利用燒結金屬介質的過濾技術為顆粒物質從氣體或液體中分離提供了杰出的工作性能(例如液/固和氣/固分離)，該技術被大量地應用于工業氣體和液體過濾。燒結金屬介質由金屬纖維或粉末制成過濾元件，被廣泛應用于化學工業、石油化工和電力工業。如為了產品的分離或滿足環保要求，生產中需要分離顆粒物以保護下游工序的設備。
　　燒結金屬介質過濾器為下游的工序提供了有效的屏障。該介質具有高的除塵效率，可靠的過濾性能，有效的反沖洗性和長期的在線服務能力。燒結金屬介質過濾器的粒子捕獲效率達99.9% ，若使用表面或深層介質則效率會更高。依據選擇的金屬合金，操作溫度可高達l O00~C。除了考慮過濾效率外，同等重要的技術標準還包括抗腐蝕性、操作溫度下的機械強度、沉積物的排放(自清能力)和在線工作壽命，上述因素對于實現成功有效的運行十分重要。
　　該過濾介質的壽命(即過濾器運行壽命)依賴其捕獲粒子的能力和相應的壓力降。通過反沖洗循環系統塵餅能被定期去除。反沖洗循環系統和過濾器壓降回復的效率是集塵和過濾介質性能的一個決定性功能。在光滑的過濾器中成形的深層過濾介質適用于低粒子負載的場合。
　　除了在單一過程中提供優越的過濾外，可在線反沖洗介質還減少了操作者暴露在加工物料和揮發性排放物下的時間，同時還能在高溫和腐蝕環境下應用。任何高操作成本的以壓力驅動的過濾工藝都有使用燒結金屬過濾技術的潛力。
　　本文將討論燒結多孔金屬介質過濾器的操作參數和過濾系統的設計標準，以優化一些化工流程的性能。
　　21世紀給化學工業帶來了許多經濟和環境方面的挑戰。變化的主要推動力包括市場全球化，改善環境的需求，利潤率、生產率和改變生產力的要求。未來化學加工工業的競爭優勢將是來自專利技術和技術訣竅。隨著環境影響和能源效率的提高，新的經濟性高產量和高質量工藝的特點將是許多工業化生產裝置都具有好的環境保護能力和高的能效。
　　很多化工產品和工藝都包含固體(顆粒)處理過程。過濾技術提供了一種通過機械分離(借助于專利設計的過濾器和獨特的運行系統)減少固體顆粒的方法。過濾能提高產品的純度，增加生產能力，減少污染物的排放(盡量減少或防止對水和空氣的污染)，并為過濾器下游的貴重設備提供保護。過濾技術的進步包括以連續工藝代替陳舊的間歇工藝技術。成本節省包括有害排放物的減少和由于新技術而帶來的勞動力節省。全自動的過濾系統能與工廠的工藝控制相結合。
　　固體減少包括清除工藝廢液和清洗溶劑中的懸浮顆粒。回收的液體可被循環用作其他進料。廢棄物的最小化包括回收或再循環中有害固體物質和丟棄至垃圾處理場無害物質的減少。過濾能減少廢水中的BOD(生物耗氧量)、COD(化學耗氧量)、TSS(總懸浮顆粒)和TOC(總有機碳)，根據國內外的標準，上述指標是目前排放物測量的主要參數。

　1、過濾的基本原則

　　過濾的基本原則主要是確保過濾介質的合理設計，特有介質的最佳選擇和為每一種過濾應用設計過濾器。可以考慮兩種主要的過濾方式，如深層過濾和表層過濾。深層過濾時粒子是在介質中被捕獲，而表層過濾是粒子被截留在表面上，最后形成塵餅。
　　表層過濾主要是一個粗濾(過篩)的裝置，將過濾器表層前面的粒徑大于過濾介質孑L徑的粒子分離掉，阻止大粒徑粒子進入或通過氣孔。后來的粒子積累形成塵餅，隨著更多的粒子流進入過濾介質，塵餅增厚。塵餅良好的較小的孑L徑結構使其分離的粒子比過濾介質分離的粒子更細，但是塵餅在過濾過程中必須有足夠多的孑L以允許連續的氣流通過。操作可以在壓力增加的連續流動或壓力降低的連續流動下進行。因為大多數的表層過濾器不是十分光滑或沒有很均勻的孑L徑結構，會發生一些深層過濾，因而將會影響過濾器的壽命。
　　深層過濾主要用于微小粒子的分離上，例如保護下游的設備不被阻塞和腐蝕，保護催化劑不中毒和產品提純。粒子進入介質中，隨后被其多層結構所捕獲。該多層結構阻止了介質的過早阻塞，并增加了介質容納污物的能力和在線壽命。因為粒子在介質的深層被捕獲，所以需要進行離線清洗。離線清洗可通過溶劑、超聲波振動、高溫分解、水蒸氣清洗或用循環水清洗來完成。介質可以打褶，這是將空間尺寸和成本降到最低的一種構形。
　　了解過濾器去除氣流中粒子的能力是過濾器成功設計和運行的關鍵。對于載有少量粒狀雜質的流體采用內部多孔介質捕獲粒子的方法過濾是高效獲得粒子的關鍵。燒結金屬的結構提供了一個曲折的路徑，可在其內部將粒子捕獲。捕獲的粒子在介質表面形成塵餅，新捕獲的粒子在以前沉積的粒子之上。這類過濾器的壽命取決于其容污能力和相應的壓降。對于載有大量粒子的流體，現行的過濾設備是濾餅過濾。生成的濾餅超過了過濾元件，變成過濾層并產生附加的壓降。壓降隨著負載粒子的增加而增加。一旦在過濾循環中達到最終的壓力，過濾器就用潔凈的氣體反吹或沖洗掉濾餅。如果過濾介質的孑L徑選擇正確，介質的壓降能被恢復到初始壓降。但是，如果粒子在前面的流動中沉積在多孑L介質內部，并逐漸充填，那么過濾器的壓降在清洗循環之后可能不會完全回復。
　　過濾比率受到喂入粒子濃度、粘度和溫度因素的影響。過濾器運行模式可以是恒定壓力，恒定流動率，或是過濾過程中壓力上升而流動率下降。如果粒子很快阻塞達到壓力極限，或是塵餅過濾的容塵已滿，即使沒有達到極限壓力，過濾循環都會被終止。滲透性用相對于壓降的流動率來表示，受到過濾器類型、流體溫度和固體載量的影響。

　　1.1 燒結金屬粉末介質

　　燒結金屬介質通過把金屬粉末壓成多孑L薄片或管狀物制成，然后再用高溫燒結。具有代表性的燒結金屬粉末介質的掃描電子顯微鏡照片見圖1。粉末細度、壓制和燒結操作綜合因素決定了孑L的尺寸和分布、多孔組件的強度和滲透性。燒結金屬介質的孔徑用ASTME.128來測定。介質等級的確定相當于孑L的平均水平或過濾器孑L的平均尺寸。燒結金屬介質有幾個等級，0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、40和1O0。介質等級在0.2～20的過濾級別，液體過濾等級是絕對值為1.4～35μm，氣體過濾等級為0.1～100μm。

　　由薄片或管狀物構成的濾筒是一個全焊接結構。設計和制成的過濾介質是穩定的多孔基體，具有精確的始沸點特性、精密的厚度偏差和均勻的滲透性，因而可確保可靠的過濾性能、高效的反沖洗性和長時間的在線服務壽命。

　　1.2燒結金屬纖維介質

　　金屬纖維過濾介質由很細的金屬絲(1.5～80μm)均勻地鋪放，形成三維的非織造布結構并在連接點進行燒結構成的，具有代表性的燒結金屬纖維過濾介質的掃描電子顯微鏡照片見圖2。這些介質是專門為表層或深層過濾器而設計的。利用每一層由不同直徑的纖維構成的單層或多層復合的結構來實現最佳的工作性能，例如壓降、過濾效率、粒子負載能力和介質強度。多層復合材料采用分級設計，因此容污的能力更高，壽命期望值也更長。過濾器最終等級由使用的每層介質的面密度及其纖維組成，以及層與層的結合狀況來決定。高孔隙率結構(達85%)可提供非常高的滲透性，因而壓降很低。
　　由各種金屬合金構成的金屬纖維過濾器特性，對于氣體過濾允許在高溫、高壓和有腐蝕性氣體等極端的情況下使用。燒結金屬過濾器的基本優點是：強度大，斷裂韌性好，耐高溫、高壓，抗高熱沖擊，耐腐蝕，易清潔，全焊接組裝和工作壽命長。
　　金屬纖維介質比金屬粉末介質擁有更高的孔積率，因此導致較低的壓降。對于在高溫或腐蝕性的環境中的應用，Bekaert已經研究出了除AISI316L以外的新合金纖維。Inconel 601和Fecralloy兩種產品被應用于高溫場合(分別高達560~C和1 000~C)，而合金HR可以耐高達600~C的溫度和潮濕的腐蝕環境。
　　金屬過濾器的內在韌性保證了連續的反脈沖運行，延長周期。對于高溫應用領域需要添加另外的標準，如蠕變疲勞作用和高溫腐蝕機件。半永久性介質的過濾器性價比好，因為該過濾器的停機時間最短，能用最少的人員進行停車和自動操作，且極少維修。
　　過濾介質的合理選擇，包括合適的孔徑、強度和耐腐蝕性，使其能在粒子滯留下長期地高效運行。液體的過濾等級是絕對值在2～35μm之間，氣體的過濾等級是0.1～1Oμm之間。

　2、過濾器設計

　　液固分離的過濾器設計是選擇能提供符合要求的過濾，最小程度的反沖洗或噴吹以及最大的產量。三種類型的過濾器結構描述如下：
　　(1)從外向內過濾：傳統液固隔板分離發生在封閉端管式過濾器部件的外部邊界(LSP)。已證實充有氣體的水脈沖反沖洗是清洗燒結多孔金屬過濾器最有效的方法。
　　(2)從內向外過濾：液固隔板分離發生在封閉端管式過濾器部件的里面(LSI)。LSI的反沖洗型式有全程反沖洗、空殼反沖洗、空殼和空的濕塵餅反沖洗、空殼卸除濕塵餅。
　　(3)從內向外多級過濾：液固隔板式流動分離發生在開放式的管狀過濾器元件(LSM和LSX)的內部。元件密封在兩個管狀薄片里，因而允許從頂部或底部進料。LSM過濾器擁有進料再循環的特點，已經在幾個連續的密封反應器系統得到證明。向下的速率控制著催化劑塵餅的厚度，速率越低塵餅越厚。過濾器反沖洗模式與LSI反沖洗模式相似，也包括碰撞和凝聚式的反沖洗，允許固體物質在過濾器的元件或殼體內不排盡。連續的密封反應器系統可以不要求反沖洗。
　　過濾系統的能力要考慮到高流速和固體含量增加的需要。過濾單元適合于間歇或連續工藝。在流速允許，并且在反沖洗前的幾分鐘內即可停止流動，或者可以進行離線維護的工藝，建議采用單室的過濾系統;對于需要連續流動和只允許短時間離線維護的工藝，建議采用兩個過濾器的雙重系統;對于即使在維護階段也可連續運行的工藝，建議采用三個過濾器的系統。

　　3、實驗室試驗和中間試驗

　　估計過濾器性能的有效方法是通過實驗室試驗和中間試驗。過濾器測試通常采用一個簡單的圓盤式可行性試驗來考核介質和獲得主要的過濾性能。成功的可行性研究通常進行更進一步的中間試驗裝置的試驗。中間試驗有助于研發可付諸
　　實施的工業化分離工藝。
　　在實驗室試驗提供可靠的過濾器性能指標的同時，在中試生產線上測試獲得的數據將顯示正常工藝變化下的過濾器運行參數。研發程序要求在擴大階段直接使用適合的設備。可反沖洗燒結金屬過濾器的中間試驗可以提供如下信息：
　　(1)考核過濾質量;
　　(2)在不同流率下每一周期過濾器的處理量;
　　(3)壓降的上升率與處理量的關系;
　　(4)反沖洗容積和產生的固體濃度;
　　(5)為最大規模裝置按比例放大數據;
　　(6)精確的成本估算;
　　(7)論證高的產品價值;
　　(8)運行可靠，長時間在線工作，維修少;
　　(9)在工業化規模上論證新技術。
　　除了確定過濾器的性能外，中間試驗還為操作工程師提供了學習使用設備和對于特殊工藝進行過濾器最優化操作實驗的機會。中間試驗在完全工業化之前還存在重要的技術問題和難題。中試運行結果表明：
　　(1)過濾/反應的研究結果在實驗室和中試裝置上得到證明;
　　(2)論證新技術;
　　(3)自始至終回收大量產品;
　　(4)最優化的產品分離和回收;
　　(5)完成生產能力測試;
　　(6)綜合運行效率高。

　4、介質選擇

　　以固體催化劑分離作為可行性研究案例。下面的研究案例說明了可行性試驗和介質選擇的一個典型方法。目的是通過對新催化劑過濾特性的評價來支持現有的LSI工業化的過濾裝置。過濾研究在一個直徑為70 mm圓盤式的試驗過濾器上進行，使用5級和10級兩種介質來比較過濾器性能。催化劑的粒徑分布(PSD)使用HoribaLA-910激光分散粒子粒徑分布分析儀來測定。平均粒徑為l3.4μm的粒徑變化范圍(根據體積分數)是0.51～60μm。圖3是放大2 000倍的粒徑分布SEM照片。
　　催化劑漿料一旦以恒定的速度通過裝有5級和1O級介質的直徑為70 mm的圓盤式過濾器(圖4)時，漿料喂入樣品和過濾(5級)樣品的粒徑分布比較如圖5所示。測試表明，使用5級介質過濾比使用1O級介質過濾產生的升壓低，如圖6所示。混濁樣品的過濾結果相似。5級介質過濾測得為2.9 NTU，而10級介質為2.3NTU。厚3.2 mm的片。濾餅從5級介質表面被有效反沖洗。一些催化劑仍滯留在10級介質的多孑L結構中，表明催化劑阻塞了一些表面氣孔。

　　測試結果表明，使用HyPulse LSI過濾器構形時，5級介質更適合新催化劑樣品的過濾。工業化中間試驗證實了可行性研究的結果，并為現有過濾器購買更換的濾芯。

　5、工業化應用實例

　　5.1 應用1

　　在1992年4月進行的實驗室圓盤式試驗表明了燒結金屬過濾器適用于催化劑的回收。實驗室規模試驗過濾器試驗是在用戶的實驗室設備上進行的，驗證了過濾器的性能和過濾質量。1992年11月采用2% 漿料連續催化劑過濾的中間試驗顯示出始終如一的流量2.2 g/(min·m2 )。中試試驗的圓盤式測試中得出的過濾器性能對比如表1所示。通過過濾器的軸向速率控制塵餅厚度。通過過濾器的速度或速率在實驗室規模試驗中達到了最佳化。最佳的過濾器性能表明過濾器在壓力小于69 kPa時運行不需要反沖洗。試驗時間超過1 500 h，無重大變化，試驗一直進行到結束。

　　中試研發計劃的目標是將異構化從間歇：[藝改造為連續工藝。第一家工業化裝置按計劃已在1994年運行，在l994年7月開車，其制定的工藝參數與中試參數一致。開車階段的系統動力!學和最初的運行情況與中試研究相似。在進行溶劑洗滌和每批從流程中移走10% 催化劑之后，過濾器成功地實現了貴金屬催化劑回收和再循環的操作。然而，工藝液體是有危險性的，因為過濾系統是全封閉的，用溶劑進行洗滌且回用的催化劑漿料會返回至反應器。
　　最初的(較大的)LSM催化劑過濾器被設計成用于大量催化劑的過濾和再循環。該過濾器設計是全封閉的自動操作，過濾器清洗/換熱操作極少。每批都加入新鮮的催化劑。較小的LSP過濾器是為了從系統中移走催化劑而設計的。在運行7年之后，過濾器組在一次預防性維修保養巾被取代。自從1994年安裝以后，過濾系統一直在運行。

　　5.2 應用2

　　催化劑過濾的構想在實驗室試驗中得到驗證，并確定了過濾器運行參數和介質選擇。利用中試裝置進行的一個研發項目使用了裝有可以從催化劑中分離產品的過濾反應器，產品可以從反應器中移走，而催化劑仍被保留，因此允許進行半連續或連續反應。試驗使用的是HyPulse LSM過濾器設計。
　　給反應器配備一個貯存催化劑的容器，反應物能被抽出而不含產品的催化劑可連續移出。當催化劑失活時，氫化過程停止。更好的過濾方法是在反應器上安裝一個可重復循環的回路，如圖7所示。持續生產的間歇工藝或連續工藝都需要使用大量的催化劑，以充分保證工業化大生產的產量。該工藝可使總的循環時間減少50%，增產超過65%，如表2所示。

　　5.3 應用3

　　1985年首次在油漿的連續過濾中使用了采用從內向外(LSI)HyPulse過濾技術的燒結金屬過濾器。該裝置證明了燒結金屬介質適用于為改進碳纖維工藝使用的油漿高溫過濾。過濾器成功運行多年，生產了固體含量少于20×10“的潔凈油料，后來因產品需求少而被關閉。此后，全世界的煉油廠都認識到在油漿運轉中采用燒結金屬介質過濾去除催化劑細粒的好處。
　　20世紀90年代許多LSI過濾系統被安裝用于流化催化裂化(FCC)工藝中油漿的過濾。最大的連續過濾系統使用(3)66”LSI過濾器，如圖8所示。在207 kPa和414 kPa操作壓力下，過濾周期2—16 h，分別過濾含固量1 000 X 10 的油漿。通過同時運行的兩個過濾器來獲得更長的循環周期，但是循環時間是不確定的，當其中一個過濾單元被反沖洗時，第三個過濾單元必須準備工作。過濾器設計使用全程反沖洗。使用兩個在線過濾器產品的回收效率超過99.8% 。

　　自1997年以來，中國已經有許多煉油廠安裝了LSI過濾系統，用于渣油流化催化裂化(RFCC)單元去除催化劑。使用(2)24”LSI過濾器的過濾系統被安裝在一個年生產能力140萬t的RFCC單元上，每天的油漿輸出量為180 t，油漿的平均固體濃度為3000 X 10-6～5000 X 10-6，循環時間2—8h不等，濾液固體含量少于50 X 10-6。過濾器由PLC控制，與煉油廠的控制系統(DCS)相連接，操作者可在控制室內監視過濾進程。該系統一直在連續運行，為當地公司提供潔凈的濾液用來生產碳黑。

　　5.4 應用4

　　一項生產二氧化鈾的工藝采用了HyPulse氣/固文丘里脈沖(GSV)反吹的燒結金屬過濾器(圖9)，用于在烘干工序中回收二氧化鈾細粒。該燒結金屬過濾器必須能耐爐中149~C的高溫氣流，并能耐氣體中的化學組分。與該反應相關的問題是主要存在化學性危險和放射性。反應過程使用強酸和強堿，使二氧化鈾溶解，可能導致鈾的吸人，并且腐蝕性的化學品存在引起火災或爆炸的危險。成功應用的領域和實驗室提供的工況數據促成了在1984年第一個工業化過濾器的安裝和投入運行。全封閉的GSV 過濾器運行效率高達99.999%，固體負載很低，且很少反沖洗。主要的運行參數包括過濾器控制達到的流速、高效率和為連續運行使用反吹的流量。如今美國一家使用該專利技術的鈾冶煉廠仍在繼續運行。

　　5.5 應用5

　　末道工序對除塵效率有更高的要求，潔凈的燒結金屬纖維過濾器為該工序提供了經濟的解決方法。金屬纖維過濾介質的發展(例如Bekipor)通過較高過濾效率和更長的在線壽命有助于產品質量提高。傳統的分離系統如旋風除塵器、靜電除塵器(ESP)和一次性過濾器都失去了對人們的吸引力。多孔結構是燒結金屬纖維介質的特點，即使在高過濾速率下也會提供高的滲透性和低的壓降。投資少，運行成本低。在線清洗表層過濾和離線清洗深層過濾的清潔度都很好。
　　人們已使用Bekiflow HG來去除氧化鋁和氫氧化鋁粉塵，該粉塵中50% 的粒子粒徑小于l5μm。測得氣體溫度為450℃。過濾器入口粉塵濃度為250～800 mg/Nm ，過濾后氣體含塵濃度小于3Omg/Nm ，最大壓降是1.5 kPa，過濾器的總表面積830 m 。金屬纖維過濾器只產生有限的壓降，經測試保證27 000 h的使用壽命。用戶可獲得的好處是更少的過濾器表面、較小的除塵袋和更小的安裝空間。

　6、結語

　　燒結金屬介質為去除微粒提供了一種有效的過濾方法，無論這些微粒是化工流程中的雜質還是有價值的副產品。這些介質十分適合于要求更高的應用領域，包括高溫、高壓和(或)腐蝕性流體場合。化工公司正在利用過濾在源頭即把廢棄物減至最少，而不是在生產線的末端。在化學產品生產中，過濾提高了產品質量并保護了下游的設備。過濾技術的進步包括用連續的工藝代替老的間歇工藝技術的發展。使用傳統的板式過濾器進行液/固相過濾是很臟的，清洗存在危險，并且要求延長再循環時間來獲得潔凈的產品。傳統的氣/固分離系統，例如旋風除塵器、ESP和一次性過濾器正在被燒結金屬過濾系統所取代。
　　燒結金屬過濾器應該在設計參數下運行，以防止由于工藝操作的波動而過早出現介質堵塞。使用流量控制可確保過濾器不受大的流量偏差的影響。隨著過濾器上塵餅的形成過濾器效率提高。塵餅成為過濾介質，并且多孔介質作為隔膜來擋住過濾器塵餅。過濾塵餅可以在原位有效地清洗和從過濾器套筒內反沖洗。氣壓水脈沖幫助氣體反吹已被證明是燒結多孔金屬過濾器最有效的清洗方法。燒結金屬過濾器可全自動控制，從而避免了操作者直接接觸物料，減少了勞動力成本，同時為可靠、高效的操作創造條件。