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金属丝网过滤技术在液氦纯化中的研究与应用
作者:管理员    发布于:2016-01-04 09:44:01    文字:【】【】【

  氦气是仅有的在液氪温度下仍保持惰性的气体,且溶解度小、沸点低(42K),可用作发射卫星和航天飞机的火箭内液氪燃料系统的预冷和压缩,并可作为火箭燃料的推进剂。在航空航天的应用中,对液氦的纯度要求非常高,通常达到99.999以上,因为所有杂质在液氦温度下均会凝固,造成管路堵塞。因此,获得高纯度液氦是一项需要解决的关键技术。

  传统的冷凝法和吸附技术由于系统能耗大、效率低及占地面积大、不易再生等不利因素,不宜应用于太空中。而金属丝网材料是采用金属编织丝网为原料,通过多层丝网层叠的合理搭配和真空高温烧结等复合工艺制备而成的一种新型多孔功能材料,具有理想均匀的孔径分布和优异的流体渗透性能。由于其强度高、能较好地承受热应力及冲击、可进行机械加工、焊接、清洗再生等,使得在许多领域得到广泛应用,尤其是高洁净度、高安全性的净化系统。

  本文以液氦纯化为对象研究了金属丝网过滤技术。通过分析金属丝网的结构特点和作用机制,提出了应用金属丝网进行液氦纯化的过滤及再生方案,给出系统原理图。目前国内外的低温过滤模型鲜有介绍,因此借鉴于现有的常温和高温过滤模型,若应用于低温过滤则有两处需要改进,改进模型的优越性有待于进一步的试验论证。

  金属丝网过滤技术结构特点及过滤机制金属丝网过滤技术属于表面过滤,即依靠丝网表面大小均匀一致的孔径将尺寸大于丝网孔径尺寸的颗粒截留在丝网上的一侧表面,而小于丝网孔径尺寸的颗粒则随流体流过丝网的一种过滤过程。丝网表面形态均匀规则,网孔内部孔道光滑,这既有利于滤饼层的快速形成,又便于颗粒的清楚分离,因而具有非常优异的反吹再生特性。

  金属丝网过滤材料主要结构包拮保护层、过滤层和支撑层,通常由34层编织丝网平铺迭合在一起烧结而成。过滤层采用的精密金属丝网是多层金属丝网过滤材料的关键工作层,其两侧的细丝对过滤层起保护作用,并在烧结过程中保持微孔形状和尺寸的稳定,而丝径较粗、孔隙较大的支撑网则被用于提高烧结丝网的整体强度和刚度。

  过滤机制一般包拮拦截、碰撞、重力沉淀、扩散和静电沉积等,而金属丝网微孔材料的过滤机制,分析认为主要由两部分组成首先是粒径比较大的粉尘,通过筛分、惯性和粘结效应形成粉尘架桥和沉积,被表面过滤层网孔所捕集,并附着在过滤丝网的表面形成芫整粉尘层;其后,粉尘层进一步加强对粉尘的捕集作用,使粒径较小的粉尘得到阻留,捕集效果为二者之和。

  2压降特性及丝网的捕捉能力压降特性和捕集能力是评价丝网性能重要的两个指标。压降高导致运行成本高,需要避免。而捕集能力是对过滤器的终要求。一般来说,对同一种丝网,在相同的过滤面积下,要减小压降则需要降低对微粒捕集效率的要求;在实际应用中只能追求二者的综合性能。

  压降基本与过滤体的有效过滤面积成反比,且金属丝网过滤体的压降基本上随时间线性增长。为将金属丝网的压降控制在允许的范围内,可以通过结构的改进以加大单位体积内过滤体的过滤面积,或缩小再生时间间隔。

  捕集能力与过滤器的表面状态、网孔大小、过滤风速、粉尘粒径分布和物性等因素有关。指出金属丝网的过滤效率随粒子粒径的变化不大,只是当粒子粒径大于04Mm时,金属丝网的过滤效率大幅度提高。滤速对金属丝网过滤效率的影响不大,随着滤速的增加,金属丝网过滤效率略有提高,因此金属丝网过滤可应用于高滤速条件下工作,滤速的增加不会带来过滤效率的降低。在高浓度粒子范围内,随着粒子初始浓度的降低,过滤效率降低,而在高浓度范围内,随着粒子初始浓度的降低,过滤效率略有提高。大约在粒子初始浓度为104个颗粒/cm3时,过滤效率低。

  为曰本某公司生产的金属丝网过滤器,名义精度为0.5Mm,过滤面积640cm2,大允许压降为常好的选择。国外有很多利用微孔特性进行低温液体分离。中使用烧结陶瓷过滤器,利用具有高渗透性和高强度的微孔结构的钼作支撑元件,通道内使用多层的微孔陶瓷材料作过滤介质,可移除粒径大于0.45甚至02Mm的微粒,实现低温液体如液氩、液氮、液氦等的“实时”提纯。此结构简单且经济,易于维护。使用低湿度以及特殊孔径的陶瓷过滤器对液氮进行提纯,移除固体杂质。此装置不包拮蒸发过程,结构简单。过滤层的平均孔径为0 05Mm至10Mm.通过的过滤系统。此系统由以下六个单元组成:(1)过滤器单元:过滤器芯、过滤器再生通道及外壳组成;(2)液氦输送系统带输送阀的液氦容器及管路组成;(3)杂质气体充注系统氮气与氧气钢瓶、气体流量计管路与阀门组成;(4)气体分析系统:气相色谱仪、取样管道及阀门组成;(5)过滤器再生系统氮气钢瓶、管路、阀门组成;(6)测量系统氮、氧、氦流量计、温度计及差压传感器组成。

  液氦输送系统与杂质气体充注系统将氮气、氧气与液氦充分混合,氮气和氧气在液氦温度下成为固态,与液氦一起流入过滤器。在过滤器前后有温度和压力传感器,用于测量流体在过滤器入口和出口处的温度和压力,从而得到流体在流经过滤器时的压降。为了得到过滤器的过滤效果,对出口处的流体用气相色谱仪分析了其组成。当需要对过滤器进行再生时,关闭阀门V1~V4,打开阀门V5,将常温下的氦气充注入管道内,过滤器上的滤饼通过吸收热量而使凝结在其表面的固体颗粒气化而使过滤器得到再生。

  2过滤效率模型利用金属丝网过滤的低温模型很少见,常见的是常温和高温模型。采用统计模型预测了常温下的过滤效率、滤饼厚度、滤饼孔隙率,并通过孔隙率的变化计算滤饼的压降。此模型基于粒径和粒子沉积位置的随机分布,得出以下结论滤饼沉积效率取决于平均粒径与过滤介质平均孔径之比。随着滤饼厚度的增加,滤饼平均孔隙率降低;随着平均粒径的降低,压降升高。采用了二维计算机模拟模型,描述了粒子在过滤介质之内的渗透过程、过滤介质的堵塞以及过滤介质外滤饼的增长过程。相应的压降以及洁净气体内的杂质粒子数量相对时间的函数,与所得的实验数据相当吻合。

  模拟实验过程。选择平行或交叉等间距排列的圆柱体表征过滤介质,选择颗粒向过滤介质运动时经过的控制表面,在颗粒控制表面采用随机函数安排颗粒运动的初始位置,然后确定颗粒的运动状态,判断颗粒是否被捕集或逃离过滤介质。后根据颗粒的运动状态,由时间函数给出捕集效率、沉积状态等。

  低温下的过滤过程与常温或高温过程的不同之处主要是低温下固体容易结块,以及由于漏热导致的流动不稳定性而造成的过滤沉积不稳定,从而影响滤饼厚度、滤饼孔隙率以及压降的计算,导致偏差。笔者认为,综合上述三种模型,有以下需要改进之处:随机函数的改进。随机函数主要用于确定孔隙分布、粒径分布以及粒子沉降的位置。考虑到固体结块的影响,固体粒子的粒径分布不再符合正态分布等,粒子沉降的位置也有差别。(2)沉积的不稳定性。沉积主要与时间函数有关。若流动随时间不稳定,则沉积状态与捕集效率随时间的变化与常温或高温下均有不同。另外,对于低温下的过滤,一般情况下的过滤机制如拦截、碰撞、重力沉淀、扩散和静电沉积等还需要重新考虑。此项内容有待于进一步的理论和实验研究。

  金属丝网过滤技术具有高强度、高效率、适用范围广、易于清洗再生、使用寿命长等特点。本文提供的曰本某公司生产的金属丝网过滤器,名义精度为0.5Mm,可以用于太空中的液氦纯化。提出了金属丝网过滤及再生方案,并比较了国内外现有的常温和高温过滤模型,指出应用于液氦纯化时需要改进随机函数并考虑沉积的不稳定性的影响。改进模型的优越性将在后续试验中予以论证。

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