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关于化工生产上的液体精密过滤与最新过滤技术介绍

日期：2020/7/14浏览：1076次

摘要：液体的精密过滤是化工生产上普遍应用的一种重要化工操作，本文简单叙述当前化工生产上液体精密过滤的主要概况，介绍了最新开发的液体精密过滤技术及其在液体精密滤饼过滤与液体精密澄清过滤领域的应用，最后介绍应用最新液体精密过滤的主要计算公式。

关键词：粗级过滤，亚精密过滤，精密过滤，超精密过滤，澄清过滤，滤饼过滤

在所有化工生产中，如基本化工，精细化工，石油化工，生物化工，制药化工，食品化工，纺织化工，冶金化工及环保化工等等生产中，绝大部分原料，中间体与产品是液体。为了提高产品的质量，收率，劳动生产率，降低成本，减少环境污染，必须对这些液体进行精密过滤。

化工生产上的液体种类繁多，作为非均相分离的液体过滤基本上可分为以下几类：

粗级过滤：过滤精度大于 100 微米；

亚精密过滤：过滤精度为 100 — 10 微米；

精密过滤：过滤精度为 10 — 1 微米，精密过滤亦可称为微米级过滤；

超精密过滤：过滤精度为 1 — 0.1 微米，超精密过滤亦可称为亚微米级过滤。

过滤精度小于 0.1 微米的超滤，纳滤与反渗透等过滤分离技术已不属“非均相分离”，应属于“均相分离”范畴。为了提高质量与收率，对某些化工液体，除了进行精密过滤与超精密过滤，还应继续进行超滤，纳滤或反渗透，但是对大多数化工液体，只需进行精密过滤已足够。少数需要超精密过滤，甚至需进行均相过滤，必须先进行高效精密过滤，才能保证后面串联的超精密过滤与均相过滤技术能长时间连续运行，减少超精密过滤或均相过滤的污染堵塞，延长使用寿命。

一．精密过滤的当前基本概况：

液体精密过滤的目的是去除液体中不需要的固体微粒，提高液体的澄明度。固体微粒大部分小于 10 微米。过滤此类物料，基本有两类过滤方式，一种是可能形成滤饼层的精密过滤，称之为“液体精密滤饼过滤”，另一种是不形成滤饼层的，称之为“液体精密澄清过滤”。

作为液体精密滤饼过滤的过滤介质，其介质的毛细孔径小，孔隙率低，介质厚度薄，捕捉固体微粒的过程基本发生在过滤介质表面，因此亦称 “精密表面过滤”。目前工业生产的精密滤饼过滤的过滤介质基本上是应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 10 微米的微粒会穿漏，只有进行反复循环，待 10 微米左右的微粒形成一定厚度的滤饼，过滤精度才逐渐提高至能过滤微米级微粒。由于无更好的技术，以至许多生产目前还只得应用这一方法。

作为精密澄清过滤的过滤介质，其毛细孔径大，孔隙率大，过滤介质层的厚度大，捕捉固体微粒基本在过滤介质层的孔隙内部，因此亦称之为“精密深层过滤”。精密澄清过滤介质有整体型，也有分散型。整体型一般是厚度较厚的烛型滤芯 ( 如绕线式滤芯，粘结纤维滤芯或喷融纤维滤芯等 ) 或滤毡，滤板等；整体型滤芯，滤毡或滤板难以有效再生，当其内部孔隙为微粒堵塞无法继续过滤时，一般均丢弃。这种应用方法导致每年消耗很大量的滤材，不符合可持续发展原则，工业生产上不宜再大量应用。分散型滤材有颗粒分散型与长纤维分散型两种。这两种深层过滤介质均可再生，可长期反复使用。但是分散型过滤介质经一定时间过滤，孔隙内截留了一些粘细微粒后，使颗粒介质或纤维介质容易产生板结或结块现象，导致后来的过滤发生沟流，严重破坏过滤效率。由于深层过滤介质的孔隙率大，远大于微米级微粒，使细颗粒很容易穿滤出去，影响过滤精度。此外，分散型深层过滤介质再生时要消耗大量反冲洗水，要处理这种反洗水，另需过滤装置，否则会严重污染环境。虽然有这些缺陷，由于结构简单，操作简便，成本低，在没有更理想的精密澄清过滤可取代之前，这些深层过滤方法还会用于不少化工生产。

二、新型液体精密过滤技术的基本概况：

二十世纪五十年代至七十年代，相继诞生的陶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。陶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，安装与维修不方便，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；高分子类的化学性能比较理想，价格比较低，机械性能也较好，重量轻，安装与维护较方便，主要缺点是耐温不高，一般不超过 120 度，但是由于许多化工生产上的液体过滤温度不超过 100 度，因此高分子类烧结微孔管在化工生产上有很大的应用前景。

目前在化工生产上广泛应用的是以烧结聚乙烯为主要原料的微孔管，即微孔 PE 管与微孔 PA 过滤管为过滤介质的新型精密过滤技术。

（一）型液体精密过滤技术的主要特点：

1. 过滤效率高：水溶液类液体中 0.5 微米可过滤 99.9% 以上， ( 空气类气体中 0.3 微米可过滤 99.9% 以上 ) ；

2. 卸除滤饼简便：利用压缩气体快速反吹法可很简单地卸除微孔过滤管外表面所形成的滤饼，不需要繁重人工体力劳动；

3. 再生效率高：利用气—液 ( 水 ) 混合流快速反吹法可对微孔管进行高效简单的物理再生，使用寿命长；

4. 化学性能优越：由于微孔管的基本原料为聚乙烯，化学性能相当优越，能耐绝大部分的酸 (95% 以上浓硫酸除外 ) ，碱与大部分溶剂。

由刚性的高分子烧结微孔管所组成的液体精密微孔过滤机已有多种结构类型，可满足许多化工生产上处理量大或小的，含固量多的或少的，可成干滤饼排除的或成湿滤饼排除的，耐腐蚀性大的或无腐蚀性的，常温，低温或 100 度的，有化学溶剂等等要求；既可用于要求特殊的制药与食品等生产，也可用于处理难度很高的某些废水过滤。所有上述过滤过程全部为密闭操作。这几类精密微孔过滤机大部分为立式安装，占地面积较小，多数过滤压差不超过 0.25 ～ 0.3MPa 。动力消耗较省。

所有排干滤饼的微孔精密过滤机的底部均有气缸操作的大排渣底盖，卸渣时机械化程度高；所有的微孔过滤机均易组装成全自控操作。

这种新型精密过滤技术的主要缺点有：

1. 耐温性不高；最高不超过 100 度

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。

( 三 ) 新型液体精密过滤技术的应用概况：

新型液体精密过滤技术已在基本化工，制药化工，精细化工，生物化工，食品化工，冶金化工，纺织化工及环境化工等领域许多产品生产与废水处理工程中用作液体的精密过滤。

1. 液体的精密滤饼过滤：

化工生产上，已较广泛应用的液体精密滤饼过滤有粉末活性碳脱色液的精密过滤，发酵液的精密过滤，许多化工液体去除大量固体杂质的精密过滤，各种植物油毛油的精密过滤，果汁的精密过滤，天然药提取液的精密过滤，重金属废水的精密过滤，含氟废水，含硫废水的精密过滤，煤矿矿井废水的精密过滤等等。上述这些含杂质微粒较多，能很快形成一定厚度的滤饼，精密过滤机底部均具有气动快开排渣底盖，当精密过滤机内所有微孔过滤管外表鼓手面所形成的滤饼依靠气体正吹压气法将滤饼平均含水（液）量降到所需的数值，应先气动打开底盖，然后利用压缩气体快速反吹法，将所有滤饼反吹下来，通过排渣口落到精密过滤机外面。排渣后，利用气体与液体交叉反吹，将微孔过滤管再生。新型精密滤饼过滤机的排渣与再生等操作均非常简便。

2. 液体精密澄清过滤：

在各种化工生产上，有大量液体原料（包括水），液体中间体，液体产品及废水需要精密过滤，这些液体杂质数量很少，但微粒粒度却非常细，多数的微粒粘性很大。对这些料液的精密过滤，难以形成有明显厚度的滤饼。对于这种物料，采用粗级过滤与亚精密过滤的过滤介质（如膜过滤），过滤效率差，过滤精度达不到要求，如采用超精密过滤的过滤介质，虽精度可达到要求，但使用寿命短，操作费用太高。只有精密过滤的过滤介质才适合这类料液。其中高分子类微孔过滤介质比陶瓷类，金属类具有较多优势，比分散类深层介质具有更多优势，因此高分子精密微孔过滤技术已大量用于各种化工液体的精密澄清过滤。如工业生产用水过滤，工业冷却水循环过滤，氯碱生产上二次盐水过滤，化肥生产上铜氨液与脱碳液的过滤，多种有机酸与无机酸过滤，多种碱类液体过滤，多种糖类，醇类，酮类，胺类，表面活性剂类等液体过滤，多种精制植物油，酒类（包括药酒）及多种含悬浮物很少的废水等等过滤。用这种新型精密过滤技术，滤液的澄清度均很高，液体的透光率有的可达到 99.8% 以上。其应用范围与规模正在不断扩大。现在，许多超滤，纳滤，反渗透，离子交换，电渗析，精馏，蒸发，结晶等化工单元操作之前，越来越多采用这一新过滤技术作预处理保护装置，以提高这些单元操作的效率，质量与寿命。

有些化工液体，如含少量蛋白质的天然药提取液，生物发酵液，药酒等液体中往往含有小于 0.1 — 0.2 微米的杂质，有些杂质的粘性还非常大。过滤这些物料，单用精密过滤介质，其过滤精度难以达到要求。如采用微孔膜等超精密过滤介质作后续复滤，其过滤阻力也非常大，滤速非常慢，滤材耗量大，成本高。为了提高质量与滤速，减少操作成本，在采用新型的精密过滤之前，应对原液进行絮凝处理 ( 物理絮凝或化学絮凝 ) ，使 0.1 微米左右的微粒絮成大于 0.5 微米的絮状体。这样就可采用刚性精密微孔管进行过滤，由于絮状体过滤时形成的滤饼往往是可压缩滤饼，滤速往往比较慢，过滤前应往絮凝液中投加一定量化学惰性的助滤剂，利用助滤剂刚性多孔结构将可压缩性滤饼转化为不可压缩滤饼，以使整个过滤过程中能保持较高的平均滤速。经过这样处理的料液，其过滤方式已不属精密澄清过滤，而属于精密滤饼过滤。

某些含蛋白质等较多的滤饼过滤物料，形成的滤饼基本是可压缩性，为了提高平均滤速，也可往物料中加进一定量的助滤剂。

絮凝与助滤是有效的过滤辅助措施。但不能影响产品质量与收率。预先应进行试验，选择絮凝工艺与助滤剂种类与用量，防止生产上产生负面影响。

( 三 ) 新型液体精密过滤的主要计算：

新型液体精密过滤技术具有高效微米级的过滤精度。卸滤饼与微孔管再生很简单，微孔管使用寿命可长期使用，而不是易耗品。为了在生产应用中完全体现这些效果，在选用前必须对具体要过滤的物料进行严格的过滤性能参数的测定与平均滤速的计算，按照一系列计算结果，正确选择精密微孔过滤机的结构型号与规格，并要进行正确的过滤工程的设计，管理与操作。

(1) 液体精密滤饼过滤的平均滤速及有关参数的计算：

平均滤速 W 按下式：

(1)

上式： W — 平均滤速 (m/S)

Rm -- 微孔管的阻力 (1/m)

α – 滤饼的平均比阻 (1/m2)

C -- 滤饼体积 / 滤液体积

Δ P – 过滤压差 (N/m2)

t -- 每一周期的过滤时间 (S)

µ -- 滤液粘度 (N*S/m2)

需要测定在不同压差下的滤饼平均比阻，然后归纳出比阻 α与Δ P 之间的关系式

(2)

式中， α o 入， S -- 与滤饼性能有关的参数，

在化学工程教科书上都有比阻 α的测定方法，本文不详细介绍。

过滤管阻力 Rm 应由微孔过滤管制造商提供。

在滤饼过滤中，往往存有一个最佳过滤压差 △ Popt ，尤其微米级的精密过滤，比较普遍存在最佳压差，其值按下式计算：

（ 3 ）

式中 △ S ——滤饼层的厚度（ m ）

如 α 0>>Rm/ △ S 式（ 3 ）可近似写为：

（ 3` ）

对粗级过滤，完全可用（ 3` ），但对精密过滤，微孔过滤管的平均孔径小， Rm 值较大，而滤饼厚度一般不大，其 Rm/ △ S 值相当大，计算中不能忽略。

当计算出 △ Popt ，按式（ 2 ）算出最佳压差下的α值，将△ P 与α值代进式（ 1 ），根据生产上所需要的过滤时间，就可算出 t 时间内的平均滤速 W ，再根据 t 时间内所需得到的滤液体积，就可算出所需的过滤面积，最大滤饼厚度，以及时间 t 内所得滤液体积，然后就可选出精密微孔过滤机的型号、规格、排渣口直径及其他有关尺寸。

（ 2 ）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，不能按滤饼计算方式计算。

精密澄清过滤的平均滤速按下式：

（ 4 ）

式中 t ——每一周期内的过滤时间（ s ）

a 、 b ——与物料内微粒性能及浓度有关的参数。

a 、 b 要通过小型试验测定， a 、 b 与 t 值密切相关，因此应测定不同 t 值下的 a 、 b 值。

三、后语：

各种化工生产上有大量液体需进行精密过滤，精密过滤的技术是否先进与可靠，对化工生产上起着举足轻重的作用。但是在各种生产上，以往只重视采用微孔膜等粗级过滤与亚精密过滤，只重视超精密过滤，忽略了精密过滤在化工生产上的地位。以致至今在许多化工生产上发现所用的粗级过滤与亚精密过滤的效率低，精度差，影响产品质量与收率，造成宝贵化工资源成为污染环境毒害人畜的有害物质，也造成许多超精密过滤的过滤介质，如各种过滤膜，使用寿命短，成本高。许多人不了介精密过滤可以起到承上启下的作用，它既可提高亚精密过滤的滤液质量与收率，又可减少超精密过滤的耗用量与成本。

本文叙述的一种新型液体精密过滤技术 ——刚性高分子精密微孔过滤技术既可用作高效液体精密滤饼过滤，也可用作高效液体精密澄清过滤，由于过滤效率高，卸除干滤饼与过滤管再生效率高，操作简单，耐化学性能好，使用寿命长，在各种化工生产与环境保护具有很大应用前景，并已获广泛应用，取得显著经济效益与环境效益。

为了使该技术能成功，长期与可靠地在各生产上运行，必须重视该技术的软件（过滤物料的过滤性能测试、计算、过滤工程的设计，操作管理与维护管理等）与硬件（微孔过滤管及精密微孔过滤机的结构，制造，辅助装置的选型及过滤工程的安装等）。

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