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1、刚性高分子微孔精密过滤技术及其工业应用作者：1斌，2宋志胜， 3宋显洪 【摘要】液体的精密过滤是工业生产特别是化工生产中普遍应用的一种重要的单元操作。研究开发成功的刚性高分子精密微孔过滤技术具有过滤效率高、过滤管可反吹再生、耐化学性能好、操作简单、使用寿命长等特点，既可用作高效精密滤饼过滤，也可用作高效液体精密澄清过滤，通过正确的过滤工程设计，已获得广泛应用，并取得了显著的经济效益。【关键词】高分子，微孔，精密，过滤，滤饼，澄清，再生，设计，工业，应用1高分子精密微孔过滤技术概述1.1 液体精密过滤及目前的应用状况化工生产中液固分离是常见的化工操作单元,包括沉降和过滤分离两大类。由于前者要求固
2、液两相必须有一定的密度差,而后者不受限制，因此过滤分离在工业生产中应用较广。非均相的液固过滤分为粗级过滤(100的过滤精度)、亚精密过滤(10010的过滤精度)、精密过滤(101过滤精度)与超精密过滤(10 1过滤精度)。而过滤精度小于0 1应归属于均相分离的超滤、纳滤及反渗透。对于大多数化工液体而言，须要进行精密过滤。目前,大于10的粗级过滤与亚精密过滤，通过采用以各种非金属、金属滤布或滤网作过滤介质的，多种间歇或连续过滤机基本可满足要求。精度小于1的液体采用超精密过滤,如各种有机或无机微孔膜也可获得较好解决。101液体精密过滤，按形成滤饼与否分为两种方式，即可形成滤饼层的 “液体精密滤饼过
3、滤”和不形成滤饼层的 “液体精密澄清过滤”。目前工业生产的精密滤饼过滤其过滤介质大多采用整体型的用作亚精密过滤的滤布、滤网或滤毡。过滤前期,一些小于10m的微粒会穿漏,只有进行反复循环,待10m左右的微粒形成一定厚度的滤饼,过滤精度才逐渐提高至精密过滤要求，即存在过滤效率较低的问题。其次，由于滤布或滤网为非刚性,对较黏细颗粒形成的滤饼难以简便卸除。作为精密澄清过滤的过滤介质,包括整体型和分散型两类。整体型一般是厚度较厚的烛型滤芯、滤毡或滤板等，当其部孔隙被微粒堵塞无法继续过滤时, 常因难以有效再生而丢弃，故这种过滤方法需消耗大量的滤材。分散型滤材有颗粒分散型与长纤维分散型两种，它们均可再生,并
4、可长期反复使用。但是当其孔隙截留了相当量的粘细微粒后,容易产生板结或结块现象,导致过滤发生沟流,严重影响过滤效率；同时由过滤介质的孔隙率大,细颗粒很容易穿滤出去,因而过滤精度往往不稳定；此外,这些过滤介质再生时消耗大量反冲洗水,而处理这些反洗水,另需过滤装置,否则会严重污染环境。不难看出，虽然应用最广泛的精密过滤具有结构简单、操作简便的特点，但存在过滤效率不高、产品质量不稳定、收率和劳动生产率不高、成本较大、甚至污染环境的问题，因而成为当前较薄弱的过滤分离操作。1.2新型高分子精密微孔过滤技术为解决液体精密过滤存在的不足，我国科技工作者从20世纪 60年代开始从事以刚性高分子为过滤介质的微孔过
5、滤技术研制与开发。目前，已完成了刚性高分子烧结管的成型机理、制造工艺与装备、过滤性能与化学性能、烧结管的应用技术等基础研究,并完成了多种精密滤饼过滤机与多种精密澄清过滤机的结构开发以及它们在化工生产上几百种液体的过滤试验测试，同时过滤成功进行了几十种工业生产的高分子精密应用,已形成硬件(包括高分子微孔烧结过滤管与多种微孔精密机的制造)与软件(物料过滤的性能测试、过滤工程的设计、计算、应用)都比较成熟与完整的新型液体精密过滤技术。高分子精密微孔过滤的核心元件过滤介质，是一种以烧结聚乙烯为主要原料的微孔管, 经过活化、改性、复合等特殊工艺而制成，其形状主要有管形与板形两大类。管形的直径为13120
6、、厚度2.5-30um，最长为1500；板型直径最大为1200、最大厚度为40。它们的管（板）壁上充满了毛细小孔，平均孔径为2140，最高过滤精度为0.3,通常为0.51。微孔管具有一定的刚性，耐外压0.20.5,耐压0.41。刚性高分子精密微孔过滤的基本原理是:利用微孔管正向过滤，反向冲洗、再生（参见图1）。工作时，待过滤物输送到过滤器，由于压力的推动，迫使滤液流向微孔管，其中的固体杂质微粒被微孔管捕捉，在管外形成滤渣，由渣料出口定期排出；而过滤液穿越微孔后，汇集到过滤溶液出料口流出，从而实现溶液的过滤分离。当微孔管工作一段时间后，微孔堵塞严重时，可暂停过滤,从反向冲洗口或正向冲洗口通入清洗
7、物,将微孔管冲洗（反向冲洗为主），使微孔管再生而继续进行溶液过滤，如此循环 图1 刚性高分子精密微孔过滤原理 1. 过滤液进口 2. 正向冲洗入口 3. 过滤液出口(反向冲洗入口) 4. 过滤器外壳 5. 微孔管 6. 渣料出口1.3高分子精密微孔过滤的主要特点它的主要优点是：(1)过滤效率高。用于液固精密过滤,最小可过滤0 5，过滤效率可大于99.9%;(2)缷除滤饼简便。利用压缩气体,对微孔过滤管进行快速反吹,可很方便地将缷除微孔管外表面形成的滤饼，劳动强度低; (3)再生效率高。用“气-水混合流体”快速反吹法，可对微孔管进行高效、简单的物理再生，微孔管可长期使用；(4)耐腐蚀性能好。微孔
8、过滤管耐酸、碱、盐及大部分有机溶剂；(5)维护检修方便。精密微孔过滤机结构较简单,微孔过滤管相对密度小,维护与检修均较方便;(6)动力消耗小。过滤压差一般不超过0.3,动力消耗较小；(7)占地面积少。大部分精密微孔过滤机为立式,每单位过滤面积所需的占地面积较少；(8)自动化程度较高。精密微孔过滤机如配以自动阀门与控制装置,可以达到全自动或半自动操作；（9）适应性广。精密微孔过滤机已有多种结构和类型，几乎可以满足所有化工生产各种工况的液体精密过滤；（10）工作环境好。过滤操作为密闭操作，生产场地干净、卫生。这种新型精密过滤技术的主要缺点有:(1)耐温不高: 微孔过滤管的最高使用温度不超过80,微
9、孔过滤管的最高使用温度不超过120（但是，大多数工业过滤应用中，其工作温度都不超过120）;(2)滤饼干度不高:由于采用压缩气体正吹法对滤饼脱水(液),滤饼的干度不及皮膜挤压的板框式压滤机与三足式离心机。1.4与刚性瓷、金属微孔过滤技术的比较20世纪60年代至今，相继诞生的瓷类粉末烧结微孔过滤管、金属类粉末烧结微孔过滤管与高分子类粉末烧结微孔过滤管等三类刚性烧结微孔过滤管，均可作为微米级精密过滤介质,既可用作精密滤饼过滤,也可用作精密澄清过滤。这几类过滤管均可反复再生使用,寿命均较长。瓷类的最大特点是耐温高,耐大多数化学物质与各种溶剂;主要缺点是重量重,抗拉强度不高,有的还很脆,安装与维修不方
10、便。此外，反吹再生效率较低。金属类的最大特点是耐温高,机械强度高;主要缺点是价格昂贵,耐无机酸等某些化学物质性能不理想。相比之下，高分子类介质有以下明显的优点：（1）化学性能最优异。对于各种酸、碱、盐等溶液非常稳定,能耐醇、醛与脂肪烃等溶剂的侵蚀，基本上不与任何溶剂起反应；（2）无毒、无害、无气味、无介质脱落,非常适宜于生物、医药、食品及生活卫生等行业,而烧结金属、烧结瓷等过滤介质不可能具备这种性能；（3）机械性能较好。尤其抗冲击强度高,再加工性能好(车、刨、锯、焊等),不易损坏,可安装在各种设备上使用；(4) 密度小。安装、使用与维修非常方便,这是瓷与烧结金属等介质不能比拟的；(5) 可制成
11、各种形状与尺寸的管,其毛细孔的孔径可以控制到任何规格,目前做的孔径为5120；(6) 可反复再生。操作简单,再生效率较高,使用寿命长,最短3年，最长可达六年,这是任何其他过滤介质都达不到的；(7)价格比较低。高分子介质的主要缺点是耐温不高,最高不超过120。但是,由于许多化工生产其液体过滤时的温度不超过100,因此高分子类烧结微孔管在化工生产上有很好的应用前景。1.5过滤设计及选型微孔微米级高分子精密微孔过滤技术的应用包括过滤工程设计和建立过滤系统。一个完整的过滤系统包括以下三个部分：即高分子精密微孔过滤机（装高分子微孔过滤管）、辅助装置（主要指物料输送泵和用于反吹再生的空压机、储气罐）、过滤
12、系统工艺管道连接及控制装置。为了在生产应用中完全发挥这种新型液体精密过滤技术的功效,建立过滤系统前，必须进行正确的过滤工程设计，它们包括被过滤物料过滤性能的测试，平均滤速计及过滤面积的计算,微孔过滤管与精密微孔过滤机的型号与规格的选取,工艺管线连接、控制的流程设计，过滤机的安装与操作法的制订等。其中最重要的是过滤物料的过滤性能参数的测定与物料平均滤速的计算。高分子微孔过滤专家、国务院突出贡献津贴享受者、东瓯微孔过滤、宋显洪教授1等提出了新型液体精密过滤物料平均滤速的计算，简介如下：(一)液体精密滤饼过滤的滤速及有关参数物料平均滤速W按下式计算:W= =(Rm/ct)2+2P/ct)0.5-Rm
13、/ct(1)式中，W物料平均滤速,m/s； Rm微孔管的阻力,1/m；滤饼的平均比阻,1/m2；c滤饼体积/滤液体积；P过滤压差,N/m2；t每一周期的过滤时间,s；滤液的动力粘度,Pa.s。需要测定在不同压差下的滤饼平均比阻,然后归纳出比阻与P之间的关系式:=0+s(2)式中0、s与滤饼性能有关的参数。在滤饼过滤中,尤其是微米级的精密过滤,往往存在一个最佳过滤压差Popt。最佳过滤压差可按下式计算:Popt=(0+Rm/S)/(S-1)1/s(3)式中S滤饼层厚度,m。计算出Popt后,按式(2)算出最佳压差下的值。将P与值代入式(1),即可算出t时间的平均滤速W,再根据工程所需过滤液流量,
14、计算出所需的过滤面积。由滤液流量、过滤面积、最大滤饼厚度等参数即可确定精密微孔过滤机的型号、规格、排渣口直径及其他相关尺寸。(二)液体精密澄清过滤的计算由于基本不形成滤饼或只形成极薄滤饼,故不能按滤饼计算方式计算。精密澄清过滤的平均滤速W按下式计算:W=b/(t-a)(4)式中t每一周期的过滤时间,s；a、b与物料微粒性质及浓度有关的参数，可通过小型试验测定。a、b与t值密切相关,因此应测定不同t值下的a、b值。同上，得出物料平均滤速后，即由流量计算所需过滤面积，再选取合适的精密微孔过滤机参数。目前，广泛应用的高分子精密微孔过滤机已有10多个系列，材料有不锈钢(304或316)、碳钢或碳钢衬防腐层(橡胶、塑料或其他防腐材料)，可按需选取。主要品种有：（1）系列。过滤面积11502,用于含固体很少的液体精密澄清过滤。结构为圆柱形壳体垂直安装一系列微孔管,过滤机底部有小直径气缸操作的排渣底盖；（2）系列。过滤面积53002,用于含固量较多且需较干滤饼的液体精密滤饼过滤。结构为圆柱形壳体垂直安装一系列微孔管或由微孔管组装成的过滤管排,过滤机底部是由气缸传动或油缸传动的直径4001200的快开底盖； （3）系列。过滤面积3602,用于含固量较多,每批物料要全部滤完、无剩料
