２００７年第３期总第１５７期低温工程ＣＲＹＯＧＥＮＩＣＳＮｏ．３２００７ＳｕｍＮｏ．１５７液氮流过烧结金属过滤器的压降特性研究谢伟李娟石玉美汪荣顺（上海交通大学制冷与低温工程研究所上海２００２４０）摘要：以液氮作为需要净化的低温液体，以二氧化碳为液氮的杂质进行了过滤试验。

搭建了试验台，进行了过滤实验。

在试验中测试了过滤过程中压降变化和被过滤流体流量等参数，对试验结果进行了分析，得到了过滤器压降与工况参数之间的关系。

同时应用基于达西定律的烧结金属过滤器的压降计算模型，对实验工况的过滤器的压降进行预测。

并将模型计算值与实验数据进行比较得出，结果表明模型较好的预测了液氮在烧结金属过滤器中流动的压力损失情况，同时指出了该模型的不足之处和以后的改进方向。

关键词：烧结金属过滤器液氮压降计算过滤中图分类号：ＴＢ６５７。

ＴＢ６６３文献标识码：Ａ文章编号：１０００—６５１６（２００７）０３ｍ０４０—０４ＰｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｆｂｒｌｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎｎｏｗｔｈｒｏｕｇｈｓｉｎｔｅｒｅｄｍｅｔａｌｎｌｔｅｒｓＸｉｅＷｅｉＬｉＪｕａｎＳｈｉＹｕｍｅｉＷａｎｇＲｏｎｇｓｈｕｎ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅ衔ｇｅｒａｔｉｏｎａｎｄｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇｕｎｉｖｅｒｓｉ‘ｙ，ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３０，ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｄｏｎｅｕｓｉｎｇ１ｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎｔｏｂｅｐｕｒｉｆｉｅｄａｎｄＣ０２ｉｍｐｕｒｉｔｙｐａｒｔｉ—ｃｌｅｓ．Ａｆｔｅｒｂｕｉｌｄｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍ，ｔｈｅｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｏｆｌｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｄｕｒｉｎｇｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ，ｓｏｍｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｆｉｌｔｅｒａｎｄｔｈｅｎｕｘｏｆｌｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎ—ｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐａｎｄｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ－ｒｅｌａｔｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅａｎｅｑｕａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＤａｒｃｙｌａｗｉｓｕｓｅｄｔｏｐｒｅｄｉｃｔｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｆｂｒｔｈｅ１ｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎｎｏｗｔｈｒｏｕｇｈｓｉｎｔｅｒｅｄｍｅｔａｌｆｉｌｔｅｒｓ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｍｏｄｅｌｉｓｐｍｖｅｄｔｏｂｅｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｇｏｏｄｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｐｒｅｓ—ｓｕｒｅｄｒｏｐｆｂｒｔｈｅ１ｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎｎｏｗｔｈｒｏｕｇｈｓｉｎｔｅｒｅｄｍｅｔａｌｆｉｌｔｅｒｓｂｙｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐＶａｌｕｅｓａｎｄｒｅａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａ．ＳｏｍｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｍａｙｂｅｍａｄｅｔｏｉｍｐｒｏＶｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｍｏｄｅｌｉｎｆｌｌｔｌｌｒｅｓｔｌ】ｄｊｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｔｅｒｅｄｍｅｔａｌｆｉｌｔｅｒｓ；ｌｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐ；ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ１引言低温液体通常运用于许多大型和复杂的工程项目，在这些工程项目中有些对低温液体的纯度有特殊要求。

为了实现工业低温液体的纯化，应用烧结金属收稿日期：２００７＿０１＿０７；修订日期：２００７一０４—３０基金项目：上海市科委重大项目（０３Ｄｚｌ４０１４）资助。

作者简介：谢伟，男，２３岁，硕士研究生。

过滤器的过滤技术为在低温环境下将固态杂质颗粒从低温液体里分离提供可能。

目前广泛运用的其他过滤器如膜过滤器、塑料过滤器、纤维过滤器和陶瓷过滤器等，都不能或者不适合在低温环境下运用。

而烧结金属过滤器特殊性能南京雄凯过滤设备有限公司多袋式袋式过滤器不同的过滤精度，取决于不同精度的过滤袋。

由于液体介质进入滤器后是从滤 袋顶端流入，使得液体可均匀分布在整个滤袋的过滤表面，令整个层面中的流体分布基本恒定一致，紊流的负面影响小，过滤效果好。

烧结金属过滤器袋式过滤器一 滤芯消毒方法1 消毒柜内消毒 ,把滤芯从塑料袋中取出 ,置于消毒柜内在121ºC下消毒30分钟 .2 在线消毒请 ,滤芯按正确的方法安装在滤器内(固定板与滤芯间隔0.5mm).通蒸汽30分钟二 滤芯安装方法1 将O型圈湿润，慢慢将滤芯垂直插入，必须全部插到不锈钢第圆槽内。

2 将滤芯部翅片用不锈钢孔板压好，压板不需太紧，以防高温消毒时滤芯变型。

3 避免直接用手接触滤芯。

4 使用前尽可能冲洗滤芯。

5 开机或关机时，请慢慢转动阀门，不要一下子打开或关闭，以防在高温消毒时滤被吸瘪。

三 滤芯维护方法滤芯使用至不能满足设计流量时(流量明显下降前后压力表差在0.1MPa)请停机后 打开滤器从滤器，从中取出滤芯，用清水冲洗表面赃物，然后先在的4%的盐酸中浸泡24小时，再在4%的氢氧化钠中浸泡24小时，后用清水冲洗 (浸泡时取下二根O 型圈，以防膨胀) 。

四 主要特性低压差、高通量、多次重复冲洗、长寿命、过滤精度优良、低廉的经济费用特别适用预过滤及洁净过滤。

聚醚砜滤芯：(PESU)材质：聚醚砜滤芯介质为聚醚砜膜 是一种亲水性无菌级折叠滤芯，具有占滤膜面积百分之八十以上的微孔率及独特的微孔几何形状。

通量大，对蛋白质及微生物制剂的吸附比尼龙膜和醋纤膜低。

聚四氟乙烯滤芯：(PTFE)材质：聚四氟乙烯滤芯介质为聚四氟乙烯膜性能优异有广泛的化学适用性、生物安全性及热原控独特的疏水性和亲水性二种。

疏水性：用于气体过滤大到无菌，大通量，耐高温，耐强酸、碱，化学适用性广，适用于发酵罐，二氧化碳，氮气，压缩空气。

用于气体过滤时，能达到100%截留0.02um以上各种噬菌体、细菌及微粒。

亲水性：用于液体过滤达到无菌，化学适用性广，耐强酸、碱，臭氧强度高。

第３期液氦流过烧结金属过滤器的压降特性研究４１使其在低温环境下运用却十分适合。

烧结金属过滤器所使用的过滤介质就是烧结金属多孔材料，是一种被广泛运用的刚性过滤介质。

这种多孔材料是利用金属在高温条件下烧结形成的，可以制成多孔的滤板或者滤管，其板厚或管壁厚一般为２～３ｍｍ；也可以利用金属丝网与金属粉末一起在高温下烧结制得。

可以通过控制金属粉末的粒度和金属丝的直径来控制过滤的孔隙。

随着时代的进步和技术的发展，目前的真空烧结技术，能将以前不适合制成过滤介质的高温易氧化金属材料烧结为工业需要的滤材。

本研究搭建了低温过滤器试验台，并进行了低温液体的过滤试验，试验中以液氮作为需要净化的低温液体，以二氧化碳作为杂质。

在试验中测试了流体流入过滤器前后的压力，流体的流量等参数，并对试验结果进行了分析和比较。

２过滤器试验２．１实验台介绍为了进行低温液体的过滤试验，搭建了低温过滤器试验台，见图１。

试验台由过滤器单元、液氮输送系统、杂质气体充注系统、气体分析系统、过滤器再生系统、真空绝热系统、混合系统、测量系统、安全保护系统组成，各子系统的组分为：过滤器单元由过滤器芯、过滤器再生通道及外壳组成；液氮输送系统由带输送阀的液氮容器及管路、加压系统组成；杂质气体充注系统由二氧化碳钢瓶、气体流量计管路与阀门组成。

气体分析系统由二氧化碳浓度分析仪、取样管道及阀门组成；过图１低温过滤器试验台ＶＧＡ．ｃ０２浓度分析仪；Ｇ１，Ｇ２．质量流量计；Ｖ１～ｖ６．阀门；Ｖ７．安全阀Ｈ．换热器；Ｔｌ，Ｔ２．温度传感器；Ｐ１，Ｐ２．压力传感器；ＢＤ．爆破片Ｆｉｇ．１Ｔｅｓｔｒｉｇｏｆｃｒｙｏｇｅｎｉｃ６ｌｔｒａｔｉｏｎ滤器再生系统由氮气钢瓶、管路、阀门组成；测量系统由氮、二氧化碳流量计、温度计及压力传感器组成；安全系统包括爆破片和安全阀等装置；真空绝热系统由真空容器、真空泵机组、真空测量仪表组成。

２．２实验用烧结金属过滤器实验中所使用的烧结金属过滤器见图２。

其基本参数为：过滤器孔的平均尺寸０．５仙ｍ，过滤层厚度３ｍｍ，过滤层长度２１４ｍｍ，圆柱形过滤器，圆柱外径３５ｍｍ．图２烧结金属过滤器结构示意图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ０ｆｓｉｎｔｅｒｅｄｍｅｔａｌＨｃ矗ｌｔｅｒ２．３实验流程液氮由液氮钢瓶加注入过滤器，作为杂质粒子的ＣＯ：通过Ｖ２流入。

进入混合器并充分混合的液氮和ｃ０：杂质粒４２低温工程２００７年子，沿管路流向过滤器。

经过滤器过滤掉液氮中固体Ｃ０：杂质粒子后，流出过滤器的液氮经汽化器汽化成常温下的氮气后，流经出口处的流量计和ｃＯ，浓度分析仪。

整个过滤过程中，流体流过过滤器后产生的压降由通过测试安装在过滤器前后两端的压力传感器Ｐ１和Ｐ２得到；液氮流量由出口处的流量计Ｇ１测试，通入ｃ０：的流量由Ｇ２测试。

过滤器的过滤效果通过出口气体端的ｃＯ：浓度分析仪进行测试。

３烧结金属过滤器压降计算模型ｕ１流体流经过滤器，将产生压力降。

压降计算是过滤器非常关键的一项特性数据计算。

计算压力降常用的方法是将颗粒层内的实际流动过程简化为等效的可用数学方程式描述的物理模型。

常见的模型有流道模型和阻力模型，前者适合于高填充率（低孔隙率）的情况，后者适合于低填充率的场合。

对于流道模型，多孔过虑介质被看成一系列性质相同且平行的导管，每个导管拥有不同的截面积。

而阻力模型，则将多孔过虑介质看作许多颗粒组成的颗粒层集合，流动过程的压降通过加和所有介质颗粒的压降而得。

本次研究采用流道模型来预测液氮流经烧结金属过滤器所产生的压降。

要计算烧结金属过滤器的压降，首先要知道该过滤器的空隙率。

３．１空隙率颗粒堆积床层内所含固体颗粒的多少显然具有决定性意义。

固体颗粒数目越多，液体流经的内部表面积越大，固液两相问的摩擦越大，压力降就越高。

颗粒床层内液体能够流过的孔隙总体积的比例为孔隙率，定义如下：占：ｉ淼：１一Ｍ／（ｐｙ）（１）６一床层总体积一１””叫叫¨７式中：Ｍ为过滤器总质量，ｋｇ；ｙ为过滤器体积，ｍ３；ｐ为烧结金属过滤介质的密度，ｋｇ／ｍ３。

３．２渗透率烧结金属多孔介质被看作一系列带有水力半径的复杂横截面的导管的集合。

由此渗透率Ｋ被定义为：Ｋ＝Ｒ：８／２（２）式中：Ｒ。

为水力半径为导管横截面积与湿润周长之比。

水力半径可以通过用来制作烧结金属过滤介质的颗粒直径和渗透率来表示。

Ｂｉｒｄ等（１９６０）得到了下面关于渗透率Ｋ的表达形式：ｎ嵩（３）１５０（１一占）２式中：Ｄ。

为颗粒平均直径。

同时上式表示渗透率Ｋ是只是过滤介质的函数。

因此过虑介质的渗透率可以通过计算￡和Ｄ。

或者Ｒ。

来求得。

３．３过滤器压降模型旧１通过式（１）～式（３）确定过滤器的渗透率Ｋ后，就可以运用描述流体流过多孔过滤介质时压力降与被过滤流体关系的达西定律来计算和预测将会产生的压降。