研究论文聚结型过滤元件过滤性能影响因素的测定与分析

摘要：为了评价目前天然气净化用滤芯气液分离性能，利用聚结型滤芯气液过滤性能的检测装置研究了滤芯的放置方式、滤芯的有效厚度及填充密度等相关因素对气液过滤性能的影响。结果表明：在相同条件下，滤芯垂直于地面放置比水平位置放置时排液较顺畅，气液过滤效果较好，并且压降至少降低２５％；不同材质滤芯，随着滤芯厚度在６～３２ｍｍ范围内增加，滤芯稳态压降增加，过滤器出口液含量减小，过滤性能提高；滤芯的填充密度增加，滤芯压降增大，过滤器出口液含量减小。

关键词：天然气；气液过滤；聚结滤芯；过滤性能

引言

从气井出来的天然气常带有部分液体和固态杂质，如凝析油和游离水等。与粉体相比，液滴对管道设备所产生的危害更加不容忽视。研究影响过滤元件气液过滤性能的相关因素，对于提高天然气长输管线上过滤设备的过滤性能、保障压缩机组气轮机等设备及仪器的安全运行、降低天然气的输送成本等方面具有重要的意义。过滤器过滤分离效率的高低主要取决于过滤元件聚结作用的好坏。

聚结滤芯气液过滤性能的影响因素主要有４类：①纤维直径、滤材厚度和填充密度等滤材结构参数及滤材身物性参数；②过滤速度、液滴浓度、液滴粒径分布和操作压力等操作参数；③温度和湿度等环境参数；④表面张力、黏度、密度和挥发性等液体物性参数。气液过滤时液体会发生形变且具有流动性，较的液滴经过与纤维的碰撞、吸附等过程会聚结成较大的液滴，并在过滤介质内部流动进而进行重新分布［１－５］。

　近年来的研究主要围绕滤材结构参数比较、不同滤材过滤性能的对比、滤材的疏水疏油表面处理、不同材料复合以及添加纳米材料等方面展开，取得了一系列成果［６－１５］。另外，国内外学者就过滤速度、液含量、液滴粒径分布和液体物性参数对气液过滤性能的影响进行了相关的研究［１６－２０］，过滤速度增加时，气流的曳力会随之增加，导致液滴的扩散作用减弱，惯性作用增强，影响滤材对液滴的捕集性能，滤材的压降和过滤效率随过滤速度的增大而增加。国内外学者对整根滤芯的实际综合气液过滤性能研究较少，滤材厚度和填充密度等滤材结构参数及滤材本身物性参数对过滤性能的影响还有待进一步研究，另外滤材的不同放置方式对气液过滤性能的影响还未见到相关文献报道。因此，本文利用一套可以安装整根滤芯的实验装置，对过滤元件的放置方式、滤芯的厚度及填充密度等对聚结滤芯气液过滤过程中滤芯的压降、出口液含量及粒径分布等进行了实验研究。

１　实验材料和方法

１．１材料

实验所用液体为室温下不挥发的癸二酸二辛酯（ＤＯＳ），实验用气体为经空气过滤器过滤后的清洁空气，即空气中不含悬浮物。气体液含量为１５ｇ·ｍ－３，表观过滤速度为０．１ｍ·ｓ－１。滤芯入口液滴的粒径分布选用Ｍａｌｖｅｒｎ粒度分析仪（Ｍａｌｖｅｒｎ２６００，英国）测量，粒径分布如图１所示，液滴Ｓａｕｔｅｒ平均直径（ＳＭＤ）约２０μｍ，分布指数为

２．３，在实验中滤芯入口液滴的粒径分布保持不变。

１．２聚结滤芯气液过滤性能检测装置

实验装置示意如图２所示，由液滴雾化发生系统所产生的液滴随过滤气流进入气液过滤实验装置，一部分液滴被实验过滤元件过滤下来，其余未被滤芯过滤下来的液滴随着气流进入过滤器的出口采样测量部分，采用光学粒子计数器（Ｗｅｌａｓ２０００，Ｐａｌａｓ，德国）测定出口液滴数量和粒径分布等相关参数。为充分保证过滤器入口处所加液含量的准确性与稳定性，实验采用最大输送介质流量为６Ｌ·ｈ－１，调节精度为±１％，重复性为±０．５％的双柱塞式计量泵提供精确计量的实验所需

液体。

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２　实验结果与讨论

２．１滤芯放置方式对过滤性能的影响

分别对３根不同的滤芯进行立式和卧式过滤方式的性能测试对比实验。实验所用滤芯（表１）材

料分别为聚酯（ＰＥＴ）、玻璃纤维（ｆｉｂｒｅｇｌａｓｓ）和聚丙烯树脂（ＰＰ）。

图３为出滤芯压降随单位面积液体累积量的变化对比，单位面积液体累积量指总加液量除以滤芯的实际有效过滤面积。图４为３根滤芯各自在两种不同的过滤方式下，达到稳定状态后过滤器出口液滴质量浓度结果的对比。由图可知，立式过滤方式下，滤芯的压降与过滤器出口液体质量浓度普遍均比卧式过滤方式的低，在相同条件下，对于同一种滤芯立式过滤方式下压降要降低２５％以上；另外，立式过滤方式下出口液含量都要比卧式过滤方式下的低，至少低２０％。这是因为滤芯垂直放置时，

图３　不同过滤方式下滤芯压降变化

流穿过过滤介质时的方向与被分离出来的液体运动方向垂直，气流对被分离出来的液体的干扰较小，附着在滤材上的液滴经充分粗粒化后，靠自身重力及气体对其的曳力能顺利脱落流下。而滤芯水平放置时，聚结后的液体容易大面积地堆积在滤芯内侧下表面，排液不顺畅，导致滤芯压降偏高，且气流对被分离出来的液滴干扰较大，易带出部分大粒子，导致过滤器出口液含量偏大。

２．２滤芯厚度对过滤性能的影响

选择聚酯和玻璃纤维作为过滤材料，用倒置式金相显微镜放大１２５倍观测其内部微观结构如图５所示。聚酯无纺滤布克重２０ｇ·ｍ－２，单层材料厚０．１５ｍｍ，平均纤维直径为１５．２μｍ；玻璃纤维毡重５０ｇ·ｍ－２，单层材料厚０．３０ｍｍ，平均纤维直径为９．５μｍ。分别将这两种滤材制成内径６０ｍｍ，长度９６０ｍｍ，有效过滤厚度各异的两组聚结型滤芯。聚酯无纺布的有效过滤厚度分别为６、８、１２、

图５　过滤材料的微观结构

Ｆｉｇ．５Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｉｃｔｕｒｅｏｆｆｉｌｔｅｒｍａｔｅｒｉａｌ

１６ｍｍ，玻璃纤维毡的有效过滤厚度分别为１６、

２４、３２ｍｍ。

为不同厚度滤芯的压降随单位面积液体累积量的变化对比，从图中可以看出，滤芯的稳态压

降随着厚度的增加呈比例增加，这是滤芯厚度增加使得孔径分布变窄，透气度减少，流体阻力增大，结果导致了滤芯稳态压降增加。