guò)濾器,這在技術(shù)上是比較復(fù)雜的。就其方法和機(jī)理而言,作任何一種嚴(yán)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(kuò)散渦流擴(kuò)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(chǎng)合,對(duì)特殊類型的粒子來(lái)說(shuō),只有一種機(jī)理起主導(dǎo)作用,然而多數(shù)場(chǎng)合是多種機(jī)理的綜合作用。一般來(lái)講,主要靠直接攔截、慣性撞擊、擴(kuò)散或布朗運(yùn)動(dòng)以及熱凝聚等。直接攔截主要針對(duì)氣流中較大的粒子(一般粒徑在1μm以上),在攔截過(guò)程中慣性撞擊亦會(huì)同時(shí)發(fā)生,因?yàn)閵A帶固液粒子的氣流在流經(jīng)濾材時(shí),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(guò)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(jié)束了。而液體粒子就不完全一樣,在流經(jīng)濾材時(shí),微小的粒子便趨向集結(jié),最后匯聚在一處,結(jié)合為較大的液滴,并被推向?yàn)V材外部,形成一個(gè)飽和的液體區(qū),然后排出器外,這也就是凝聚式過(guò)濾。這樣的過(guò)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(duì)于一個(gè)好的過(guò)濾裝置應(yīng)能滿足下列要求:過(guò)濾效率高,一般應(yīng)能達(dá)到99.99％以上;同時(shí)阻力小,以保證過(guò)濾氣體壓力、流量變化不大。
過(guò)濾裝置本身結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)能承受對(duì)應(yīng)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(jī)械強(qiáng)度,承受一定的壓力,而且要耐氣流沖擊,使用過(guò)程中不破裂,不起毛、掉渣以及不發(fā)生氧化或表層剝離的現(xiàn)象。另外,濾材的壽命要長(zhǎng),更換、清洗要方便。
壓縮空氣過(guò)濾器按濾材的結(jié)構(gòu)形式可分為“深度”過(guò)濾器、“網(wǎng)孔”過(guò)濾器,或深度、網(wǎng)孔結(jié)合型過(guò)濾器。
“深度”過(guò)濾器的濾材多為亂墊的纖維,燒結(jié)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(dāng)氣流通過(guò)時(shí)捕捉塵埃粒子。
“網(wǎng)孔”過(guò)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(guò)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(xì)玻璃纖維織物、聚酯纖維編織物制成的濾芯,對(duì)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(yīng)用較多,使用也較廣泛,一般不考慮反向吹洗和重復(fù)使用,基本上為一次報(bào)廢性濾芯。主要材質(zhì)為人造絲、尼龍絲、聚丙烯纖維、玻璃纖維等。由于采用機(jī)械纏繞,不使用粘結(jié)劑,從而對(duì)介質(zhì)的適應(yīng)性較強(qiáng),而且價(jià)格便宜。由于該形式屬于深層過(guò)濾,因此含塵量較大,但過(guò)濾精度不甚高,國(guó)外產(chǎn)品可除掉0.8μm以上粒子,國(guó)內(nèi)為1μm。由于纏繞質(zhì)量問(wèn)題,在初投入運(yùn)行時(shí),在氣流沖擊下有纖維帶出的可能性。
2.2無(wú)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(bǔ)強(qiáng)材料加工為圓筒型濾芯,目前市場(chǎng)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(guò)濾器,不宜受稀酸、稀堿及無(wú)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(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿,其本身在化學(xué)上也是惰性的,使用溫度在-100~260℃時(shí)是穩(wěn)定的。聚氯乙烯濾芯強(qiáng)度高、韌性強(qiáng),耐中等強(qiáng)度的酸堿,使用溫度不宜高于65℃,否則會(huì)軟化,而且有毒,故在食品、制藥行業(yè)應(yīng)用上要持慎重態(tài)度。
這種濾材的濾芯,無(wú)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(gè)很大優(yōu)點(diǎn)是,當(dāng)氣體透過(guò)時(shí),過(guò)濾元件往往會(huì)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(guò)濾元件,使粉塵呈松散狀態(tài)沉積于過(guò)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(guò)濾面積中的微孔數(shù)量十分可觀,意味著最大的微孔數(shù)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(shí)意味著中空纖維較長(zhǎng)的使用壽命和氣體過(guò)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(shí)也用來(lái)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(fù)雜,二是自身在中空狀態(tài)下承受連續(xù)流動(dòng),但由于工況的突然變化而經(jīng)常使得中空纖維膜破裂,從而導(dǎo)致濾器失效。另外,多束中空纖維與固定花板的連接處的嚴(yán)密性,強(qiáng)度的保證,也是困難的,當(dāng)然這些也在不斷改進(jìn)和克服之中,因此它不失為一種優(yōu)良的過(guò)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(guò)濾特性,而又具有金屬的全部性能,是當(dāng)前過(guò)濾材料中的一大類。
2.4.1粉末冶金多孔材料的特點(diǎn)
粉末冶金多孔材料具有優(yōu)良的透過(guò)性能,適用于過(guò)濾、流體的均勻分布與滲透裝置等。作過(guò)濾器時(shí),濾速大,如海綿鈦粉燒結(jié)材料制作的過(guò)濾器在電解用的硫酸鋅溶液過(guò)濾時(shí),其濾速是陶瓷過(guò)濾器的6倍;青鋼粉燒結(jié)所制作的濾器流量可為紙褶疊過(guò)濾器的4倍,為棉紗過(guò)濾器的6倍,然而褶絨和棉紗過(guò)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(guò)濾材料時(shí)過(guò)濾精度高。當(dāng)用于氣體分離時(shí)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(dòng),如大家熟悉的離心式壓縮機(jī)油路系統(tǒng)采用40μm不銹鋼粉末冶金濾材代替以前的金屬網(wǎng)濾材,由于有效地防止了固體微粒的侵入,離心機(jī)軸承的壽命可以提高到10~20年,而且濾效為篩網(wǎng)濾器的3倍以上。
比表面積大,作熱交換材料時(shí),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(dǎo)熱、導(dǎo)電、焊接加工等,由于具有一定的強(qiáng)度和韌性,故可以在高壓條件下工作。
2.4.2具體應(yīng)用
粉末冶金濾材應(yīng)用的領(lǐng)域極為廣泛,并且還在不斷擴(kuò)大:
過(guò)濾液體中的固體微粒,分離各種介質(zhì)。如過(guò)濾飛機(jī)、坦克、般舶之類使用的要求細(xì)凈化(5~10μm)液體燃料、油和潤(rùn)滑材料,原子能技術(shù)中液態(tài)金屬鈉、鋰的過(guò)濾。中子發(fā)射裝置,以及醫(yī)藥衛(wèi)生用來(lái)過(guò)濾病毒、細(xì)菌。制備青、鏈霉素時(shí)用來(lái)過(guò)濾、生產(chǎn)無(wú)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(guò)濾氣體,用來(lái)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(guò)這種材料后的氣體、液體變得均勻,同時(shí)可以防止通過(guò)材料后的液體沸騰現(xiàn)象及停氣時(shí)的液體倒流現(xiàn)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(lái)清除空氣中0.5~1μm的灰塵與細(xì)菌,使之變?yōu)闊o(wú)塵無(wú)菌壓縮空氣均達(dá)到了理想的效果。
圖1是美國(guó)“氣體盾牌一培恩塔“鎳基合金粉末冶金終端過(guò)濾器(Gas Shield PENTA)。流量特性、阻力大小同泰氟隆,而且價(jià)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(zhì)多為青銅、低碳鋼、不銹鋼、鈦、鎳及其合金等。無(wú)論片狀、管狀其耐壓強(qiáng)度都在0.98~8.34MPa。
2.4.3粉末冶金濾材的安裝
因?yàn)檫@種濾材具有金屬的全部特性,故當(dāng)需要更大尺寸、更大面積及形狀復(fù)雜的濾材時(shí),可以用小尺寸濾材拼接來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(jié)膠合等。
2.5多孔陶瓷及其它濾材
多孔陶瓷是在國(guó)外出現(xiàn)較早,同時(shí)耐壓較高的一種濾材,近年在應(yīng)用上又呈上升的趨勢(shì),使用效果根據(jù)使用條件的不同也很不一致,國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的使用壽命最短為6~8個(gè)月。因此為確保可靠性,多采用兩級(jí),而且在高壓場(chǎng)合應(yīng)用較多。
美國(guó)帕克過(guò)濾器(Parker),殼體為316L不銹鋼,內(nèi)壁粗糙度僅為0.8μm。承壓最高可達(dá)3000lbf/in2(1lbf/in2=6.8948×10-3MPa),是一種終端使用點(diǎn)采用的超凈系列。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品目前尚未達(dá)到高精度、超凈的水平,而且用一段時(shí)間后,濾管外表面往往變粗糙,甚至掉渣出現(xiàn)蜂窩狀麻點(diǎn)以及變酥。
多孔陶瓷和玻璃這類濾材由于質(zhì)脆、抗熱震性能稍差,且不能焊接等原因而不被廣泛應(yīng)用。目前尚未發(fā)現(xiàn)超凈系列的國(guó)產(chǎn)陶瓷濾器產(chǎn)品。其它濾材像各種編織金屬網(wǎng)和刻蝕網(wǎng),雖然強(qiáng)度大,透過(guò)性能好,但在高溫下網(wǎng)孔易于變形以及影響過(guò)濾精度,特別是制造工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴,也只能用于少數(shù)特殊部門(mén)。
各種濾材在各種不同的部門(mén)和場(chǎng)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(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較再確定,不能一概而論。隨著國(guó)外設(shè)備、技術(shù)的引進(jìn),經(jīng)過(guò)消化吸收,轉(zhuǎn)化為我們自己的東西,我相信,用不了多久,國(guó)內(nèi)知名品牌便會(huì)涌現(xiàn),為壓縮空氣的潔凈技術(shù)提供方便和優(yōu)越的條件。
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