再生方式对液氮过滤净化系统的影响

　　1 引言

　　超高纯低温液体在工业上以及航空航天领中的应用相当广泛,而不锈钢丝网过滤技术应用于低温液体净化时有其独特的优越性^[1]。不锈钢丝网过滤属于表面过滤,对于固液分离过滤,在过滤阶段,固体颗粒被拦截而沉积在滤芯的外表面上,逐渐形成滤饼,而过滤阻力不断增大。当过滤压差增大到一定值时,就需要采用合适的方法把沉积下来的滤饼层除去,即滤芯再生阶段^[2]。

　　对于高温和常温过滤器的反吹再生,国内外基本采用与过滤过程流动方向相反的高压脉冲气体自滤管内部向外部反吹,以克服滤饼与过滤元件避免的粘附力,吹落滤饼层,达到清洗目的;对于喷吹压力、喷吹距离、喷嘴直径和形状对滤饼清除效果的影响,国内外许多学者都有相关研究^{[3, 4]}。但是针对低温下的反吹,由于温度的特殊性以及实验的复杂性,相关的过滤和再生特性及结论鲜有介绍。

　　本文利用不锈钢丝网过滤器进行了液氮净化实验,以二氧化碳颗粒作为杂质,研究了过滤完成之后的反吹再生过程。与高温和常温下的高压气体脉冲不同,低温下的反吹利用从过滤器出口反向吹入的高压常温气体与低温下凝结并沉积在过滤器表面的固体颗粒之间的换热,实现再生。通过分析再生气体的流量、再生出口的杂质含量、残余压降,分析再生效果。

　　2 液氮过滤净化实验原理及装置

　　本实验采用过滤精度为10Lm的不锈钢(316L)丝网过滤器,外部尺寸为Φ35x214L(mm),过滤面积640cm²。过滤器的结构如图1所示,采用工业上应用广泛的褶皱外形,结构紧凑,比普通的板式过滤层拥有更大的过滤面积,由此也降低了过滤介质的表面速度,提高了捕集效率,降低了压降[5]。该过滤器的原理主要是依靠丝网表面大小一致的微孔,将尺寸大于孔径的颗粒截留在丝网一侧表面,而小于孔径的颗粒则随流体流过丝网;当过滤一段时间之后,颗粒会沉积在管壁外表面形成滤饼,使滤管内外表面之间的压降增加,此时需定期通过气体反吹,除去滤管外表面的滤饼,使过滤过程持续进行。

　　实验采用液氮作为待净化的低温液体,二氧化碳作为掺杂的固体杂质,利用该不锈钢过滤器实现固液分离,从而实现液氮的净化。图2、图3分别为过滤过程和再生过程的实验原理图,包括7个部分:液氮输送系统、二氧化碳气体加注系统、气液混合系统、过滤器单元、气体分析系统、再生系统以及测量系统。

　　图中,G为气体质量流量计(AlicatM-5~500SLPM-D),过滤过程中,可测量过滤器入口CO₂以及出口氮气的流量,以分析固液两相混合物中两种成分的比例;再生过程中,可测量反吹氮气的消耗量,以计算换热量。P1、P2为压力传感器(MPM4730,量程0-4bar),过滤过程中,分别测量过滤器入口和出口的压力,以分析过滤压降;再生过程中,测得的压降可用于分析再生效果。T1、T2为温度传感器(AMAC,硅二极管, 2-450K),过滤过程中,可测量过滤器入口和出口的温度,以监控管路内部的温度是否能使得加注的CO₂气体完全被固化;反吹过程中,可测量反吹氮气的温度、CO₂汽化之后的温度,以观察再生效果。实验中采用F2000-CO₂型二氧化碳红外传感器(量程2000ppm,精度为±40ppm),在过滤过程中,可分析过滤器出口的氮气中的二氧化碳纯度,以计算过滤效率;再生过程中,可观察反吹出口的气体中的二氧化碳含量,含量高说明二氧化碳在继续被吹除,含量低到一定量时,说明二氧化碳基本被吹除干净。