★ 史丽君，郑根元（浙江宇丰机械有限公司，浙江 温州 325000）

★ 徐诚角（温州市星烨科技有限公司，浙江 温州 325000）

关键词：高温熔体过滤器；自动化控制；镜面级硬密封

聚合物熔体过滤是PET和PA66制造过程中的核心工序，直接决定了产品纯净度以及加工品质。现有过滤装置普遍存在因流体分布不均引发熔体滞留、密封间隙形成流通盲区，以及滤网更换导致频繁停机等问题，难以满足大规模连续化生产的要求。进口设备虽技术先进但成本偏高且智能化水平不够，国产装备在高温高压条件下密封性能和自动化水平仍有明显短板。因此，开展高温熔体过滤器自动化运行特性的深入研究，对促进聚合物加工装备自主研发具有重要价值，同时可为提高产品质量和生产效率提供关键技术支撑。

1   高温高粘度熔体流动特性与CFD优化

PET与PA66熔体在高温下呈现显著的剪切变稀特性，其粘度随剪切速率增加而降低。本文采用Carreau- Yasuda粘度模型描述熔体流变行为，如式（1）所示：

式中： n为熔体粘度(Pa · s )， no为零剪切粘度(Pa·s)， 为无穷剪切粘度(Pa·s)， 为松弛时间(s)， & 为剪切速率(s-1)， a、n为材料常数。基于此模型建立CFD仿真，系统压力和温度分别设置成25MPa和280℃,采用大概150万个四面体非结构化网格对其进行离散处理，选用Realizable k-ε模型来描述湍流特性，并将计算残差收敛阈值设定为10-4。通过优化特殊曲面阀杆结构以及弧形过滤腔流道，有效改善了熔体流动的均匀性分布情况，减少了流体在系统中的滞留区域，同时降低了系统运行过程中的压力损失，为提高过滤精度和产品的整体质量提供了可靠的流体力学方面支撑[1]。

2   自动化系统关键技术

2.1   镜面级机械硬密封技术

传统熔体过滤器依靠橡胶或聚四氟乙烯密封圈来实现滤筒和壳体的密封，在高温高压环境下，密封材料容易发生热老化和压缩永久形变，从而削弱密封效果。如图1所示， 传统结构在滤筒结合处设置多条密封圈，形成0.1～0.5毫米的密封间隙，成为熔体滞留死角。设备运行一段时间后，物料会在间隙处积碳炭化，混入下游产品易引发色差和刺点等质量缺陷[2]。针对上述问题，本文开发了接触面粗糙度达Ra0.025微米的镜面级硬密封技术，通过精密研磨和抛光工艺让滤筒与壳体接触面达到镜面光洁度，实现了金属与金属直接贴合。该技术完全摒弃传统密封元件，消除了密封间隙和流道死角，在320℃和25MPa压力下仍能保持稳定密封性能，无需定期更换、维护传统密封件，有效提升了BOPP膜和光学薄膜的加工质量[3]。

（a）传统结构

（b）新型结构

图1 传统密封与镜面级硬密封结构对比

2.2   在线清洗与双通道切换集成系统

百万吨级产线需要过滤系统持续不断运转，而传统装备需中断运行且拆卸滤网来清洁，导致生产效率有所降低。如图2所示， 该系统采用双联结构， 两侧独立过滤通路通过切换阀相互连接，当一侧在执行熔体过滤操作时，另一侧能够同步完成在线清洗工作。清洗液从进液腔注入到滤芯内部，配合旋转刷辊对滤网进行物理刮擦，完成清洗后的液体经过清洗腔和下环腔排出[4]。液压推动装置驱动转台实现两侧通路快速切换，并将切换时长严格控制在30秒以内。系统还集成了倒L型排废结构，通过优化弯道内壁弧形方面的设计，利用管路内物料压力自动清除残留物质，以此防止废料污染过滤单元。该集成系统把过滤、清洗及切换三大功能单元无缝整合起来， 借助PLC控制系统自动识别工作状态并完成切换，保障了设备至少有一条通路处于过滤状态，进而实现持续不间断的生产目标。

图2  自清洁双联式过滤器结构与工作原理

2.3   智能化控制系统

系统采用PLC作为核心控制器，构建了融合传感技术的智能管控体系。该体系在过滤器进出口位置、熔体流通路径，以及联苯夹套等核心区域，都安装了压力和温度检测元件，用于动态获取系统运行时的各项数据。压力调控采用变频调节技术，根据进出口压力反馈调整增压泵运行速度，确保输送压力维持在25±0.5MPa稳定区间。温度管控通过联苯夹套循环加热与外部保温棉隔热，并结合盘管加热装置，将熔体温度精确控制在280±2℃,避免了介质凝固或流速异常波动。控制系统整合过滤状态实时监控、自动清洗机制触发，以及双通道无缝切换等功能，当监测到压差超出预设标准时就自动执行清洗流程并启用备用通道。此外，该系统还支持远程监控与故障排查，可通过工业以太网将设备运行数据传输至中央监控计算机，实现了设备状态图形化展示与异常情况提前预警。

2.4   系统集成与协同运行

系统将粗滤-精滤组合过滤、在线自动清洗与液压双通道切换以及智能化控制等功能模块进行一体化集成设计，粗滤装置选用100μm烧结滤芯截留较大颗粒物，精滤模块借助3μm精密滤网去除微小凝胶体，以此构建阶梯式过滤架构[5]。控制单元根据压力与温度传感器反馈的实时信息，自动判断过滤工况与清洁需求以及切换时机。在A通道执行熔体过滤任务的时候，系统同步触发B通道的清洁流程，利用循环清洗介质冲刷滤芯并通过倒L型废料通道排出污染物，清洁完成后B通道转入备用模式。当A通道压差超出阈值或者运行时间达到设定周期时，液压装置驱动转台完成通道转换，由B通道接替过滤作业， A通道随即启动清洁程序。整个协同作业全程都不需要人工介入，实现了过滤、清洁、排废及切换四环节的自动化循环。在实际运行中，该集成系统展现出卓越的连续工作性能，保障了生产线全天候稳定运行。

3   自动化运行特性分析与应用验证

3.1   运行性能参数测试

系统在实际运作时的流体传输和密封性能已经过严格测试。依据流体动力学优化设计的流道布局显著提升了熔体流动状态， 如表1所示， 流速分布均匀性、系统阻力损失以及滞留区域等核心参数都达到预设标准，优化成效相当突出。镜面级硬密封技术可在高温高压环境中保持可靠， 实测接触面光洁度为Ra0.023μm， 优于Ra0.025的设计规范。系统压力稳定维持在23.5MPa，熔体温度波动控制在±2℃区间，过滤精度达到3~100μm，各项指标均满足设计要求。连续运行测试表明，设备在720小时运行周期内没有发生泄漏或堵塞故障。双通道切换机制响应时间不超过30秒，且切换过程压力波动幅度小于0.3MPa，保障了生产流程的连续性和稳定性，充分验证了系统全天候不间断的运行能力。

表1 优化前后流动特性对比

3.2   工业应用案例

该系统在大型化纤生产企业的应用验证了技术方案的可行性。某年产50万吨PET纤维的生产线引入这个系统之后，成功实现了不间断的连续生产，大幅减少了停机检修的次数。依靠在线清洗技术，滤芯的使用周期得到了显著延长，同时备件采购的费用也大幅削减。另一家年产80万吨PA66工程塑料企业的应用结果表明，产品色差及刺点等质量问题有了明显改善， 一级品率从82%提高到了96%。据应用企业反馈， 系统双通道自动切换功能运行稳定可靠，操作人员只需借助上位机监控系统就能掌握运行状态，人力投入和传统设备相比减少了30%；镜面级密封结构连续运行6个月之后没有发生泄漏，免维护的特性得到了充分的验证。上面这两个典型案例表明，该系统凭借高度集成化和智能化的特性，能够满足大规模聚合物生产的技术需求。

3.3   经济效益与技术对比

在实际应用中，该系统展现出优异的经济效益。能耗测试结果证实，其单位产品能耗较传统设备降低了15%， 在自动化运行的同时减少了30%的人力投入，且项目投资回收周期仅1.73年。技术性能对比表明，系统流速波动幅度控制在3%以内，超越德国Gneuss公司RSFgenius系列产品10%技术标准；采用的镜面级硬密封工艺（Ra0.025），有效解决了苏州东海等国内设备普遍存在的密封件老化问题，显著提升了设备免维护能力。通过集成在线清洗与双通道切换功能，滤芯使用寿命延长至原来的3倍，年度备件支出减少约40%。经浙江省经济和信息化厅新产品技术鉴定，该系统整体技术达到了国际先进水平。用户企业反馈表明，设备连续稳定运行720小时无故障，产品一级品率由82%提升至96%，充分验证了该技术方案的创新价值与实际应用效果。

4   结语

本研究开发的百万吨级PET与PA66聚合物组合过滤及在线清洁全自动成套设备，通过CFD仿真优化显著改善了流速均匀性，镜面级硬密封技术消除了流道死角，液压双通道切换与智能控制实现了不停机连续生产。工业应用验证表明，系统运行稳定可靠，经济效益显著，技术指标达到国际先进水平，为聚合物加工装备产业升级提供了有力的技术支撑。AP

作者简介：

史丽君（1978-）女，江西景德镇人，现就职于浙江宇丰机械有限公司，研究方向为机电制造。

参考文献：

[1] 陈沛坤, 任冲. 基于CFD的PET熔体流动工况模拟及影响分析[J]. 合成纤维, 2025, 54 (10) : 1 - 5.

[2] 徐艳茹, 祖鑫晨, 姚嘉文, 等. 温度对金属硬密封三偏心蝶阀密封性能的影响[J]. 流体机械, 2025, 53 (09) : 79 - 86.

[3] 雷海森, 谢正泽, 刘敏楠, 等. 高温高压严酷工况下C型耐磨球阀密封副寿命可靠性分析[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2024, 44 (21) : 127 - 129.

[4] 邹萌萌, 刘德铭, 周朝钢. 熔喷气体过滤材料透气性能与过滤效率的优化[J]. 上海纺织科技, 2025, 53 (07) : 26 - 31.

[5] 邹萌萌, 刘德铭, 周朝钢. 气体过滤用熔喷材料过滤性能的优化探讨[J]. 产业用纺织品, 2024, 42 (09) : 9 - 14 + 20.

摘自《自动化博览》2026年5月刊