聚结型过滤元件过滤性能影响因素的测定与分析
摘要：为了评价目前天然气净化用滤芯气液分离性能，利用聚结型滤芯气液过滤性能的检测装置研究了滤芯的放置方式、滤芯的有效厚度及填充密度等相关因素对气液过滤性能的影响。结果表明：在相同条件下，滤芯垂直于地面放置比水平位置放置时排液较顺畅，气液过滤效果较好，并且压降至少降低２５％；不同材质滤芯，随着滤芯厚度在６～３２ｍｍ范围内增加，滤芯稳态压降增加，过滤器出口液含量减小，过滤性能提高；滤芯的填充密度增加，滤芯压降增大，过滤器出口液含量减小。
关键词：天然气；气液过滤；聚结滤芯；过滤性能
从气井出来的天然气常带有部分液体和固态杂质，如凝析油和游离水等。与粉体相比，液滴对管道设备所产生的危害更加不容忽视。研究影响过滤元件气液过滤性能的相关因素，对于提高天然气长输管线上过滤设备的过滤性能、保障压缩机组和燃气轮机等设备及仪器的安全运行、降低天然气的输送成本等方面具有重要的意义。过滤器过滤分离效率的高低主要取决于过滤元件聚结作用的好坏。
聚结滤芯气液过滤性能的影响因素主要有４类：①纤维直径、滤材厚度和填充密度等滤材结构参数及滤材本身物性参数；②过滤速度、液滴浓度、液滴粒径分布和操作压力等操作参数；③温度和湿度等环境参数；④表面张力、黏度、密度和挥发性等液体物性参数。气液过滤时液体会发生形变且具有流动性，较小的液滴经过与纤维的碰撞、吸附等过程会聚结成较大的液滴，并在过滤介质内部流动进而进行重新分布［１－５］。
近年来的研究主要围绕滤材结构参数比较、不同滤材过滤性能的对比、滤材的疏水疏油表面处理、不同材料复合以及添加纳米材料等方面展开，取得了一系列成果［６－１５］。另外，国内外学者就过滤速度、液含量、液滴粒径分布和液体物性参数对气液过滤性能的影响进行了相关的研究［１６－２０］，过滤速度增加时，气流的曳力会随之增加，导致液滴的扩散作用减弱，惯性作用增强，影响滤材对液滴的捕集性能，滤材的压降和过滤效率随过滤速度的增大而增加。
１ 实验材料和方法
１．１ 材料
实验所用液体为室温下不挥发的癸二酸二辛酯（ＤＯＳ），实验用气体为经空气过滤器过滤后的清洁空气，即空气中不含悬浮物。气体液含量为１５ｇ·ｍ－３，表观过滤速度为０．１ｍ·ｓ－１。滤芯入口液滴的粒径分布选用Ｍａｌｖｅｒｎ粒度分析仪（Ｍａｌｖｅｒｎ２６００，英国）测量，粒径分布如图１所示，液滴Ｓａｕｔｅｒ平均直径（ＳＭＤ）约２０μｍ，分布指数为２．３，在实验中滤芯入口液滴的粒径分布保持不变。
１．２ 聚结滤芯气液过滤性能检测装置
实验装置示意如图２所示，由液滴雾化发生系统所产生的液滴随过滤气流进入气液过滤实验装置，一部分液滴被实验过滤元件过滤下来，其余未被滤芯过滤下来的液滴随着气流进入过滤器的出口采样测量部分，采用光学粒子计数器（Ｗｅｌａｓ２０００，Ｐａｌａｓ，德国）测定出口液滴数量和粒径分布等相关参数。为充分保证过滤器入口处所加液含量的准确性与稳定性，实验采用最大输送介质流量为６Ｌ·ｈ－１，调节精度为±１％，重复性为±０．５％的双柱塞式计量泵提供精确计量的实验所需液体。
２ 实验结果与讨论
２．１ 滤芯放置方式对过滤性能的影响
分别对３根不同的滤芯进行立式和卧式过滤方式的性能测试对比实验。实验所用滤芯（表１）材料分别为聚酯（ＰＥＴ）、玻璃纤维（ｆｉｂｒｅ ｇｌａｓｓ）和聚丙烯树脂（ＰＰ）。
图３为出滤芯压降随单位面积液体累积量的变化对比，单位面积液体累积量指总加液量除以滤芯的实际有效过滤面积。图４为３根滤芯各自在两种不同的过滤方式下，达到稳定状态后过滤器出口液滴质量浓度结果的对比。由图可知，立式过滤方式下，滤芯的压降与过滤器出口液体质量浓度普遍均比卧式过滤方式的低，在相同条件下，对于同一种滤芯立式过滤方式下压降要降低２５％以上；另外，立式过滤方式下出口液含量都要比卧式过滤方式下的低，至少低２０％。
这是因为滤芯垂直放置时，气流穿过过滤介质时的方向与被分离出来的液体运动方向垂直，气流对被分离出来的液体的干扰较小，附着在滤材上的液滴经充分粗粒化后，靠自身重力及气体对其的曳力能顺利脱落流下。而滤芯水平放置时，聚结后的液体容易大面积地堆积在滤芯内侧下表面，排液不顺畅，导致滤芯压降偏高，且气流对被分离出来的液滴干扰较大，易带出部分大粒子，导致过滤器出口液含量偏大。（参考www.rfilter.com）
２．２ 滤芯厚度对过滤性能的影响
选择聚酯和玻璃纤维作为过滤材料，用倒置式金相显微镜放大１２５倍观测其内部微观结构如图５所示。聚酯无纺滤布克重２０ｇ·ｍ－２，单层材料厚０．１５ｍｍ，平均纤维直径为１５．２μｍ；玻璃纤维毡重５０ｇ·ｍ－２，单层材料厚０．３０ｍｍ，平均纤维直径为９．５μｍ。分别将这两种滤材制成内径６０ｍｍ，长度９６０ｍｍ，有效过滤厚度各异的两组聚结型滤芯。聚酯无纺布的有效过滤厚度分别为６、８、１２、１６ｍｍ，玻璃纤维毡的有效过滤厚度分别为１６、２４、３２ｍｍ。
图６为不同厚度滤芯的压降随单位面积液体累积量的变化对比，从图中可以看出，滤芯的稳态压降随着厚度的增加呈比例增加，这是滤芯厚度增加使得孔径分布变窄，透气度减少，流体阻力增大，结果导致了滤芯稳态压降增加。图７为不同厚度滤芯达到稳定过滤状态后，出口液体质量浓度的对比。由图可知，在一定的变化范围内，不同材质滤芯的初始压降和稳态压降均随滤芯有效过滤厚度的增加而增加；随着滤芯有效过滤厚度的增加，滤芯对液体的拦截作用更加明显，因此不同材质滤芯的出口液体质量浓度均显著减小。
２．３ 滤芯填充密度对过滤性能的影响
实验选取填充密度各异的无纺聚酯滤布，以同样的方式制成外形尺寸一致的滤芯（内径６０ｍｍ，厚度２４ｍｍ，长９６０ｍｍ）。用金相显微镜放大１２５倍观测其内部微观结构如图８所示，滤材结构参数详见表２。
图９为气液过滤过程中，滤芯压降随单位面积液体累积量的变化情况。由图可知，当滤材填充密度小于１０％时，滤芯整个聚结过滤过程压降变化极为平缓，且稳定过滤状态下压降不到１０００Ｐａ，阻力较小。这是因为过滤介质的填充密度较小时，滤材孔隙率较大，气流携带的小液滴通过直接拦截作用附着在纤维上，由于孔隙率太大，小液滴很难在纤维之间架桥形成液膜，整个过滤过程中孔隙率变化很小，故压降变化过程平缓，且滤芯稳定过滤状态下压降值也不大。
当过滤介质填充密度大于１０％时，滤芯在聚结过滤过程中存在压降急剧增加的阶段，且稳定过滤状态下压降超过２０００Ｐａ，远大于前者。这是因为过滤介质的填充密度较大时，滤材孔隙率较小，滤芯整个聚结过滤过程的压降变化可以分为初始润湿、碰撞聚结、稳态聚结这几个阶段。
随着气体向前流动，小液滴被送入深层纤维，不断在纤维表面附着、碰撞并聚集，液滴不断增多、增大，纤维之间逐渐形成架桥甚至液膜，此时滤芯的孔隙率越来越小，达到一定程度后压降将出现一个急剧增大的变化阶段。
之后压降继续增长但较为平缓，当液滴增大到一定程度时便从纤维表面脱落，此时，液滴的形成和破裂达到一个相对稳定的阶段，滤芯内部的持液量为定值，从滤芯中排出的液体量也稳定不变，稳定过滤的压降也基本稳定不变。
图１０为不同填充密度滤芯达到稳定过滤状态后，过滤器出口液体质量浓度的对比。由图可知，填充密度对滤芯气液过滤性能有一定影响，在一定的变化范围内，滤材填充密度越大，滤芯出口液含量越小。这主要是因为，滤材填充密度较小时纤维间的孔隙较大，通过滤材的气体只有其中的小部分液滴通过直接拦截作用附着到纤维上，直径小的液滴能直接通过纤维孔隙，造成出口液含量较高，而填充密度较大时滤芯的聚结作用则相对更佳。
３ 结 论
（１）过滤方式的选择对滤芯气液过滤性能的影响较大。在相同条件下，立式过滤方式比卧式过滤方式排液更顺畅，滤芯压降及出口液含量更小，气液过滤效果更好，因此在实际选用过滤器时，在场地许可的条件下尽量设置成立式过滤方式。
（２）滤芯的实际过滤性能与滤芯的有效厚度有较大的关系。随着滤芯有效过滤厚度的增加，滤芯的初始压降和稳定压降均增加，而出口液体质量浓度显著减小。
（３）当滤材填充密度较小时，压降较小且变化缓慢，随着滤芯材料填充密度的增加，滤芯出口浓度变小，稳定压降变大。在稳定过滤状态下，顺着气流方向，滤材填充密度由大到小变化排布组合的滤芯有利于减少出口大粒径液滴的比例，过滤效率比由小到大变化排布组合方式的要高，但滤芯压降亦更大。为降低滤芯的初始净压降并延长滤芯的使用寿命，滤材的填充密度应尽量小，但考虑到滤芯的强度、过滤的精度、受压时的耐压缩性等，填充密度也不宜过小。在要求过滤精度较高的情况下应考虑填充密度较大的滤材。在设计开发和实际应用中还不能忽视滤材与工艺流体的兼容性及工艺成本等诸多因素。
