烧结金属过滤器过滤的进展

关键外包：

• 烧结金属过滤器具有高效的颗粒去除能力、反冲洗能力和较长的使用寿命。
• 这些过滤器适用于高温应用和各种工业用途，包括化学和发电行业。
• 烧结金属过滤器的设计和选择取决于其颗粒截留能力和被过滤颗粒的特性。
• 它们对于需要高过滤效率、耐用性和耐腐蚀性环境的工艺是有利的。

抽象

利用烧结金属介质的过滤技术在许多工业液体和气体过滤应用中，从液体或气体工艺流中分离颗粒物（即液体/固体和气体/固体分离）提供了出色的性能。 由金属纤维或金属粉末制成过滤元件的烧结金属过滤介质已广泛用于化学过程，石化和发电行业。 应用场合需要去除颗粒物以保护下游设备，进行产品分离或符合环境法规。

烧结金属介质为下游工艺提供了积极的屏障。 烧结金属介质表现出较高的除尘效率，可靠的过滤性能，有效的反冲洗能力以及长期的使用年限。 使用表面或深度介质，这些过滤器可提供99.9％或更高的颗粒捕获效率。 根据金属合金的选择，工作温度可高达1000°C。 除考虑过滤效率外，同等重要的标准还包括耐腐蚀性，使用温度下的机械强度，滤饼的释放（反吹清洁性）以及长期的使用寿命。 这些问题对于成功实现具有成本效益的运营至关重要。

这种过滤介质的寿命（过滤器的工作寿命）将取决于其颗粒保持能力和相应的压降。 可以使用反吹周期定期清除此堆积的滤饼。 反吹循环和过滤器压降恢复的有效性是滤饼和过滤器介质中堆积颗粒特性的关键函数。 配置在抛光过滤器中的深度过滤介质可用于轻颗粒负载的那些应用中。

除了在单程中提供出色的过滤功能外，就地清洗的可逆洗介质还减少了操作员暴露于工艺材料和挥发物的风险。 尽管应用包括高温和腐蚀性环境，但任何具有高运行成本的压力驱动过滤工艺都有使用烧结金属过滤技术进行改进的潜力。

本文将讨论烧结多孔金属介质的过滤器操作参数，以及用于优化许多化工流程中性能的过滤系统设计标准。

介绍

21世纪给化学工业带来了许多经济和环境挑战。 推动变革的主要因素包括市场全球化，对改善环境绩效，盈利能力，生产率和不断变化的劳动力需求的需求。 化工行业未来的竞争优势将来自专利技术和技术知识。 新的经济，高产，高质量的工艺将成为该行业大部分生产能力的特征，并具有改善的环境影响和能源效率。

化学工业的产品和过程中有很大一部分涉及固体（颗粒）处理。 过滤技术通过专利过滤器设计和独特的系统操作，通过机械分离提供了减少固体含量的方法。 过滤可以提高产品纯度，提高生产能力，消除废水污染（减少或防止空气和水的污染），并为过滤器下游的重要设备提供保护。 过滤技术的进步包括开发连续工艺以替代旧的批处理工艺。 成本节省包括更少的危险废物处置和新技术的劳动力节省。 全自动过滤系统可以集成到工厂过程控制中。

减少固体含量包括从工艺废水流和清洁溶剂中去除悬浮的固体。 回收的液体产品对于再循环到另一种化学原料流中非常有价值。 废物的最小化包括减少用于回收或再循环的有害固体物质，以及减少将非有害物质填埋的固体物质。 过滤可以减少废水的进料流BOD（生物需氧量），COD（化学需氧量），TSS（总悬浮固体）和TOC（总有机碳）。 这些是根据本地和国际标准测量当前排放量的主要参数。

过滤基础知识

过滤基础知识对于确保过滤介质的正确设计以及每种过滤应用的最佳介质和过滤器设计的最佳选择至关重要。 可以考虑两种主要的过滤模式，即深度过滤和表面过滤。 在深度过滤的情况下，颗粒被捕集在介质内部。 正如术语解释的那样，在表面过滤中它们被保留在随后形成颗粒饼的表面上。

表面过滤主要是一种过滤（筛分）机制，其中大于过滤介质孔径的颗粒在过滤器的上游表面分离。 它们的大小可防止它们进入或穿过孔口。 随后的颗粒积聚成饼状，随着更多的含颗粒流体被迫进入过滤介质，其厚度增加。 由于其潜在的更细的孔结构，滤饼可有助于分离比过滤介质可实现的更细的颗粒。 然而，滤饼必须显示出足够的孔隙率以允许随着过滤的进行继续流过滤饼。 过程可以在恒定流量/增加压力或恒定压力/减少流量下运行。 由于大多数表面过滤器的光滑度或孔隙结构均不完全均匀，因此可能会进行一些深度过滤，从而影响过滤器的使用寿命。

深度过滤主要用于必须分离小颗粒水平的应用中，例如用于保护下游设备以防止结垢或腐蚀，保护催化剂免受中毒以及用于产品纯化。 颗粒渗透到介质中，随后被捕获在其多层结构中。 这种多层结构可防止介质过早阻塞，并增加了保持污垢的能力和使用寿命。 由于颗粒被捕获在介质的深度内，因此需要离线清洁。 离线清洗可以通过溶剂，超声波振动，热解，蒸汽清洗或水反冲洗来完成。 另外，介质可以打褶，这是使外壳尺寸和成本最小化的构造。

了解过滤器从流经其的气流中去除颗粒的能力是成功进行过滤器设计和操作的关键。 对于颗粒污染程度较低的流体，通过在多孔介质的深度范围内捕获颗粒来进行过滤是实现高水平颗粒效率的关键。 烧结金属的结构提供了曲折的路径，其中捕获了颗粒。 随着在介质表面上形成沉淀的颗粒饼，颗粒捕获继续进行； 但是，现在粒子被捕获在先前沉积的粒子上。 这种过滤器的寿命将取决于其污物容纳能力和相应的压降。 对于高颗粒负载的流体，有效的过滤机制变为滤饼过滤。 颗粒滤饼在过滤器元件上形成，成为过滤层并导致额外的压降。 压降随着颗粒载荷的增加而增加。 一旦在过滤循环中达到终端压力，就用干净的气体吹回滤芯和/或清洗滤芯以除去滤饼。 如果正确选择了过滤介质的孔径，则可以将介质的压降恢复到初始压降。 但是，如果在正向流动期间颗粒进入多孔介质中，并逐渐加载介质，则在清洁周期后，压降可能无法完全恢复。

过滤速率受进料颗粒浓度，粘度和温度特性的影响。 过滤器的运行模式可以是恒定压力，恒定流量，或同时过滤时压力升高和流量下降。 如果固体快速致盲并达到允许的压力，或者对于滤饼过滤，如果已经填满了滤饼堆积的体积（即使尚未达到允许的压降），则过滤周期将受到限制。 渗透率表示为相对于压降的流速。 渗透率受过滤器类型，流体温度和固体含量的影响。

烧结粉末金属介质

烧结金属介质的制造方法是将金属粉末压制成多孔片或管，然后进行高温烧结。 典型的粉末金属烧结介质的扫描电子显微照片如图1所示。粉末大小，压制和烧结操作的结合确定了多孔元件的孔径和分布，强度和渗透性。 烧结金属介质的孔径使用ASTM E-128确定。 介质等级标识等于过滤器的平均流量孔或平均孔径。 烧结金属介质的等级为0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、40和100。0.2至20级的介质在液体中的过滤等级为1.4至35 µm绝对值。 气体中的过滤等级为0.1至100 µm（绝对值）。

由薄板或管子制成的滤芯为全焊接结构。 过滤介质的设计和工程设计具有稳定的多孔基体，精确的泡点规格，紧密的厚度公差和渗透性均匀性，从而确保了可靠的过滤性能，有效的反冲洗清洁和较长的使用寿命。

烧结金属纤维介质

金属纤维过滤器介质由均匀分布的非常细的（1.5至80μm）金属丝组成，以形成在接触点烧结的三维无纺布结构。 典型的烧结金属过滤器介质的扫描电子显微照片如图2所示。这些介质是专门为表面或深度过滤器设计的。 无论是单层结构还是多层结构，每层均包含可能具有不同直径的纤维，以实现最佳性能，例如压降，过滤效率，颗粒负载能力和介质强度。 多层材料具有渐变设计，因此其容尘量更高，因此使用寿命更长。 最终的过滤器等级取决于每层使用的重量，该层的纤维成分以及几层的组合。 高多孔结构（高达85％）的可用性提供了非常高的渗透性，因此压降低。

由各种金属合金制成的金属纤维过滤器的特性，可用于气体过滤应用，可在极端条件下使用：高温，高压和腐蚀性气氛。 烧结金属过滤器的主要优点是：强度和断裂韧性，高压和高温性能，高耐热冲击性，耐腐蚀性，清洁性，全焊接组件和长使用寿命。

纤维金属介质比粉末金属介质具有更高的孔隙率，从而导致较低的压降。 对于高温或腐蚀性应用，贝卡尔特还开发了除AISI 316L以外的其他合金纤维。 Inconel®601和Fecralloy®用于高温（分别高达560°C和1000°C），而HR合金可以承受高达600°C的温度和潮湿的腐蚀环境。

金属过滤器的固有韧性可在更长的时间内提供连续的反脉冲操作。 对于高温应用，需要解决其他标准，例如蠕变疲劳相互作用和高温腐蚀机理。 使用半永久性介质的过滤器具有成本效益，因为此类设备可最大限度地减少停机时间，在最少的操作员干预下关闭和自动运行以及不经常维护。

适当选择具有适当孔径，强度和耐腐蚀性的过滤介质，可使过滤器长期运行，并保持高效颗粒。 液体中的过滤等级为2至35 µm（绝对值）。 气体过滤等级的绝对值范围为0.1至10 µm。

过滤器设计

选择用于液体/固体分离的过滤器设计，该设计可产生所需的滤液，最大程度地减少反洗或排污，并最大程度地提高产量。 三种类型的过滤器配置描述如下：

1.) 由外向内过滤

传统的液体/固体屏障分离发生在封闭式管状过滤元件 (LSP) 的外周上。气体辅助气动水脉冲反冲洗已被证明是烧结多孔金属过滤器最有效的清洁方法。

2.) 由内而外的过滤

液体/固体屏障分离发生在封闭式管状过滤元件 (LSI) 的内部。 LSI 反冲洗模式包括：a.) 全壳浆料反冲洗，b.) 空壳浆料反冲洗，c.) 空壳和空元件湿滤饼反冲洗，以及 d.) 空壳湿滤饼排放。

3.) 由内而外的多模式过滤：

液体/固体（屏障或错流）分离发生在开口管状过滤元件（LSM 和 LSX）的内部。元件密封在两个管板内，从而允许顶部或底部进料入口。 LSM 过滤器具有进料再循环功能，已在多个连续环路反应器系统中证明了自身的性能。向下的速度控制催化剂的滤饼厚度，速度越低，滤饼越厚。过滤器反冲洗模式与 LSI 反冲洗模式类似，还包括冲击沉降型反冲洗，可在不排空过滤器元件或外壳的情况下浓缩固体。连续环路反应器系统可能不需要反冲洗。

过滤系统的可缩放性可适应高流速和增加的固体容量。 过滤单元适用于间歇或连续过程。 建议使用单壳体过滤器系统，在允许流速的情况下，可以在反洗之前停止流动几分钟，或者可以容忍离线时间进行维护。 建议使用两个过滤器双重系统，以便在需要连续流动且可以容许短期离线运行的情况下进行维护。 建议三个过滤器系统即使在维护期间也可以连续运行。

基准测试和中试测试 

评估过滤器性能的有效方法是通过工作台秤和中试测试。 过滤器测试通常从简单的圆盘可行性测试开始，以鉴定介质并获得关键的过滤特性。 成功的可行性研究通常会发展到对试验设备进行更全面的测试。 试点测试有助于发展成功的商业分离实践。 虽然台式规模测试可以可靠地表明过滤器的性能，但在生产线上进行中试规模测试时获得的数据将显示具有正常工艺变化的过滤器运行参数。 开发计划要求在较长时间内直接使用合适的设备。 烧结金属可逆洗过滤器的初步测试可以提供以下信息：

• 验证滤液质量；
• 不同通量率下每个周期的过滤器通量；
• 压降与通量的上升速度；
• 反冲洗量和产生的固体浓度；
• 放大数据以进行全面调整；
• 准确的成本估算；
• 展示高产品价值；
• 运行可靠，在线时间长，维护成本低；
• 以商业规模展示新技术。

除了验证过滤器性能外，中试还为操作工程师提供了学习使用设备和进行实验的机会，以针对特定过程优化过滤器的操作。 在全面商业化之前，先导测试试验解决了重大的技术问题。 试点工厂运营的结果验证：

• 经过实验室和中试规模的过滤/反应研究；
• 展示了新技术；
• 大批量产品不断回收；
• 产品分离和回收得到优化；
• 容量测试已完成；
• 整体运行效率。

媒体选择 

可行性案例研究：去除催化剂固体

在以下测试案例中说明了用于可行性测试和媒体选择的典型方法。 目的是评估新催化剂的过滤特性，以支持现有的LSI商业过滤器安装。 使用70毫米圆盘测试过滤器进行过滤研究，同时使用5级和10级介质，以比较过滤器的性能。 使用Horiba LA-910激光散射粒度分布分析仪测量催化剂粒度分布（PSD）。 尺寸范围（基于体积％）为0.51至60μm，平均尺寸为13.4μm。 SEM显微镜在2000-X放大倍数下验证了粒径分布，如图3所示。使用装在图5所示10 mm圆盘过滤器外壳中的70级和4级介质，以恒定速率过滤一次催化剂浆料。进料和滤液（5级）样品的分布比较如图5所示。测试结果表明，与5级介质相比，使用10级介质过滤的上升压力降低，如图6所示。滤液浊度样品相似。 来自5级介质的滤液测得2.9 NTU，而来自10级介质的滤液测得2.3 NTU。 1/8英寸厚的滤饼从5级介质表面有效反洗。 某些催化剂保留在10级介质的多孔结构中，表明该催化剂堵塞了一些表面孔。

测试结果表明，使用HyPulse LSI过滤器配置，5级介质更适合于新催化剂样品的过滤。 在商业设施上进行的试点测试验证了可行性研究的结果，并为现有的过滤容器购买了替换滤芯。

商业应用 

应用程序1：

1992年1992月进行的实验室圆盘测试表明，烧结金属过滤器适用于催化剂回收应用。 在客户的实验室设施进行了台式规模的中试过滤器测试，以验证过滤器性能和滤液质量。 在2年0.2月，使用2％浆料进行连续催化剂过滤的中试测试显示出一致的通量率为1 gpm / ft10。 表1500中列出了从圆盘测试到中试测试的过滤器性能的比较。通过过滤器控制的滤饼厚度的轴向速度。 通过过滤器的速率或速度在台式规模测试中进行了优化。 最佳的过滤器性能表明，过滤器可以在<XNUMX PSI的压力下运行而无需反冲洗。 测试进行了约XNUMX小时，操作性能没有明显变化。 该项目已获得批准，可以进入最后阶段。

中试开发计划的目标是将异构化过程从批量转换为连续。 第一家商业工厂计划于1994年投入运营。根据中试测试中确定的参数，该过程于1994年10月启动。 在启动和初始操作期间经历的系统动力学表现出与中试测试研究相似的性能。 每次清洗后，过滤器成功运行以回收和再循环贵金属催化剂，并从工艺中除去XNUMX％的催化剂。 工艺液体是危险的，但是，由于过滤器系统是完全封闭的，因此可以使用溶剂来洗涤催化剂并将其重新浆化回到反应器中。

主要（较大）的LSM催化剂过滤器设计用于批量催化剂过滤和再循环。 过滤器设计可提供完全封闭的自动化操作，并减少了过滤器的清洁/再生。 将新鲜催化剂添加到每批中。 较小的LSP过滤器设计用于从系统中去除催化剂。 运行7年后，在预防性维护计划中更换了滤芯束。 自1994年首次安装以来，该过滤系统一直在运行。

应用程序2：

该催化剂过滤概念在实验室测试中得到证实，以确认过滤器的运行参数和介质选择。 利用中试测试的开发程序使用的反应器配备了能够从催化剂中分离出产物的过滤设备，从而可以从反应器中除去产物。

在保留催化剂的同时，使反应器半连续或连续地进行反应。 测试利用了HyPulse®LSM过滤器设计。

通过在反应器中装有在容器中保持催化剂的装置，可以泵送反应物并连续除去无催化剂的产物。 当催化剂进料失活时，氢化过程停止。 首选的过滤方法是在反应器上安装再循环回路，

如图7所示。对于扩展批处理或连续过程，使用较大量的催化剂以确保有足够的商业上可行的生产量。 如表50所示，此过程最多可将总循环时间减少65％，并将产品运行量增加2％以上。

应用程序3：

于1985年首次使用采用内向外（LSI）HyPulse®过滤技术的烧结金属过滤器进行连续的渣油过滤。该设备证明了烧结金属介质适用于渣油的高温过滤以用于碳纤维开发过程。 该滤清器能够可靠地运行多年，生产出的固体含量小于20 ppm的清洁油，并由于产品需求低而最终关闭。 从那时起，世界各地的炼油厂都意识到使用烧结金属介质进行过滤的好处，该技术用于去除浆油中的催化剂细粉。

在整个1990年代，已经安装了许多用于FCC渣油过滤的LSI过滤系统。 最大的连续过滤系统采用（3）66英寸LSI过滤器，如图8示意图所示。在过滤2 ppm浆油时，过滤循环时间分别为16至30 PSI的60至1000小时。 通过同时运行两个过滤器可以延长循环时间，但是在循环时间上却错开了，第三个过滤器处于待命状态，以便在反冲洗其他过滤器单元中的一个时使用。 过滤器设计采用全壳式反冲洗。 使用两个在线过滤器回收的产品的效率超过99.8％。

自1997年以来，中国已有许多炼油厂安装了LSI过滤系统，用于渣油流化催化裂化（RFCC）装置中的催化剂去除。 一个带有（2）24英寸LSI过滤器的过滤系统安装在一个RFCC装置中，该装置的年产能为1.4万吨，日产量为180吨。 浆料油的平均固体浓度为3,000至5,000 ppm。 循环时间从2到8小时不等。 滤液固体含量低于50ppm。 该过滤器由本地PLC控制，该PLC与炼油厂分布式控制系统（DCS）通信，以使操作员能够监控控制室中的过滤情况。 此后系统一直在运行，然后向当地公司提供干净的滤液以生产炭黑。

应用程序4：

二氧化铀的生产工艺利用HyPulse®气/固文丘里脉冲（GSV）反吹烧结金属过滤器，如图9所示，用于从工艺窑中回收氧化铀细料。 烧结金属过滤器必须能够承受300°F的窑尾气流温度，并且必须对气体成分具有化学耐受性。 与这种转换相关的主要风险是化学和放射学。 转化过程使用强酸和强碱，这些强酸和强碱涉及将氧化铀转化为可溶形式，从而可能吸入铀。 此外，腐蚀性化学物质还可能引起火灾或爆炸危险。

成功的现场应用和实验室支持提供了性能数据，从而使第一套商用滤清器于1984年投入使用。完全封闭的GSV滤清器以99.999％的效率运行，对滤清器的固体负载非常低，并且反冲很少发生。 关键操作参数包括：控制过滤器的进近速度，高效率以及使用文丘里管进行反吹以实现连续操作。 如今，有一家铀转化工厂使用该专利工艺继续在美国运营。

 

 

应用程序5：

可清洗的烧结金属纤维过滤器为在极端条件下对更高的颗粒去除效率有更高要求的工艺提供了经济的解决方案。 Bekipor等金属纤维过滤材料的发展^® 通过提高过滤效率和延长运行时间，提高了质量水平

一生。 旋风分离器，静电除尘器（ESP）和一次性过滤器等传统分离系统正失去吸引力。 图10比较了与ESP和旋风分离器相比，纤维金属的排放效率和相对成本。

高度多孔的结构是金属纤维烧结介质的特征，即使在高过滤速度下，也具有高渗透性，因此压降低。 这导致较低的资本支出和较低的运行成本。 在线清洗的表面过滤和离线清洗的深度过滤的清洁性都非常好。

该应用程序使用了Bekiflow^® 用于去除粒度为50％<15μm的氧化铝和氢氧化铝粉尘的HG。 气体温度为842°F。 过滤器前的粉尘浓度为250-800 mg /Nm³。 过滤后的气体浓度小于30 mg /Nm³。 最大压降为15毫巴。 过滤器的总表面积为830平方米。 纤维金属过滤器可提供有限的压降，并经过测试可保证2个工作小时的使用寿命。 客户的利益包括所需的过滤器表面更少，袋室更小，因此所需的安装空间也更少。

总结 

烧结金属介质提供了一种有效的过滤方法，以去除颗粒，无论它们是杂质还是化学工艺流的有价值的副产品。 这些介质非常适合涉及高温，高压和/或腐蚀性流体的更苛刻的应用。 化学制品

公司正在利用过滤来最大程度地减少废物源头，而不是生产过程的终点。 过滤可提高产品质量并保护化学产品生产中的下游设备。 过滤技术的进步包括开发连续工艺以替代旧的批量工艺技术。 使用常规叶片过滤器进行的液体/固体过滤脏乱且清洁危险，需要更长的再循环时间才能获得清洁产品。 传统的气/固分离系统，例如旋风除尘器，静电除尘器（ESP）和一次性过滤器，已被烧结的纤维金属过滤系统所取代。

烧结金属过滤器应在设计参数范围内运行，以防止由于工艺操作中的波动而导致介质过早失明。 使用流量控制可确保过滤器不会受到高流量偏移的影响。 随着滤饼形成，过滤效率提高。 滤饼成为过滤介质，而多孔介质充当隔膜以保留滤饼。 滤饼可以有效地就地清洗，也可以从过滤器外壳反冲洗。 事实证明，气体辅助气动液压脉冲反冲洗是烧结多孔金属过滤器的最有效清洁方法。 烧结金属过滤器可以完全自动化，以消除操作员的负担并降低人工成本，同时提供可靠，有效的操作。

 

Bekiflow和Bekipor是Bekaert的注册商标。

Hypulse是Mott Corporation的注册商标。

 

 

常见问题解答：烧结金属技术

问：什么是烧结金属？

答：烧结金属是指通过在热和压力下压实和成型金属粉末而制成的一种特殊材料，形成坚固的多孔结构，非常适合过滤和各种工业应用。

问：烧结金属过滤器是如何制造的？

答：烧结金属过滤器是通过在模具中压实金属粉末，然后将其加热到低于金属熔点的温度，使颗粒粘合而不液化而生产的。

问：使用烧结金属过滤器的主要优点是什么？

答：烧结金属过滤器具有高耐用性、优异的耐温性和耐腐蚀性，并且能够承受恶劣的环境，使其适合具有挑战性的工业应用。

问：烧结金属过滤器常用在哪些行业？

答：烧结金属过滤器广泛应用于各个行业，包括制药、食品和饮料、化学加工和航空航天，因为它们可以有效地去除气体和液体中的颗粒物。