过滤能力（共7篇）
过滤能力 篇1
水是非常宝贵、相对缺少的自然资源, 是我们社会发展、经济发展必须的、重要的物质资源。然而我们国家是非常严重的水资源短缺国家, 人均可用水资源量大约为世界人均可用水资源量的1/3左右。随着人口的快速增多、经济的迅猛发展、城市化进程的加快, 使得用水量和取水量不断增加, 水资源的开发程度急速增大, 水质污染的问题也越来越严重, 用水越来越紧张, 水资源的短缺和污染造成的水质危机已经成为制约我国经济和社会发展的主要瓶颈, 急待解决。
我国水资源浪费的现象比较严重, 用水设备的节水能力及水资源的有效利用率都比较低。就用水效率而言, 我国单位用水GDP远远低于发达国家的水平, 有很大的提高空间。在住宅生活用水方面, 常用的供水、用水设施的节水技术效果较差, 尤其是水质的过滤处理技术, 急待提高。
为了解决在现实和住宅生活中密切相关的用水问题, 需要使用各种先进的节水处理技术及高端的水处理设备。水处理技术通过各种物理、生物以及化学手段, 对水中的有害成分进行处理, 去除或者是改变其成分, 其中过滤是相对重要且应用最广的一项技术。现有的用水技术和设备基本上是从以下几方面考虑节水问题: (1) 在农业上, 应用滴灌、节水喷灌等灌溉方式。 (2) 在工业生产中, 提高重复用水利用率, 创新和推广节水技术、工艺以及设备。 (3) 加强对污水的过滤处理, 增加不同用途的回用水。 (4) 雨水收集回用。
本文介绍一种自主研发的优质管道水过滤器, 均可以应用在以上四个方面的水系统中, 减少成本, 提高处理能力, 节水效果是明显的, 解决水质污染问题, 保护生态环境, 提高生活质量, 对解决水资源短缺的现状也有很大的作用。
优质管道水过滤器内部构造如图所示, 包括管道1, 管道的两端分别为进水段11和出水段12, 水流方向如图箭头所示自左向右, 管道水过滤器中间处的下端连通一向下开口的弯折段13, 弯折段13的下端连接一个可以方便拆卸清理斗2, 清理斗与弯折段的连接处设有密封橡胶硅片8, 处于弯折段上方的管道内设有一个竖置的转轴3, 转轴3上固接多个竖置的叶片4, 叶片上部的宽度大于下部的宽度。管道水过滤器的出水段12内设有多个钢丝网片, 起到加强过滤能力的作用, 过滤结构包括出水方向上依次设置的锥式网斗5和多个扁平形网丝片6, 扁平形网丝片6与出水段12的内壁连接成一体;锥式网斗上端与出水段12的内壁紧密连接, 下端与出水段12的内壁留有间隙9;转轴3、叶片4、锥式网斗5和扁平形网丝片6均可拆卸连接在过滤器内。管道水过滤器的出水段11与弯折段13的连接处为一向弯折段下方倾斜的斜管, 过滤结构设置在该处斜管上。处于管道水过滤器出水侧的出水段13内设有挡板7, 挡板的高度不高于管道水过滤器出水段的内径。待处理的水从进水段11流入时, 水流以一定的速度冲激到叶片4上, 带动其旋转, 同时形成水流漩涡, 致使质量相对比水更重的杂质等向下掉入清理斗2内, 同时促使处于上层的水流继续前进, 进入塑料锥式网斗5, 再次形成过滤, 一些杂质沉积在锥式网斗上, 接着水流通过多片不锈钢扁平形网丝片6进行再次过滤, 处于过滤结构下游的挡板7阻止水流后形成一定的逆向回流, 促使扁平形网丝片6滤下的杂质等垃圾沿着处于锥体网斗下端斜坡上的间隙9为过道流入到清理斗2, 另外由于旋转叶片4形成的漩涡, 促使这扁平形网丝片6的垃圾更容易流入到清理斗2内。
为方便连接以及维修操作简单, 本优质过滤器的管道1两端设有能与外管道相连的法兰14, 法兰外侧的外管道上设有阀门15, 当然管道两端也可设螺纹, 以方便连接在待处理水的管道上, 正常进行水处理时, 阀门15开启, 过滤器工作, 对水进行处理, 当需要对清理斗及过滤网进行清洗时, 关闭阀门15, 可以将清理斗、锥形网斗、不锈钢扁平型网丝片拆卸下来进行清洗, 也可以及时清洗管道过滤器的内部管壁。
该优质管道水过滤器结构功能设计紧凑, 旋转叶片、塑料材质锥形网斗、不锈钢扁平型网丝组成三层过滤结构, 过滤效果好, 出水水质稳定, 处理期间系统可以不间断工作, 运行费用低, 应用范围非常广泛, 在雨水收集、中水处理中, 可以将系统中的杂质过滤掉, 处理成再生水供缺水地区使用。也可以应用在农业领域, 应用到滴灌等各种技术上, 减少旱灾给农业带来的损失, 保证农作物在水源短缺的情况下也能得到高产, 可以使水源得到充分的利用, 节约用水。还可以应用在污水处理系统中, 应用本优质管道水过滤器, 有利于保证下水道、河道的水流畅通, 减少污水排放的杂质浓度, 减轻对河流的污染, 保护水资源。
随着工业化、城市化的发展以及产业结构的调整, 我国的年用水量逐渐增加, 用水总量高居世界第二位。水资源日益短缺, 中国一直被公认为是一个水资源匮乏的国家, 这些都引起了我们科研工作者的重视, 因此开发了优质管道过滤器, 该过滤器在各个水处理领域的应用, 可以改善水资源短缺的现状, 为水处理带来更多的方便和经济效益。
参考文献
[1]梅双纬.多目标算法分析研究水资源承载力.河海大学, 2007.
[2]王法磊.江西省水资源开发利用与社会经济发展关系探讨.江西水利科技, 2009.
[3]马文涛.不同节水灌溉方式对脐橙幼树生长及产量的影响.山地农业生物学报, 2007.
[4]曹辉钢.镇江市节约用水现状、存在问题及对策.江苏水利, 2003.
[5]张峰.城市污水回用的现状与展望.上海化工, 2006.
陶瓷芯过滤器过滤性能研究 篇2
洁净煤技术的关键是要将煤(烟道)气在高温下直接实现气固净化分离,这样既可以充分利用高温煤(烟道)气的显热和潜热来提高发电热效率,降低成本,又能满足环保要求[1]。要除去高温煤(烟道)气中的尘粒,必须要求所选过滤材料能承受高温(500 ℃～900 ℃)、高压(1.0 MPa～3.0 MPa)以及脉冲反吹时因温度差突变而引起的热应力变化。由于陶瓷过滤器具有耐高温、压降小、重量轻、有弹性、无需支撑等诸多优点,因而在整体煤气化及加压流化床技术中获得了广泛的应用[2]。
Cuenca[3]对陶瓷过滤动力学、过滤灰饼特性、过滤元件的寿命等进行了总结和概括,但并未过多涉及陶瓷过滤微观机理研究。Chikao等人[4]研究了陶瓷过滤器渗透率对于案件表面灰脱除的影响。Lippert利用概率方法,对陶瓷过滤器模型进行了理论分析,并进行了实验验证。Hiroshi[5]对飞灰在陶瓷过滤元件表面的沉积状况进行了观察,测试了不同气流速度下再生灰饼的压降特点,并给出了压降预测公式。
本研究对陶瓷过滤元件的过滤特性进行系统的分析后,详细分析过滤器截面形状及陶瓷颗粒尺寸对陶瓷过滤元件过滤效率的影响。
1 滤机理分析
陶瓷过滤元件在过滤细微粉尘颗粒时,含尘气体从陶瓷过滤元件的外表面径向流向内表面,固体颗粒经过表面过滤,在过滤元件外表面形成灰饼,净化后的洁净气体从过滤元件内部流出。其过滤器结构,如图1所示。气体在过滤介质内和灰饼内的流动属于多孔介质内的流动。正向过滤时,气流在多孔介质内的流速较低,故流动遵守经典的达西定律,即:
式中 ΔPm—多孔介质内的达西压降;μ—过滤体的粘性系数;Vm—多孔介质内的平均过滤速度;δm—多孔介质的厚度;Km—多孔介质的渗透率。
灰饼厚度为:
式中 Cm—气体的尘粒浓度;ρ—气体密度;ρc—粉尘层的堆积密度;t—尘粒累计时间。
而气流流经陶瓷多孔介质和粉尘层产生的基本压降和附加粉尘层压降分别为:
式中 Kf—多孔过滤介质的渗透率;Kc—粉尘层的渗透率;δf—孔陶瓷过滤介质的有效厚度。
多孔过滤介质的渗透率Kf可以通过经验公式求得,即:
式中 A、B、C及K0,n—经验常数。
将式(2)代入式(3),可得总压降为:
从式(5)可以看出,当过滤元件在工作时,其表面会有部分的残留粉尘进入或者粘附在过滤介质上,从而造成过滤元件渗透率的降低。而粉尘层产生的附加压降会随时间不断增加,最终使得过滤介质的基本压降保持增加。
2 过滤性能分析
2.1 截面形状影响
陶瓷过滤器的通道比较细长,气流沿径向流入过滤元件的内部通道,通常其流速为2 cm/s～10 cm/s,而轴向速度从零逐渐增大。Ahluwalia[6]基于水动力学理论,依据多孔介质内的总压降、动力学水头损失、沿程摩擦损失之间的关系,推导了方形通道过滤元件宽度与长度应遵循的设计准测。考虑到目前陶瓷过滤器主要有矩形与锥形两种,其模型,如图2所示。在计算时可以将流经陶瓷过滤元件的过滤流动简化成一维定常流动。将过滤器沿轴向n等分,其控制方程为:
P(i)=ρ(i)T(i)R (9)
式(7)为质量方程,式(8)为动量方程。
式中 P(i)、 ρ(i)、T(i)—第i个单元的压力、密度和温度;v(i)—过滤器通道内的轴向气流速度;ε—空隙率;m(i)—第i个单元流出过滤器的质量流量;Δmi—流过每个微孔的质量流量。
为了比较柱形与锥形陶瓷过滤器的过滤性能,选择如下参数对其进行比较分析,过滤器壁厚为5 mm,空隙率为0.5,渗透率为1e-11 m2,滤管长度为1.0 m,柱形陶瓷管直径为20 mm,锥形陶瓷馆封闭端为10 mm,开口端为20 mm。
过滤器表面的速度分布及内部的压强分布,如图3、图4所示。从图中可以看出,锥状过滤元件表面速度较柱形而言分布更为均匀些。如果过滤元件表面速度和压降的分布不均匀,将会造成不均匀清灰,致使滤管外厚度分布不均匀,容易造成滤管之间的架桥,从而损坏滤管。从这个角度考虑,锥形陶瓷过滤器可以延长滤管的使用寿命;同时从加工工艺考虑,锥状陶瓷过滤元件的加工工艺简单,成型时容易脱模,可在高温含尘气体净化领域及其它环保领域内获得应用;另外一点就是锥状过滤器元件的内径是变化的,可获得较小的阻力损失,流动特性会得到改善。采用锥状过滤器,在各截面速度分布能够明显得到改善。
2.2 陶瓷颗粒尺寸影响
陶瓷过滤器的核心部分是以多孔陶瓷制成陶瓷过滤元件,它以刚玉砂、石英砂、矾土等高耐火性原料为骨料,配合以结合剂、改性剂等,经过1 000 ℃以上高温烧结而成。应用空气动力学捕集理论,过滤介质中的无数个球形陶瓷颗粒看成是“球形靶”。过滤气体流过陶瓷过滤介质可以看成是流过无数个“球形靶”的流动。其过滤机理主要为惯性碰撞及拦截两种形式。考虑单个陶瓷颗粒,其惯性碰撞效率及拦截效率分别可表示为[7]:
式中 Kp—颗粒的斯托克斯准数,其与过滤气体中粉尘的直径及浓度有关;KI—拦截比;dp—粉尘直径;Dc—陶瓷颗粒直径。
在实际使用中这两种效率是同时起作用的,这样,对于第i段的固体颗粒,其总效率可表示为:
ηTi=1-(1-ηPi)(1-ηIi) (12)
含尘粒子直径为dp=5 μm时的各种定义的过滤效率与陶瓷颗粒直径Dc之间的关系,如图5所示。由图5可以看出,在陶瓷过滤介质的过滤机制中,各种定义的过滤效率都随陶瓷颗粒直径Dc的增大而明显减小,随陶瓷颗粒直径Dc的变化,拦截效率大于惯性碰撞效率的影响。一般来说,对于含尘气体中的小粒子(小于5 μm)的过滤,在相同的陶瓷颗粒直径下,拦截机制的作用要明显大于惯性碰撞机制的作用。
3 结束语
本研究在对陶瓷过滤器的过滤机理进行分析的基础上,应用水动力学理论及空气动力学捕获理论,并采用离散化的方法对陶瓷过滤器的过滤性能进行了数值研究。研究结果表明,采用锥形的陶瓷过滤器可以获得更好的过滤效果,能够有效地降低过滤器内压降及过滤器的成本,而对陶瓷颗粒的分析结果表明过滤中拦截效应是主要的过滤形式。
摘要：在通过分析陶瓷过滤器的过滤机理的基础上,对陶瓷过滤器的过滤性能进行了理论及数值分析研究。应用水动力学及空气动力学理论,分析了过滤器截面及陶瓷颗粒直径对过滤性能的影响。分析结果表明,采用锥形截面可以获得更好的过滤性能,并可以降低过滤器成本;同时对于粉尘过滤而言,陶瓷颗粒的拦截效应是主要的过滤机制。
关键词：陶瓷过滤器,过滤效率,过滤性能
参考文献
[1]谷磊,刘有智,申红艳,等.高温气体过滤除尘技术和材料开发进展[J].化工生产与技术,2006:13(6):61-63.
[2]王素华,姬忠礼,王树立,陶瓷过滤管内外流场的数值模拟[J].石油化工高等学校学报,2002:15(1):60-64.
[3]CUENCA M A,ANTHONY E J.Pressurized flu id ized bedcombustion[M].G lasgow,UK:B lack ie Academ ic&pro-fessional,1995.
[4]BROWN R C.A irflow pattern through granu lar filters andother simp le three-d im ensional filters[J].F iltra tion&S epara tion,1997,34(2):165-171.
[5]KAM IYA H,SEK IYA Y,HOR IO M.Therm al stress frac-ture of rigid ceram ic filter due to char combustion incollecteddust layer on filter surface[J].Pow d er T echno logy,2001,115(3):139-145.
[6]AHLUWALIA R K,GEYER H K.F lu id m echan ics ofm embrane-coated ceram ic filters[J].A SM E Jou rna l ofEng ineer ing for G as T u rb ines and Pow er,1996,118(5):526-533.
过滤能力 篇3
关键词：矿用油脂,过滤技术,功能
1 研究矿用全自动过滤装置的意义和必要性
随着科技水平的不断提高, 矿山机械对于液压系统的依赖性及推广程度日渐增强, 矿井设备维护保养及检修也逐渐成为影响矿井生产效率的重要因素之一。
随着现代化矿井概念的深入和优化, 大型矿山液压设备已经占据了生产一线, 特别是在矿山机械领域, 由于设备运行环境复杂且条件恶劣, 液压系统作业环境污染严重, 油脂的品质直接决定了液压系统的运行, 制约着设备的使用寿命, 因此对于油液净化技术的研究已得到系统行业的普遍重视, 并逐渐成为矿山产品开发的新领域。
据欧美国家权威统计, 油液的好坏, 与设备故障率关系紧密, 其中设备总故障中约有40%左右的是油液不良所造成的, 对于液压系统而言油液不良造成的设备故障占的比例更高。可见, 设备油液管理是设备维护、保养的重要环节, 是减少设备磨损、降低机械故障的重要手段, 是设备良好运行的保障基础。霍州煤电集团辛置矿已经推广使用油脂过滤装置二十多台, 2011年前半年与2010年前半年未使用该设备时对比发现, 仅油脂费用就降低70%, 配件费用节约73%, 同时设备故障率降低80%以上。因此研制并推广应用矿用油脂过滤装置具有巨大的现实意义, 不仅能够极大减少设备故障, 延长设备寿命, 而且可以大大减少油品消耗, 符合我国倡导的“节能、减排、增效”环保理念。
目前国内大部分煤矿尚未使用油脂过滤装置进行大型机械油脂的维护, 这样大型机械一方面, 油脂消耗巨大, 而且因油脂污染造成设备配件损耗较大;另一方面, 因为油脂污染导致的设备非计划停机, 造成的损失更加巨大, 因此, 急需对矿用油脂进行及时的维护, 研究开发矿用油脂过滤装置非常必要。
2 矿用油脂过滤装置国内外应用现状
现目前国内外该领域产品多以工程机械或小型机械为主, 国内以净油机产品为主要油脂过滤产品的代表, 该类产品主要以真空蒸馏分离原理进行油脂的过滤、净化, 采用聚结分离与真空复式三维立体闪蒸相结合, 以实现油品的循环使用。国外该领域产品多以无压式旁通过滤装置实现对于工程机械的润滑, 以德国KLLENOIL公司及瑞士PANOLIN为主要代表的公司, 致力于对于新型过滤材料的研发, 实现油品过滤的精细化。国内对于油脂过滤循环概念的推广尚处于发展阶段, 缺乏国内自主的产品技术, 特别是对于同系列的防爆类产品缺乏市场占有率, 仍处于引用国外技术的水平, 而且针对煤矿用油脂全自动过滤装置尚未有针对矿井设备而开发的同类产品。因此, 研发矿用油脂全自动过滤装置变得极为紧迫。
3 液压系统油液过滤技术分析
3.1 过滤器的作用
液压系统中的油液具有传递功率、隔离磨损表面、减少元件间的磨擦, 悬浮污染物, 控制元件表面的氧化及冷却等多种功效, 然而, 当其中的油液被各种杂质污染后, 将会破坏其原有功效, 导致系统运行中的各种故障。过滤器在液压和润滑系统中的作用主要有两个:一是控制元件的污染磨损, 二是防止污染物引起故障。前一种过滤器的要求具有足够高的过滤精度, 原则上应能有效地滤除尺寸接近污染敏感元件关键运动副动态油膜厚度的颗粒污染物。这类过滤器担负系统的主要过滤作用, 一般安装在系统压力油路和回油路中。后一种作用的过滤器精度较低, 主要作用是保护个别的元件, 防止大颗粒污染物进入元件而引起元件的突发性损坏或动作失灵。这类过滤器安装在紧靠被保护元件的前面, 或直接安装在元件内。
3.2 过滤器的选用原则
选择过滤器时, 应考虑以下几方面的性能要求:
(1) 具有路够大的通油能力, 压力损失小; (2) 过滤精度应满足设计要求; (3) 滤芯具有足够的强度和纳污容量; (4) 滤芯抗腐蚀性好, 能在规定的温度下长期工作; (5) 滤芯的更换, 清洗及维护方便。
在选择系统的主要过滤器时, 其精度的确定应考虑系统中关键元件能够耐受的油液污染度, 系统的污染物侵入率及工作条件等因至素, 从污染损控制点出发, 过滤器的精度应能保证有效地滤除尺寸接近元件运动副动态油膜厚度的颗粒。过滤器的尺寸或流量一般可根据系统的流量来确定, 但带要考虑滤芯的使用寿命。在污染物侵入率一定的条件下, 液压系统油液的污染度主要取决于过滤器的过滤精度。
3.3 过滤器的位置
过滤器在液压回路中的位置取决于装入过滤器的原因。由于污染颗粒来自许多不同的污染源, 只有把大小和精度合适的过滤器直接安装到元件的前面, 才能对元件提供最大了如指掌度的保护, 一般过滤器在回路中的位置为单作用缸上的空气过滤器、压力管过滤器、分流过滤器、双向流动过滤器、局部过滤器、回油过滤器、旁路过滤器、溢流阀过滤器、泵泄油过滤器、泵胶管过滤器、油箱通气过滤器、粗滤器、离线过滤器、冷却器与离线过滤器。另外, 如果过滤器的功能是控制回路中的污染度, 则过滤器可安装在一条主管路中, 同时也往往用离线过滤器来补充管路过滤器的工作。
4 矿用油脂过滤装置功能的确定
根据对煤矿油脂过滤的调研, 初步确定研究开发的全自动矿用过滤装置应具备以下功能:
(1) 油脂过滤机应能实现正联动过滤、反联动过滤、随时过滤三个模式的选择; (“正联动”即过滤装置随着被过滤设备的工作规律, 开始工作或停止工作;“反联动”即被过滤设备工作时, 过滤装置停止, 被过滤设备停止时, 过滤装置工作) ; (2) 过滤装置能够对滤芯的使用状态进行监测, 保证及时更换滤芯, 确保油液的清洁效率; (3) 过滤装置能够对吸油压力进行调整, 达到最佳过滤状态; (4) 过滤机能够进行加油、换油、清洗油箱等工作。
5 结语
矿用油脂过滤装置能够极大减少煤矿设备故障, 延长设备寿命, 同时可以大大减少油品消耗, 对提高煤矿企业效益、绿色矿山建设具有重要意义。本文分析了矿用过滤器的作用、选用原则和安装位置, 确定了全自动过滤装置应具备的功能, 为研发矿用油脂全自动过滤装置奠定基础。
参考文献
[1]马新民.矿山机械[M].北京:中国矿业大学出版社, 1999.
[2]王洲伟, 孙启顺.多功能滑油过滤装置的研制[J].机械设计与制造, 2006 (09) :90-91.
过滤能力 篇4
1 烧结金属过滤器的过滤
1.1 国内外催化重整粉尘收集技术
随着烧结金属制备工艺的改进, 烧结金属过滤器向着高精度、大气体处理量和低成本的方向发展。国内连续重整催化剂循环系统中的粉尘收集设备大多是在引进国外工艺时, 配套引进的烧结金属过滤器。同时, 在吸取和消化引进技术的基础上, 中石化将粉尘收集器的技术研究与开发列为连续重整装置设备国产化的配套项目。图1为国产粉尘收集器示意图。
国产粉尘收集器的研制开发既吸收了国外先进技术, 同时又具有许多自身特点。过滤器筒体中部设置了具有特殊结构低压降的旋风分离器, 在旋风分离器周围靠近过滤器筒体器壁均布了烧结金属粉末多孔滤芯, 这样便构成了二级过滤。含尘气流从入口管沿内壁切向进入外旋式旋风分离器, 利用含尘气流的旋转流动, 使粉尘在重力、惯性、离心力的作用下达到与气流分离的目的。经一级旋风分离器分离之后, 90%5μm以上的粉尘可被收集。初步净化后的气体从旋风分离器出口管排出, 进入旋风分离器的外部空间。含尘气流再通过烧结金属粉末滤芯组成的过滤器, 将含尘气体中的极细粉尘过滤下来。含尘气体中的极细粉尘通过烧结金属粉末滤芯时易将其孔道堵塞, 这就需要对滤芯定期反吹再生。因此, 在粉尘收集器上部设置了脉冲反吹系统, 该系统由我国自行设计的完全DCS反吹控制系统控制。当过滤器压降达到一定值时便自动反吹, 极细粉尘及滤芯外壁上滤饼在高压脉冲反吹气的作用下从滤芯孔道及外壁上脱离, 之后滤芯又继续过滤含尘气流。在粉尘收集器下部设有松动风入口, 有利于粉尘的排出。经两级粉尘收集后, 2.0μm以上粉尘回收率可达100%。国产粉尘收集器的鲜明特点在于引入了旋风分离器, 减轻了滤芯负担, 减少了反吹次数, 有效的保护了滤芯, 延长了滤芯的使用寿命[2]。
1.2 烧结金属过滤器的过滤机理和过程
烧结金属过滤材料的主要功能是捕集循环气中的催化剂粉尘。其过滤机制涉及惯性碰撞、拦截效应及扩散效应, 3种机理的主要区别就是粉尘粒径的大小[3,4,5,6]。一般来说, 较大粒径的粉尘由于惯性作用而被捕集;中等大小且大于或等于滤芯孔径的粉尘被直接拦截住;非常细小粒径的粉尘因布朗运动更加强烈, 主要是扩散到过滤介质内部发生碰撞或粘附而被收集。
按上述三种过滤机制可将过滤器分为三类: (1) 表面过滤, 如金属丝网, 粉尘在表面被捕集; (2) 深层过滤, 如烧结金属纤维毡, 粉尘在表面和层内被捕集; (3) 滤饼过滤。对于表面过滤, 惯性碰撞和拦截效应起主导作用;对于深层过滤, 除这两种过滤机制外, 扩散效应也起着重要的作用[7];而滤饼过滤主要是靠沉积在过滤介质表面上的滤饼层来实现的, 是集吸附、惯性碰撞、拦截和扩散效应于一体的过滤方式。连续重整过程中, 烧结金属过滤器属表面过滤和滤饼过滤的集合体, 其基本原理就是在压强的作用下, 迫使气固两相混合通过烧结多孔介质, 固体颗粒被截留于烧结金属滤芯外壁上, 从而达到分离目的。
结合上述3种过滤机制及其他过滤理论, 可将烧结金属过滤器收集催化剂粉尘的过程分为四个阶段:
(1) 过滤起始阶段。催化剂粉尘随着循环气流经滤芯时沉积于其洁净的外壁表面, 此时过滤机制主要是拦截和扩散效应。
(2) 过滤中间阶段。烧结金属滤芯表面的各个催化剂粉尘堆不断相连, 逐步形成连续的过滤层, 即滤饼。过滤中间阶段是大面积滤饼形成期。此期间过滤孔隙率逐渐降低, 过滤效率急剧升高, 压差迅速升高, 过滤机制主要是催化剂粉尘的拦截沉积作用。
(3) 过滤稳定阶段。此时滤饼层已经形成, 循环气透过滤饼中粉尘之间的微孔进入滤芯内部管道, 烧结金属滤芯起着形成滤饼和支撑加强作用, 这时的过滤机制主要是滤饼的过滤筛分作用。过滤稳定阶段压降变化缓慢, 相对中间阶段近似不变, 这是过滤的主要阶段。
(4) 过滤反吹阶段。随着过滤的进行, 滤饼层不断增厚, 需要对滤芯进行在线反吹, 以完成过滤器的循环再生。连续重整烧结金属过滤器的再生一般采用脉冲反吹系统来实现, 至此完成一个过滤周期。反吹后由于滤饼层脱落, 过滤效率略有下降。图2为烧结金属过滤介质的过滤和脉冲反吹再生示意图。
过滤过程中, 细粉尘会直接进入过滤介质内部, 过滤作用发生于滤芯的全部空隙体内, 此时为扩散效应过滤机制, 属深层过滤, 然而, 这些细粉尘极易堵塞滤芯孔道, 造成过滤压降增大。因此, 应根据催化剂粉尘的粒径分布选择合适过滤精度的烧结金属滤芯, 这对实现过滤器长周期稳定运行至关重要。另外, 对滤芯进行脉冲反吹再生时, 选择合适的反吹条件对清除滤芯孔道内部及表面的细粉尘也极为关键。
被截留在滤芯表面上的催化剂粉尘主要受到两种作用力而粘附其上, 其一是滤饼层内粉尘颗粒之间的团聚力;其二是滤饼层与滤芯外壁表面的粘合力。文献[8]表明, 高速过滤时, 滤饼层内粉尘颗粒之间的团聚力大于低速过滤时, 粒径分布越分散, 滤饼层内颗粒之间的团聚力越大。一般情况下, 低温过滤时, 粘合力比颗粒之间的团聚力大, 脉冲反吹时粘合力较难被破坏。高温过滤时, 粉尘颗粒之间粘性增大, 使得接触点变大, 易产生架桥现象, 继而增大了脉冲反吹的难度。但温度升高滤饼层孔隙率也随之增加, 这对过滤又是一个有利因素。过滤过程中, 由于滤芯本身结构以及过滤气速等因素, 滤芯外壁形成滤饼层的厚度存在差异性, 反吹时, 高压脉冲反吹气流会先吹落滤饼层最薄处, 后吹落滤饼层较厚处, 如若反吹压力不够大, 较厚处的滤饼很可能继续残留在滤芯外壁。因此, 为使滤饼完全脱落, 就需要从滤芯内部施加压力合适的脉冲反吹气流。文献对5种不同反吹压力进行了对比实验, 发现反吹压力越高, 滤芯的再生性能越好。但若反吹压力过高, 会造成二次卷吸, 对滤芯再生反而不利, 也就是说, 每种过滤介质都对应一个最大反吹压力, 如果反吹压力超过这个值, 对清灰效率并没有明显的提高。因此, 在过滤器工作时, 应选择一个恰当的反吹压力, 既能保证过滤器的长周期稳定运行, 又能节省反吹气体耗量。
2 烧结金属过滤器的脉冲反吹再生机理
对于烧结金属滤芯的再生性能的研究就是对反吹阶段。当滤芯外壁滤饼层达到一定厚度时, 过滤器压降增大气体处理量下降能耗增加, 因此, 必须对滤芯进行反吹再生, 以恢复其初始过滤能力[9]。反吹再生即是由高压气源提供高压气体给脉冲反吹系统, 将喷嘴喷出的高速气流射入滤芯管道内部, 高速气流的动能迅速转化为静压能, 使滤芯内部的压力升高, 在高压作用下, 气流沿径向渗出滤芯, 滤芯过滤介质内层的粉尘及外壁上的滤饼伴随着高压气流的渗出而脱离滤芯。从喷嘴喷出的高速气流属于射流流动, 跟据射流基本原理[10], 结合烧结金属滤芯自身的特点, 高压脉冲反吹气流的射流流动属于限制空间内可压缩气体非淹没紊动脉冲轴对称管射流, 因为连续重整工艺中是在线反吹, 高压脉冲反吹气流的射流流动还属于逆流射流。高压脉冲射流从喷嘴射出经历自由射流、限制空间射流、滤芯通道内发展以及充分发展四个阶段, 最后流出滤芯进入过滤室。高压脉冲气流在烧结金属滤芯通道内的流动规律如图3所示。
首先, 从喷嘴高速喷出的高压脉冲气体, 引射周围的气体进入烧结金属滤芯开口端, 如图3 (a) 所示。脉冲气流在此阶段属于自由射流。脉冲气体由滤芯开口端进入管道内后, 脉冲射流由自由射流转变成限制空间射流, 如图3 (b) 所示。脉冲气流进入滤芯管道内后, 仍保持扩散锥的形状。又由于脉冲射流属高速气体流动, 其轴向流速远大于径向扩散速度, 这就保证了脉冲射流先以最大速度到达滤芯底部然后再扩散到整个滤芯管道内, 从而确保滤芯外壁滤饼被均匀吹落。但实际上, 由于高压脉冲射流对滤芯内部经过滤进来的洁净气体的挤压, 不可避免的发生脉冲气流的径向渗流。脉冲主气流在到达烧结金属滤芯底端 (封闭端) 时得到了部分发展, 脉冲气流宽度也有显著增加, 如图3 (c) 所示。由于滤芯上部的原有气体被挤压的最厉害, 此处的静压最大, 所以, 径向渗流在滤芯上部率先开始, 即在滤芯上部开口端区域, 最先出现射流边界与滤芯内壁面接触。随着射流宽度的增大, 滤芯中部和底部也几乎同时与滤芯内壁面接触, 此时, 整个滤芯管道内压力达到峰值, 脉冲气流得到充分发展, 如图3 (d) 所示, 至此, 滤芯外壁滤饼层被完全吹落。
反吹气流分两部分流动, 一是高压脉冲反吹气体在金属滤芯管道内的流动;二是反吹脉冲气体在烧结金属过滤介质层和滤饼层内的流动, 文献[11,12]表明, 滤芯外壁上滤饼的脱落与滤芯内压力峰值的大小密切相关, 滤芯内部压力峰值越大, 反吹再生效果越佳, 而脉冲宽度对滤饼的脱落影响相对较小。在滤芯所承受的压力范围内, 一般来说, 滤芯内压力峰值越大, 滤饼越易脱落, 过滤介质层中细微粉尘越易被吹出, 反吹再生效果越好。
在连续重整过程中, 反吹气流对过滤系统的扰动也是评价反吹再生效果的重要因素。如果反吹气对过滤系统的扰动过大, 则会影响输送气大小, 导致催化剂的提升出现问题, 同时, 还会影响淘析气流量, 导致粉尘不能被彻底淘析出去。因此, 在过滤器反吹再生时应根据实际运行情况, 选择适宜的脉冲反吹操作条件。
3 结论
本文介绍了国内外连续重整催化剂粉尘收集技术, 指出烧结金属过滤器因其高过滤效率、可靠过滤性能, 良好反吹再生能力和长的使用寿命, 被广泛应用于连续重整催化剂除尘领域。介绍了烧结金属过滤器粉尘收集的四个阶段:起始阶段, 中间阶段, 稳定阶段, 反吹阶段, 说明了烧结金属过滤器的除尘机理。还介绍了滤芯脉冲反吹再生机理为烧结金属过滤器在连续重整工艺中的应用提供了一定的指导。
摘要：在连续催化重整过程中, 贵金属催化剂因磨损会产生粉尘。收集粉尘既保护下游设备, 又具有经济效益。烧结金属过滤器具有可靠、高效的过滤性能, 已在连续重整催化剂除尘领域得到了广泛的应用。针对烧结金属过滤器在线再生不彻底, 以及反吹气对工艺系统扰动较大的问题, 研究了一定过滤压降增量下, 反吹压力及脉冲宽度对过滤器再生效果及系统的影响, 确定了烧结金属过滤器在线反吹的适宜操作条件。这对烧结金属过滤器在连续重整工艺中的应用具有一定的指导作用。
过滤能力 篇5
关键词：旋转流场,荷电膜,过滤器,过滤特性
自上世纪60年代以来, 膜分离技术发展至今面临诸多问题, 其中, 最重要的问题:怎样延缓膜通量的衰减、降低荷电膜污染。通过消减浓差极化、膜表面滤饼层形成, 可以达到延缓膜通量衰减的效果, 目前的主要手段是提高膜表面水力剪切作用, 即提高膜面剪切率。在提高膜面剪切率的各种方法中, 目前最行之有效的是通过形成沿膜表面切向高速流动的待处理原料液旋转流场, 即切向流过滤 (cross flow filtration, CFF) , 此举可解决膜表面浓差极化问题。
1 实验
1.1 实验装置
为达到最佳效果, 本实验中的荷电膜采用孔径为0.8的聚四氟乙烯荷电膜膜 (PTFE) , 取自东营福斯特石油技术有限公司。膜组件两侧压差分为两种模式进行测量:低压时使用量程为0k Pa~40k Pa的EJA110A差压变送器, 精度等级为0.1%;高压时采用量程为0k Pa~300k Pa的AM1151电容式差压变送器, 精度等级为0.5%。两种模式的输出电流均为4 m A~20m A, 通过HK-PCI812数据采集板 (综合误差≤0.2%) , 电信号由差压变送器输出, 并输入到计算机。本实验选用LZB玻璃转子流量计作为膜组件流量计量装置, 该转子流量计的测量范围是60 L/h~600L/h、测量精度等级为1.5%。在料液罐中, 安装温度控制装置和自制搅拌器, 一方面为了控制温度, 另一方面也保持了料液的均匀性。为保证实验取水样与采集时的温度一致, 本实验采用温度范围-5℃~100℃, 波动度℃的THD-0515W型低温恒温槽, 以达到保持水样恒温的目的。
1.2 实验材料
采用含油污水 (取自胜利油田某污水站) 和去离子水作为本文实验所用水样。含油污水的主要物理指标有:悬浮固体含量10mg/L~50mg/L, 总矿化度48497.1mg/L, 含油量为20 mg/L~100mg/L (通过721分光光度计测量获得) , 悬浮物粒径中值为4左右 (通过COULTER MULTISIZERⅡ库尔特全自动颗粒粒度分析仪测定含油污水获得) 。经测试含油污水中的油和悬浮物颗粒的Zate电位在-4mv~-16mv之间;实验所用膜材料是聚四氟乙烯荷电膜 (PTFE) , 表面Zate电位在-20mv左右;过滤器为不锈钢材质, 尺寸为Φ600mm×1800mm。
2 实验结果及其分析
2.1 实验理论及原理
根据牛顿黏性定律, 液体流动的切应力 (也称剪应力) r (kg/m2) 与液体的剪切速率成正比, 如式 (1) 。
式中为剪切速率, 单位s;μ为动力粘度, 单位kg·s/m2。
2.2 实验结果及分析
2.2.1 不同浓度过滤液对过滤通量的影响
旋流荷电膜过滤器中过滤通量的大小受浓度的大小影响甚大。在入口压力值及出口压力值分别为0.05MPa和0.034MPa时, 本文研究了悬浮液浓度为20、40、60、80、100ppm及去离子水五种工况下的过滤通量随时间的变化。
2.2.2 膜污染阻力对过滤器过滤性能的影响
实验中给出两种膜器稳态时膜两侧的压差。在相同的工况下, 稳态时受阻力的程度为:普通错流微滤膜器大于旋流荷电膜过滤器。这是因为旋流荷电膜过滤器中存在旋转剪切流, 能够缓解膜器的污染程度。同时, 稳态时膜两侧的压差较低时旋流荷电膜过滤器较普通错流微滤膜器的另一个优势, 达到降低静压的效果, 这与前面在分析通过旋流发生器的流体会发生旋转, 从而发生降低静压的结论一致。
3 结语
通过研究旋流荷电膜过滤器中影响过滤通量的某些操作参数, 就旋流荷电膜过滤器与普通错流膜过滤器的过滤性能展开了对比研究, 经分析可以有以下结论: (1) 旋流荷电膜过滤器中过滤通量的大小受浓度的大小影响甚大。简而言之, 两者成反比。当增大浓度的值, 过滤通量反而降低, 并且随时间的变化。
其衰减程度越来越显著。另外, 达到稳态时间会随着浓度的增大而缩短, 导致在有限的稳态时间内过滤通量较低。以此同时当去离子水的过滤通量达到最大值时, 视外界为理想环境下, 那么过滤通量可作为一个不随时间变化的常数。 (2) 入口压力是影响旋流荷电膜过滤器中过滤通量的一个重要因素。随着入口压力的增大, 过滤通量会随之小幅度增加, 但入口压力增大到一定值时, 过滤通量反而会降低, 那么应存在最优的一个入口压力值。针对该实验的研究, 在取物料浓度为40ppm, 出口压力值为0.018MPa的条件下, 最优的入口压力值为0.025MPa。 (3) 通过与普通管式错流膜过滤器的对比, 可以看出旋流荷电膜过滤器的强化作用在悬浮液低浓度下较为明显。
参考文献
[1]吕斯濠, 秦琦, 张杰琳, 等.旋转剪切强化膜过滤技术研究进展[J].化工进展, 2012, 31 (11) :2373.
[2]蔺爱国, 刘培勇, 刘刚, 等.膜分离技术在油田含油污水处理中的应用进展[J].工业水处理, 2006, 26 (1) :5-8.
过滤能力 篇6
一次性使用输血器具用尼龙血液过滤网 (以下简称“过滤网”) 供安装于输 (采) 血器滴斗中或附件上, 用于滤除血液或血制品中的凝血块、杂质和异物等。过滤网的过滤性能是衡量过滤网好坏的一项重要指标。长期以来, 过滤网的过滤性能一直用标准滤网和人体血液进行评价[1~4]。使用人体血液评价具有以下缺点: (1) 标准滤网的可得性差; (2) 受我国有关法规的限制, 血液的可得性差; (3) 用血液试验, 会对试验人员带来安全隐患; (4) 试验结果受供血者、抗凝剂、贮存条件等诸多因素影响, 血液中的凝血块波动大, 导致试验结果重复性差。在过滤网的行业标准制定过程中, 我们尝试采用市售的适宜规格的标准粒子代替血液评价法对血液过滤网进行评价, 在开展了相关的理论分析和试验验证的基础上, 成功建立了用标准粒子评价过滤网过滤性能的试验方法。
1. 背景信息
过滤网的组织一般由尼龙66和尼龙1010单丝编织而成。目前常见的血液过滤网组织结构为单经单纬和单经双纬的平织结构。
现行国家标准GB 8369–2005《一次性使用输血器》 (ISO 1135-4:2004, MOD) 、GB 19335–2003《一次性使用血路产品通用技术条件》和相关的血液分离器材标准等均涉及到过滤网过滤性能要求及试验方法, 试验方法均采用标准滤网[丝径 (100±10) µm, 孔径 (200±20) µm的尼龙66输血过滤网]和人体血液进行评价。如前所述, 用血液开展试验, 实验室会面临着诸多实际困难致使试验无法开展。
为了规避这一标准实施难题, GB 8369-2005附录A.4中给出了“如果经检验, 供试血液过滤网丝径不大于100µm, 孔径不大于200µm, 可以免做过滤效率试验”的注释, 以减少或避免使用人体血液进行试验。这一规定意味着, 只有当待测过滤网达不到孔径和丝径的上限要求时, 才要求用血液做该试验。尽管如此, 试验人员一旦遇到网孔尺寸不符的情况, 仍会面临用血液试验带来的诸多不可操作的实际问题。
值得一提的是, GB 8369中只给出滤除性能的下限要求, 这相当于只规定了过滤网孔径的上限要求, 而没有给出过滤网孔径的下限要求。但在实际使用中对过滤网孔径的下限也有一定要求, 过滤网孔径过小, 会阻止血红细胞通过。在GB8369标准中提出的标准滤网孔径 (200±20) µm。对此我们认为, 理想的过滤网孔径应为 (200±20) µm。目前, 测量过滤网孔径的方法是在适宜倍数的显微镜下进行测量, 但在显微镜下发现, 一个过滤网上的孔径是不均匀的 (见图1) 。受显微镜视场所限, 局部测量的网孔孔径不能很好地代表过滤网整体孔径。
2. 过滤网过滤性能新方法原理和分析
2.1 原理
为了建立既有效又便于操作的评价过滤网过滤性能方法, 我们提出了用两种粒径的标准粒子分别控制过滤网孔径的上限和下限的设想。这两种规格粒子的作用类似于零件孔径测量中的“止规”和“通规”。理论上, 如果过滤网能有效拦截最小尺寸为220µm的粒子 (起止规作用, 控制网孔上限) , 而又能使最大尺寸为180µm的粒子全部通过 (起通规作用, 控制网孔下限) , 就表明网孔是在 (200±20) µm范围内。
2.2 标准粒子的确定
我们对市售的240µm和160µm粒子技术指标 (见表1) 进行了分析。由表1给出的标准粒子参数可知, 对于标称粒径为240µm的标准粒子, 95%的粒子落在221µm (239–2S=221) 至257µm (239+2S=257) 的范围内;对于标称粒径为160µm的标准粒子, 95%的粒子落在151µm (158–2S=151) 至165.5µm (158+2S=165.5) 的范围内。可见, 240µm的标准粒子95%的置信水平的最小粒子粒径为221µm, 仅比标准网孔的上限大1µm, 以此作为过滤网孔径的上限非常适宜。而160µm标准粒子95%的置信水平的最大粒子粒径为165.5µm, 比标准网孔的下限小14.5µm。考虑到GB 8368并未对过滤网孔径提出下很要求, 推荐采用粒径为160µm标准粒子控制过滤网孔径下限是适宜的 (略为保守一些) 。
两种粒子的分布和滤网网孔孔径合格范围分布的综合分析示意图见图2。如果将对240µm标准粒子的截留率和160µm标准粒子的通过率定为97.5%, 那么理论上网孔孔径165.5µm~221µm范围内的过滤网即能通过测试要求。为了留出一定的试验安全裕度, 考虑在标准中将过滤网对240µm标准粒子的截留率定为不小于95%, 对160µm标准粒子的通过率应不小于95%。
3. 方法验证
3.1 目的
验证输血器用血液过滤网新的过滤性能的适宜性。
3.2 验证样品
试验用的血液过滤网由血液过滤网专业生产企业提供。供验证的样品7批, 其中国外生产厂家1批, 国内生产厂家6批, 图3给出了这些样品中典型结构示例。
3.3 试验液
用满足表1要求的粒子分别制备240µm标准粒子试验液和160µm标准粒子试验液, 两种试验液浓度约为200个/100 m L。
3.4 冲洗液
经孔径为0.2µm的微孔滤膜过滤, 5µm以上的微粒数不超过10个/m L的水。
3.5 试验条件
试验应在洁净的环境中进行, 如可能, 在层流下进行。
3.6 试验步骤
3.6.1 240µm粒子的截留率
(1) 用量筒取240µm标准粒子试验液100m L, 用无污染的方法按照输血方向使试验液流过过滤网, 并使流出液全部通过一个孔径为0.8µm、直径47 mm格栅滤膜。
(2) 用同一个量筒取适量 (不少于100 m L) 冲洗液, 按照输血方向使冲洗液流过同一个过滤网, 并使流出液全部通过同一个孔径为0.8µm、直径47 mm格栅滤膜, 使通过过滤网的粒子被滤膜截留。
(3) 将留有粒子的格栅滤膜放在适当的显微镜载玻片或托盘上, 在40×的放大倍数下对不小于50%的网格面积进行粒子计数, 明显的非试验粒子不计。
(4) 按下式计算过滤网对240µm粒子的截留率。
式中:
η—截留率, %;
N0—试验液中测得的粒子数, 个;
N1—格栅滤膜上测得的通过过滤网的粒子数, 个。
3.6.2 160µm粒子的通过率
(1) 用量筒取160µm标准粒子试验液100m L, 用无污染的方法按照输血方向使试验液流过过滤网, 再用同一个量筒取适量 (不少于100m L) 冲洗液, 按照输血方向使冲洗液流过同一个过滤网。
(2) 用镊子夹住该过滤网网口, 并将其放入装有适量冲洗液的烧杯中, 过滤网网口基本与液面持平或略高于液面, 然后将滤网在烧杯中水平往复运动至少5次 (保持过滤网网口基本与液面持平或略高于液面) , 以洗脱粘附在过滤网外部的粒子, 取出过滤网并倒掉烧杯中的洗脱液。重复该操作一次。
注:粘附在过滤网外部的粒子视为已经通过了过滤网。
(3) 用镊子夹住该过滤网底部, 将其浸入装有适量冲洗液的烧杯中, 将滤网在烧杯中左右上下往复运动至少5次以洗脱过滤网内部被截留的粒子, 取出过滤网并将烧杯中的洗脱液全部通过一个孔径为0.8µm、直径47 mm格栅滤膜。重复该操作一次。
(4) 用同一个烧杯取适量 (不少于100 m L) 冲洗液通过同一个格栅滤膜;将留有粒子的格栅滤膜放在适当的显微镜载玻片或托盘上, 在40×的放大倍数下对不小于50%的网格面积进行粒子计数, 明显的非试验粒子不计。
(5) 按下式计算过滤网对160µm粒子的通过率。
式中:
η—通过率, %;
N0—试验液中测得的粒子数, 个;
N1—格栅滤膜上测得的被过滤网截留的粒子数, 个。
4. 验证结果及结论
4.1 结果
验证结果见表2。
4.2 结论
从表2给出的验证数据来看, 7批血液过滤网对240µm标准粒子的截留效率全部为100%, 对160µm标准粒子的通过效率全部为100%。试验结果表明, 七组样品均能有效截留240µm的标准粒子, 说明240µm的标准粒子起到了“止规”的作用;七组样品均能使160µm的标准粒子通过, 说明160µm的标准粒子起到了“通规”的作用。试验结果表明, 至少在95%的置信水平下, 各过滤网的网孔孔径均在165.5µm~221µm范围内。
5. 结束语
建立用240µm和160µm的标准粒子评价过滤网过滤性能的新方法, 并使之标准化, 解决了长期以来不能准确评价过滤网过滤性能的世界性难题。该方法相对于传统的人体血液法具有复现性好, 操作简便、试验材料可得性强、避免因使用血液带来的安全隐患等优点, 可用于过滤网和输血器具生产的过程控制。也为修订GB 8369《一次性使用输血器》等相关标准创造条件。
由于用血液评价过滤网过滤性能的方法一直处于名存实无的状态, 目前尚不能开展两种方法的比对试验。
在考虑确定过滤网过滤性能指标时, 考虑到两个规格的粒子理论上各有2.5%粒子落入所不期望的范围 (165.5µm~221µm) 内, 同时, 考虑到标准粒子生产的批间差, 有必要适当附加一个有利于过滤网生产方的裕度。综合以上考虑, 在我国过滤网的行业标准的制定和审查过程中, 最终确定了对240µm标准粒子的截流率和对160µm标准粒子的通过率均应大于95%的指标要求。
摘要：建立一种使用240μm和160μm的标准粒子溶液评价尼龙血液过滤网过滤性能新方法, 代替传统人体血液的评价方法。并通过试验证实, 用该方法评价过滤网的过滤性能具有良好的重复性, 操作简便、试验材料可得性强、避免因使用血液带来的安全隐患等优点。可用于尼龙血液过滤网和输血器生产的过程控制。
关键词：尼龙血液过滤网,标准粒子溶液,过滤性能
参考文献
[1]ISO 1135-4:2004 Transfusion equipment for medical use-Part 4:Transfusion sets for single use
[2]GB 8369-2005《一次性使用输血器》
[3]GB 19335-2003《一次性使用血路产品通用技术条件》
协同过滤算法研究综述 篇7
随着网络和电子商务的迅猛发展, 用户可以在网上随意寻找自己感兴趣的商品, 但随着信息爆炸式增长, 用户在这过程中浪费了很多时间, 个性化推荐系统对电子商务网站的业绩有很深的影响, 其主要作用表现在以下几方面:可以把随意浏览网站的潜在客户转变为实际购买者;提升电子商务网站交叉销售能力;提升客户对网站的忠诚度。其中协同过滤技术是目前运用最广泛的个性化推荐技术。
1 协同过滤算法
协同过滤技术是通过收集整理过去用户产生的数据来寻找邻居用户, 其基本原理是根据相似用户的兴趣来推荐当前用户没有参与但是很有可能会感兴趣的项目, 所基于的假设是如果两个用户兴趣类似, 那么很有可能当前用户会喜欢另一个用户所喜欢的项目。协同过滤推荐技术分为3个阶段:评分数据表示;最近邻居形成;推荐项目集产生
1) 评分数据表示:将用户对于项目的评分收集整理后描述成一个的用户-项评分矩阵, 其中m表述用户数, n表式项目数。矩阵中元素表述用户对项目的评分;
2) 最近邻居形成:指根据项目评分矩阵来发现目标用户的最近邻居。协同过滤技术是通过计算用户之间的相似性来找到目标用户的最近邻, 所以算法的关键就在于如何准确找到目标用户的最近邻。常用的用户之间的相似度算法有Pearson相关系数和余弦相似性;
3) 推荐项目集产生:目标用户的最近邻居集产生后, 可以得出目标用户对未评分项的预测分, 将分值按照高低排列, 产生TOP-N的推荐项目集合;
这就导致了协同过滤技术过分依赖于用户评分, 但目前电子商务网站的用户和商品数量一直在上升, 同时用户对商品项的评分却非常稀少, 通常在1%以下, 使得用户-项目评分矩阵过于稀疏, 导致个性化推荐质量下降:
1) 评分矩阵稀疏使得寻找最近邻的准确度降低;
2) 冷启动 (cold-start) 问题, 此问题是稀疏性的极端情况, 指当新用户或新项目进入到推荐系统中时, 由于没有历史数据, 导致无法产生推荐集。
针对评分矩阵稀疏性问题许多研究人员对协同过滤算法提出了改进, 本文系统的归纳和分析了各算法的研究情况, 同时为协同过滤算法提供了几点研究方向。
2 改进的协同过滤算法综述
2.1 结合项目相似性和时间函数的协同过滤算法
刘芳先等分析传统协同过滤算法的局限于以下三点:
1) 传统算法对于用户之间的相似度是通过两用户共同给予的项目评分来计算的, 却没有考虑项目是否相关, 如一用户对于某书籍的兴趣可能跟他看过的书有关, 而跟他评价过的服装没关系;2) 随着时间变化用户的兴趣也会变化的, 这点传统算法却没有考虑到;3) 传统的协同过滤算法在计算项目间相似性, 没能将项目特征考虑在内, 导致相似性度量不够准确。
在此基础上刘芳先提出来改进算法, 其主要思想是将项目的相关性引入到用户相似性的计算公式中, 同时在预测新目标项的得分时引入了时间加权函数, 时间加权函数能反映出用户对最近点击的项目兴趣较大, 新数据对于预测得分影响大, 而旧数据体现的是用户之前的兴趣, 所以在预测上占权重较小。
这种改进算法在计算用户相似性的时候引入项目相似度, 这样可以在一定程度上减少不相关的项目对于推荐结果的影响, 同时将时间函数引入了预测得分的公式中, 一定程度上反映出随用户趣变化得到推荐集也不同。但是这算法依然对用户-项目评分矩阵依赖性太大, 不利于解决数据稀疏性问题。
刘勇在分析了计算项目相似度时碰到的问题:当两项目只有很少用户给予评分, 同时给予评分的用户所关注的项目特征可能不是目标用户所关注的特征, 这会导致推荐质量下降。基于这类问题, 刘勇提出了改进的相似度计算公式:
si=m (i, j) mituetumal__nunumm×cios* (i, jj)
Mutual_num表示对于项目i、j都评分的用户数目, item_num表示对项目i, j中任何一个有评分的用户集合数目。
2.2 降维处理
文献[7]为了降低项目评分矩阵的稀疏性, 提升推荐精度, 提出了一种基于主成分降维技术和K-means聚类的混合协同过滤新算法。算法先对用户-项目矩阵进行缺失值填充, 然后运用主成分分析技术提取主成分因子, 在降低矩阵的维数同时保证大部分信息没有损失, 在降维后的向量空间上进行K-m eans聚类, 找到目标用户的最近邻, 最后得到目标用户对于未评分项目的预测值, 从而产生推荐集。该算法在一定程度上缓解超高维空间寻找最近邻问题。
文献[8]提出了基于项目聚类的协同过滤, 算法主要思想是结合项目评分与项目属性的项目相似度, 再对项进行聚类。聚类可以通过一些聚类算法将项和用户聚成若干子类, 再在各小类中产生推荐集。张娜等先计算项目相似度再用k划分聚类算法进行项目聚类, 产生k个用户-项目子矩阵, 然后对已有的项目聚类结果用k划分算法进行客户聚类, 最后在目标用户所在的几个矩阵中寻找最近邻。
2.3 结合基于内容推荐的协同过滤算法
文献[10]在分析了传统协同过滤在处理新项目和新用户问题上的瓶颈提出了结合基于内容推荐的协同技术。协同过滤算法过分依赖于用户评分, 而对于新项目和新用户没能产生评分数据, 推荐集中就不会出现, 但基于内容的推荐算法对于每个用户都有用户描述, 其中记录了用户感兴趣的内容。可以根据用户喜好和项目的特征信息, 推荐给与目标用户特征相似的项目, 这就能较好的解决这一问题。
虽然这算法可以一定程度上解决“新项目”问题, 但也存在一定的局限:用户或项目特征提取能力有限, 目前只能进行简单的提取, 对于项目特征不能做到准确的定位, 基于内容的推荐现阶段只能对文本内容提取, 而对于一些影像, 图像很难做到提取特征。
2.4 结合基于关联规则的协同过滤算法
文献[11]提出了一种结合关联规则和协同过滤的算法, 其主要思想是:先通过关联规则在商品项中找到频繁项, 再将这些频繁项捆绑在一起对目标用户进行推荐, 这就可以更好更多的产生推荐集了。但是目前这方面算法研究还处于初级阶段, 可以从以下几方面进行进一步的研究:1) 如何将Web日志预处理更好的融入到协同过滤中去;2) 面对数据快速更新速度, 如何剔除无用的信息, 保证推荐及时性和准确性;3) 如何更好的将这一推荐技术应用到实践中。
2.5 其他的一些改进算法
傅鹤岗[12]等在分析了传统协同过滤算法在用户数量快速增长的时代下所需要付出的代价很大, 提出了基于模范用户的协同过滤算法。其主要思想是:用户的兴趣常集中在某几个特定区域, 可以先对用户进行聚类, 使得类内相似度高而类间相似度低, 再在这基础上产生推荐集。施凤仙[13]等提出了结合项目区分用户兴趣度的协同过滤算法, 其主要思想是在计算用户相似度时对于不同的项目所占的权重不同, 因为用户对于很多大众流行产品评分很高但不能真正反映用户的兴趣度,
3 总结与展望
随着电子商务迅速发展, 用户及商品项都呈现爆炸式增长, 同时用户对商品项的评分又过于稀少, 导致数据过分稀疏, 对于未来个性化推荐系统发展来说这是个瓶颈。本文总结了大量研究人员提出的改进算法, 这些算法在一定程度上能解决数据稀疏性问题。但这一问题一直都存在, 因此对该算法如何改进还需要进一步研究探讨, 下一步的工作可以从以下几方面进行:
1) 建立一套完善的评分激励制度。这可以从根本上解决数据稀疏性问题, 完善的激励制度可以使得用户愿意客观的去给予商品项评分, 通过这项制度, 可以得到更多准确, 可信度高的评分项, 从而利于推荐系统产生推荐集;
2) 与政府及企业部门共享客户资料。目前的政府和企业都有一套完善的管理系统, 其中包含了很多个人信息, 如果可以将这些信息和电子商务网站上的客户信息整合, 那数据稀疏性问题可以得到一定程度的解决;