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液氮流過燒結金屬過濾器的壓降特性研究

作者:天馳液氮罐 來源:轉載 日期:2014-08-06 11:10:08 人氣:47 加入收藏 標簽:液氮 液氮過濾器

摘要:以液氮作為需要凈化的低溫液體,以二氧化碳為液氮的雜質進行了過濾試驗。搭建了試驗臺,進行了過濾實驗。在試驗中測試了過濾過程中壓降變化和被過濾流體流量等參數,對試驗結果進行了分析,得到了過濾器壓降與工況參數之間的關系。同時應用基于達西定律的燒結金屬過濾器的壓降計算模型,對實驗工況的過濾器的壓降進行預測。并將模型計算值與實驗數據進行比較得出,結果表明模型較好的預測了液氮在燒結金屬過濾器中流動的壓力損失情況,同時指出了該模型的不足之處和以后的改進方向。

關鍵詞:燒結金屬過濾器液氮壓降計算過濾

1 引言

低溫液體通常運用于許多大型和復雜的工程項目,在這些工程項目中有些對低溫液體的純度有特殊要求。為了實現工業低溫液體的純化,應用燒結金屬過濾器的過濾技術為在低溫環境下將固態雜質顆粒從低溫液體里分離提供可能。

目前廣泛運用的其他過濾器如膜過濾器、塑料過濾器、纖維過濾器和陶瓷過濾器等,都不能或者不適合在低溫環境下運用。而燒結金屬過濾器特殊性能使其在低溫環境下運用卻十分適合。

燒結金屬過濾器所使用的過濾介質就是燒結金屬多孔材料,是一種被廣泛運用的剛性過濾介質。這種多孔材料是利用金屬在高溫條件下燒結形成的,可以制成多孔的濾板或者濾管,其板厚或管壁厚一般為2~3 mm;也可以利用金屬絲網與金屬粉末一起在高溫下燒結制得??梢酝ㄟ^控制金屬粉末的粒度和金屬絲的直徑來控制過濾的孔隙。隨著時代的進步和技術的發展,目前的真空燒結技術,能將以前不適合制成過濾介質的高溫易氧化金屬材料燒結為工業需要的濾材。

本研究搭建了低溫過濾器試驗臺,并進行了低溫液體的過濾試驗,試驗中以液氮作為需要凈化的低溫液體,以二氧化碳作為雜質。在試驗中測試了流體流入過濾器前后的壓力,流體的流量等參數,并對試驗結果進行了分析和比較。

2過濾器試驗

2.1 實驗臺介紹

為了進行低溫液體的過濾試驗,搭建了低溫過濾器試驗臺,見圖1。

試驗臺由過濾器單元、液氮輸送系統、雜質氣體充注系統、氣體分析系統、過濾器再生系統、真空絕熱系統、混合系統、測量系統、安全保護系統組成,各子系統的組分為:過濾器單元由過濾器芯、過濾器再生通道及外殼組成;液氮輸送系統由帶輸送閥的液氮容器及管路、加壓系統組成;雜質氣體充注系統由二氧化碳鋼瓶、氣體流量計管路與閥門組成。氣體分析系統由二氧化碳濃度分析儀、取樣管道及閥門組成;過濾器再生系統由氮氣鋼瓶、管路、閥門組成;測量系統由氮、二氧化碳流量計、溫度計及壓力傳感器組成;安全系統包括爆破片和安全閥等裝置;真空絕熱系統由真空容器、真空泵機組、真空測量儀表組成。

2.2 實驗用燒結金屬過濾器

實驗中所使用的燒結金屬過濾器見圖2。其基本參數為:過濾器孔的平均尺寸0.5仙m,過濾層厚度3 mm,過濾層長度214 mm,圓柱形過濾器,圓柱外徑35 mm。

2.3 實驗流程

液氮由液氮鋼瓶加注入過濾器,作為雜質粒子的CO:通過V2流入。

進入混合器并充分混合的液氮和c0:雜質粒子,沿管路流向過濾器。經過濾器過濾掉液氮中固體C0:雜質粒子后,流出過濾器的液氮經汽化器汽化成常溫下的氮氣后,流經出口處的流量計和cO,濃度分析儀。

整個過濾過程中,流體流過過濾器后產生的壓降由通過測試安裝在過濾器前后兩端的壓力傳感器P1和P2得到;液氮流量由出口處的流量計G1測試,通入c0:的流量由G2測試。過濾器的過濾效果通過出口氣體端的cO:濃度分析儀進行測試。

3燒結金屬過濾器壓降計算模型

流體流經過濾器,將產生壓力降。壓降計算是過濾器非常關鍵的一項特性數據計算。計算壓力降常用的方法是將顆粒層內的實際流動過程簡化為等效的可用數學方程式描述的物理模型。常見的模型有流道模型和阻力模型,前者適合于高填充率(低孔隙率)的情況,后者適合于低填充率的場合。對于流道模型,多孔過慮介質被看成一系列性質相同且平行的導管,每個導管擁有不同的截面積。而阻力模型,則將多孔過慮介質看作許多顆粒組成的顆粒層集合,流動過程的壓降通過加和所有介質顆粒的壓降而得。本次研究采用流道模型來預測液氮流經燒結金屬過濾器所產生的壓降。要計算燒結金屬過濾器的壓降,首先要知道該過濾器的空隙率。

3.1 空隙率

顆粒堆積床層內所含固體顆粒的多少顯然具有決定性意義。固體顆粒數目越多,液體流經的內部表面積越大,固液兩相問的摩擦越大,壓力降就越高。顆粒床層內液體能夠流過的孔隙總體積的比例為孔隙率,定義如下:

3.2 滲透率

燒結金屬多孔介質被看作一系列帶有水力半徑的復雜橫截面的導管的集合。由此滲透率K被定義為:


水力半徑可以通過用來制作燒結金屬過濾介質的顆粒直徑和滲透率來表示。Bird等(1960)得到了下面關于滲透率K的表達形式:


3.3過濾器壓降模型

通過式(1)~式(3)確定過濾器的滲透率K后,就可以運用描述流體流過多孔過濾介質時壓力降與被過濾流體關系的達西定律來計算和預測將會產生的壓降。


任何情況下,只要存在流體流動,就會存在流動阻力。阻力無非來自兩個方面:一個是與粘性相關的表明摩擦(黏性阻力);一個是與幾何障礙相關的形狀阻力。前者導致在固體顆粒表面形成了一層液體靜止層。因此,固體顆粒和液體表面之間的摩擦、速度不同流層之間的摩擦,就形成了流動阻力或壓力損失。后者則反映了除摩擦阻力以外的,流速較高是由于強烈的湍流和方向變化等造成的湍流漩渦引起的壓力損失。如果這種損失所占比例較大,會破壞流速和壓力降之間的線性關系。從修正雷諾數可以區別流動類型,并判斷何種阻力占優。大多少情況下,被過濾流體通過多孔介質的流動是低速的,可以假設是層流狀態H。本次研究也屬于這種情況,形狀阻力可以忽略不計。達西定律也是建立在層流的基礎之上的。

4試驗研究及分析討論

應用2.1中介紹的實驗系統,進行液氮流過燒結金屬過濾器的壓降特性實驗。實驗過程中,通過壓力傳感器P1、P2記錄過濾器前后兩端的壓力,溫度傳感器Tl、T2記錄過濾前和過濾后液氮的溫度。通過cO:濃度分析儀分析被過濾液氮中cO:的濃度,從而確定該燒結金屬的過濾器。在某一確定過濾工工況下,穩定過濾4 h后轉至另一過濾器工況繼續過濾實驗。以下是實驗數據處理。

過濾器壓降的預測值卻’有壓降模型計算式(4)計算而得,不同實驗工況條件下過濾器實際壓降△p與預測值△_p’之間的比較見圖3和圖4。圖3表示該燒結金屬過濾器在過濾壓力為6.86×104 Pa(即過濾器前端,壓力傳感器P1所測的壓力)的情況下,液氮流過過濾器所產生的壓降同流過過濾器的平均流速之問的關系。同時從圖3可以看出,在該過濾壓力下用壓降模型(4)計算此時過濾器的壓降是合理的。實驗數據結果和(4)的理論計算預測非常吻合,最大誤差為5%,平均誤差為2%。


從圖4中可以看出,在改變過濾壓力后,過濾器壓降隨流速變化的情況。當增加過濾壓力為897×104Pa(即過濾器前端,壓力傳感器P1所測的壓力)后,過濾器兩端的壓降隨平均過濾速度的變仍然同于圖3所示的情況。實驗數據結果和壓降模型(4)的理論計算預測非常吻合,最大誤差為8%,平均誤差為3%。

從壓降計算結果和實驗數據的對比不難發現,壓降模型仍然適用于過濾壓力增大后的情況‘61。但是,從圖3和圖4中也可以看出,在平均過濾速度較大時,壓降計算模型的計算值卻比實驗值偏低。其原因是,過濾開始階段平均過濾速度較低,與壓降計算的達西定律是針對流動形式為層流的情況下適用?。當過濾速度增加后,非層流效應逐漸增加,此時用達西定律形式的壓降計算模型來預測過濾器的壓降可能導致預測值比試驗值低的情況出現。

5 結論

通過搭建實驗臺并對液氮進行實際的過濾實驗,論證了燒結金屬過濾器應用與實際低溫液體純化的科學性和可行性,同時研究了過濾過程中的關鍵參數,即過濾器壓降與被過濾流體流動工況的關系,得出了以下結論:

(1)對于低溫流體液氮,在用燒結金屬過濾器對其進行過濾時,應用達西定律對其進行壓降計算的預測是合理的。

(2)當液氮流過燒結過濾器的平均流速增大到一定程度以后,使用達西定律的壓降計算模型可能導致預測值比實驗值偏低的情況出現。

本文網址:http://www.thomastrials.com/shiyan/822.html
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