摘 要 介绍了叠片式过滤器的结构、性能特点、应用范围和开发前景.叠片式过滤器由不锈钢或塑料空心圆盘做骨架,将片状滤材堆叠堆安装组成.具有耐高温、低阻力、耐压强度高、反冲性能好、运行费用低等特点,在压缩空气过滤、高污染液体过滤等场合均有很好的应用前景.
关键词 微滤 叠片式过滤器 空气灭菌
分类号 TQ 028.8
折叠式滤器一直是微滤产品的主要形式,正如其优点已广为人知一样,折叠式滤器本身的一些缺陷也逐渐被人们所认识.首先,耐高温性能受到热塑性骨架材料(如PP)以及制作工艺的限制[1].其次,滤芯的耐压强度较低,正向一般≤0.2 MPa,反向更低.耐压强度限制了滤芯的使用寿命和反冲清洗.最后,在悬浮物含量较高的使用场合,往往需要频繁地更换滤芯,这样滤芯的骨架材料成为设备运行费用过高的一个重要因素.
叠片式过滤器正是为了弥补折叠式滤器的不足而开发出来的一种新型的膜滤器.
叠片式过滤器或称分节式滤器的设计首先由Kemmelmeyer[2]提出,并在CPM公司开发成系列化产品.CPM的叠片式过滤器采用不锈钢骨架和机械密封,克服了折叠式的缺陷,同时也暴露了装填密度较小以及机械加工精度要求过高的问题.为此我们提出了一种新的设计,很好地解决了这些问题,使叠片式过滤器成为一种可在工业过滤应用中广泛推广的性能优越的滤器形式.本文将介绍该叠片式过滤器的结构及性能特点,并探讨其推广和应用情况.
1 叠片式过滤器的结构
1.1 基本结构和工作过程
叠片式过滤器以不锈钢空心圆盘作骨架,将多片膜片堆叠安装成过滤器.因此,作为骨架的不锈钢空心圆盘是最为关键的部件,如图1所示.
空心圆盘有内开孔和外开孔两种.在过滤器中,这两种空心圆盘交替放置,如图2所示.膜片夹在空心圆盘之间,形成机械密封.在进行过滤时,液体或气体从空心圆盘外开孔进入滤芯透过膜,再经空心圆盘内开孔进入中心收集管.反冲清洗时,清洗液从中心收集管经空心圆盘内开孔进入过滤器,经滤膜后再经空心圆盘外开孔流出.
1.2 叠片式过滤器的结构特点
如图3所示,新型设计的叠片式过滤器最明显的特点是装填面积增加了一倍.过滤面积的增加对过滤器技术性能促进作用是显而易见的.新型设计的叠片式结构另一个优越之处在于改善了密封性能.叠片式过滤器的密封是通过骨架圆盘内外圈压紧复合膜片(由加强材料与滤膜复合而成的环形膜片内外圈各有一个一体化的O型圈)形成机械密封,由于复合膜片的可压缩性较小,对骨架圆盘的加工精度要求非常高.
而在新型设计中,我们加上了一层特殊设计的O型圈,使得加工工艺更容易实现.新型设计另一个优点是膜片直径可达300~400 mm,可以制造出与板框式超滤机相类似的运用于较大规模工业过滤的通用设备.
2 叠片式过滤器的技术性能
2.1 阻力增加
过滤器与单片膜的压力与通量曲线对比的情况见图4.由图4表明,制做复合膜片以及装配成过滤器的整个过程中,阻力增加很小.
2.2 密封性能
进行气泡点测试的液体介质为异丙醇[3],测试结果列于表1.
通过气泡点对比,说明过滤器的整体气泡点比膜片略低,但高于0.2μm PTFE膜气泡点.所用膜为Gore-Tex PTFE膜.
2.3 耐压性能
将过滤器在压差Δp为0.4 MPa下进行运行考察,未发现膜片击穿以及密封失效的情况.
2.4 耐高温性能
将过滤器进行0.35 MPa的饱和蒸汽加热,加热周期为1 h.加热分两种情况,一种为蒸汽过滤加热,一种为静态加热,经60次加热周期,未发现密封失效的情况.
2.5 运行费用低
与折叠式滤器相比,叠片式过滤器的运行费用大大降低了,这是因为:
(1)只更换膜片,省去了一次性消费的滤芯骨架;
(2)耐高温高压,使膜的性能得到了充分的发挥;
(3)卓越的反冲清洗功能,提高了膜片的使用寿命.
综上所述,叠片式过滤器设计合理,具有低阻力、密封可靠、耐高温、耐压强度高,且具有正反等效的特点.
3 应用
根据叠片式过滤器的性能特点,它的应用领域首先在于高温、高压以及小规模易污染的过滤场所,随着工作的进一步深入和完善,系列化的叠片式过滤器在一些场合会成为折叠式滤器强有力的竞争者,另外由于它本身的显著特点,将为膜过滤的应用开辟新的领域和市场.
3.1 压缩空气过滤
在医药、酿造、电子工业等领域广泛应用的压缩空气除菌以及高清洁过滤是叠片式过滤器最佳的应用场所[4],这是由它绝对可靠的密封性能、耐高温高压以及低运行费用所决定的.目前,我院空气过滤器TYDKC系列已小批量投放市场.
兰州啤酒厂酵母室安装了3台TYDKC系列叠片式微孔膜空气除菌过滤器作为酵母扩培充氧以及料液气压输送的无菌风源.目前已运行近一年,厂方提供的部分细菌检测数据见表2.由表2数据表明,除菌效果非常理想,其耐高温性能也得到了验证.
经甘肃省卫生防疫站检测,滤气浮游菌指标在1 000级至100级之间.TYDKC系列空气除菌过滤器已通过了省级新产品验收.
3.2 间歇式小规模液体过滤
传统的单片平板膜滤器由于本身结构的限制,不能够在管道上固定安装,更换膜片等操作很麻烦,现场操作也缺乏规范.
叠片式过滤器在一些使用单板滤器的场合可成为很理想的替代品,因为它同时满足了规范工业安装操作和小面积的要求.
3.3 易污染液体过滤
在一些悬浮物较高的过滤中,比如啤酒、果汁的除菌过滤,滤膜的污染堵塞周期很短.叠片式过滤器卓越的反冲性能正是针对这样情况而设计的,同时,它正向和反向等同的低阻力和高耐压性能是折叠式滤器所不能比拟的,由于反冲性能以及换膜时所省去的骨架材料费用也使运行费用大大降低.
3.4 其它
叠片式过滤器可以制成运用于任何用途的过滤设备.它的骨架圆盘可以用不锈钢加工,也可注塑成形,过滤介质可以选用任何适用的过滤片材.现正在开发的新型设计叠片式过滤器是一种具有自主知识产权的新式过滤器,随着工作的进一步深入和完善,有望形成性能优异的新型叠片式系列过滤器.
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