不可再生的能源与资源日益枯竭，气候与环境日益恶化，人口数量日益增加，如果我们还不认真，还不坚决执行节能减排，节能减耗，节能增效的国策，不把低炭绿色经济作为各行各业的最高准则，那我们是在加速自挖坟墓，加速地球早日毁灭。为了能贯彻节能减排的要求，各行各业必须摸清本行业的能耗与物耗的现状，在此基础上，能否找到节能减排的途径。

液固过滤是各工业生产，尤其化工，制药，食品，冶金，能源，电子，矿山，机械及环保等工业部门不可缺少甚至量大面广的单元操作，有的还是关键操作，因此，工业生产上的液固过滤操作中的能源消耗与资源消耗相当大。长期的不严密设计与粗放操作，长期的企业管理中，能耗指标与物耗指标不重视，不考核，养成大家对高能耗与高物耗的现状熟视无睹，习以为常。尚未看到有人对各种过滤装置的能耗与物耗作系统与详细技术经济分析，找出哪些能耗与物耗是必须的消耗，哪些是额外的或多余的消耗。现在，残酷的现实迫使我们要作这方面的统计与分析。这需要专门的人才与研究课题。作者只是精密微孔过滤技术的研发者，由于从事研究、开发及推广应用已有四十多年，与各种企业接触多了，对各企业已经应用的各种过滤装置有一定了解，为了响应节能减排的要求，特对几种常见的过滤技术的能耗与物耗的状况作一初步分析，目的是引起管理部门与广大过滤技术工作者关心这些问题，研究这些问题，使工业生产上过滤操作中高能耗与高物耗的现状有所改善，有较大幅度的下降。

一、几种常见的过滤技术的能耗分析：

所有的过滤技术通过特定的过滤机来执行。所有的过滤机由特殊的机体结构与过滤滤材两部分组成。工业生产上的过滤机的机体结构很多，过滤滤材的种类也不少。这些机体结构与滤材的应用历史都相当久，因此现在所使用的各种过滤技术都属于实用技术。但是如用低炭与绿色经济来评判，用节能减排，节能减耗与节能增效来对照，就可发现，现在许多被认为是正常的，可行的，实用的过滤技术应尽速革新，不然，当前的不少过滤技术就成为能源与资源的“败家子技术”。“循环过滤”， “多级过滤”，“真空过滤”及“错流过滤”就是典型的多能耗技术。

(1)循环过滤：现在工业生产上大多数过滤机，当过滤操作启动后，并不能立即得到澄清度合格的滤液，往往需将滤液全部返回重新过滤。如果这种循环过滤一次至二次，这也许属正常操作，因为不少过滤机的滤液出口管道上常会残留少许悬浮物，利用滤液循环过滤一二次，可将这些残留固体去除。但是目前大量企业选用滤材前，未作科学试验与计算，仅作粗浅估算，甚至盲目选择，导致过滤滤液的澄清度低，无法满足生产工艺要求。为了提高澄清度，几乎所有企业都采用循环过滤这一方法，循环一至二小时已成为正常操作，有的甚至循环三至四小时。不计能耗，不计劳动生产率，用长时间的循环过滤的方法来提高滤液的澄清度已成为大多企业一个常规手段。

如果某种物料中固体颗粒极细，没有一个较好办法能一次高效过滤，而长时间的循环过滤能解决其澄清度，这是不得已而采用的办法。对绝大多数物料，只要放弃粗放设计与粗放操作，完全可以做到“不循环”或“极短时间循环”。

全国工业企业每天过滤的液体量极大，每天究竟循环多少液体?循环多少时间?根本没有统计数据，但其数量必定是天文数字。单举全国氯碱工业，据说今年产量可达三千万吨，每产1吨烧碱，电解所需的盐水每小时为十多吨，三千万吨烧碱，每小时所需的盐水为三亿吨，这些盐水电解前需作一至二次精过滤。因此单氯碱的盐水每小时至少需精滤三亿吨。全国化工，制药，食品，冶金，矿山，环保等部门，产品非常多，有的产量非常大，每小时需过滤的液体总量至少为几千亿米3以上。由于大多数企业液体过滤的滤材至今绝大多数仍用很传统甚至很落后的滤材，都需要长时间的循环过滤，其滤液质量才能达到工艺要求。大多企业每天循环时间至少为 1小时，有的超过2小时。

液体过滤的动力有加压与真空两大类。加压操作有气压与泵压两种，泵压中采用离心泵最普遍，从中进行循环过滤也最简便。因而凡是采用离心泵进行加压过滤的几乎都进行循环过滤。离心泵加压过滤时，其能耗可按下式计算：

几种常见的液固过滤方法的能耗与物耗的概述及今后改进

如果每小时过滤一亿米3，则Q=27777.8米3/秒。当循环过滤时，其起动扬程一般为5米，最后为25米，平均H=15米，对大多数液料，其密度为1000至1100公斤/米3，一般可取=1050公斤/米3，对大型离心泵，=0.8。将以上数据代入式(1)，得出1亿米3料液，每天循环1小时，其所耗功率N=5361533.4KW，即每天循环1小时，多耗功率536万千瓦，每天循环2小时，则多耗功1072万千瓦。如果全国有1千亿米3料每天循环1小时，每天多耗53.6亿千瓦电力，如果每天循环2小时，每天多耗107.2亿千瓦电力。上面只是初步估算。实际情况是国内企业长时间循环过滤非常普遍，许多企业将此作为经典操作手段，其能耗的浪费可能远远超过我们的估算。

(2)多级过滤：

对一些质量要求很高的工业部门，如药品，食品，微电子等，为了确保产品质量万无一失，在液体过滤工序中，需设多道防线，即使前一级的液体的澄清度已满足，往往后面再加一至二级精度更高的精过滤，目的使产品出现纰漏的概率消失至零。但是许多企业将这一特殊产品的特殊处理方法移植到含固量多的滤饼过滤操作中。先用一至二级粗级过滤或其他分离方法将绝大多数较粗固体先去除。剩下只剩极少量的细颗粒再用效率很高的精过滤。以为这样多级串联过滤既确保好的滤液质量，又能以较小的过滤面积获得大量的固体滤饼。这种不了解液固过滤基本知识的方法，往往并不能达到希望者的初衷，甚至适得其反，弄巧成拙。作者遇到相当多的案例，本来一台原设计的过滤机，其滤液的澄清度与处理能力都能胜任，只是由于原料液含固量较多，每天需几次卸除滤饼，几乎操作稍麻烦些。为了减少卸滤饼的次数，就在该过滤机之前，增加一级预处理机，有的采用重力沉降，有的用离心机(如卧式螺旋离心机)，有的用加压过滤机或真空过滤，前级去除95%以上甚至99%的固体，剩下5%，甚至1%的固体再用原来的过滤机，以为原料液固体已大幅减少，再用这一台过滤机，就轻而易举地完成剩下的固体的过滤任务。结果却是，别说一台过滤机，再把过滤面积放大几倍，也往往难以胜任。

为什么会发生这种“不可思议”的“怪事”呢，只要用“滤饼过滤”的基本理论，就可一目了然。

假设料浆中固体颗粒为不可压缩固体，按不可压缩滤饼过滤的基本理论，滤饼过滤的平均滤速可按下式计算：

几种常见的液固过滤方法的能耗与物耗的概述及今后改进

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如采用二级过滤，经第一级过滤后，c可大幅减少，第二级过滤时，如形成的滤饼的α仍等同于第一级过滤的α，则第二级(α·c)会大幅减小，按式(2)计算，第二级的W会大幅增加。实际上，希望第二级的α等同于第一级的α，这是不可能的，因为第一级过滤后，料液中的粗的或较粗的颗粒都被滤除，剩下的都是细的，这些细颗粒组成的滤饼，其α会大幅增加。

根据Kozeny-carman公式，各种颗粒堆积层的比阻的计算式为：

几种常见的液固过滤方法的能耗与物耗的概述及今后改进

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几种常见的液固过滤方法的能耗与物耗的概述及今后改进

几种常见的液固过滤方法的能耗与物耗的概述及今后改进

颗粒层的平均粒径有多种，有按重量分布的平均粒径，有按面积分布的平均粒径，有按直径分布的平均粒径，有按个数分布平均粒径。作为滤饼比阻计算，应是按个数分布的平均粒径。

颗粒层的堆积密度B也与d0有关，d0愈小，B愈大。B与d0成何种定量关系，目前尚无人研究，但至少成一次反比关系。分析式(7)，可以看出，α与B已成为五次方正比关系。如果B与d0至少为一次方反比关系，那α与d0至少成七次方反比关系。

假如二级过滤中前一级已将固体颗粒去除90%，则第二级的c几乎只有原来的10%，但颗粒中d0一般会减少1/3(假如第一级的d0=2微米，至第二级 d0=0.67微米)，如果比阻与d0成七次方反比，则α增加37=2187倍，α·c增加218.7倍。根据式(2)计算，平均滤速减少了 1/14.8，即滤速只有原来6.76%。采用二级过滤，第一级将固体去除了90%，固体只剩下10%，但滤液体积减少不多，仍有90%以上的滤液需通过第二级过滤，而第二级的平均滤速已降至原来的6.75%，需第二级过滤面积增加15倍，否则无法过滤。

因此，采用二级或更多级的多级过滤，徒增加能耗与物耗，徒增加成本，对改善过滤操作毫无好处。

(3)真空过滤：

真空过滤在工业生产上应用很广泛，尤其连续鼓式，连续转盘式与连续带式的真空过滤机应用非常普遍。除非某些易挥发性物料或有严重腐蚀性物料不适宜，对大多数颗粒大于10微米的物料，连续真空过滤机很实用，很方便。连续真空过滤需要三种能耗，一是液固过滤本身能耗，二是过滤机连续转动时的机械传动能耗，三是产生真空系统的能耗。第一与第二项能耗都很小，只有第三项能耗很高，但是很少有人关注真空过滤的能耗为什么相当高?

真空系统的能耗除了少量用于液固过滤本身的能耗外，主要消耗于产生真空与维持真空这两方面。产生真空的能耗即是将欲承受滤液的真空容器在过滤起动前从常压状况抽至真空状态所需能耗;维持真空的能耗是在正常过滤时，为了维持真空容器所需的真空，并使过滤滤液顺利进入真空容器，要将与滤液等体积的真空容器内残余气体抽出并压缩与排至大气所消耗的能耗。

抽真空所需的能耗应按气体单级绝热压缩功率计算：

几种常见的液固过滤方法的能耗与物耗的概述及今后改进

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将真空容器从大气状态抽至真空状态，P1是不断变化的，，从大气压(P2)逐渐减少至最后达到真空状态(P1)，应将式(9)以变量P1进行积分，最后得到产生真空的能耗公式为：

几种常见的液固过滤方法的能耗与物耗的概述及今后改进

维持真空的能耗按式(8)计算。

假如某一连续真空过滤机，每小时过滤滤液量为60米3/时，则V=1米3/分，真空过滤时，P1=0.05公斤/公分2(绝对压为1.05公斤/公分2)，大气压力P2=1公斤/公分2，压缩比P2/P1=1/0.05=20，K=1.4，假如真空泵效率为0.75.

按式(8)计算，其维持真空能耗为10.8千瓦。

按式(9)计算，其产生真空能耗为10.9千瓦。

液固过滤本身能耗不高(按H=9.5来算，Q=60米3/时=0.017米3/秒，η=0.75)，以离心泵功率计算，其过滤本身能耗只有2.1千瓦。

如不考虑连续真空过滤机机械运动能耗，其过滤本身能耗与真空系统能耗总计为23.8千瓦，过滤本身能耗只占8.8%，91.2%能耗都是真空系统的能耗。真空系统能耗共为21.7千瓦，如果每天过滤20小时，每天真空系统能耗为434千瓦，全年(按330天计)消耗14.33万千瓦。如果每年这种真空过滤机有一万台，则全年多耗电为14亿度电。如果全国这类过滤机有十万台，全年就多耗电为140亿度电。

(4)错流过滤：

如果物料中固体颗粒非常细，都小于0.1微米，形成滤饼，其比阻非常大，以致滤饼过滤时的平均滤速非常小;由于颗粒细，颗粒表面能大，颗粒与滤材之间的粘合力也相当大。对于这类物料，为了使其能获得较满意的平均滤速，无滤层的错流过滤方法就为许多人选用。料浆在滤材表面高速流动，可将过滤时形成的滤饼层及时冲刷掉，可使平均滤速大幅提高。料浆在滤材表面的线速度必须很高，一般要超过5-10米/秒。颗粒愈细，线速度愈大。料浆高速流动要耗很大的能量。其实只有在滤材表面附近一层的高速流动的能耗是有效能耗，离表面稍远的高速流动的能耗均是无效能耗。

错流方法最先用于超滤，纳滤，反渗透等均相分离的操作中，为减少均相膜表面附近的浓差极化而采取的措施。由于料液中没有固体颗粒，两相邻膜之间的间隙可以非常小，因而无效能耗也非常少。此方法如用于含有一定量细颗粒的非均相过滤，两滤材之间的空间不可能非常小，否则该空间会被浓缩后的细颗粒堵塞，因此非均相分离的错流过滤器很少制成易堵塞的卷膜式，绝大多数制成不易堵塞的管束式。

错流管束过滤器只能起增稠左右，不能产生较干滤饼。过滤管直径必须很小，其无效能耗才较少。这类过滤器的单位体积内可获得很大的过滤面积。但无论直径多小，其无效能耗比过滤本身能耗都要大很多倍。

例如一台过滤面积为50米2的错流管束过滤器，如果过滤管内径为Φ4毫米，长为1米，过滤机内管数为3979根，如要保持料浆在过滤管内的平均流速为6米/ 秒，料浆的循环流量必为1080米3/时。如果料浆在过滤管进出口压差为0.1Mpa，假如循环离心泵的效率为0.8，按公式(1)计算，其循环泵每小时的功率为36.8千瓦，每天882千瓦，全年(按330天计)需耗功率29万千瓦;如果将过滤管内径制为Φ2毫米，这么细难制成1米，只能制成0.5米，一台50米2的错流过滤器需安装7958根过滤管。由于过滤管内孔太细，需将料浆在过滤管的平均滤速提至10米/秒，循环流量为900米3/时，如过滤管进出口压差需为0.13Mpa，其每小时能耗近40千瓦，每天960千瓦，全年近32万千瓦。

一台50米2的管束型错流过滤器，如过滤超细的小颗粒，其平均过滤滤速最多只有约1(米3/米2·小时)，总的滤液量也只有约50米3/时。过滤时过滤管内外压差约0.1Mpa，其过滤本身能耗也只有1.36千瓦。如果泵效率为0.8，实际过滤本身能耗只有1.7KW。全年只有1.35万千瓦电耗，而采用错流方式，虽提高了平均滤速，而循环能耗却比过滤本身能耗高20多倍。

从减排效果看，高精度的错流过滤器是一种很高效的过滤器。可遗憾的是它的高效与减排是建立在高耗能的基础上。除非细颗粒100%是小于0.1微米的微粒，暂时还找不到更好的方法而不得不采用错流过滤。如果颗粒稍微大些，应尽可能用更节能的过滤方法。