在常温和低绝对压力条件下，气体净化表面过滤器上会积聚灰尘层

《Separation and Purification Technology》：Dust cake build-up on gas cleaning surface filters at ambient and low absolute pressure

滤饼形成动力学与流动阻力在低绝对压力下的研究。通过比较直接在目标压力下形成滤饼（方法A）与先常压形成后减压处理（方法B），发现两种方法得到的滤饼结构及流动阻力（由特定滤饼常数表征）无显著差异，表明压力变化不影响滤饼结构。研究结果为低气压过滤系统设计提供了理论依据，并验证了方法B在缩短实验时间的同时保持结构可比性的有效性。

　　表面过滤系统在低压条件下的设计仍然是一个相对较少被研究的领域，主要是由于缺乏对低压条件下滤饼形成过程的详细分析。本研究通过探讨滤饼的形成及其在不同绝对压力下的流动阻力，旨在填补这一知识空白。研究过程中首先对进料流中的气溶胶特性进行了表征，然后在保持恒定操作条件的前提下，考察了在不同绝对压力下滤饼的形成过程与流动阻力。研究结果表明，随着绝对压力的降低，粒子数量浓度会下降，这主要是由于气体膨胀和稀释效应所致。然而，基于数量的粒子粒径分布则在所研究的压力范围内保持相对稳定。这一现象表明，在低压条件下，滤饼的形成过程比在常压条件下更加耗时，因此本研究采用了两种不同的方法进行比较，以评估绝对压力是否会对滤饼的结构和流动阻力产生影响。

在方法A中，滤饼直接在目标绝对压力下形成，该压力范围从900 mbar降至10 mbar。而在方法B中，滤饼首先在常压条件下形成，随后气溶胶生成被关闭，系统压力逐步降低，之后在固定的流速下进行压力降的测量。在所有实验中，滤饼面速度被保持为5.5 cm/s，这一速度处于工业实践中常用的较高范围，能够比较低速度更快地形成滤饼。同时，形成的滤饼压力降与滤饼面速度之间呈现出线性关系。在低压条件下，滤饼面速度通常较低（小于或等于1 cm/s），此时压缩效应可以忽略不计，因此本研究的结果可以推广到其他滤饼面速度的条件下。

通过比较两种方法所得到的滤饼压力降和特定滤饼常数，研究发现两者在各个绝对压力水平上表现出良好的一致性，这表明滤饼的结构并未因绝对压力的变化而发生显著改变。这一结果表明，方法B是一种可行且高效的方式，能够在低压实验条件下快速生成具有代表性的滤饼。特别是对于需要大量滤饼样本的实验，例如滤饼再生研究，方法B能够有效减少实验时间，同时保持滤饼结构的可比性。此外，研究还表明，在低压条件下，滤饼的形成过程需要更长的时间，这主要是由于随着压力的降低，气体膨胀导致粒子浓度下降，从而减缓了滤饼的形成速度。

在低压干燥过程中，滤饼的形成对于表面过滤系统的性能具有重要意义。干燥过程通常涉及从物料中蒸发液体，并在蒸发过程中产生气溶胶，这些气溶胶可能携带细小颗粒进入下游系统。为了防止这些颗粒对压缩机、冷凝器等关键设备造成污染，过滤系统被广泛应用于低压干燥工艺中。表面过滤器因其能够处理高浓度的颗粒而成为首选，同时，通过脉冲喷射清洗技术，这些过滤器还能实现滤饼的再生，从而提高产品的回收率。

目前，表面过滤器的设计主要基于常压条件下的传统过滤器。然而，这种方法常常导致滤饼面积的设计过小或过大，从而影响过滤效率并增加运行成本。因此，针对低压条件下的过滤系统，需要建立专门的设计指导原则，而非简单地从常压操作中进行外推。然而，目前关于低压条件下滤饼面积设计的研究仍显不足。以往的研究更多地集中在深度过滤器在低压条件下的行为，表明随着绝对压力的降低，滤饼的压力降也会减少，并且颗粒分离效率有所提高。然而，深度过滤器和表面过滤器在结构和操作条件上存在显著差异。表面过滤器通常具有较低的孔隙率，且很多高性能的表面过滤器被设计为多层结构，包含一个粗孔基底和一个细孔表层或层压膜，后者作为主要的颗粒分离面。

在目前的研究中，表面过滤器在低压条件下的滤饼形成行为尚未被充分量化。以往的研究主要集中在清洁过滤介质在低压条件下的压力降特性，而未涉及滤饼形成过程本身。因此，本研究的目标是明确低压条件下滤饼的形成机制，包括滤饼的结构特征、厚度和流动阻力等。通过建立一致的气溶胶条件，本研究旨在为低压条件下的滤饼形成提供可靠的实验基础，并为未来低压过滤系统的设计和优化提供数据支持。

本研究的实验装置如图1所示，该装置由三个功能模块组成，分别用红色、绿色和蓝色标注。为了全面了解各部分的功能，后续章节将对这些组件进行更详细的说明。在实验过程中，首先对气溶胶的生成和转移过程进行了研究，以定义在不同系统压力下的滤饼形成边界条件。接着，通过两种不同的滤饼形成方法，对滤饼的结构和流动阻力进行了系统分析。研究结果表明，无论在常压还是低压条件下，滤饼的形成过程和流动阻力在特定条件下均具有可比性，且滤饼的结构未因压力变化而发生明显改变。

本研究的主要贡献在于：（1）建立了适用于900 mbar至10 mbar范围内的气溶胶条件，以确保在不同系统压力下滤饼的形成具有可比性；（2）提供了低压条件下表面过滤器滤饼结构和流动阻力的首个系统数据集；（3）验证了一种快速且高效的滤饼生成方法，适用于低压条件下的实验研究。这些结果不仅有助于深入理解低压条件下过滤行为的特性，还为未来低压过滤系统的优化和设计提供了重要的理论依据。

此外，本研究还强调了在低压条件下滤饼形成过程的复杂性。由于低压条件下的气体膨胀效应，相同的粒子数量在更大的体积中分散，导致粒子浓度下降，从而减缓了滤饼的形成速度。因此，为了在实验中获得一致的滤饼条件，需要对气溶胶的生成和转移过程进行精确控制。通过在常压条件下生成滤饼，并在逐步降低系统压力的过程中进行测量，方法B能够有效减少实验时间，同时保持滤饼结构的可比性。这种方法对于需要进行大量实验的研究尤为重要，尤其是在涉及滤饼再生或性能评估的实验中。

综上所述，本研究不仅为低压条件下的表面过滤系统设计提供了新的视角，还通过实验验证了方法B在实际应用中的可行性。这些成果为未来低压过滤系统的开发和优化奠定了基础，并有助于提高低压干燥过程的效率和可靠性。同时，本研究也强调了在低压条件下滤饼形成过程的特殊性，表明通过合理的实验设计和操作方法，可以在不牺牲滤饼结构和性能的前提下，提高实验效率。这对于工业应用中的表面过滤系统具有重要的实际意义，尤其是在需要处理高浓度气溶胶的场景下。