1  高分子微孔精密過濾技術概述��

1.1  液體精密過濾及其存在的問題��

    化工生產(chǎn)很多場合涉及液固分離，包括沉降和過濾分離兩大類。由于前者要求液固兩相必須有一定的密度差,而后者不受限制，因此過濾分離應用較廣。液固過濾分為粗級過濾(>100μm)、亞精密過濾(100～10μm)、精密過濾(10～1μm)、超精密過濾(1～0.1μm)、超濾、納濾及反滲透(<0.1μm)。對于大多數(shù)化工液體而言，須要進行精密過濾。

    目前，對大于10μm的粗級過濾與亞精密過濾，采用非金屬、金屬濾布或濾網(wǎng)作過濾介質的間歇或連續(xù)過濾機可滿足要求。精度要求小于1μm的液體過濾,采用有機或無機微孔膜也可獲得較好效果。但應用最廣泛的精密過濾卻存在如下問題，而成為最薄弱的過濾操作。

    10～1μm的液體精密過濾，包括可形成濾餅層的“液體精密濾餅過濾”和不形成濾餅層的“液體精密澄清過濾”。當前，精密濾餅過濾的介質大多采用整體型的用作亞精密過濾的濾布、濾網(wǎng)或濾氈。它存在兩大不足：（1）過濾前期，小于10μm的微粒會穿漏，只有進行反復循環(huán),待10μm左右的微粒形成一定厚度的濾餅,過濾精度才逐漸達到要求，即過濾效率較低；（2）由于濾布或濾網(wǎng)為非剛性,對較黏細顆粒形成的濾餅難以簡便卸除。作為精密澄清過濾的介質,分為整體型和分散型兩類。整體型一般是較厚的燭型濾芯、濾氈或濾板，它們常因難以有效再生而需要頻繁更換，由于消耗大量的濾材，成本較高。分散型濾材有顆粒與長纖維兩種，它們均可再生而反復使用，但也存在兩大不足，一是其孔隙內易產(chǎn)生板結現(xiàn)象,導致過濾時產(chǎn)生溝流,嚴重影響過濾效率；二是由于過濾介質的孔隙率大,細顆粒很容易穿濾出去,因而過濾質量不穩(wěn)定。��

1.2  新型高分子微孔精密過濾技術��

    為解決液體精密過濾存在的不足，我國科技工作者開發(fā)了以剛性高分子材料為過濾介質的微孔過濾技術，目前已形成硬件(高分子微孔燒結過濾管及精密過濾機的制造)與軟件(過濾物料的性能測試、過濾設計計算)都比較成熟的新型液體精密過濾技術。��

該技術的核心元件——過濾介質，是一種以燒結聚乙烯為原料的高分子微孔管, 經(jīng)過活化、改性、復合等特殊工藝而制成，其管壁上充滿了毛細小孔，平均孔徑為2～140μm，過濾精度為0.5～1μm。微孔管具有剛性，可耐外壓0.2～0.5MPa,耐內壓0.4～1MPa。��

    高分子微孔精密過濾的基本原理是:利用微孔管正向過濾，反向沖洗、再生（見圖1）。工作時，待過濾物流向微孔管，其中的固體雜質微粒被微孔管捕捉，在管外形成濾渣定期排出；過濾液穿越微孔管后，匯集到出料口流出，從而實現(xiàn)溶液的過濾分離。當微孔管堵塞嚴重時，可暫停過濾,從反向沖洗口或正向沖洗口通入清洗物,將其沖洗（反向沖洗為主），微孔管再生后繼續(xù)過濾……

圖1  剛性高分子微孔精密過濾原理��

1—過濾液進口；2—正向沖洗入口；3—過濾液出口(反向沖洗入口)；4—過濾機外殼；5—微孔管；6—渣料出口

1.3  高分子微孔精密過濾的特點

    它的主要優(yōu)點如下。��

    (1)過濾效率高。最小可過濾0.5μm微粒，過濾效率可大于99.9%。��

    (2)卸除濾餅簡便。對濾餅進行快速反吹，可很方便地、輕松地卸除。��

    (3)再生效率高。應用反吹法可對微孔管進行高效、簡單的物理再生，微孔管可長期使用。

    (4)耐腐蝕性能好。微孔管耐酸、堿、鹽及大部分有機溶劑。

    (5)維護檢修方便。過濾機結構較簡單，微孔管相對密度小，維護與檢修容易。��

    (6)動力消耗小。過濾壓差小于0.3MPa，動力泵消耗較低。��

    (7)占地面積少。大部分過濾機為立式，單位過濾面積占地較少。��

    (8)自動化程度較高。過濾機如配以自動閥門與控制裝置，可以達到全自動或半自動操作。

    (9)適應性廣。PG型微孔過濾機已有多種結構系列，可適應各種工況的液體精密過濾。

    (10)工作環(huán)境好。過濾為密閉操作，生產(chǎn)場地清潔、衛(wèi)生。��

新型高分子精密過濾的主要缺點有:(1) 微孔管不耐高溫，最高不超過120℃（但大量的化工液體過濾時不超過100℃）；(2)濾餅干度不及板框式壓濾機與三足式離心機。��

1.4  過濾工程的基本設計計算��

    為了正常發(fā)揮新型液體精密過濾技術的功效，應用前必須進行物料過濾性能測試與物料平均濾速的計算。按照宋顯洪^［1］等提出的計算公式，計算方法如下：��

(一)液體精密濾餅過濾的平均濾速按公式(1)～(3)計算��

��

    求得平均濾速W，再根據(jù)工程所需的過濾液流量，即可算出所需的過濾面積。由濾液流量、過濾面積、最大濾餅厚度等即可確定微孔精密濾餅過濾機的各種參數(shù)及相關尺寸。��

(二)液體精密澄清過濾的平均濾速按公式(4)計算��

��  W=b/(t-a)                                (4)��

式中， t——每一周期內的過濾時間，s；��

��         a、b——與物料內微粒性質、濃度及t值有關的參數(shù)，可通過小型試驗測定。��

同理(一)，得出物料平均濾速后，即可由流量計算所需過濾面積，再選取微孔精密澄清過濾機相應的規(guī)格參數(shù)。��

2.1  應用微孔精密過濾技術改造脫碳液過濾系統(tǒng)��

    湖南金信公司年產(chǎn)合成氨180kt。其氣體凈化系統(tǒng)的脫碳工序采用改良DEA循環(huán)脫碳工藝，該脫碳液的主要技術參數(shù)為：①成分：K₂O 210g/L，KVO₃ 8g/L，DEA 22g/L；②循環(huán)量：520m³/h；③溫度：≤120℃；④雜質粒度：＜50μm；⑤雜質含量：＜5g/L。原裝置對于脫碳液吸收CO₂再生后的雜質精密過濾，采用傳統(tǒng)的活性炭介質吸附提純的工藝�；钚蕴恳�(guī)格為φ2～3mm，長10mm左右的小顆粒，屬于分散型過濾介質的精密澄清過濾，存在的弊端如下。

    ①過濾效果不佳，效率較低。由于活性炭介質經(jīng)一定時間的過濾后，孔隙內截留了相當數(shù)量的精細微粒，此時活性炭顆粒介質容易產(chǎn)生板結或結塊現(xiàn)象，導致過濾時發(fā)生溝流，嚴重影響過濾效率，其平均雜質去除率通常在70%左右。��

    ②過濾質量不穩(wěn)定。由于活性炭深層過濾介質的孔隙率較大，且不均勻，細顆粒雜質如硫、塵埃、催化劑粉末、腐蝕鐵屑等很容易穿濾出去，它們易造成脫碳液表面活性能力降低，引起溶液發(fā)泡，嚴重時導致CO₂吸收塔帶液、泛塔的事故，致使脫碳工序不穩(wěn)定。��

    ③易飽和失效。活性炭吸附雜質后，1年左右就飽和失效。由于有效使用時間較短，填料更換頻繁，不僅檢修和更換費工、費時、不方便，而且由于專用活性炭填料價格較貴，增加了系統(tǒng)運行成本，故經(jīng)濟性差。��

    ④制約系統(tǒng)生產(chǎn)。由于活性炭過濾效果較低，質量不穩(wěn)定，很難達到工藝要求，系統(tǒng)脫碳液雜質含量長期維持在較高值，導致CO₂吸收塔的工作效率較低，制約了凈化系統(tǒng)的氣體處理能力，不能與壓縮機系統(tǒng)的出氣量相適應。��

為解決活性炭法過濾脫碳液存在的問題，金信公司經(jīng)過技術招標，采用了高分子微孔精密過濾工藝取代原活性炭過濾工藝。過濾改造后的工藝流程見圖2。該流程為旁路過濾方式，設計過濾流量為12m³/h，即逐步完成系統(tǒng)脫碳液的清潔工藝；改造中，根據(jù)脫碳液過濾特性試驗、計算，選取了合適的微孔管及過濾機型；因工藝脫碳液溫度接近120℃，雖然采用了耐高溫的PA型微孔管，為延長其使用壽命仍采用了先將脫碳液冷卻到100℃再過濾的方案（因旁路過濾量很小，對系統(tǒng)脫碳液溫度影響可以忽略）；為提供過濾液壓差，配置了小型管道泵；設計了空氣和軟水接口，以滿足微孔管再生需要。

    脫碳液過濾改造取得了良好的效果，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

圖2  脫碳液高分子微孔精密過濾工藝流程示意

    ①微孔過濾效果很好。過濾精度達0.3～0.5μm，分離效果可達97%以上，能滿足脫碳液澄清過濾的要求。投運后，系統(tǒng)脫碳液能在較短時間達到清徹透明的理想狀態(tài)。其運行情況見表1。��

    ②操作方便，系統(tǒng)生產(chǎn)穩(wěn)定。該過濾屬于物理過濾，不改變溶液成分，也不存在吸附損耗，且過濾管再生操作簡單、快捷，再生效果可恢復如初，因此有效地解決了活性炭過濾易飽和失效的難題；由于脫碳液過濾后，品質好、質量穩(wěn)定，滿足了澄清過濾要求，雜質得到有效去除，消除了脫碳液發(fā)泡現(xiàn)象，避免了吸收塔帶液、泛塔的事故，并且再生操作就地處理、簡單快捷，過濾物渣料可及時排出，因此保持了系統(tǒng)生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定，為凈化系統(tǒng)的長周期運行創(chuàng)造了重要條件；此外，關鍵部件——微孔管雖然為易損件，但具有較好的耐腐蝕性及抗老化特性，精密微孔過濾機投運三年多以來，尚未作任何檢修，表明其使用壽命較長。

表1  脫碳液過濾效果、效率對比（新、老系統(tǒng)統(tǒng)計平均值）

    ③經(jīng)濟性較好。由于微孔過濾效果明顯優(yōu)于活性炭，系統(tǒng)中脫碳液雜質含量可以快速降低并持續(xù)保持在較低值，因此大大地提高了脫碳液工作時的吸收效果，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的同時，提高了氣體處理能力。改造后，脫碳工序的氣體處理能力提高了1%以上，分別達到了與合成氨氣體壓縮系統(tǒng)出氣量43000m³/h、47000m³/h相適應。加上每年可節(jié)約活性炭6t，經(jīng)測算，年新增收益在26萬元以上，不到一年即可收回投資。��

2.2  采用微孔精密過濾器改造銅氨液過濾系統(tǒng)��

    金信公司合成氨原料氣體中的CO等雜質，經(jīng)中壓變換、甲醇合成吸收后，最后在凈化系統(tǒng)銅洗工序的銅洗塔內由銅氨液循環(huán)洗滌、吸收去除。銅氨液的主要工藝技術參數(shù)為：①成分Cu 2.2～2.5mol/L，NH₃ 10～13mol/L，HAc 2.2～2.5mol/L；②溫度≤40℃；③循環(huán)量54m³/h；④雜質粒度＜50μm；⑤雜質含量＜5g/L。原裝置對于銅氨液吸收CO還原、再生后的雜質精密過濾，采用絲瓜絡作為過濾介質，也屬于分散型過濾介質的精密澄清過濾，存在的弊端如下。��

    ①過濾效果較差、效率較低。進銅洗塔銅氨液的品質長期不能達到銅洗系統(tǒng)對銅氨液的要求，因此嚴重制約了銅氨液對氣體雜質的吸收效果，即限制了該系統(tǒng)的氣體凈化處理量。

    ②易引發(fā)事故。在絲瓜絡使用初期，因其中含有較多的灰塵，加劇了銅氨液污染的程度。銅氨液不干凈，除了降低銅洗塔的吸收效果外，還易引起銅氨液發(fā)泡：一方面，如系統(tǒng)操作不理想，將引起銅氨液再生不完全，當銅氨液循環(huán)進入銅洗塔工作時，會使吸收效果更差；另一方面，銅氨液發(fā)泡易發(fā)生出銅洗塔凈化氣帶液的現(xiàn)象，已多次引發(fā)壓縮系統(tǒng)的設備毀壞、氨合成系統(tǒng)的催化劑壽命縮短、氨產(chǎn)品產(chǎn)量降低、質量下降等嚴重事故。��

    ③使用壽命較短、更換很不方便。絲瓜絡使用較久后，大量的油漬附在其表面上，既造成飽和失效，又使阻力大增，故每年必須更換絲瓜絡。由于更換時必須停車、開罐，并手工取裝，不僅費力費時，而且檢修現(xiàn)場衛(wèi)生狀況很差。��

    ④過濾效果不能適應銅洗塔內件改造后的要求。原銅洗塔內件為鮑爾環(huán)散堆填料，由于傳質效率較低，導致銅氨液流量大，能耗高，氣體處理能力受限，為節(jié)能降耗、提高銅洗系統(tǒng)生產(chǎn)能力，該公司于2003年將銅洗塔內件改造成了新型、高效規(guī)整填料。因為規(guī)整填料的波紋板片之間的間隔較小，如銅氨液較臟，很容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，使氣體偏流，造成銅氨液吸收率下降、系統(tǒng)阻力增加。雖然銅洗塔改造后的銅氨液分布器具有較好的自過濾、沉積雜質的能力，但要使規(guī)整填料不被堵塞并長周期運行，進塔銅氨液質量指標要求必須遠高于散堆填料，而絲瓜絡過濾器很難達到要求。��

    為克服絲瓜絡過濾的嚴重不足，金信公司經(jīng)過技術招標，采用了溫州東甌微孔過濾有限公司提出的改造方案，即將原絲瓜絡過濾器更換成高分子微孔精密過濾器，過濾改造后的工藝流程見圖3。該工藝也采用了旁路過濾，設計過濾流量為5m³/h，以逐步完成系統(tǒng)銅氨液的清潔；根據(jù)銅氨液特性試驗選取了合適的微孔管及其過濾機；為提供過濾壓差，配設了小揚程管道泵；還配置了空氣和稀氨水接口，用于再生微孔管。

圖3  銅氨液高分子精密微孔過濾工藝流程示意��

1、2^#銅氨液過濾器與銅洗塔改造同步配套完成，總投資42萬元（其中過濾器16萬元）， 改造效果顯著，如下所述。

    ①過濾效果好，效率高(見表2)。微孔管過濾粒度可達0.3～0.5μm，分離效果可達90%以上，系統(tǒng)雜質含量下降明顯加快，滿足了銅洗塔規(guī)整填料改造后對銅氨液更高的品質要求，為提高銅洗塔的吸收效果、增加其氣體凈化能力創(chuàng)造了重要的條件。

    ②出口銅氨液不發(fā)泡。由于微孔過濾后銅氨液非常清潔，未再引發(fā)銅洗塔帶液和再生系統(tǒng)運行不正常的事故，消除了安全隱患。��

    ③操作方便。過濾管再生時就地處理，不需拆卸設備，方便快捷、操作簡單，經(jīng)過再生處理后，過濾效果可恢復如初。與此同時，過濾物渣料可及時排出，能保持系統(tǒng)生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定。��

    ④使用壽命較長。由于不需更換過濾材料，且關鍵部件——微孔管已運行3年多尚不必更換，故檢修周期明顯增長。

    ⑤經(jīng)濟效益好。該改造與銅洗塔規(guī)整填料改造同步竣工后，由于進銅洗塔銅氨液質量和銅洗塔傳質效率的大幅提高，使銅氨液吸收CO效率也顯著提高（表3），在提高了銅洗系統(tǒng)生產(chǎn)能力的同時，取得了顯著的節(jié)能降耗效益，每年直接效益達220萬元，不到3個月即收回了改造投資。

表2  銅氨液過濾效果、效率對比（1、2^#系統(tǒng)平均值）

表3  φ1000mm銅洗塔改造前（2001年5月）、后（2004年5月）工藝統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比

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3  總結��

    新型剛性高分子微孔液體精密過濾技術，是對傳統(tǒng)的精密過濾技術的重大革新。其過濾效率高，過濾管再生方便，操作簡單，使用壽命長，在合成氨凈化系統(tǒng)中應用，只要選型適當、設計合理、操作規(guī)范，可取得良好的節(jié)能降耗效果。