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压缩机/分离/过滤机械 |
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近距离接触滤器 |
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作者：波尔生命科学公司高级副总裁 Jerold M. Martin |
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在为了特定应用选择滤器时，必须考虑下述重要因素：被除去颗粒的大小、形状和硬度；这些颗粒的数量；待滤液体的性质和体积；滤液流速；液流稳定、可变和/或断续状况；系统压力及其稳定或变动状况；有效分部压力；介质与液体的相容性；液体温度；液体特性；收集颗粒的有效容积；要求的过滤度，即滤液的的质量指标。本文主要对影响滤器选择的一些因素予以评介。 
液体性质
构建滤器的滤器芯子的物质必须要与待滤液体相容。此处，相容性的定义是待滤液体对滤器结构和性能整体的综合影响。酸、碱、侵蚀性溶剂或氧化气体状况，都可能损害滤膜或其他塑料过滤元件。液体也会腐蚀某些滤器的滤器芯子或压力管裸露的金属元件。因此，确定滤器元件与待滤液体之间合适的相容性是必需的。
流速
流速依赖于两个通用参数：压力（P）和阻力（R）。流速同压力成正比，而同阻力成反比。因此，在阻力恒定时，压力越大，流速也越大；在压力恒定时，阻力越小，流速越大。压力的来源很多，诸如泵和压缩气体。在所有其它因素相等的情况下，对液体的压力增加，液体的流速也增加。
粘度是液体分子之间运动的阻力，换言之，粘度是液体粘稠性（稠度）或流动性的量度。水、乙醚、和乙醇粘度较低，而重油、甘油和糖浆则粘度较大。粘度直接影响阻力。如果其他条件保持恒定，滤器系统的粘度增加一倍，对液流的原阻力也增加一倍。因此，当粘度增加时，维持同样流速所需的压力也将增加。
温度
过滤温度可以影响液体的粘度、滤器或外套遭受侵蚀的速率，以及滤器介质相容性和萃取性。温度升高时，粘稠液体的粘性就会下降。如果液体过于粘稠，最好将此液体预热一下，并且应用有保温层或电热装置的外套。因此，测定在过滤温度下液体的粘度是非常重要的。
高温也有可能加速侵蚀作用、减弱滤器外套衬片和密封装置的性能。一次性介质往往不能抵御高温，特别是在过滤时间长或者压力差高等情况下更会如此。
压力下降
液体经过的任何东西，或者对该液体流动造成阻力的任何东西，都呈加成作用。由于液体流过导管或吸管等而造成的压力丧失，与通过滤器产生的阻力所造成的压力丧失，可以发生加合。
流过干净滤器时遭遇的阻力，主要来自滤器外套的进口和出口、滤器芯子硬件和滤器介质。滤器对流动的阻力决定于介质孔径或通道的平均有效直径（即孔径大小）、单位面积的孔径数（多孔性或空隙容积）、介质厚度和滤器芯子的有效过滤面积（e.f.a）。如果液体的粘度一定，而且滤器的多孔性和厚度相同，则介质孔径或通道的直径越小，对流动的阻力就越大。然而，多孔性高、厚度小的滤器尽管孔径小，却仍然流动较快。对于大面积滤器芯子中多孔性高的滤器介质来说，介质的阻力如此之小，以致滤器芯子核心和外套进口与出口的直径与长度便成为主要阻力因素。流速恒定的液体在遇到滤器综合阻力时，滤器下游压力就可能发生下降。整个滤器压力下降的量度叫差异压力或δP。
因此，对所有实用目的来说，压力下降、差异压力和δP 等术语可以视作同义语。
滤器介质对液体流动的阻力越大，则在保持液流恒定时差异压力就越大。既然流动总是朝向低压方向进行，所以差异压力就会引起液体流动。因此，正是差异压力使液体流过整个滤器，并克服阻力而流动。
杂物容量
在以下讨论中，我们姑且认为液体中完全不存在特殊物质。
滤器简图
实际上，系统中总会有一些颗粒存在。当滤器在工作时，颗粒就会被阻止，滤器介质的孔径或小孔就会被堵塞或封闭，从而增加了流动阻力和δP。因此，在选择滤器时，一定得提供足够的压力源，一则是为了克服滤器的阻力，二则是为了在介质被堵时仍然能按照可以接受的流速继续流动，以便充分利用滤器保持杂物的有效容量。如果初始净压力通过滤器的下降值相对于整个压力机而言比例过高，就会迅速造成流动失常，即使介质对杂物的容量还未消耗殆尽也会如此。在发生这种情况时，适当解决办法是增加泵的功率或重力压头，或者增加滤器大小以降低净压力下降。一般来说，滤器容量在压力下降值陡增之前大部份已被消耗。因此，系统的有效压力源至少应克服曲线拐点部分的压力下降δP，以便使滤器芯子上的大部分介质容量得到利用。滤器芯子压力下降值最大允许量有一个极限，超过这个极限滤器结构就可能受损，这时就应该施加额外的系统压力，以维持适当的流动。滤器制造商一般会给出这个极限值。在选择压力源时，使用者必须考虑滤器对液流的阻力，包括恒阻元件（滤器外套和芯子硬件）和变阻元件（滤器表面的滤“饼”或杂质集结状态以及滤器介质本身）产生的阻力。随着过滤以常速进行，由恒阻元件和变阻元件压力变化构成的压力下降值就会增加。最终，压力下降增加得很大，以致使滤器堵塞，流动延缓，或者造成滤器的结构损伤。应该使压力下降保持在一个合理范围，至少满足两种元件的要求，使滤器堵塞不致太严重。
如果在下游部分有一个压力头，例如在样品槽提高的情况下那样，这就会解决上述问题，而无需限制滤器的压力下降。在这种情况下，在滤器下游应该安装一个检查阀，以便防止逆向压力造成滤器芯子受损。如上所述，增加滤器整体的大小，可以减少遍及滤器整体的压力下降。对于连续加工的操作来说，这通常是一个比较经济的方法，因为就大型滤器的滤器芯子大量消耗而言，它们同整体流量的增加远非呈线性关系。
有效过滤面积
从以上压力下降问题的讨论中，我们应该明确，一个滤器的有效寿命同它的容量有关。容量的定义是，在规定条件下，为产生一定的差异压力而必须加到液流中的某一确定杂质的重量或数量。大多数滤器的寿命都随着其面表面积（有效过滤面积）的增加而延长；事实上，容量比是有效过滤面积比的平方。选择具有大表面面积的滤器装置所带来的好处可以用下述公式表示;
设： Let T =具有面积A（面积）的滤器总流量（体积）
则：T1 = T2 (A1/A2)n ，其中n 等于或大于1，小于或等于2
当液流强度（体积/单位时间/单位面积）降低时，总流量就增加。如果流速（体积/单位时间）恒定，则液流强度比便可简化成n 方的面积比，这与先前讨论的那种关系完全一致。
箭头所示为蒸汽流动方向
在下述条件下寿命延长因子(n) 接近于2：
◆滤饼不可压缩（亦即硬颗粒）。如果滤饼可以压缩（比如软凝胶一类颗粒），则n 倾向于更近似1。
◆集结的滤饼不变成比介质本身更细的胶膜（也就是在固体颗粒形成时的集结状态）。当滤饼变成比介质本身更细的膜时，则n 倾向于接近1。
◆集结的固体颗粒在大小上相对均匀。
由此可见，显然，表面积的增加至少可以成比例地延长滤器的使用寿命。在有利的条件下，使用寿命比可以接近于面积比的平方。在许多情况下（如果不是多数的话），如果滤器使用者最初能多花些钱购买较大的滤器装置，他实际上可以长期节约费用。
空隙率（多孔性）
在使用者对某些事情不能控制的情况下，有孔滤器介质的空隙率或开放的多孔性总是非常重要。如果其他因素都相同，空隙率（多孔性）最大的介质最为理想，因为它能使滤器的寿命最长、单位厚度和有效过滤面积的初始净压力下降最低。纤维直径（或孔径之间的空间）是一个关键因素。当孔径大小保持恒定时，空隙率（多孔性）随着纤维直径的降低而增加。在孔径大小和厚度恒定的情况下，空隙率（多孔性）愈高，阻力就愈低，流速和容量就愈大，滤器寿命也就愈长。在为特定用途选择滤器时，其他因素也必须予以考虑，诸如强度、施压时的压缩性（会造成空隙率（多孔性）下降）、介质同被滤液体的相容性、以及介质和滤器芯子的费用等。
过滤度
自然，为某种用途选择的滤器必须能够把液流中所含的杂质除至加工所要求的程度，以保证达到滤液的质量指标。待除的杂质大小一经测定，就可能选择适合于该用途的、具有除去该颗粒性能的滤器了。在其他因素相同的情况下，若选择的滤器孔径大小比所要求的还细，便是徒然浪费金钱，而且造成错误。切记，滤器的孔径越细，堵塞得就越快，价钱当然也就越高。但是，其他因素往往不尽相同，诸如每一滤器芯子的有效过滤面积、介质的空隙率（多孔性）、某一级别孔径的厚度和效率、折叠结构的设计等，都对性能有重要影响，其重要性甚至超过所标注的孔径级别。同样，也需记住，所选择的滤器必须能保留住从该液体中除去的颗粒。深层滤器的孔径大小可以随着压力的增加而加大，这类滤器正在被抛售。对于表面类型的滤器，或孔径深度随意的固定类型的滤器，我们应该选择那种在系统胁迫条件下不改变介质结构的滤器。 
滤筒
膜滤器
滤器应该能支撑具有折叠分离、支承和滤干功能的非织造型介质薄膜。我们应密切注意这些支撑材料和滤膜，因为如果选择不当，它们就会与液体发生反应，增加相当大的流动阻力，缩短滤器寿命，甚至造成膜本身的损伤，在胁迫条件下使得全部功能丧失。
预过滤
使用预过滤器的目的主要是防止主滤器在使用过程中被堵塞。预过滤器往往可以降低整体操作费用，因为这样可以延长主滤器的寿命，降低主滤器的体积。整体费用的降低通常是主要考虑因素。但是，用增加主滤器面积代替安装预过滤器对于许多应用来说可能更好。如前所述，这是因为增加主滤器面积往往可以延长使用寿命，降低操作成本。主滤器的面积增加一倍，就会使寿命延长至2-4 倍；而使用预过滤器通常使寿命延长至1.5-2.0 倍，延长至4 倍者极为罕见。由此可见，增加主滤器面积比较合算。这种方法可以降低物力和人力，在压力下降值低的情况下降低能耗。费用较低的原因在于，使用的外套是一个而不是两个。再者，我们还可进一步降低费用，这就是安装大型滤器，因为它的使用寿命比相应的面积增加还要长。大面积可以减少净压力下降值，而预过滤器却往往增加压力下降值。由于在过滤过程的多数区段压力下降值都比较低，所以能量消耗也就减少。在进入主滤器前，先选择较粗的一些滤器进行分级预过滤，也能延长滤器寿命, 但是只有延长至少3-5 倍的寿命预过滤才能物有所值。如果由于某些原因不可能增加主滤器面积，就不妨试试预过滤。那种认为预过滤器芯子数应该与主滤器相同才能接主滤器的想法，是错误的。预过滤器使用较多的滤器芯子，可以在相当程度降低整体费用。例如，在某一类操作中，一直使用预过滤器，直至孔径堵塞，然后用两个滤器芯子代替一个滤器芯子，这样，滤器的寿命就延长了一倍以上，甚至达到原寿命的4-5 倍。这样一来，操作费用就降低了，因为每一个滤器芯子中通过的液体更多。
以上讨论了在选择滤器时必须考虑的一些最重要的因素，对液体、加工过程的条件、洗脱质量的要求、以及滤器芯子的材料和规格等，应予以特别关注，因为这些因素对保证正确选择滤器和操作至关重要。(end)
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(4/1/2006) |
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