开题报告——金属多孔滤芯TA母固过滤性能研究.doc

金属多孔滤芯TA母固过滤性能研究（开题报告） 11金属多孔滤芯TA母固过滤性能研究过程094（10094055）黄谦摘要：金属多孔材料在化工、环境、医药等领域都得到了广泛的应用，其优势与多功能性的运用受到了广泛的关注。本文首先介绍了金属多孔材料的发展与现状，并对其类型、特点及制备方法进行了简单地介绍，然后详细介绍了金属多孔材料的性能和运用。从过程装备的角度，对一根滤芯做性能进行评价，并根据所得结果，设计工业化过滤流程单元，并为毕业论文制定了进度表。关键词：金属多孔材料，制备方法，性能，应用1 研究背景1.1 概述金属多孔材料是指一种金属骨架里分布着大量孔洞的新型材料，主要是通过贯通或者封闭的孔洞组成的材料。金属多孔材料是低密度、高强度的特点，此外其渗透性较好、孔径和孔隙可控、形状稳定、耐高温、抗热震、能再生、可加工，是一种特殊性能的功能材料。其运用范围广泛，多用于航空、航天、原子能、石化、冶金、机械、医药、环保等行业中，进行过滤、分离、消音、布气、催化、热交换等工艺。近年来，随着制备方法与加工工艺的提高，大大促进了金属多孔材料的发展。金属多孔（泡沫金属）材料是20世纪80年代后期国际上迅速发展起来的，是由刚性骨架和内部的孔洞组成，具有优异的物理特性和良好的机械性能的新型工程材料。它具备的优异物理性能，如密度小、刚度大、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高，使其应用领域已扩展到航空、电子、医用材料及生物化学领域等。通孔的金属多孔材料还具有换热散热能力强、渗透性好、热导率高等优点；而闭孔金属多孔材料的物理特性则与通孔的相反1,2。1.2 研究内容某石化企业的PTA装置采用Amoco工艺，PTA氧化反应产生的母液直接进行加醋酸形成草酸盐，采用碟片离心机进行分离，残渣废弃。在此分离阶段，如果分离效率低，较多的固体TA料、Co、Mn催化剂视作为PTA废料而处理，增加了装置的PX单耗3。系统在实际运行过程中，由于需要分离的固体颗粒较细，导致分离效率低，溢流颗粒浓度偏高，致使系统不稳定，极易使下料管堵塞和离心机振动等问题。这些问题使得生产的稳定性不高，而且也可能衰减离心机的寿命。因此，有必要进一步研究分离技术，开发高效的TA母固颗粒回收技术，同时研究金属多孔滤芯的过滤性能。2 文献综述2.1 金属多孔材料的类型及特点相关文献综述4,5多孔材料主要分天然和人工，按其材质可分为金属和非金属。下面就金属多孔材料的类型和特点做简单介绍。2.1.1 粉末烧结型粉末烧结型金属多孔材料是发展较早的一种，它是将一种或多种金属粉末根据相应的比例混合，在压力作用下形成粉末压胚。再将压制而成的压胚放入烧结炉中进行烧结，使压胚进一步结合起来，形成金属多孔材料。除上述方法以外，还有粉末松装烧结法，该方法可以不经过压制，直接将金属粉末装入预制的模具中，再用烧结炉对其进行烧结，获得金属多孔材料。如图1为不同压制压力下烧结坯金相图。2.1.2 纤维烧结法纤维烧结法与粉末烧结法的成形过程类似，不同的是该方法主要用金属纤维替代了金属粉末，再从中选择几何分布较为均匀的金属纤维，使之形成纤维毡，然后将纤维毡放入烧结炉中，在惰性气体的保护下进行烧结，获得金属多孔材料。通过纤维烧结法制成的金属多孔材料的性能优于粉末烧结形成的金属多孔材料，它的孔隙度可以进行最大范围的调整，其孔隙度可以达到90%以上，而且全部为贯通孔，其塑性和冲击韧性较好，容尘量较大，多用于过滤条件要求较高的行业。图1 不同压制压力下烧结坯金相图2.1.3 复合型复合型金属多孔材料是金属多孔复合材料，是由不同金属或金属与非金属复合在一起形成的，它的强度高、滤速大，比较容易制成小直径长管元件。通过复合，使金属多孔材料获得不同材料的的各自优点。如用不锈钢纤维毡与丝网复合制作的复网毡，不同材料的复合满足了产品的使用要求。2.1.4 沉积型沉积型金属多孔材料是由原子态金属在有机多孔基体内表面沉积后，出去有机多孔基体并放在烧结炉中烧结而成。沉积型金属多孔材料具有孔隙连通的特点，孔隙率均在80%以上，同时还具有三维网络的结构。这类多孔材料是一种性能优异的新型功能结构材料，在多孔金属领域占据特别重要的地位。它结合了低密度、高孔隙率、高比表面积、高孔隙连通性和均匀性等诸多特点。但这样的特点也导致它在强度方面有一定的欠缺。2.1.5 铸造型铸造型多孔金属材料是由熔融金属或合金冷却凝固后形成的多孔材料，由铸造方式的不同，其孔隙率范围也不同，且范围较广，同时还具备不同形状的孔隙，其典型代表为泡沫铝。其中产品大多为闭孔隙和半通孔的多孔材料，但也可铸成三维连通孔隙的高孔率产品。2.2 多孔材料中几个常用物理量多孔材料由于孔隙的出现以及孔隙中流体的存在，使得它拥有其它密实固体材料没有的物理量，如孔隙率、比表面、液相水饱和度、含水率等。2.2.1 孔隙和孔隙率若多孔材料整体的体积为V，固相体积为VS，非固相体积（孔隙）为V，那么， （1）孔隙是指多孔材料中非固相所占有的体积V，孔隙率（也称孔隙度或孔度）是指孔隙在整个材料中所占有的体积份额，其定义为 （2）孔隙率是表征多孔材料的一个重要特征量。2.2.2 比表面比表面表示多孔材料内孔隙所具有的面积，分为质量比表面和体积比表面。质量比表面定义为 （3）其中，m为多孔材料固相骨架的质量，g；A为质量为m的多孔材料内孔隙的总表面积，m2；Am为单位固相骨架质量包含的孔隙面积，m2/g，即1g固相骨架物质包含孔隙总表面积。体积比表面定义为 （4）其中，V为多孔材料的体积，m3；A为体积为V的多孔材料内孔隙的总表面积，m2；AV为多孔材料单位体积内包含的孔隙面积，m2/ cm3，即1 cm3多孔材料包含的孔隙总表面积。2.2.3 液相水饱和度和含水率如果说孔隙率是反应多孔材料中非固相介质所具有的相对体积，那么液相水饱和度与含水率是反应含水多孔材料内水的相对含量。其中，液相水饱和度是相对体积含量，含水率是相对质量含量。若多孔材料孔隙中被多种组分流体所占据，其中某一种流体在孔隙中占有的体积份额被称为该种流体的饱和度。液相水饱和度S1就是液相水在孔隙中的相对体积，可表示为 （5）其中，V和V1分别为孔隙与孔隙中液相水所占体积。液相水饱和度这一概念只适用于非吸湿性多孔材料，对于吸湿性多孔材料用含水率来表示水在材料中的含量更为恰当。含水率又分为绝对含水率W（干基含水率）和相对含水率W*（湿基含水率），它们的定义分别为 （6）和 （7）其中，m1和md分别为多孔材料中水质量与绝干固相骨架的质量。2.3 金属多孔材料表征及性能相关文献综述金属多孔材料的孔隙度、孔径及渗透性主要取决于原料粉末粒度、丝径或网目的大小，此外还受到工艺的影响。要达到某种应用要求的性能，需进行材料选择和工艺因素的严格控制。多孔材料中大多数都运用到过滤中，常用过滤精度和渗透性来表征其性能。2.3.1 孔隙度在自然状态下材料中的的孔隙体积与材料体积之比，叫材料的孔隙度。它包括材料中所有的孔隙，不管它们是否连通。但在研究油贮的孔隙度时，所测量的孔隙度为连通的孔隙空间与岩石的总体积之比，即有效孔隙度。在一般情况下，有效孔隙度要比总孔隙度少510%。如图2所示，为粉末烧结型多孔材料、金属纤维毡、复合金属丝网材料和泡沫金属材料的孔隙度分布。2.3.2 过滤精度过滤精度简称为过滤度，即以微米级颗粒计数的过滤效率。它其实就是过滤器的滤芯的孔径，包含杂质的溶液通过过滤网时，允许通过的最大颗粒的尺寸。表1为过滤精度换算表。表1 过滤精度换算表目英寸微米100.07872000200.0331841300.0232595350.0197500400.0165420450.0138354500.0117297600.0098250700.0083210800.00701771000.00591491200.00491251400.00411051700.0035882000.0029742300.0024632700.0021533250.0017444000.0015374250.0013335000.0010256250.0008208000.00061512500.00041025000.0002562500.000082125000.0000412.3.3 渗透性6渗透性是指一种材料在不损坏介质构造情况下，能使流体通过的能力。渗透率K是反应多孔材料性质的重要参数，表示为 （8）渗透率K基本计量单位为达西（Darcy），1 Darcy是指动力粘度的流体在1cm具有1个物理大气压的压降（即）的条件下，以1s渗透1cm3，（即qv=1cm3/s）时的渗透率。将上述单位代入式（8），可得 （9）经运算后，得 （10）在实际计算中所采用的渗透率的单位常有多种，用不同单位表达同一渗透率其数值相差几个数量级。渗透率也有相应的无量纲特征数，称为达西数，记作Da，定义为 （11）其中，L为定性尺寸。图2 几种材料的主要孔隙度分布范围2.4 金属多孔材料的应用相关文献综述2.4.1 分离与过滤多孔金属具有优良的渗透性，是适合于制备多种过滤器的理想材料。利用多孔金属的孔道对流体介质中固体粒子的阻留和捕集作用，将气体或液体进行过滤与分离，从而达到介质的净化或分离作用。多孔金属过滤器可用于从液体(如石油、汽油、致冷剂、聚合物熔体和悬浮液等) 或空气和其它气流中滤掉固体颗粒。使用最广的金属过滤器材料是多孔青铜和多孔不锈钢。多孔金属材料用作分离媒介，如从水中分离出油、从冷冻剂中分离水。还可作充气液体或液体分布CO2 等的扩散媒介。在生物化学领域，金属泡沫用作肾器中渗透膜的支撑体。该原理也能扩展到那些取决于渗透反向渗透作用的过程，如流出物处理中的脱盐和脱氢7。2.4.2 能量吸收金属多孔材料可用作能量吸收材料，多孔金属的应力2应变曲线分为3个阶段：线弹性区、屈服平台区、致密化区。它的能量吸收能力主要取决于图3中的屈服平台区，由图可以看出，应力2应变曲线存在较大的屈服平台区。能量吸收能力由应力应变曲线下方的面积决定，高而宽的屈服平台区可获得较大的吸能能力。因此泡沫金属是用于制造车辆碰撞能量吸收部件的理想材料。泡沫铝材作为能量吸收材料已广泛应用于汽车行业。它在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板，即芯层为泡沫铝或泡沫铝合金，上下层为铝板或其他金属薄板8,9。图3 泡沫铝的压缩应力2应变曲线能量吸收是多孔金属材料的重要用途，其中缓冲器及吸震器是典型的能量吸收装置，其应用从汽车的防冲挡直至宇宙飞船的起落架，以及升降机、传送器安全垫和高速磨床防护罩吸能内衬。在汽车冲击区使用泡沫铝制成的合适元件，可控制最大能耗的变形，对侧面冲击保护同样如此10。例如，在中空钢材或铝材外壳中充入泡沫铝，可使这些部件在负载期间具备良好的变形行为。泡沫金属也可以制造车体或发动机的一些部件，以获得较高的刚性和较轻的质量。因为通过泡沫金属密度的选择可得到很大范围的弹性模量，故可匹配泡沫部件的共振频率，由此抑制有害振动。2.4.3 电极材料金属多孔材料的另一类用途是作电极材料。各种蓄电池、燃料电池、空气电池中都用多孔镍作电极，并要求孔率尽可能高。氢镍、镉镍等二次碱性电池在高技术和普通民用领域中不断提出高能量密度、长寿命和低成本的要求，致使传统的烧结镍基板受到挑战。轻质高孔率的发泡沫基板和纤维基板等金属多孔材料与传统烧结基板材料相比，可使镍材消耗降低约一半，极板质量减少12 %左右，并大大提高能量密度11。利用有机泡沫电沉积法制备的泡沫铜可作电解铜还原的阴极以及电有机合成电极，泡沫镍则被用作化学反应工程中的流通性和流经性多孔电极，具有良好的电解质扩散、迁移和物质交换性能12,13。泡沫镍用于电化学反应器，由于增加了电极表面积，从而提高了电化学单元的性能且在一些工业应用中可无膜使用。泡沫镍适合于作有机化合物电氧化的多孔三维阳极，如苯甲基乙醇的多相电催化氧化促进了乙醛的生成，泡沫镍电极提高电解电流和乙醇转换达30 %。除以上应用之外，金属多孔材料还可用作流体分布与控制、热交换、反应材料、结构材料、生物材料、电磁屏蔽等。3 技术路线3.1 研究目的PTA生产过程中氧化母液中含有一定量的可回收TA及催化剂，这些资源的回收综合利用不仅可以大大节约资源，而且改善了环境污染状况。本课题采用类TA氧化母液，研究多孔滤芯对氧化母固的过滤性能，为工业化应用提供支持。3.2 实验方案PTA母液过滤实验装置主要由动力系统、过滤系统、回收系统、计量系统和管道系统组成。本实验采用全自动自吸供水泵作为本套装置的动力系统，为过滤过程提供稳定的动力。实验过程中所用的滤芯是由相关金属多孔滤芯生产厂商提供，采用对称多孔材料和不对称多孔材料作为过滤元件进行过滤实验，滤清液通过管状元件内孔道流至滤水罐。过滤系统外壳采用有机玻璃材料，便于实时观察系统过滤情况。采用水银压差计和液体转子流量计测量过滤系统的压差和液体流量大小。类PTA母液过滤装置流程图如图4所示。实验所用滤芯为多孔金属材料，是由相关滤芯生产厂商提供，其结构剖视图如图5所示。通过实验，从过程装备的角度对金属多孔滤芯的性能进行评价，包括透气性能、过滤性能等，并根据所得结果做出工业化过滤流程单元设计，为工业化应用提供支持，从而可以更高效的回收PTA生产过程中氧化母液中含有一定量的TA及催化剂，这样可以大大的节约资源，而且可以改善环境污染状况。图4 类PTA母液过滤装置流程图图5 金属多孔滤芯结构剖视图4 进度安排按照任务书要求以及华东理工大学毕业论文时间进度安排结合本课题的相关要求，进度安排依照如下时间表进行：2013年1月7日2013年2月28日 外文翻译，文献查阅写开题报告2013年3月1日2013年5月10日 试验设计、装置搭建与试验2013年5月11日2013年5月31日 工业化回收单元设计2013年6月1日2013年6月14日 撰写