聚结层排布对高压天然气净化用滤芯过滤性能影响的实验研究

本工作利用聚结滤芯过滤性能实验装置,通过改变滤芯内部的滤材排布,研究了聚结层为单一滤材以及由不同滤材排布组合的滤芯过滤性能,分析了聚结层排布方式对过滤效率、压降、饱和度及液体分布的影响。结果表明,由单一滤材组成的滤芯过滤效率随滤材孔径减小而增大,但孔径最小时由于压降较高,导致滤芯综合过滤性能反而最差。疏油在前、亲油在后的聚结层排布方式可提高滤芯过滤效率、减少液滴二次夹带,且以两层相同滤材交错排列的滤芯过滤效率比单层滤材交错排列明显更高,压降也相对较低,使得综合过滤性能显著提升。继续增加进气侧的疏油滤材层数可延缓压降增长、提高运行寿命,滤芯稳态品质因子达到最大值(0.30 kPa-1)。聚结层排布方式对滤芯过滤性能的影响主要通过改变液体分布形式而实现,且末层滤材的通道结构变化是导致不同聚结层排布方式的滤芯过滤性能出现差异的主要原因。     

亲油型聚结滤芯饱和度预测模型研究

纤维聚结滤芯广泛用于压缩空气净化、发动机曲轴箱通风、加工和切割等一系列工艺过程中,用于除去气流中的液体气溶胶颗粒。由于聚结滤芯饱和度对于过滤效率及阻力具有重要影响,因此建立饱和度与滤材参数及操作条件之间的关系将有助于优化滤芯结构并提高过滤性能。目前实际工业用聚结滤芯通常由多层微米级玻璃纤维材料组成,然而现有计算模型无法用于此类滤芯的饱和度预测。因此,本文基于多种常用亲油型聚结滤芯压降及饱和度实验测试结果,根据“跳跃-通道”模型及毛细管理论建立了新的饱和度预测模型。通过与大量已发表文献数据对比发现,当饱和值大于0.2时,预测值与实验结果吻合度较好,相对偏差≤20%。随着饱和度的降低,滤芯润湿区域和非润湿区域之间界限逐渐明显,此时无需对毛细管半径进行修正。然而,新模型仍然要依靠压降测量值进行计算,这一问题需在后续工作中加以解决。     

孔径梯度分布对亲油型滤材气液过滤性能的影响

在天然气净化、大型旋转机械曲轴箱通风和压缩空气过滤等领域,气液聚结过滤器具有广泛的应用。利用滤材过滤性能实验装置,分析了气液过滤过程中不同孔径梯度分布的亲油型滤材的压降、穿透率和饱和度变化,比较了其过滤性能、内部液体分布特性以及对液滴二次夹带现象的影响。结果表明：在气液过滤过程“通道压降”阶段,孔径递增滤材压降和0.8 μm以上液滴穿透率的变化曲线具有明显的分层特征。不同孔径梯度分布滤材的稳态过滤性能存在明显差异,主要原因是滤材内部存在液体运移通道的传递现象。通过与孔径递减和孔径均匀分布滤材的稳态过滤性能对比,发现孔径递增滤材在保证较低压降的同时具有最高的品质因子,有利于减少液滴二次夹带现象的发生,且对0.8 μm以上不同粒径液滴均具有最高的过滤效率,即孔径递增滤材在气液聚结过滤器设计中更具优势。     

折叠滤芯气液过滤性能测试及优化

采用聚结型滤芯气液过滤性能实验装置,研究了油雾加载率和表观过滤速度对折叠滤芯过滤性能的影响及涂覆粘合剂对折叠滤芯过滤性能的优化作用。结果表明,涂覆粘合剂后,滤材抗张力强度明显增大,滤材孔径减小。随油雾加载率增大,滤芯过滤层液体运移通道数增加,通道压降升高。初始压降随表观过滤速度增加而升高。粘合剂主要凝固在渗透性低的区域,压降变化较小。表观过滤速度增加抑制了二次夹带,折叠滤芯过滤效率升高,而由于粘合剂脱落,涂覆粘合剂的滤芯过滤效率下降。表观过滤速度为0.10 m/s时,随油雾加载率增大,聚结在滤材表面的粘合剂抑制夹带,滤芯过滤效率升高。     

孔径梯度分布对亲油型滤材气液过滤性能的影响

在天然气净化、大型旋转机械曲轴箱通风和压缩空气过滤等领域,气液聚结过滤器具有广泛的应用。利用滤材过滤性能实验装置,分析了气液过滤过程中不同孔径梯度分布的亲油型滤材的压降、穿透率和饱和度变化,比较了其过滤性能、内部液体分布特性以及对液滴二次夹带现象的影响。结果表明:在气液过滤过程"通道压降"阶段,孔径递增滤材压降和0.8μm以上液滴穿透率的变化曲线具有明显的分层特征。不同孔径梯度分布滤材的稳态过滤性能存在明显差异,主要原因是滤材内部存在液体运移通道的传递现象。通过与孔径递减和孔径均匀分布滤材的稳态过滤性能对比,发现孔径递增滤材在保证较低压降的同时具有最高的品质因子,有利于减少液滴二次夹带现象的发生,且对0.8μm以上不同粒径液滴均具有最高的过滤效率,即孔径递增滤材在气液聚结过滤器设计中更具优势。     

气体含液浓度对亲油型聚结滤芯压降及含液量的影响

针对天然气输送管路中气体含液浓度变化范围宽且严重影响滤芯正常使用的问题,为了分析气体含液浓度对滤芯压降和含液量的影响,以及研究不同层数滤芯应用于不同浓度工况下的可行性,利用滤芯过滤性能评价装置比较了0.07~1.00 g×m~(-3)不同气体含液浓度条件下不同层数滤芯的压降变化。结果表明:气体含液浓度通过改变滤材内运移液体的通道数目而对滤芯通道压降产生较大影响,浓度升高导致通道数目增多、通道形成时间缩短、滤芯各层含液量增多。同时发现,通道压降随气体含液浓度的增大呈非线性增长,其中气体含液浓度影响的滤材含液量是否达到饱和值,是通道压降急剧上升的关键。此外,滤芯层数通过影响通道数目而改变通道压降增长趋势,当气体含液浓度在0.2~0.4 g×m~(-3)时,增加滤芯层数,可以降低通道压降。建立的气体含液浓度、滤芯层数与通道压降的关系模型可为工程实际中滤芯结构优化和不同浓度工况下通道压降预测提供指导帮助。     

分体式过滤滤芯及内件系统的研究和应用

针对现有天然气长输管道过滤分离器内件系统拆卸安装复杂、危废处理难度大、密封失效等问题,采用纳米纤维静电纺丝技术制作滤材、颗粒过滤性能测试系统对滤材与滤芯评价、全自动管式滤芯设备制造,建立一套分体式过滤器内件系统。结果表明：分体式内件系统在0.65MPa压力下无变形,单支滤芯重量降低55%,滤芯密封失效风险降低67%,作业效率提高60%以上,且滤芯可以完全燃烧。滤材表面改性后过滤效率有提升,且孔径越小提升效果越显著;孔径梯度递减的疏油疏水滤芯在保持较低压降的同时具有较高的品质因子,提高对亚微米颗粒的分离效率。此研究成果在中俄东线安平压气分输站应用,填补了国内空白。     

疏油改性对玻纤聚结元件气液过滤性能的影响

气液聚结元件在压缩气体净化等工业领域应用广泛,目前聚结元件的性能难以满足行业不断增长的需求,但是提高聚结元件过滤效率的同时,阻力也会随之升高,不利于其综合性能的优化。为研制低阻高效的聚结元件,利用不同浓度氟硅氧烷丙烯酸酯溶液对聚结滤材进行疏油改性,分析了表面能不同的滤材在气液过滤过程中压降、过滤效率以及二次夹带现象的变化,并对改性在聚结滤芯上的应用效果进行研究。结果表明,改性滤材在过滤效率提高10%的同时,稳态压降可降低约30%。滤材表面性质变化导致的跳跃压降减小是稳态压降降低的主要原因;滤材内液体分布对扩散、惯性分离作用的增强以及二次夹带的减少是效率提高的主要原因。对于表面能不同的疏油滤材,稳态压降和效率均随表面能的减小而升高。聚结滤芯经过改性后品质因子最大可提高92%。     

气液过滤过程中液滴二次夹带现象分析

在天然气长距离输送过程中,天然气夹带的液滴严重影响压缩机组的安全可靠运行。利用所建立的滤芯过滤性能检测装置,以癸二酸二辛酯为实验介质,分析了天然气净化用滤芯气液过滤过程中液滴二次夹带现象的特征,比较了滤材润湿性和过滤速度等参数的影响。结果表明:当滤芯仅由聚结层组成时,滤芯过滤过程中存在液滴二次夹带现象,二次夹带将导致下游气体中液滴数量增多,且有较大液滴出现,稳态阶段滤芯累积效率在大粒径处下降;液滴在滤材表面的润湿性对二次夹带现象具有重要影响,可润湿型滤材表面更易出现液滴二次夹带现象,在相同过滤速度下,若需提高过滤效率,宜选用不可润湿型滤材制作工业滤芯;在0.1～0.3 m·s^-1过滤速度范围内,提高过滤速度可减少液滴二次夹带现象的发生,与不可润湿型滤芯相比,可润湿型滤芯过滤效果的改善更为明显;滤芯增加排液层可有效消除液滴二次夹带现象。     

压缩机润滑油雾滤芯过滤性能分析与改进研究

利用现场高压和实验室常压滤芯性能评价装置，对比了不同工况下的滤芯过滤性能，分析了液体物性和油雾浓度对滤芯过滤性能的影响规律，提出了滤芯改进方法并进行了效果验证。结果表明，由于气液相互作用改变，高压下滤芯过滤效率相比常压略低，但常压工况过滤性能变化规律能反映现场实际运行性能。与气体流量相比，液体黏度对中效滤芯的过滤效率影响更大，且滤芯在过滤高黏度液体时才会出现压降的显著上升。油雾浓度对中效滤芯的压降影响受液体黏度控制，高黏度时压降随油雾浓度升高而升高，但低黏度时压降基本不随油雾浓度变化。由于流量对液滴扩散捕集作用的影响，低流量时滤芯对高黏度液体的过滤效率随油雾浓度降低反而升高。通过调整滤芯内部的滤材组成及排布方式，可实现小尺寸液滴的高效捕集，对癸二酸二辛酯液滴的过滤效率相比原滤芯至少提升50%。研究结果对于指导天然气储运过程中滤芯性能提升与机理认识具有重要意义。     

Comparative performance of philic and phobic oil‐mist filters

The evolution of pressure drop, drainage rate, saturation, and efficiency of combined philic, and phobic oil mist filters in real‐time are examined. The experiments used four different filter configurations, with a combination of oleophobic and oleophilic fibrous filter media, and one oleophilic only reference. The effect of separating filter materials of differing wettability, with a mesh, was also explored. It was found that inclusion of a mesh between layers promoted increased drainage rates and resulted in a significantly lower pressure drop across the filter. The overall mass‐based filtration efficiency was also slightly higher for the configurations containing the mesh. Conversely, re‐entrainment of droplets from the rear face of the filter was only observed in filter configurations without the central mesh. Filters with oleophobic initial layers did not display a classical “depth filtration” pressure drop curve. The oleophobic media was found to possess lower steady‐state saturation than oleophilic media. Additionally, the steady‐state saturation of the oleophilic filter media, when placed at the rear of the filter, was lower when the central mesh was present. The saturation values were compared with recently published theory. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 2976–2984, 2014     

Saturation models of oleophilic coalescing filters

Fibrous coalescing filters are widely used in a series of processes such as compressed air purification, engine crankcase ventilation, processing and cutting, and are used to remove liquid aerosol particles in the airflow. Pressure drop and ef?ciency of coalescence filters are greatly affected by saturation. It is of importance to establish the relationship among saturation, filter media parameters and operating conditions, which is helpful to optimize the filter design. Coalescence ?lters composed of thin glass fibrous media with micron fiber diameters are widely used in industry, while the saturation of which cannot be accurately predicted by the existing saturation models. This work investigated the relationship between pressure drop and saturation of multi-layered filters with different oleophilic filter media. In this study, there was no sharp boundary between wetting and non-wetting regions within filter media, thus a filter was regarded as a whole capillary system. According to the Jump-and-Channel model and capillary theory, a saturation model was developed. Compared with a large number of published literature data, it is found that when the saturation value is greater than 0.2, the predicted value is in good agreement with the experimental results, and the relative deviation is ≤20%. With the decrease in saturation, the boundaries become more and more obvious between the wetting and non-wetting regions. In this case, there is no need to modify to the capillary radius in the developed model. However, the developed model was also limited by the need for the channel pressure drop measurement, which should be solved in further work.     

N-shape pressure drop curve of gas–liquid microchannel reactor and modeling

Accurate prediction of gas–liquid pressure drop is essential to microreactors design; however, the understanding of general rules of pressure drop in a wide gas–liquid flow ratio, especially smaller than 1.0, remains insufficient, Accordingly, this work systematically studies the pressure drop rule within the gas–liquid flow ratio of 0.2–2.0. The results show that, under a given gas velocity, the pressure drop first increases and then decreases, and finally back increases with the liquid flow velocity, and the named N-shape pressure drop curve could be clearly observed. Besides, the rules of gas–liquid unit length and gas-phase holdup are explored to reveal the mechanism behind the N-shape pressure drop curve. Finally, three semi-empirical correlations based on the gas–liquid unit length and separated flow model are successfully proposed for the N-shape pressure drop. This work provides some important fundamental information for the reliable design of gas–liquid microreactors.     

输气站场过滤分离器压降与除尘效率变化特性

为通过压降来评价不同工况下过滤分离器的除尘效率和工作状况,指导现场过滤分离器滤芯的操作和更换,本文以输气站场典型卧式过滤分离器为研究对象,采用粉尘在线检测和计算流体力学（CFD）数值模拟的方法,分析不同运行时间、运行压力下过滤分离器压降和除尘效率的静态与动态特性,并通过现场实际验证。结果表明：在相同标况流量下,操作压力越低,过滤分离器初始压降越高;随着过滤分离器的运行时间增长,其压降检测值将偏离拟合的最优二次曲线,其除尘效率也将呈下降趋势,特别是在运行压力较低时下降更快,其根源在于低压下气流速度快,可携带更多已聚结的颗粒流出,致使下游粉尘浓度上升;CFD方法预测与在线检测的除尘效率误差均低于20%,现场实际除尘量证实两种方法均有较高的准确性与可靠性,且适合过滤分离器压降与除尘效率变化的预测。     

气固并流式轴向移动床过滤器的压降特性

通过冷模实验,改变移动床表观气速、颗粒循环速率、入口气体含尘浓度等操作参数,研究了轴向移动床过滤器的压降特性和合适的操作条件,结合移动床内气固两相运动特点,修正了Ergun公式,在加尘条件下分析了床内滤饼对压降稳定性的影响。结果表明,在无尘负荷条件下(“纯”移动床操作),颗粒的循环速率由0增至2.26 kg/(m2?s)时,设备的压降减小0.03 kPa。表观气速为0.126 m/s、入口气体含尘浓度为89.10 g/m3时,移动床内滤饼形成和破损呈动态平衡,过滤500 s后,压降可稳定在0.88 kPa,此时设备具有较高的除尘性能,粉尘捕集效率可达96%以上。     

气固错流移动颗粒床过滤器压降特性研究

研究了错流移动颗粒床过滤器操作压降与过滤介质特性、表现过滤气速、颗粒层移动速度和床层粉尘沉积量之间的关系。结果表明，无粉尘沉积时，床层压降可以用Ergun方程计算。颗粒层移动速度的变化并不会造成床层压降的显著变化。除尘过程中，床层内粉尘沉积量随气体中粉尘浓度的增大、颗粒层移动速度的减小而增加，同时将导致床层压降的显著增大。错流移动床除尘操作压降可以用带修正项的Ergun方程计算，其修正项为比沉积率和颗粒层空欧率的函数。在实验数据范围内，该方程的计算结果与实验数据最大偏差小于15％。     

上倾管高黏油气两相流型及压降特性

利用室内实验装置,对上倾管内高黏油气两相流的流型和压降特性进行了实验研究。实验中观测到7种流型,得到了不同工况下的压力波动信号及压降值。实验结果表明,由于液相黏度的影响,上倾管内大部分流型的过渡边界向流型图的左侧偏移,且黏度越大偏移程度越大。将流型数据与Barnea流型判断模型进行对比,发现在高黏度时两者误差较大。根据压降数据得出,由于高黏度时液滴的附着作用增强,在气液表观速度均较小时,会出现黏度增加而压降却减小的现象。验证了OLGA模型和Zhang模型对于压降的计算精度,发现高黏度时模型的计算误差远大于低黏度情况。通过高黏度闭合关系式对Zhang模型进行修正,结果表明可以显著地提高其计算精度。