Главная / Идеи применения / Фильтрация жидкостей и газов

Фильтрация жидкостей и газов

Преимущества

100% проницаемая структура
номинальная тонкость фильтрации до 1 мкм
полностью контролируемые и стабильные параметры структуры
высокая грязеёмкость в 8-10 раз превышает сетчатые и порошковые фильтры
прочность: максимальный перепад давления до 25 атм
любые размеры и конфигурация
бескаркасная конструкция
детали с сочетанием цельной и пористой части в одном изделии
нарезка резьбы как на цельнометаллическую, так и на пористую часть
срок службы более 5 лет
температура эксплуатации до 250 °С
возможность бескаркасной комбинации ПЛА при фильтрации с фильтровальной мембраной, сеткой, бумагой
экология - материал утилизируется как алюминиевый лом

Ограничения

тонкость фильтрации зависит от скорости фильтрации и разности плотностей загрязнителя и флюида
гранулометрический состав загрязнителя должен быть меньше размера перешейка между порами. Иначе поры на поверхности фильтроэлемента закупорятся и он перестанет работать в объеме и сработает как обычный сетчатый элемент
сложности регенерации: требуется регулярная обратная продувка для снятия поверхностного слоя уловленного фильтрата
не стоят в кислотах и щелочах
при эксплуатации при отрицательных температурах необходимо помнить о возможности обморожения фильтроэлемента - необходим подогрев или гарантия, что фильтруемая среда будет находиться в жидком состоянии

Технические характеристики

Параметры фильтрации

Параметр	Тип материала (по основному размеру пор), мкм
Параметр	140-315	200-400	315-630	630-1000	1000-1600	1600-3000
Вязкостная проницаемость (Дарси), м²	4,5×10^-12	5.8×10^-12	8.9×10^-12	10.8×10^-11	17.7×10^-11	26.0×10^-11
Инерционная проницаемость (Форххаймер), м	3.3×10^-5	3.5×10^-5	3.6×10^-5	3.8×10^-5	4.2×10^-5	19.0×10^-5
Номинальная тонкость фильтрации*, мкм	10	25	50	75	100	200
Kоэффициент фильтрования β_x (Фракционная эффективность, %)	20 (95)
Грязеемкость**, %	34	36	42	42	47	49
Механизм фильтрации	инерционное осаждение загрязнителя в порах за счет резкого изменения направления потока
Возможность регенерации	YES
Способы регенерации	обратная импульсная продувка, импульсная промывка в растворителях, отжиг при 530 C° с последующей сушкой и промывкой
Фильтруемые среды	Воздух, природный газ, CO, CO₂, O₂, вода, жидкие углеводороды

Примечания:
* при коэффициенте отфильтровывания X=95% / коэффициенте фильтрования βx =20.
** дана объемная гряезеёмкость в % от объема материала. Чтобы вычислить грязеёмкость массовую, необходимо объем фильтрэлемента умножить на данное в таблице значение и далее умножить на насыпную плотность загрязнителя, имеющего место в Вашем процессе фильтрации .

Свойства структуры

Параметр	Тип материала (по основному размеру пор), мкм
Параметр	140-315	200-400	315-630	630-1000	1000-1600	1600-3000
Средний размер пор, мкм	245	300	490	700	1300	2300
Размер перешейков между порами, мкм	67…77	73…88	100…120	135…170	175…225	245…315
Число перешейков приходящихся на одну пору (координационное число)	6.5	6.5	6.5	6.5	6.5	6.5
Удельное количество пор на поверхности, шт./ м²	11.6×10⁶	6.4×10⁶	2.4×10⁶	1.2×10⁶	0.34×10⁶	0.11×10⁶
Удельное количество перешейков на поверхности, шт./ м²	36.4×10⁶	20.9×10⁶	7.9×10⁶	3.9×10⁶	1.1×10⁶	0.36×10⁶
Пористость, %	50...75
Удельный вес материала***, кг/м³	1215±135
Температурный коэффициент линейного расширения, 1/°С	23.0×10^-6 (идентичен цельному металлу)
Допустимые температуры применения, °С	-200...+250

Примечания
Подробнее о структуре АЛЮПОР™ см. раздел "Структура".

Механические свойства

Параметр	Тип материала (по основному размеру пор), мкм
Параметр	140-315	200-400	315-630	630-1000	1000-1600	1600-3000
Предел прочности на сжатие, МПа	105	59	58	49	37	32
Предел текучести на сжатие, МПа	39	26	24	20	21	20
Предел прочности на растяжение, МПа	29	16	16.5	14	12	8
Предел текучести на растяжение, МПа	26	14	16	13	13	7
Предел прочности на срез, МПа	36	34	30	25	26	-
Модуль Юнга, ГПа	3.1	2	1.9	1.7	1.7	1.6
Относительное удлинение, %	0.29	0.38	0.27	0.32	0.3	0.12

Примечания Подробнее о механических свойствах АЛЮПОР™, в том числе учет влияния температуры эксплуатации см. раздел "Механические свойства".

Регенерация фильтроэлементов

Имеется возможность частичного восстановления пропускной способности фильтрующих элементов. На площадке, где проводится эксплуатация это можно сделать:

обратной продувкой непосредственно в корпусе (если есть техническая возможность)
обратной продувкой перегретым паром непосредственно в корпусе (если есть техническая возможность)
промывкой в растворителе с извлечением фильтра из корпуса

АЛЮПОР™ можно подвергать температурной обработке без механических нагрузок до 530°C, ультразвуковой и импульсной обработке, но это требует специального оборудования.

Мы предлагаем свои услуги по восстановлению пропускной способности Ваших фильтроэлементов на специальном оборудовании:

контроль перепада давления при фиксированном расходе на загрязненном элементе
термический отжиг 530 °C. Это позволяет удалить органические загрязнители.
обратная продувка в зажимной оснастке перегретым паром
промывка в в зажимной оснастке водой
УЗ / импульсная обработка в специальной установке
контроль перепада давления при фиксированном расходе на регенерированом элементе

Теория фильтрации в АЛЮПОР™

Инерционный механизм фильтрации основан на принципе, согласно которому частицы, содержащиеся в потоке воздуха, при резком изменении направления движения продолжают двигаться по инерции и отделяются от основного потока, попадая на стенки пор. Это основной механизм улавливания загрязнителей в АЛЮПОР™. Для достижения этого эффекта фильтрация должна происходить в переходном или турбулентном режиме (см. далее). При фильтрации в ламинарном режиме (режим Дарси) ядро потока не достигает стенки пор и частицы движутся в потоке: эффект инерционного осаждения выражен слабее.
Мы обеспечиваем максимальную разницу между размером пор и перешейков, чтобы увеличить размер застойных зон в порах, где скапливается загрязнитель при литье изделий, применяя максимальный вакуум при пропитке.

Условные обозначения

Физические константы

R=8,314 462 618 153 24 [Дж/(моль×К)] - универсальная газовая постоянная;

Физические свойства

с [Дж/(кг×К)] - удельная теплоемкость;
M [кг/моль] - молярная масса газа;
λ [Вт/(м×К)] - теплопроводность;
μ [Па×с ] - динамическая вязкость;
ρ [кг/м³] - плотность;
σ [См/м] - удельная электропроводность цельного металла.

Физические величины

F_filt [м²] - площадь фильтрации;
j [кг/(м²×с)] - массовый расход вещества через единицу площади материала;
Q [м³/c] - объемный расход фильтруемого вещества;
T [К] - абсолютная температура;
t [°C] - температура;
V [м³] - объем;
v [м/с] - скорость;
v_filt [м/с] - скорость фильтрации;
v_p [м/с] - скорость флюида в порах;
α_S [Вт/(м²×К)] - поверхностный коэффициент теплопередачи;
α_V [Вт/(м³×К)] - объемный коэффициент теплопередачи;
τ [сек] - время.

Параметры структуры АЛЮПОР™

П [безразмерная величина] - пористость материала;
S_min [безразмерная величина] - доля минимального сечения металлической матрицы от полной площади поперечного сечения (он же - минимальный просвет фиктивного грунта).
d_p [мкм] - средний размер пор.
S_уд [м²/м³] - удельная площадь поверхности пористого материала.
k_v [м²] - вязкостный коэффициент проницаемости (Дарси).
k_i [м] - инерционный коэффициент проницаемости (Форххаймер).

Подстрочные индексы

#_f величина, относящаяся к жидкости;
#_s величина, относящаяся к твердому телу (металлической матрице);
#_p (англ.:pore) величина в порах (например скорость в порах);
#_n (англ.:neck) величина в перешейках пор (например скорость в перешейках пор);
#_Me величина, относящаяся к цельному металлу;
#_AP величина, относящаяся к АЛЮПОР™;
#_eff эффективная величина для композитной системы (например "АЛЮПОР™-воздух");

Гидродинамика пористого тела

Скорость фильтрации - это физическая величина, характеризующая движение жидкости или газа через пористую среду. Она представляет собой условную скорость течения флюида в поровом пространстве. Скорость фильтрации определяется как отношение расхода жидкости в поперечном сечении потока к полной площади этого сечения. Математически это выражается формулой:

v_{f i l t} = \frac{Q}{F_{f i l t}}

Скорость в порах. Важно различать скорость фильтрации и действительную скорость движения жидкости в порах. Скорость в порах определяется с учётом пористости:

v_{p} = \frac{v_{f i l t}}{Π}

Скорость в перешейках. В случае АЛЮПОР™ можно ввести понятие скорости в перешейках между порами. Для этого нужно скорость фильтрации разделить на просвет перешейков.

v_{n} = \frac{v_{f i l t}}{ψ_{n}}

Просвет перешейков ψ_n можно определить по формуле:

ψ_{n} = n_{n} F_{n} = 0.5 N n_{p} F_{n} = 0.125 N n_{p} π {d_{n}}^{2}

N [шт] - координационное число: количество перешейков, приходящихся на одну пору;
n_p [шт/м²] - удельное количество пор на поверхности;
n_n [шт/м²] - удельное количество перешейков, выходящих на поверхность фильтрующего элемента. n_n= 0.5Nn_p;
F_n [м²] - площадь одного перешейка;
Подробнее о структуре АЛЮПОР™ см. раздел "Структура"

Число Рейнольдса
Число Рейнольдса для АЛЮПОР™ можно посчитать в двух вариантах:

По скорости флюида в порах: $R e_{p} = \frac{ρ_{f} v_{p} d_{p}}{μ_{f}}$
По скорости флюида в перешейках: $R e_{n} = \frac{ρ_{f} v_{n} d_{n}}{μ_{f}}$

В отличие от течений в гладких трубах переход от ламинарной фильтрации к турбулентной в пористом материале происходит плавно. Значение критического числа Рейнольдса принимают, когда зависимость коэффициента гидравлического сопротивления ξ от скорости отклоняется от линейной на 5%. В литературе по спечённым пористым металлам (Белов, 1981) приводится диапазон Re_кр=4.5...10 (посчитано для самого узкого сечения спечённого материала). При этом меньшие значения относятся к материалам с большей разницей между самым узким и самым широким сечением порового канала. В первом приближении для АЛЮПОР™ можно принять Re_{кр, n}=4.5, так как разность между размером поры и размером перешейка в АЛЮПОР™ могут достигать значительных величин и всегда больше чем у спеченных материалов.

Удельный массовый расход
Массовый расход вещества через единицу площади материала. Удобен при расчете фильтрации газа.

j = ρ_{f} v_{f i l t}

Закон Дарси-Фроххаймера
Так как рекомендуемый рабочий режим фильтрации материала - переходный от ламинарного к турбулентному - вместо классической линейной зависимости перепада давления от скорости фильтрации (закона Дарси) необходимо применять квадратичную зависимость Дарси-Фроххаймера, учитывающую инерционные силы.
Для жидкости через удельный массовый поток:

\frac{ρ_{f} (p_{в х} - p_{в ы х})}{l} = \frac{μ}{k_{v}} j + \frac{1}{k_{i}} j^{2}

Для газа через удельный массовый поток и усредненные характеристики газа (

\bar{ρ} = 0.5 (p_{i n} + p_{o u t}) M / R T

\frac{({p_{в х}}^{2} - {p_{в ы х}}^{2}) M}{2 R T l} = \frac{μ}{k_{v}} j + \frac{1}{k_{i}} j^{2}

в формулах выше l [м] - толщина стенки фильтра.

Коэффициент гидравлического сопротивления
(Белов,1987)
Для определения потерь давления в режиме ламинарной, турбулентной и переходной от ламинарной и турбулентной фильтрации газа или жидкости в пористой среде используют также формулу

\frac{p_{в х} - p_{в ы х}}{l} = ξ_{p} \frac{ρ_{f} {v_{p}}^{2}}{2 d_{p}}

Коэффициент гидравлического сопротивления ξ_p зависит от характеристик структуры пористого тела и режима течения жидкости или газа в порах. Его определяют экспериментально по результатам проливок или продувок образцов пористого тела. Обработка расходных характеристик пористых сред позволяет получать критериальную зависимость.

ξ_{p} = C (1 + b R {e_{p}}^{n} Π^{m}) / R e_{p}

здесь
С, b, n, m - эмпирические коэффициенты.
Экспериментальные значения ξ_p получают по соотношению:

ξ_{p} = \frac{2 (p_{в х} - p_{в ы х}) d_{p}}{ρ_{f} {v_{p}}^{2} l}

Использование коэффициента гидравлического сопротивления более удобно для практического применения, так как позволяет сравнивать гидравлические свойства пористых материалов по значениям коэффициента ξ_p при одинаковых значениях числа Re_p, а также дают возможность прогнозировать гидравлические свойства новых видов пористых материалов по их пористости, средним размерам пор и строению порового пространства. Точность такого прогнозирования невелика (до 30—40%), однако вполне достаточна на стадии разработки новых видов пористых проницаемых материалов.
Обширные данные для различных материалов приведены в (Белов,1981), (Белов,1987)
К примеру, для пористых металлов, спеченных из сферических частиц, приводится такая зависимость:

ξ_{p} = \frac{152}{R e_{p}} (1 + 5.56 \cdot 10^{- 3} Π^{- 1.72} R {e_{p}}^{0.9}) R e_{p} = 0.085 . . . 2300

Основные параметры фильтрации

Термины и определения см. ГОСТ 26070-83

Тонкость фильтрации
Абсолютная и номинальная тонкость фильтрации должны определяться экспериментально по результатам испытаний продувкой (проливкой) образца искусственно загрязненным флюидом с известным распределением частиц по фракциям и последующий анализ распределения частиц в фильтрате. При испытаниях должен быть воссоздан режим фильтрации целевого оборудования. Согласно ГОСТ 50554-93 абсолютная и номинальная тонкость фильтрации - это фракция, для которой коэффициент отфильтровывания больше либо равен 0,987 и 0,95 соответственно.

Коэффициент фильтрования β_x (ГОСТ 50554-93)

β_{x} = \frac{N_{1}}{N_{2}}

где x — индекс, означающий выбранный размер; N₁ — количество частиц в 1 см³ жидкости до фильтроэлемента большего размера, чем выбранные; N₂ — количество частиц в 1 см³ жидкости после фильтроэлемента большего размера, чем выбранные.

Коэффициент отфильтровывания η_x (ГОСТ 50554-93)

η_{x} = \frac{N_{1} - N_{2}}{N_{1}} = 1 - \frac{1}{β_{x}}

Коэффициент проскока K_п (ГОСТ 51251-99)

K_{п} = \frac{N_{п}}{N_{д}}

характеристика фильтра или фильтрующего материала, равная процентному отношению концентрации частиц после фильтра N_п к концентрации частиц до фильтра N_д.

Грязеемкость C (ГОСТ 26070-83)
Масса искусственного загрязнителя заданного размерного состава, задержанная незагрязненным фильтрующим элементом за время, прошедшее до достижения максимального перепада давлений при номинальном расходе жидкости и заданном значении вязкости. Для АЛЮПОР™ можно количественно оценить грязеемкость, зная средний размер пор и перешейков, а так же удельный вес загрязнителя. Представим пору как сферу с диаметром, равным среднему размеру пор. Среднее количество манжет приходящихся на одну пору определяется по формуле (Финкельштейн, 2009):

N = \frac{Π_{0} + 3 + \sqrt{{Π_{0}}^{2} - 9 Π_{0} + 10}}{Π_{0}}

Взглянем на моделирование: каждая манжета работает как сопло в режиме Дарси - форххаймера. Формируются трубки тока, соединяющиеся в центральной зоне смешивания. Зоны между этими трубками - застойные зоны, в которых будет скапливаться загрязнитель.

Для оценки грязеемкости одной поры нужно вычесть из объема поры объем трубок тока и зоны смешивания. Пусть зоной смешивания будет сфера диаметром 2d_n,а трубки тока - конусы с диаметрами оснований d_n и 2d_n тогда доля от объема АЛЮПОР™, занятая застойными зонами будет

C_{v o l} = Π [δ^{3} (3, 5 N - 8) - 1, 75 N δ^{2} + 1]

где
δ=d_n/D_p;
C_vol [безразмерная величина] объемная грязеемкость (указана в таблице в %).
Тогда, зная насыпную плотность загрязнителя, можно вычислить оценочное значение грязеемкости C[г]:

C = 1000 \cdot V_{ф э} C_{v o l} γ_{з а г р}

V_фэ [м³] объем фильтрующего элемента;
γ_загр [кг/м³] насыпную плотность загрязнителя.

См. далее

Финкельштейн А.Б. (2009) Теория и практика получения пористых отливок из алюминиевых сплавов пропиткой

Белов С.В. (1981) Пористые проницаемые материалы

Белов С.В. (1987) Пористые металлы в машиностроении

Das, M.K., Mukherjee, P.P., Muralidhar, K. (2018). Equations Governing Flow and Transport in Porous Media. In: Modeling Transport Phenomena in Porous Media with Applications. Mechanical Engineering Series. Springer, Cham.

ГОСТы по фильтрации

ГОСТ 26070-83 Фильтры и сепараторы для жидкостей. Термины и определения

ГОСТ Р ЕН 14799-2013 Фильтры воздушные для общей очистки воздуха. Термины и определения

ГОСТ Р 50553-93 Промышленная чистота. Фильтры и фильтроэлементы. Общие технические требования

ГОСТ Р 51251-99 Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка

ГОСТ 5542-87. Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия

ГОСТ 17433 -80 Промышленная чистота. Сжатый воздух. Классы загрязненности

ГОСТ Р ИСО 8573-1-2016 Сжатый воздух. Часть 1. Загрязнения и классы чистоты

ГОСТ Р ИСО 8573-2-2016 Сжатый воздух. Часть 2. Методы контроля содержания масел в виде аэрозолей

ГОСТ Р ИСО 8573-4-2005 Сжатый воздух. Часть 4. Методы контроля содержания твердых частиц

ГОСТ Р ИСО 8573-5-2006 Сжатый воздух. Часть 5. Методы контроля содержания паров масла и органических растворителей

ГОСТ Р ИСО 8573-8-2007 Сжатый воздух. Часть 8. Методы определения массовой концентрации твердых частиц

ГОСТ Р ИСО 8573-9-2007 Сжатый воздух. Часть 9. Методы определения содержания воды в жидкой фазе

ГОСТ 14146-88 Фильтры очистки топлива дизелей. Общие технические условия

ГОСТ Р 70064.1-2022 Фильтры очистки воздуха общего назначения. Часть 1.Технические характеристики, требования и система классификации, основанная на эффективности улавливания взвешенных частиц (еРМ)

ГОСТ Р 70064.2-2022 Фильтры очистки воздуха общего назначения. Часть 2. Определение фракционной эффективности и перепада давления

ГОСТ Р 70064.3-2022 Фильтры очистки воздуха общего назначения. Часть 3. Определение зависимости пылезадерживающей способности и перепада давления от массы уловленной контрольной пыли

ГОСТ 25283-93 Материалы спеченные проницаемые. Определение проницаемости жидкостей

ГОСТ 29104.23-91 Ткани технические. Метод определения тонкости фильтрации

ГОСТ Р 50554-93 Промышленная чистота. Фильтры и фильтрующие элементы. Методы испытаний

ГОСТ 10577-78 Нефтепродукты. Метод определения содержания механических примесей

ГОСТ Р 50556-93 (ИСО 4021-77) Гидропривод объемный. Анализ загрязненности частицами. Отбор проб жидкости из трубопроводов работающих систем

ГОСТ Р ИСО 16889-2011 Гидропривод объемный. Фильтры. Метод многократного пропускания жидкости через фильтроэлемент для определения характеристик фильтрования

ГОСТ 28912-91. Фильтры складские и фильтры-сепараторы