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在低温液体纯化中采用金属丝网过滤技术的可行性研究
作者:管理员    发布于:2016-01-11 16:58:16    文字:【】【】【

  超高纯低温液体在工业上以及航空航天领域中的应用相当广泛。例如半导体行业中利用高纯氮气作为活性反应组分的载气,其中水和二氧化碳的体积含量均不得超过10-6;利用液氮作为食品或药物的冷冻剂时,若每升液氮中含有300个以上的活性细菌,则会导致食物变质;在航空航天中,液氦可用于火箭内液氢燃料系统的预冷和压缩,此时对液氦的纯度要求非常高,通常达到99999999以上,因为所有杂质在液氦温度下均会凝固,造成管路堵塞。

  金属丝网过滤技术应用于低温液体纯化时有其的优越性。金属丝网是采用金属编织丝网为原料,通过多层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。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,尤其适用于高洁净度、高安全性的净化系统,且可实现连续化与自动化操作|1.目前,以刚性烧结金属丝网材料为核心的净化分离技术与设备的开发应甩已被列入国家“九五”重点科技成果推广项目。

  本文以金属丝网过滤器为对象研究了低温液体纯化技术。通过介绍金属丝网的结构特点和作用机制,论证了采用该种过滤技术进行低温液体纯化的可行性。针对应用于太空中难度较高的液氦纯化,提出应用金属丝网获得超高纯液氦的过滤及再生方案,给出系统原理图。总结了各种过滤参数对过滤效率的影响,为试验论证提供。

  2金属丝网过滤器21金属丝网的结构特点金属丝网过滤器是以精密金属丝网为原料,根据要求的过滤精度选择相应的目数或型号,通常是3~6层平铺叠合后在真空中加压烧结(1 1h~2h),使金属丝网层与层之间以及丝与丝之间紧密地结合在一起成为牢固的整体121.选材包括不锈钢(304316316L)、高温合金、镍、蒙耐尔合金、铜合金等,典型的编织方法有平纹编织和斜纹编织。

  该种过滤器主要结构包括保护层、过滤层和支撑层。过滤层采用的精密金属丝网是金属丝网烧结材料的关键工作层。过滤层两侧的细丝网对过滤层起保护作用,并在烧结过程中保持过滤网层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刚度和强度。其主要基本特性如表1所示|21.表1金属丝网过滤材料的基本特性名义精度/Mm孔隙率能被低温流体介质中的颗粒杂质诉面滤厉趾此其当经过深谁里之后能能在蔌:低的温度下工作,bookmark2名义精度是指过滤器能够100滤除的固体杂质颗粒的小粒径大小,其主要影响因素是过滤器的大孔径。孔隙率是指开口气孔体积占总体积的百分比。渗透性是指在固定压差下,流体透过单位面积多孔材料的流量,用以表示流体特性、试验压降、流速与多孔材料之间的关系。

  22金属丝网材料的过滤机理金属丝网过滤主要属于表面过滤,即依靠丝网表面大小均匀一致的微孔,将尺寸较大的颗粒截留在丝网上,而尺寸较小的颗粒则随流体流过丝网的一种过滤过程13.针对液氦过滤,由于各种杂质在液氦温度下均凝固为固态,因此对固液分离而言,其过滤机理主要为截留、惯性沉积和扩散。首先是粒径比较大的颗粒,通过直接截留、惯性、扩散效应形成架桥和沉积,被表面过滤层网孔所捕集,并附着在过滤丝网的表面形成完整颗粒层;其后,颗粒层进一步加强对颗粒的捕集作用,使粒径较小的颗粒得到阻留,捕集效果为二者之和。另外,低温下凝固的固体颗粒还会产生粘结效应,加强过滤效果。

  过滤器运行一定周期后,由于过滤器内部通道可厚,导致过滤阻力增大,流速降低,这时可通过高压气体反吹的形式对过滤器进行再生。液氦过滤时,由于金属丝网过滤器表面聚集的是低温固体颗粒,因此利用常温下的高压气体进行反吹即可。此时需要注意的是,为防止过滤器内部杂质增多,反吹时须使用高纯度的同种流体介质。

  为日本某公司生产的Y35mmX214mmL型金属丝网过滤器,用于过滤4 3K的液氦。材质为316L奥氏体不锈钢,名义精度为10Mm过滤面积640  金属丝网过滤材料作为新型金属滤材,与其他过滤材质相比,具有如下优点:金属丝网材质都具有良好的超低温韧性,尤有效地防止脆性断裂。

  机械强度高、塑性好,能进行机械加工和焊接等。且能较好地承受热应力及冲击,可以在较高的压差状态下稳定工作。

  金属丝网孔隙率高,孔径均匀稳定易于控制,同时利用烧结工艺完成了丝网孔径的刚性强化。

  5rtn以上,适用于各种介质的精密过滤,且捕集效率高、阻力压降小。

  可清洗再生,使用寿命长。低温流体过滤时,利用常温下的高压气体进行反吹即可实现再生,非常方便。

  目前广泛应用于除尘和净化的另一种元件是陶瓷过滤器。该种过滤器虽然具有孔隙率高、耐腐蚀性能好、机械强度高、耐高温等优点,但是陶瓷材料因热冲击容易产生脆性断裂,且反向冷气体冲洗将造成强度损失及破坏,陶瓷元件安装时易于漏气等,因此低温液体净化时采用金属丝网材料将更加合理,而高温液体净化时则倾向于采用陶瓷过滤器。

  中所用材料为316L奥氏体不锈钢,具有良好的超低温韧性,尤其经过深冷处理之后,在非常低的工作温度下也能够有效地防止脆性断裂,且常温下的屈服强度高于175MPa抗拉强度高于480MPa完全满足低温流体的过滤要求。

  ~51而言,金属丝网过滤器在低温液体纯化中还鲜有介绍。但是金属丝网不仅具有陶瓷材料的微孔结构,而且强度更高,其具体应用可通过进一步的试验予以论证。本文利用中的过滤器,提出了液氦纯化的系统原理图,为试验论证提供指导。

  3利用金属丝网过滤器进行液氦纯化31液氮过滤系统1采眉作为杂质A将氮气和液氦均匀混合1后共同进入过滤器,验证过滤效果。系统简要原理图如所示。

  此系统由过滤器单元、液氦输送系统、杂质气体充注系统、气体分析系统、过滤器再生系统和测量系统6个单元组成。液氦输送系统与杂质气体充注系统将氮气与液氦充分均匀混合,此时氮气在液氦温度下凝固为固态颗粒,与液氦一起流入过滤器。过滤器前后有温度传感器和压差传感器,用于测量流体在过滤器入口和出口处的温度和压差。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V,~阀门nVt将常温下的高压氦气充注入管道内,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,以实现过滤器的再生。

  32过滤参数分析影响过滤效率的参数主要有过滤速度、颗粒质量分数以及颗粒粒径等。分析过滤压差与以上参数之间的关系16|,可判断过滤过程的有效性并为试验论证提供。

  一般情况下,过滤器两侧压差随过滤时间的增加而不断增加。在过滤初始阶段压差增加得比较快,之后线性增加。这是因为金属丝网在过滤初始的滤饼形成阶段,固体颗粒直接堵塞丝网内部的孔隙,而导致压差增长很快。在滤饼形成后,压差的增长主要是由于滤饼的不断增厚,所以增长速度变缓。

  当过滤速度增加时,滤管两侧压差增加的速度逐渐加快。这是由于提高流速在过滤初始阶段,会有更多的颗粒堵塞孔隙,直到滤饼形成时压降已经很高了。指出,滤速对金属丝网过滤效率的影响不大,随着滤速的增加,烧结金属丝网过滤效率略有提高。

  在同速下,质量分数越大,压差升高得越快。

  因为质量分数的提高,颗粒堵塞丝网孔隙的几率越大,造成过滤压差增加变快。指出,在高质量分数范围内,过滤效率随着粒子质量分数的降低而降低,而在低质量分数范围内则相反。

  一定的流速和固体质量分数下,粒径越小的颗粒,压差增长得越快。因为固体颗粒粒径越小,越容易进入丝网内部,堵塞孔隙。相反,中位粒径较大的颗粒,越容易在丝网表面形成架桥,而阻止小颗粒进入介质内部形成的堵塞。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0.4m后,过滤效率大幅度提高。

  低温液体纯化时,过滤速度、颗粒质量分数以及颗粒粒径对过滤参数的影响,还需要结合低温液体的物性以及特殊的使用环境,进行进一步的验证。

  4总结金属丝网过滤技术具有过滤精度高、阻力压降小、孔隙率高、孔径均匀稳定、易于清洗再生、使用寿命长等特点,其材质具有良好的低温韧性和足够的性能,保证在低温下不发生脆化和变形,能应用于低温液体的纯化。本文使用日本某公司生产的金属丝网过滤器,针对太空条件下的液氦纯化,提出了过滤及再生方案,详细介绍了过滤系统并分析了其流程。结合常温下金属丝网过滤的结论,说明了过滤速度、颗粒质量分数以及颗粒粒径对过滤效率的影响。

  金属丝网过滤器的过滤效率、过滤参数的具体影响,以及应用于太空条件下的液氦纯化的具体性能,将有待进一步的实验论证。

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