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    液氮灌过滤器的过滤和再生特性研究

    2018-03-14 10:33:21

      本文成功利用金属丝网过滤器实现液氮罐www.yedanguan1688.com的净化。实验中以液氮罐作为需要净化的低温液体,其中加入一定量的二氧化碳作为杂质。通过测试过滤器入口和出口的压力和温度、流体流量等参数,研究其过滤和再生特性.并基于达西定律建立过滤压降模型,验证了模型的有效性。

      2实验系统简介

      2.1金属丝网过滤器

      图l为巾35×214L型金属丝网过滤器,该过滤器是通过多层金属丝网在真空高温下烧结而成的一个整体多孔元件。根据过滤器的结构特点、金属丝网的超低温韧性、机械性能等,文献论述了利用该金属丝网过滤器进行低温液体净化的可行性。

      过滤器的4个组成部分及其尺寸和材料见表l,过滤器的性能规格

      2.2过嚣实验台筒介

      实验采用液氨作为需要净化的蒗体,其中加入一定量的二氧化碳作为杂质气体。系统原理圈如图2所示。

      二氧化碳气体经过预冷后,在混合腔内与渡氮充分混合.此时二氧化碳气体在液氮罐中完全凝固成固体颗粒,并与液氨一起流入过滤器。过滤器前后装有温度传感器和压力传感器。滤赦经过换热器之后被气化,利用二氧化碳浓度探测仪测量滤波中的杂质古量。当过滤器压降达到最大允许压降时,过滤器需要再生。将常温下的高压氮气充注入管道内,过滤嚣上的滤饼通过吸收热量而使凝结在其表面韵固体颗粒气化,以实现过滤嚣的再生。

      3实验和数值计算结果及讨论

      3l数值方法简介

      柱状金属丝阻过滤器是一个中空的柱体,含杂质的混台渡从径向流入过滤元件.固体颗粒由过滤器外壁面收集.并积成滤饼。

      对此流动结构模型作F进假设:(1)因为低温流体中颗j巍浓度较低,不考虑颗粒对低温流体流动的影响:(2)液氮罐币可压缩。密度和温度保持不变;(3)多孔介质内的流动是等熵流动,不考虑热交换的影响。于过滤器中的流体流量较低.且流过金属丝阿过滤器的流动属于多孔介质内的流动.故流动遵守经典的Dal。cy定律,

      3.2一定工况下的压降和过滤效率变化趋势

      图4为压降随时间变化曲线,图5为过滤效率随时间变化曲线。此过程中,液氮罐流量控制在250L/min(换热器出口的气体流量),二氧化碳气体流量控制在5L/rain。图4中红色直线为模型计算而得的压降,可以看出,计算结果与实验结果的曲线变化趋势一致。在层流范围内,模型具有有效性。

      丝网介质时沉积于洁净的丝网表面,但没有形成连续的颗粒层,压降增加很少,过滤效率较低;(2)过滤中间阶段,丝网表面的各个颗粒堆不断相连,形成连续的过滤层,即滤饼。此时过滤孔径缩小,压降迅速升高,过滤效率急剧升高。(3)过滤稳定阶段,丝网起着形成滤饼和支撑加强作用,此时压降变化缓慢,相对中间阶段近似不变,而过滤效率稳定升高。(4)滤饼过滤阶段,随着滤饼的不断增厚,直至完全堵塞丝网,此阶段压降急剧升高,过滤效率也持续升高,直至需要进行反吹再生。至此完成一个过滤周期。

      过滤器再生时,从氮气入口将常温下的高压氮气充注入管道内,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。图6为再生曲线,此时氮气的流量控制在200L/rain,再生时间约为90分钟。

      3.3不同的混合物流量对压降和过滤效率的影响

      理论上,随着流量的增加,压降增加的速度也逐渐加快。这是由于提高流量将在过滤初始滤饼形成阶段,会有更多的颗粒堵塞滤芯的孔隙,直到滤饼形成时压降已经很高了。所以提高过滤速度要以压降的急剧升高为代价。文献指出:常温下,流量对烧结金属丝网过滤效率的影响不大,随着流量的增加,烧结金属丝网过滤效率略有提高。因此,适合于在高滤速下工作,滤速的增加不会带来过滤效率的降低。

      图7为不同混合物流量时压降随时间变化曲线,图8为过滤效率随时间变化曲线。此过程中,混合物流量分别控制在4.2L/s、5.7L/s和6.2L/s。入口压力为75kPa,C02含量为0.90%。

      从以上两图可以看出,流量较高时,压降的波动更大。过滤效率在整个过程中均高于99.99%,即几乎所有的颗粒均被捕集,氮的浓度高于99.999%。流量较低时,压降基本保持线性,这是因为流动保持层流,完全符合达西定律。

      3.4不同的C02含量对压降和过滤效率的影响

      理论上,在同一流量下,杂质含量越大,压降升高得越快。因为杂质含量的提高,在相同的流量下,颗粒堵塞孔隙的几率越大,造成过滤压降增加变快。同时,由于更多的颗粒将堵塞过滤介质,更易于形成滤饼,过滤效率也增加。图9为不同C02含量下压降随时间变化曲线,图10为过滤效率随时间变化曲线。此过程中,C02含量分别控制在1%、2%和5%。入口压力为75kPa,氮的流量为250L/s。从图8和图9可以看出,在一定的混合物流量下,C02含量较高时,压降的升高速度更快,过滤效率更高。

      4结论

      通过改变混合物的流量、C02杂质含量,研究过滤精度为0.59in的cD35×214L型金属丝网过滤器的过滤和再生性能,主要得到了以下几个结果:

      (1)过滤过程可以分为4个阶段:起始阶段、中间阶段、稳定阶段和滤饼过滤阶段。每个阶段的压降和过滤效率都有所不同。

      (2)达西压降模型的计算结果与实验结果的曲线变化趋势一致。在层流范围内,模型具有有效性。

      (3)过滤器再生时,从氮气入口将常温下的高压氮气充注入管道内,氮气的流量控制在200L/rain时,再生时间约为90分钟。

      (4)混合物流量较高时,压降的波动更大。过滤效率在整个过程中均高于99.99%,即几乎所有的颗粒均被捕集,氮的浓度高于99.999%。流量较低时,压降基本保持线性,这是因为流动保持层流,完全符合达西定律。而且,在一定的混合物流量下,C02含量较高时,压降的升高速度更快,过滤效率


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