氣液過濾過程中液滴二次夾帶現(xiàn)象分析

常程，姬忠禮，黃金斌，詹爽,李蘭潔

（1 中國石油大學(xué)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249；2 中國石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京102249）

引 言

天然氣長距離輸送管道中存在的液態(tài)雜質(zhì)，若進(jìn)入壓縮機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)，將嚴(yán)重影響其安全運(yùn)行。濾芯作為長輸管線過濾分離設(shè)備的核心元件，是否具有良好的過濾性能至關(guān)重要，而液滴二次夾帶現(xiàn)象的存在會導(dǎo)致過濾元件下游氣體中液滴濃度升高，過濾效率下降，大大縮短了過濾元件使用壽命。因此，對于過濾元件氣液過濾過程液滴二次夾帶現(xiàn)象的研究具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中于氣液過濾性能影響因素的考察、濾材內(nèi)部液體分布的探索以及氣液過濾模型的建立等方面，且多以親油型濾材為研究對象，而對疏油型濾材及工業(yè)用整根濾芯的實(shí)際綜合氣液過濾性能研究較少[1-2]。對于液滴二次夾帶問題，國內(nèi)外學(xué)者對金屬絲網(wǎng)、填充床、波形板汽水分離器等氣液分離過程中液滴的夾帶進(jìn)行了相關(guān)研究[3-5]。臧麗葉等[6]對橫掠氣流作用下波形板壁降膜破裂進(jìn)行理論分析，所建模型可較為準(zhǔn)確地預(yù)測液膜發(fā)生破裂的臨界條件。然而，由于纖維濾材與上述分離元件的孔隙度及材料性質(zhì)相比相差較大，液滴二次夾帶形成機(jī)理有所不同，同時(shí)過濾過程中對纖維濾材液滴二次夾帶現(xiàn)象的觀測也比較困難，故目前為止，國內(nèi)外學(xué)者對于纖維濾材氣液過濾過程中液滴的二次夾帶現(xiàn)象的研究較少。李柏松等[7]考察了液體黏度和表面張力對濾芯氣液過濾性能的影響，認(rèn)為液體表面張力越大，越有利于液滴二次夾帶現(xiàn)象的出現(xiàn)。Mullins 等[8]認(rèn)為纖維上液滴之間的距離及液滴直徑對液滴分離至關(guān)重要，大液滴受到氣流曳力的影響，而從纖維上脫離，出現(xiàn)液滴二次夾帶。Rayor 等[9]認(rèn)為氣流會將已分離下來的部分液體攜帶離開濾芯，在濾芯排氣側(cè)形成二次夾帶的液滴，并利用氣體對液滴的曳力與液滴表面張力之比，表征二次夾帶現(xiàn)象。Argo 等[10]對外徑為304.8 mm 的工業(yè)用圓柱形玻璃纖維濾芯，在不同過濾速度下的二次夾帶現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)濾芯僅由內(nèi)層玻璃纖維組成時(shí)，在0.23～0.43 m·s-1范圍內(nèi)，隨過濾速度的升高下游氣體中夾帶出的液滴含量由120.8 mg 降低至38.9 mg，過濾效果明顯提高。

目前對于氣液過濾過程中，液滴二次夾帶的形成機(jī)理有待進(jìn)一步探索，而過濾速度即氣體體積流量與濾芯進(jìn)氣側(cè)表面積的比值，以及上游氣體中液滴濃度等實(shí)驗(yàn)條件及濾材潤濕性對液滴二次夾帶的影響也未見相關(guān)研究報(bào)道。因此，本文利用一套濾芯過濾性能實(shí)驗(yàn)裝置，對氣液過濾過程中液滴二次夾帶現(xiàn)象的存在進(jìn)行驗(yàn)證，通過對比實(shí)驗(yàn)說明液滴二次夾帶對于濾芯過濾效果的影響，并測定分析了濾材潤濕性及過濾速度對液滴二次夾帶的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

根據(jù)中國、美國及歐洲相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)[11-13]，建立了濾芯過濾性能實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)的要求，在測試過程中將系統(tǒng)溫度維持在24～26℃范圍內(nèi)，相對濕度維持在50%～56%范圍內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過控制流量調(diào)節(jié)閥的開度，使流經(jīng)濾芯的氣體體積流量保持恒定。實(shí)驗(yàn)采用目前國際測試標(biāo)準(zhǔn)中常用的癸二酸二辛酯（DEHS）作為實(shí)驗(yàn)液體，其密度為912 kg·m-3，動(dòng)力黏度為0.023 Pa·s，常溫下不易揮發(fā)。利用德國TOPAS公司生產(chǎn)的ATM 240 氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生液滴，與潔凈空氣混合后進(jìn)入過濾器，氣流從垂直倒立放置的濾芯下端流入，由濾芯內(nèi)側(cè)經(jīng)纖維層過濾后向?yàn)V芯外側(cè)流動(dòng)，被過濾下來的液滴以液體形式從濾芯表面排出，向下流入過濾器殼體和濾芯之間的環(huán)形區(qū) 域，而未被過濾下來的液滴隨氣流進(jìn)入過濾器下游采樣部分，在濾芯上、下游處采用光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器（OPC）對氣體中液滴的濃度、粒徑分布等進(jìn)行測量。在實(shí)驗(yàn)前后，采用電子分析天平對濾芯內(nèi)部濾材稱重，從而得到濾芯的持液量情況。同時(shí)，利用日本Canon 公司EOS-5D MarkⅡ數(shù)碼相機(jī)觀測過濾過程中濾芯表面的變化情況。實(shí)驗(yàn)測試儀器性能參數(shù)列于表1。

表1 實(shí)驗(yàn)測試儀器性能參數(shù)Table 1 Parameter of measurement equipments

為說明二次夾帶對于濾芯過濾效果的影響，本文采用4 種規(guī)格的濾芯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別記為A、AN、B 和BN，濾芯內(nèi)徑為（50±0.1）mm，有效過濾長度為（105±0.2）mm，其結(jié)構(gòu)組成見表2。濾芯A、B 的內(nèi)層玻璃纖維化學(xué)組成及纖維直徑有所差別，導(dǎo)致兩種濾材對于實(shí)驗(yàn)液滴的浸潤性不同。為測定兩種濾材潤濕性，在環(huán)境溫度為25℃時(shí)，利用瑞典BiolinScientific 公司Attension 接觸角測量儀，讓DHES 液滴自由下落分別與兩種濾材表面相接觸，可測得液滴與濾材A 表面接觸瞬間，接觸角為84.74°，而后液滴迅速在其表面鋪展、消失；而液滴與濾材B 表面接觸瞬間及接觸一段時(shí)間后，接觸角始終保持為110.32°，根據(jù)潤濕性定義可知，濾材A 為親油型玻璃纖維濾材，濾材B 為疏油型玻璃纖維濾材。在濾芯A、B 外側(cè)纏繞一層結(jié)構(gòu)相同的針刺氈，分別記為濾芯AN、BN。為得到濾材物性參數(shù)，將濾材制成100 mm×100 mm 矩形片后利用電子天平對其稱重，對多片濾材取平均值后即得到濾材克重。濾材經(jīng)掃描電鏡拍照后，隨機(jī)取30 個(gè)單根纖維直徑的平均值作為濾材的平均纖維直徑值。濾芯內(nèi)部濾材具體的物性參數(shù)見表3。

表2 濾芯結(jié)構(gòu)組成Table 2 Structure of experimental filter cartridges

表3 濾材物性參數(shù)Table 3 Properties of experimental filter materials

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 液滴二次夾帶現(xiàn)象

2.1.1 二次夾帶的特征 為觀察液滴二次夾帶現(xiàn)象，確定二次夾帶的特征，并分析其產(chǎn)生原因，分別選取型號為A 和AN 的濾芯，在過濾速度0.1 m·s-1、上游液滴濃度260～300 mg·m-3條件下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

圖2 過濾過程中濾芯壓降及穿透率的變化Fig.2 Evolution of pressure drop and penetration throughout filtration experiment

圖3 穩(wěn)態(tài)階段濾芯上、下游粒徑分布對比Fig.3 Comparison of particle size distribution at upstream and downstream at steady state

圖2為濾芯A 和濾芯AN 的壓降及穿透率隨單位面積液體通過量的變化，穿透率是指下游液滴計(jì)數(shù)濃度與上游液滴計(jì)數(shù)濃度之比，而單位面積液體通過量指實(shí)驗(yàn)開始后通過濾芯的液體累積質(zhì)量與濾芯有效過濾面積之比。由圖可看出，依據(jù)穿透率變化特征，整個(gè)過濾過程分為3 個(gè)階段：潤濕階段（stage 1）、非穩(wěn)態(tài)階段（stage 2）及穩(wěn)態(tài)階段（stage 3）。在潤濕階段，液滴基本均被纖維所攔截，因此穿透率非常低，維持在10-7～10-6范圍內(nèi)，同時(shí)隨著單位面積液體通過量的增加，濾芯內(nèi)部孔隙率逐漸減小，導(dǎo)致壓降不斷上升；當(dāng)液體通過量達(dá)到一定程度時(shí)濾芯進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)階段，在此階段穿透率呈指數(shù)增長；最后穿透率曲線和壓降曲線均趨于平緩，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由Charvet 等[14]及Contal 等[15]研究結(jié)果可知，在穩(wěn)態(tài)階段濾芯完全被液滴填充，進(jìn)出濾芯的液滴保持動(dòng)態(tài)平衡，故穿透率在此階段基本保持穩(wěn)定。另外，由圖2可知，在穩(wěn)態(tài)階段濾芯A 穿透率PA=13.98×10-4，明顯高于濾芯AN 的穿透率PAN=2.28×10-4，可見增加外層針刺氈后，穿透率顯著下降。

上游液體氣溶膠經(jīng)濾芯過濾后，大量液滴被纖維所攔截在濾芯內(nèi)部，其余液滴直接在穿透作用下進(jìn)入下游。留在濾芯內(nèi)部的大部分液體將排出濾芯，少量則會在二次夾帶作用下以液滴形式進(jìn)入下游。因此，下游氣溶膠液滴的來源包括直接穿透和二次夾帶。

為說明液滴二次夾帶的特征，對兩種濾芯穩(wěn)定階段下游液滴分布及過濾效率進(jìn)行分析。圖3(a)、(b)分別為在穩(wěn)態(tài)階段濾芯A 和濾芯AN 上、下游液滴分布對比情況，圖中橫坐標(biāo)為液滴粒徑，縱坐標(biāo)為液滴體積分?jǐn)?shù)。由圖可知，濾芯A 上游氣體中液滴體積中位粒徑為1.7 μm，中位粒徑是指氣溶膠粒徑累計(jì)分布占總量50%時(shí)所對應(yīng)的粒徑值。濾芯A下游出現(xiàn)了3 μm 以上的大液滴，且此部分顆粒體積在下游液滴整體體積中比例較高，約為30%。濾芯AN 下游未出現(xiàn)3 μm 以上的大液滴，導(dǎo)致下游液滴中位粒徑明顯低于上游液滴中位粒徑。

圖4為穩(wěn)態(tài)階段兩種濾芯單位采樣時(shí)間內(nèi)下游氣體中不同粒徑液滴數(shù)量分布情況。由圖可知，單位采樣時(shí)間內(nèi)濾芯A 下游液滴數(shù)量明顯高于濾芯AN，其中A 下游液滴數(shù)量約為900 個(gè)，而濾芯AN約為250 個(gè)。

圖4 穩(wěn)態(tài)階段濾芯下游顆粒數(shù)對比情況Fig.4 Comparison of number of particles at downstream at steady state

圖5為穩(wěn)定階段兩種濾芯過濾效率曲線，圖中橫坐標(biāo)為液滴粒徑，縱坐標(biāo)為累積效率。由圖可知，由于濾芯A 下游顆粒增多，且下游出現(xiàn)大液滴，從而致使累積效率在3 μm 以上大粒徑處明顯下降，最低累積效率為95%。而濾芯AN 最低累積效率為99.96%，且隨著粒徑的增大，過濾效率逐漸升高，在粒徑2.5 μm 處過濾效率達(dá)到100%。

圖5 穩(wěn)態(tài)階段濾芯累積效率對比情況Fig.5 Comparison of cumulative efficiency at steady state

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，與濾芯AN 相比，濾芯A 出現(xiàn)了二次夾帶特征，即濾芯下游液滴個(gè)數(shù)增多，出現(xiàn)粒徑大于3 μm 的大液滴，進(jìn)而導(dǎo)致濾芯累積過濾效率在大粒徑處出現(xiàn)明顯下降趨勢。

2.1.2 二次夾帶的原因分析 通常而言，液滴二次夾帶是液滴與氣相分離后，在氣流作用下再次進(jìn)入氣相的過程，而對于由纖維濾材組成的濾芯，液滴二次夾帶的出現(xiàn)主要有以下3 個(gè)方面因素：一是液滴撞擊液膜而引起的二次飛濺；二是環(huán)形空間氣速較高，使得一部分已經(jīng)從氣相中分離下落的大液滴再次被氣流帶入下游；三是氣流剪切力作用而造成的液膜破裂，氣流將液膜邊緣液滴吹入下游或?qū)⒁耗ご灯鹦纬蓺馀?，氣泡逐漸增大而后發(fā)生破裂，破裂的液膜在液體表面張力的作用下形成液滴，而后被氣流帶入下游。

首先，根據(jù)文獻(xiàn)[16]可得到液滴撞擊液膜造成飛濺的臨界判據(jù)為

其中

式中，μp為液滴黏度，Pa·s；ρp為液滴密度，kg·m-3；dp為液滴直徑，m；σp為液滴表面張力，N·m-1；un為液滴法向速度，m·s-1。在本實(shí)驗(yàn)中可計(jì)算得K=0.026，遠(yuǎn)小于判據(jù)值，說明液滴撞擊液膜后不會出現(xiàn)因液滴撞擊液膜而造成的二次飛濺。

其次，過濾器殼體和濾芯之間形成一個(gè)環(huán)形空間，環(huán)形空間氣速為氣體體積流量與環(huán)形面積的比值。當(dāng)環(huán)形空間氣速大于顆粒自由沉降速度時(shí)，分離出的液滴會直接隨氣流進(jìn)入濾芯下游。假設(shè)從氣相分離出的液滴為球形顆粒，當(dāng)顆粒達(dá)到自由沉降速度時(shí)，顆粒受到的曳力、浮力及重力達(dá)到平衡，根據(jù)文獻(xiàn)[17]的關(guān)聯(lián)式可得到自由沉降速度，計(jì)算時(shí)ρ和μ分別取常壓下、溫度為25℃時(shí)空氣的密度及黏度值。以濾芯A 為例計(jì)算不同過濾速度下臨界粒徑尺寸，結(jié)果見表4。

表4 不同過濾速度下臨界粒徑尺寸Table 4 Critical particle sizes of droplets at different filtration velocities

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)過濾速度為0.1 m·s-1時(shí)，下游中只有粒徑大于136 μm 的液滴才會在重力作用下自由沉降與氣相分離，然而由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，下游檢測到的最大粒徑不到10 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此氣速下的臨界粒徑值，這意味著濾芯分離出的全部液滴將直接進(jìn)入濾芯下游，而不會存在先下落而后又再次被氣流帶入下游的情況。

最后，分析因氣流剪切力作用致使液膜破裂而造成液滴二次夾帶的情況。在過濾過程中利用數(shù)碼相機(jī)記錄兩種濾芯表面的變化情況。在此階段可觀測到濾芯A 表面有大量氣泡出現(xiàn)，且氣泡有明顯的破裂現(xiàn)象，而濾芯AN 表面則未觀測到氣泡出現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用SEM 對濾芯軸向中心點(diǎn)附近最外側(cè)玻璃纖維層及針刺氈進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖6所示。從圖中可明顯看出，在濾芯A 表面液滴在纖維之間形成液橋，液滴留在濾材內(nèi)部無法及時(shí)排出，使得其表面存在大量液膜區(qū)域，因此氣泡破裂后則增加了液滴的夾帶。濾芯AN 表面的針刺氈未出現(xiàn)液膜區(qū)域，這是由于與玻璃纖維相比，針刺氈的纖維直徑及纖維間孔隙較大，致使液滴在纖維之間難以形成液膜，且單層針刺氈厚度明顯高于玻璃纖維，在玻璃纖維外側(cè)形成排液通道，使得液滴從針刺氈內(nèi)部向下排出，從而有效消除了液滴二次夾帶現(xiàn)象。

由上述結(jié)果可知，濾芯內(nèi)部玻璃纖維層對液滴過濾起主導(dǎo)作用，其主要功能是通過聚結(jié)機(jī)理使細(xì)小液滴聚結(jié)成大液滴，經(jīng)纖維捕獲后在最外側(cè)玻璃纖維內(nèi)部以液體的形式排出，故將此內(nèi)層結(jié)構(gòu)定義為聚結(jié)層。對于針刺氈而言，由于其內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)尺寸較大，顯然其主要作用并非分離氣體中的液滴，而是在聚結(jié)層外側(cè)形成排液通道，使聚結(jié)后的液體從其內(nèi)部排出，防止液滴二次夾帶發(fā)生，故將此外層結(jié)構(gòu)定義為排液層。

圖6 濾芯表面微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure picture of surface of filter cartridges

2.1.3 二次夾帶的評價(jià) 由前面實(shí)驗(yàn)分析可知，濾芯A下游中的細(xì)小液滴既包括穿透作用下產(chǎn)生的液滴，同時(shí)還包括二次夾帶產(chǎn)生的液滴，而濾芯AN未發(fā)生液滴二次夾帶現(xiàn)象，其下游液滴僅來源于穿透作用，可近似認(rèn)為濾芯AN 的穿透率與單層針刺氈穿透率之比為濾芯A 未發(fā)生二次夾帶時(shí)的穿透率。將濾芯A實(shí)際穿透率與理論上濾芯A未發(fā)生二次夾帶時(shí)的穿透率之差定義為夾帶穿透率，從而可定量評價(jià)濾芯發(fā)生的液滴二次夾帶。由定義可知，夾帶穿透率越大，液滴二次夾帶越嚴(yán)重。夾帶穿透率表達(dá)式為

式中，PR,A為發(fā)生二次夾帶濾芯的夾帶穿透率；PA為發(fā)生二次夾帶濾芯的穿透率；PAN為未發(fā)生二次夾帶濾芯的穿透率；PN為單層針刺氈的穿透率。

2.2 濾材潤濕性對于液滴二次夾帶的影響

為考察濾材潤濕性對于液滴二次夾帶的影響，現(xiàn)對由疏油型濾材纏繞而成的濾芯進(jìn)行測試。分別選取型號為B 和BN 的濾芯，在過濾速度0.1 m·s-1、上游液滴濃度260～300 mg·m-3條件下進(jìn)行對比 實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)過濾過程濾芯壓降及穿透率變化趨勢與濾芯A 和AN 測試結(jié)果相一致。在穩(wěn)定階段，對于帶有針刺氈的濾芯BN 的穿透率PBN=0.06×10-4明顯小于濾芯B 的穿透率PB=3.08×10-4，而通過觀測濾芯表面也發(fā)現(xiàn)，此階段濾芯B 表面出現(xiàn)了氣泡破裂現(xiàn)象，而濾芯BN 表面與濾芯AN 相同，并未有氣泡出現(xiàn)。

圖7 過濾過程中濾芯穿透率的變化Fig.7 Evolution of penetration throughout filtration experiment

將濾芯A 和濾芯B 的測試結(jié)果相對比，以說明濾材不同屬性對于液滴二次夾帶的影響。在上游液 滴濃度相同的條件下，兩種濾芯過濾過程中穿透率變化對比情況如圖7所示。由圖可知，在穩(wěn)態(tài)階段濾芯A 穿透率較濾芯B 相比高出一個(gè)數(shù)量級。

Mullins 等[8]對液滴與單根纖維之間相互作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明纖維表面能越大，液滴與纖維的接觸角越小，液滴越容易浸潤纖維。由于濾芯A 內(nèi)部為親油型濾材，與疏油型濾材相比，其表面能更大，增強(qiáng)了液滴與纖維吸引力，導(dǎo)致液滴被纖維捕獲后更易潤濕濾材，進(jìn)而增大了濾材內(nèi)部液膜區(qū)域，因此，當(dāng)氣流通過親油型濾材表面時(shí)，更易出現(xiàn)因液膜破裂而導(dǎo)致的液滴二次夾帶現(xiàn)象。

圖8 濾芯外層玻璃纖維表面微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructure picture of fiber glass on surface of filter cartridges

為驗(yàn)證上述分析結(jié)果，并獲得濾芯表面濾材內(nèi)部含液情況，當(dāng)濾芯在穩(wěn)態(tài)階段單位面積液體通過量累積達(dá)300 g·m-2時(shí)，拆解濾芯并將兩種濾芯最外側(cè)玻璃纖維層制成150 mm×100 mm 矩形片，利用電子天平稱重并與未過濾前濾材質(zhì)量相比較，即得到濾材含液量：濾芯A 外層濾材含液量為3.40 g，濾芯B 外層濾材含液量為2.83 g。稱重后利用SEM對兩種濾芯軸向中心點(diǎn)附近最外側(cè)玻璃纖維層進(jìn)行觀測，如圖8所示。由圖可見，濾芯A 外層濾材內(nèi)部纖維被液體所覆蓋、纖維輪廓模糊、液膜覆蓋區(qū)域較大。而濾芯B 濾材內(nèi)部纖維輪廓較為明顯且纖維之間存在較多空隙，致使其液膜覆蓋區(qū)域較小。觀測所得結(jié)果和濾材含液量保持一致，驗(yàn)證了分析結(jié)果，說明在氣液過濾過程中，此實(shí)驗(yàn)條件下，親油型濾材更易導(dǎo)致液滴二次夾帶現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖9為穩(wěn)定階段兩種濾芯過濾效率曲線對比情況，圖中橫坐標(biāo)為液滴粒徑，縱坐標(biāo)為累積效率。在穩(wěn)態(tài)階段，濾芯A 最低累積效率為95%，濾芯B最低累積效率為99.76%。可見，此實(shí)驗(yàn)條件下，疏油型濾芯過濾效果優(yōu)于親油型濾芯，表明濾材潤濕性不同對于液滴二次夾帶的影響也有所不同。

2.3 過濾速度對液滴二次夾帶的影響

圖9 穩(wěn)態(tài)階段濾芯累積效率對比情況Fig.9 Comparison of cumulative efficiency at steady state

圖10 不同過濾速度下濾芯穿透率變化情況Fig.10 Evolution of penetration at different filtration velocities

為考察過濾速度對于液滴二次夾帶的影響，在0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 m·s-1過濾速度下，分別對4 種型號濾芯進(jìn)行測試分析。所有過濾速度下，上游液滴濃度均維持在260～300 mg·m-3范圍 內(nèi)。圖10(a)、(b)分別為濾芯A 和濾芯B 穿透率隨單位面積液體通過量的變化情況。由圖可知，隨著過濾速度的升高，濾芯穿透率逐漸降低，其中，濾芯A 效果尤為明顯，而在同一氣速下，濾芯A 的穿透率均高于濾芯B，說明液滴二次夾帶對于親油型濾材纏繞成的濾芯影響較大。

圖12 過濾速度對濾芯累積效率的影響Fig.12 Effect of filtration velocity on cumulative efficiency

表5 不同氣速下濾芯外層玻璃纖維含液量Table 5 Liquid holding capacity of filter cartridges at different filtration velocities

當(dāng)濾芯在穩(wěn)態(tài)階段單位面積液體通過量累積達(dá)300 g·m-2時(shí)，采用與2.2 節(jié)中相同方法，稱重得到濾材含液量，結(jié)果如表5所示。稱重后利用SEM對濾芯A軸向中心點(diǎn)附近最外側(cè)玻璃纖維層進(jìn)行觀測，如圖11所示。由圖可見，隨著過濾速度的升高，濾芯外層濾材內(nèi)部更多孔隙被氣體所填充、液膜覆蓋區(qū)域減少。觀測所得結(jié)果和濾材含液量保持一致，說明在氣液過濾過程中，對于同種濾芯，過濾速度越低，濾芯外層濾材內(nèi)部含液量越多，液膜覆蓋區(qū)域越大，導(dǎo)致濾芯越容易出現(xiàn)液滴二次夾帶現(xiàn)象,進(jìn)而造成濾芯下游粒子數(shù)增多，穿透率增大。

圖12為過濾速度對濾芯累積效率的影響情況?？梢姡瑑煞N濾芯在實(shí)驗(yàn)氣速下累積效率均在大粒徑處出現(xiàn)下降，而由于較高的過濾速度可減弱液滴二次夾帶現(xiàn)象，降低穿透率，因而，在此實(shí)驗(yàn)過濾速度范圍內(nèi)，過濾速度越高，濾芯的過濾效果越好，所得結(jié)果與Charvet 等[14]和Contal 等[15]對單層濾材的研究結(jié)果相一致。

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)濾芯僅由聚結(jié)層組成時(shí)，液滴在濾芯表面纖維之間形成液橋，液滴留在濾材內(nèi)部無法及時(shí)排出，液膜破裂后二次夾帶現(xiàn)象發(fā)生，下游氣體中液滴數(shù)量增多，且出現(xiàn)粒徑在3～8 μm 范圍內(nèi)的液滴，穩(wěn)態(tài)階段濾芯累積效率在大粒徑處下降，嚴(yán)重影響濾芯過濾效率。

（2）對于實(shí)際氣體進(jìn)行過濾時(shí)，需要依據(jù)其中的液滴物性選擇濾材。與不可潤濕型濾材相比，可潤濕型濾材具有更大的表面能，液滴與纖維間的吸引力更強(qiáng)，導(dǎo)致液滴被纖維捕獲后更易潤濕濾材，更易出現(xiàn)因液膜破裂而引起的液滴二次夾帶現(xiàn)象。因此，在相同過濾速度下，若需提高過濾效率，宜選用不可潤濕型濾材制作工業(yè)濾芯。在0.1～0.3 m·s-1過濾速度范圍內(nèi)，提高過濾速度可減少液滴二次夾帶現(xiàn)象的發(fā)生，與不可潤濕型濾芯相比，可潤濕型濾芯過濾效果的改善更為明顯。

（3）排液層物性參數(shù)對液滴二次夾帶有較大影響。濾芯增加排液層后，液滴在濾芯表面纖維之間難以形成液膜，同時(shí)在聚結(jié)層外構(gòu)成排液通道，使聚結(jié)后的液體從排液層內(nèi)部排出，液滴二次夾帶現(xiàn)象得以有效消除。

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