过滤基本原理

1、eatonFiltration.Separation.Solution.过过 滤滤 原原 理理eatonFiltration.Separation.Solution.滤材滤材孔孔定义定义过滤过滤利用有孔介质从流体(液体或气体)中除去污染物洁净流体洁净流体(滤出液，下游滤出液，下游)污染流体污染流体(进料液，上游进料液，上游)eatonFiltration.Separation.Solution.定义定义1 微米微米 (um) 等于等于:4106 米米 103 毫米毫米43.910 -5 英寸英寸4又称又称 micron微米微米eatonFiltration.Separation.Solutio

2、n.定义定义过滤过滤 / 分离范围分离范围 颗粒尺寸颗粒尺寸 10-4 10-3 10-2 10-1 1.0 10 102 103 ( 微米微米) 平均分子量平均分子量 100 200 20,000 500,000 Cloth & Depth FiltersScreens & Strainers微滤微滤超滤超滤纳滤纳滤反渗透反渗透过滤工艺范围过滤工艺范围Red BloodCellsLatex EmulsionsOil EmulsionsPaint PigmentBacteriaSandHuman HairProtein / EnzymesCarbonBlackVirusAtomicRadii可

3、溶盐类可溶盐类VOC抯抯, PCD, Susp. Oil金属离子金属离子膜膜类型类型普通污染物普通污染物的相对尺寸的相对尺寸滤布和深层过滤器滤布和深层过滤器筛网和滤网筛网和滤网微滤微滤超滤超滤纳滤纳滤反渗透反渗透过滤工艺范围过滤工艺范围红细胞红细胞乳胶乳胶油乳剂油乳剂油漆颜料油漆颜料细菌细菌沙粒沙粒人发人发蛋白蛋白 / 酶酶碳粒碳粒病毒病毒辐射原子辐射原子可溶盐类可溶盐类VOC抯抯, PCD, Susp. Oil金属离子金属离子膜膜类型类型普通污染物普通污染物的相对尺寸的相对尺寸eatonFiltration.Separation.Solution.定义定义小颗粒的相对尺寸小颗粒的相对尺寸8.

4、040人发直径裸眼可见最小颗粒花粉红细胞酵母和真菌6.0100 um806020105.0沙雷氏菌 假单胞菌 0.43.02.01.00.80.60.50.34.0 umeatonFiltration.Separation.Solution.小颗粒的相对尺寸小颗粒的相对尺寸大硅胶颗粒大硅胶颗粒 (20 um) 铅笔墨点铅笔墨点 (40 um)红细胞红细胞(7m mm)酵母细胞酵母细胞 (3 um)典型细菌典型细菌 (0.2m mm)eatonFiltration.Separation.Solution.过滤器的功能过滤器的功能一个过滤器的功能是从一种流体(液体 或气体)中去除污染物以使达到所需

5、的 流体洁净度水平 eatonFiltration.Separation.Solution.过过 滤滤 机机 理理eatonFiltration.Separation.Solution.三种过滤机制三种过滤机制4直接拦截4惯性撞击4扩散拦截eatonFiltration.Separation.Solution.直接拦截直接拦截4液体中的基本过滤机制4本质是一种筛分效应，机械拦截颗粒4例如：一种简单的筛网可以拦截尺寸 大于其孔径的颗粒eatonFiltration.Separation.Solution.直接拦截直接拦截颗粒大于孔径颗粒大于孔径eatonFiltration.Separation

6、.Solution.直接拦截直接拦截绝对截留绝对截留 - 颗粒被捕获在滤材纤维之间形成的孔中颗粒被捕获在滤材纤维之间形成的孔中 eatonFiltration.Separation.Solution.直接拦截直接拦截eatonFiltration.Separation.Solution.直接拦截直接拦截4当颗粒大于流道孔径时即被该结构去除4容污能力可以用弯曲结构提高 筛网无此作用eatonFiltration.Separation.Solution.直接拦截直接拦截4通过搭桥作用，尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截0不规则形状的颗粒 / 方向性0多个颗粒同时撞击到同一个滤孔eatonFiltrati

7、on.Separation.Solution.直接拦截直接拦截不规则形状的搭桥不规则形状的搭桥eatonFiltration.Separation.Solution.直接拦截直接拦截多个小颗粒的搭桥多个小颗粒的搭桥eatonFiltration.Separation.Solution.定义定义4拦截在过滤器表面的颗粒堆积成颗粒层4当过滤器表面完全被一个厚的颗粒层所覆盖时，所谓的“滤饼”即已形成了。4滤饼颗粒间的孔隙亦如同一种过滤器，对细颗粒的拦截效率通常由此而提高 滤饼滤饼eatonFiltration.Separation.Solution.惯性撞击惯性撞击4尺寸小于滤材孔径的颗粒的辅助拦截

8、方式4流体携带的颗粒由于质量和线速度而具有直线 运动的惯性4颗粒离开流体主流而撞击到滤材上eatonFiltration.Separation.Solution.惯性撞击惯性撞击eatonFiltration.Separation.Solution.惯性撞击惯性撞击当流体改变运动方向时，惯性使颗粒撞击到滤材当流体改变运动方向时，惯性使颗粒撞击到滤材表面并由于吸附力而停留表面并由于吸附力而停留 eatonFiltration.Separation.Solution.惯性撞击惯性撞击当流经过滤介质时流体必须沿弯曲通道行进，这将增加过滤机制的有效性。 eatonFiltration.Separati

9、on.Solution.惯性撞击惯性撞击停留的颗粒减小了滤孔孔径停留的颗粒减小了滤孔孔径eatonFiltration.Separation.Solution.惯性撞击惯性撞击eatonFiltration.Separation.Solution.惯性撞击惯性撞击4颗粒被机械拦截或被吸附拦截4在气体中比在液体中更有效.4对大于 0.5 - 1.0 微米的颗粒很有效.eatonFiltration.Separation.Solution.吸附吸附4表面相互作用0电荷不同4范德华力(Van der Waals)拦截尺寸小于滤孔的颗粒拦截尺寸小于滤孔的颗粒 由于: eatonFiltration.S

10、eparation.Solution.吸附吸附表面作用表面作用 eatonFiltration.Separation.Solution.4Zeta 正电势:0滤材所带的正电荷捕捉带负电的污染物4絮凝:0添加高分子电解质 (例如淀粉) 使细颗粒 凝聚成较大的颗粒进而形成滤饼4助滤剂:0添加助滤剂 (例如：硅藻土) 以形成滤饼液体过滤的辅助方式液体过滤的辅助方式eatonFiltration.Separation.Solution.Zeta 正电势正电势Zeta 正电势是颗粒在水溶液中 表面产生的 动电学吸引力 (电荷) 带电的颗粒将被带相反电荷的滤材表面吸引并由于这些力而被牢固阻截 eatonF

11、iltration.Separation.Solution.Zeta 正电势正电势颗粒接触到滤材表面由于吸引力而被阻截带负电的带负电的 污染物污染物水溶液水溶液带正电的带正电的滤材滤材eatonFiltration.Separation.Solution.吸附吸附 / Zeta 电势电势4细菌4支原体4病毒4酵母大多数需过滤的颗粒都带负电，例如： 4硅颗粒4细菌内毒素 (热源)4蛋白分子eatonFiltration.Separation.Solution.扩散拦截扩散拦截4气体分子 (作随机运动) 碰撞小颗粒或雾滴4布朗运动(Brownian motion)碰撞的结果， 增加了颗粒碰撞过滤介

12、质的机会4仅在气体中有效eatonFiltration.Separation.Solution.扩散拦截扩散拦截4气体过滤器能够去除尺寸远小于液体精度 的污染物4对小-细颗粒 (0.1 - 0.3微米)非常有效4如果一个气体过滤器在湿润环境中运行， 它的去除能力即变为液体精度eatonFiltration.Separation.Solution.扩散拦截扩散拦截eatonFiltration.Separation.Solution.扩散拦截扩散拦截气体分子作布朗运动气体分子作布朗运动eatonFiltration.Separation.Solution.扩散拦截扩散拦截分散在气体分子中的小颗粒

13、分散在气体分子中的小颗粒 或雾滴受到撞击发生位移或雾滴受到撞击发生位移eatonFiltration.Separation.Solution.扩散拦截扩散拦截被随机运动的气体分子碰撞的颗粒撞击到过滤介质上并被吸附截留eatonFiltration.Separation.Solution.扩散拦截扩散拦截当流经过滤介质时流体必须沿弯曲通道行进，这将增加过滤机制的有效性。eatonFiltration.Separation.Solution.小结小结过滤介质的过滤 / 分离效率由于直接拦截直接拦截惯性撞击惯性撞击扩散拦截扩散拦截的共同作用而增强 eatonFiltration.Separation

14、.Solution.过滤机理总结过滤机理总结直接拦截直接拦截惯性撞击惯性撞击扩散拦截扩散拦截eatonFiltration.Separation.Solution.过滤机理及其效率过滤机理及其效率0.010.1110100颗粒直径颗粒直径 (um)5060708090100效率效率(%)0.3 直直 接接 拦拦 截截扩散拦截扩散拦截惯性撞击惯性撞击eatonFiltration.Separation.Solution.过滤介质类型过滤介质类型eatonFiltration.Separation.Solution.4表面过滤介质4深度过滤介质滤材类型滤材类型通常，过滤器滤材可分为两类：eaton

15、Filtration.Separation.Solution.4表面过滤介质:0编织网粉末烧结4深度过滤介质:0浇铸膜结构0纤维材料结构过滤器制造商并未统一上述概念的“官方”定义滤材类型滤材类型伊顿公司制造两类介质:eatonFiltration.Separation.Solution.表面过滤介质表面过滤介质4所有滤孔在一个平面上4依靠直接拦截捕获颗粒最严格的定义:eatonFiltration.Separation.Solution.表面过滤表面过滤eatonFiltration.Separation.Solution.表面或筛网过滤的局限表面或筛网过滤的局限4 主要依靠直接拦截。小于孔径

16、的颗粒将穿过。 4 惯性撞击无效.4 扩散拦截有微效. eatonFiltration.Separation.Solution.深度过滤介质深度过滤介质4污染物被介质内部结构捕获的一种 过滤介质，滤孔贯穿于整个介质厚度。4调整流道可以获得高容污能力。最严格的定义:eatonFiltration.Separation.Solution.深度过滤介质深度过滤介质4颗粒可以在表面被捕集，4也可以在介质深度被捕集，4因此，提高了容污能力。eatonFiltration.Separation.Solution.深度过滤介质深度过滤介质eatonFiltration.Separation.Solution

17、.过滤介质过滤介质设计和特点设计和特点eatonFiltration.Separation.Solution.过滤介质设计和特点过滤介质设计和特点4滤孔设计0均一或不均一0固定或非固定4过滤面积4压差0孔隙率eatonFiltration.Separation.Solution.滤孔设计滤孔设计4滤孔尺寸是均一的还是不均一的4滤孔是固定还是非固定的比考虑表面还是深度更重要的是.eatonFiltration.Separation.Solution.均一孔径均一孔径4所有滤孔均为同一尺寸4由于搭桥现象，可以拦截小于孔径 的颗粒eatonFiltration.Separation.Solution

18、.不均一不均一 (设计设计) 孔径孔径4污染物不总是完全同一的尺寸和形状4在制造过程中控制孔径以保证大于某一 给定尺寸的颗粒的定量去除4宽泛的孔径分布意味着高效率eatonFiltration.Separation.Solution.孔径分布孔径分布4孔径分布代表了对不同尺寸污染物的 过滤效率4孔径分布是为过滤 应用而设计的Pore Size# of PoresABCeatonFiltration.Separation.Solution.非固定滤孔介质非固定滤孔介质4在使用过程中孔径发生变化(非设计的)0例如：当压力升高时孔径变大4导致:0卸载0介质迁移0短路eatonFiltration.S

19、eparation.Solution.非固定滤孔介质非固定滤孔介质4由于压力增加 / 波动导致卸载4由于滤材和支撑结构弯曲导致滤孔 变大或变形 4滤孔变大，先前捕获的污染物穿透 到下游eatonFiltration.Separation.Solution.卸载卸载可由固定、稳定的孔结构加以防止eatonFiltration.Separation.Solution.非固定滤孔介质的介质迁移非固定滤孔介质的介质迁移过滤器滤材部 分脱落到下游 从而污染了滤 出液 eatonFiltration.Separation.Solution.介质迁移介质迁移 介质迁移是可以避免的只要使过滤器介质 具有稳定的

20、滤孔并且和支撑结构牢固连接eatonFiltration.Separation.Solution.非固定滤孔介质的旁通现象非固定滤孔介质的旁通现象4过滤介质出现超标孔径或过宽的孔径分布eatonFiltration.Separation.Solution.非固定滤孔介质的旁通现象非固定滤孔介质的旁通现象4过滤介质和滤芯硬件连接问题eatonFiltration.Separation.Solution.旁通旁通4滤芯和滤壳密封问题 eatonFiltration.Separation.Solution.固定滤孔介质固定滤孔介质4在过滤器使用寿命内孔径不变4没有卸载、介质迁移或旁通现象eatonF

21、iltration.Separation.Solution.固定滤孔和非固定滤孔的对比固定滤孔和非固定滤孔的对比eatonFiltration.Separation.Solution.打褶设计可以增加过滤面积近打褶设计可以增加过滤面积近 513倍倍卷式深层和打褶设计的对比卷式深层和打褶设计的对比 D = 2 緮 D = 2 緮1010A = 过滤面积过滤面积T = 过滤介质厚度过滤介质厚度 A = 0.6 ft2A2= 3-8ft2T1T2 打褶设计eatonFiltration.Separation.Solution.表面积表面积4增加表面积可以：0降低 DP0延长使用寿命eatonFilt

22、ration.Separation.Solution.5 个孔堵塞5 个孔开放DP = 1 psid 5 个孔堵塞15 个孔开放DP = 1/3 psid 10 孔孔 20 孔孔 举例: 表面积倍增的比较15个孔堵塞后才能 达到 D DP = 1 psid， 使用寿命因此增加了使用寿命因此增加了三倍三倍表面积表面积eatonFiltration.Separation.Solution.压差压差定义定义 压差 过滤器使用时上游和 (压力降 DP) 下游之间的压力差别 净压差 过滤器开始使用未捕 集任何污染物之前时 的压差eatonFiltration.Separation.Solution.压差

23、压差DP1. 由流体阻力产生由流体阻力产生.2. .在干净的过滤器，由滤孔产生在干净的过滤器，由滤孔产生eatonFiltration.Separation.Solution.压差压差定义定义最大允许压差最大允许压差:过滤器结构不受破坏的最大压差限制过滤器结构不受破坏的最大压差限制eatonFiltration.Separation.Solution.过滤器寿命曲线过滤器寿命曲线压差和使用时间的关系压差和使用时间的关系曲线拐点曲线拐点 初始初始D DP时间时间(t)恒定流速恒定流速下的下的 D DP 过滤时颗粒被过滤器滤孔截留压差上升过滤时颗粒被过滤器滤孔截留压差上升eatonFiltrati

24、on.Separation.Solution.孔隙率孔隙率过滤器中的开放面积过滤器中的开放面积 (孔隙率孔隙率)4容污力增加将：容污力增加将：0 降低流体线速度降低流体线速度0 降低降低 D DP0 延长使用寿命延长使用寿命滤孔纤维eatonFiltration.Separation.Solution.孔隙率孔隙率孔隙孔隙纤维纤维82.0%18.0%eatonFiltration.Separation.Solution.纤维直径对孔隙率和容污力的重要性纤维直径对孔隙率和容污力的重要性纤维直径减小，孔隙率增加 (假设孔径不变)eatonFiltration.Separation.Solution

25、.过滤材质过滤材质分类分类eatonFiltration.Separation.Solution. 4不同材质适合不同的过滤流体4选择不同材质，主要从以下方面判断： 化学兼容性 耐温性 孔隙率 孔径分布无机材质与有机材质无机材质与有机材质 eatonFiltration.Separation.Solution. 无机与有机材质无机与有机材质化学兼容性化学兼容性 01234567891011121314pHPSPANPEPVDFCeramiceatonFiltration.Separation.Solution. 050100150deg CPSPANPEPVDFCeramic无机与有机材质无机与有机材质耐温性耐温性eatonFi