Фильтр глубины
Глубинные фильтры — это фильтры , в которых используется пористая фильтрующая среда для удержания частиц по всей среде, а не только на ее поверхности. Глубинная фильтрация, характеризующаяся наличием нескольких глубоких пористых слоев, используется для улавливания твердых загрязнений из жидкой фазы. [ 1 ] Эти фильтры обычно используются, когда жидкость содержит большое количество частиц, поскольку по сравнению с фильтрами других типов они могут удерживать большую массу частиц до того, как засорятся. фильтруемая [ 2 ]
Доступные дизайны
[ редактировать ]Были реализованы различные конструкции, чтобы обеспечить осуществимость процессов, сохраняя при этом основную цель глубинных фильтров.
| Дизайн | Характеристика | Количество циклов | Размеры | Промышленное применение |
|---|---|---|---|---|
| Колодки и панели (кассеты) | Толстые листы или более тонкие листы сложенного фильтрующего материала прямоугольной формы.
Упакован в прямоугольную раму с разделительной перегородкой. [ 3 ] |
Используется только для 1–2 циклов очистки. | Доступен в размерах 400, 1600 или 3600 см. 2 с потоком 75 л/ч по каждой пластине и может быть увеличен до 130 л/ч за счет полирующей фильтрации. [ 4 ] | Еда и напитки – фруктовые соки, безалкогольные напитки.
Химическая промышленность – Производство красок, органических растворителей, чернил. Нефть – Воск, керосин Винодельня, [ 4 ] косметика |
| Толстый картридж [ 5 ] | Цельный кусок фильтрующего материала, намотанный на перфорированный цилиндр из металла или жесткого пластика, внутри которого протекает жидкость или газ с растворенным веществом. | Как только фильтрующий материал достигает максимальной нагрузки по растворенным веществам, картридж выбрасывают. Обратная промывка позволяет фильтру выполнить больше циклов очистки. | Домашние фильтры для воды и бассейнов
Промышленное разделение углеводородного топлива [ 6 ] | |
| Глубокий слой (песчаный фильтр) [ 3 ] | Фильтрующий материал имеет раствор сверху и использует силу тяжести для фильтрации частиц. Это самый старый и простой метод фильтрации. | Несколько циклов фильтрации и обычно очищаются путем изменения направления потока. | Виды глубокой кровати
|
Питьевая вода, очистка после очистки сточных вод, предварительная очистка для опреснения |
| Чечевицеобразный [ 4 ] | Многоярусная конструкция дисков – уплотнения механического сжатия (семь уплотнений на восьмиячеечный фильтр) между пластиковыми «ножевыми краями» и фильтрующим материалом. | Диаметр диска 300 или 400 мм. | Ферментированные продукты, фильтрация масла каннабиса |
Применение глубинных фильтров и преимущества
[ редактировать ]Использование глубоких песчаных фильтров в качестве заключительного этапа очистки муниципальной питьевой воды значительно возросло за последнее десятилетие, причем их применение варьируется от осветления и обработки питьевой воды до очистных сооружений, где сточные воды необходимо очищать перед сбросом. . [ 1 ]
Основными процессами глубокой фильтрации, используемыми в настоящее время, являются прямая фильтрация и контактно-флокуляционная фильтрация. Прямая фильтрация включает короткий период стадии предварительной флокуляции, за которой следует процесс фильтрации. [ 7 ] На очистных сооружениях большая часть взвешенных веществ и других загрязнений успешно удаляется после первичной и вторичной очистки. Для удаления оставшихся твердых частиц и органических соединений из потока сточных вод используется метод прямой фильтрации с предварительной флокуляцией. Поскольку процесс отделения загрязнений происходит в фильтрующем материале, необходимо регулярно контролировать такие факторы, как время флокуляции, скорость фильтрации и дозировка флокулянта, поскольку они могут напрямую влиять на размер образующихся флокулянтов. Это жизненно важно для процесса, чтобы предотвратить потенциальное засорение или биологическое засорение фильтрующего слоя.
Преимущества, связанные с этим процессом, включают возможность производить большие флокулянты, которые затем можно фильтровать. Другим преимуществом метода глубинной фильтрации является гибкость в выборе расположения фильтров, что позволяет получить высокую емкость хранения твердых частиц, сохраняя при этом уровень энергопотребления в приемлемом диапазоне. [ 1 ] Обратной стороной использования прямой фильтрации является то, что микробы способны расти внутри каналов фильтра и, следовательно, размножаться в течение длительных периодов эксплуатации. Такое размножение организмов внутри матрицы фильтра может привести к загрязнению фильтрата.
Глубинная фильтрация также широко используется для осветления клеточных культур. Системы клеточных культур могут содержать дрожжевые, бактериальные и другие загрязняющие клетки, и, следовательно, эффективная стадия осветления жизненно важна для отделения клеток и других коллоидных веществ для получения клеточной системы, свободной от частиц [9]. Большинство глубинных фильтров, используемых в фармацевтических процессах, таких как сбор клеточных систем, состоят из целлюлозных волокон и фильтрующих добавок. Глубинные фильтры с прямым потоком представляют собой экономически выгодное решение, улавливая загрязнения внутри канала фильтра, обеспечивая при этом максимальную скорость восстановления продукта. К другим преимуществам этой системы относятся низкие затраты на электроэнергию, поскольку насосы, используемые в глубинных фильтрах, требуют минимальной потребляемой мощности из-за небольшого давления внутри системы. Глубинная фильтрация также является гибкой с точки зрения возможности масштабирования системы в большую или меньшую сторону, обеспечивая при этом высокий уровень выхода (>95%). [ 8 ]
Ограничения глубинной фильтрации в конкурентных процессах
[ редактировать ]Помимо глубинной фильтрации, для различных промышленных применений также используется ряд методов мембранной фильтрации, таких как обратный осмос, нанофильтрация и микрофильтрация. [ 9 ] Они используют тот же принцип, отфильтровывая загрязнения, размер которых превышает размер фильтра. Главной отличительной особенностью среди них является эффективный размер пор. Например, микрофильтрация позволяет крупным частицам проходить через фильтрующий материал, тогда как обратный осмос задерживает все частицы, за исключением очень мелких частиц. Большинство мембранных фильтров можно использовать для окончательной фильтрации, тогда как глубинные фильтры, как правило, более эффективны при использовании в целях осветления. [ 10 ] следовательно, комбинация этих двух процессов может обеспечить подходящую систему фильтрации, которую можно адаптировать для многих применений.
Оценка основных характеристик процесса
[ редактировать ]Характеристики процесса, такие как скорость фильтрации и фильтрующий материал, являются важными факторами проектирования и сильно влияют на производительность фильтра, поэтому необходим непрерывный мониторинг и оценка для обеспечения большего контроля над качеством процесса.
Скорость обработанного потока
[ редактировать ]Скорость потока определяется как отношение движущей силы к сопротивлению фильтра. Два традиционных типа конструкции глубинных фильтров: быстрые и медленные фильтры работают со скоростями 5–15 м/ч и 0,1–0,2 м/ч соответственно; тогда как песчаные фильтры под давлением имеют расчетную скорость потока 238 л/мин. [ 11 ] Во время работы скорость фильтрации снижается из-за увеличения сопротивления фильтра, поскольку частицы задерживаются в фильтрующем материале. Скорость фильтрации влияет на скорость засорения: высокая скорость фильтрации приводит к более быстрому образованию отложений. Пилотные испытания показывают, что чем выше скорость фильтрации, тем меньше площадь фильтрации, в то время как увеличение скорости фильтрации сокращает время до прорыва, уменьшает время до потери напора (увеличивает потерю напора) и приводит к более коротким пробегам и меньшим оптимальным глубинам. Они также демонстрируют, что более высокие скорости фильтрации могут быть достигнуты за счет использования материалов большего диаметра и увеличенной глубины. Высокие скорости фильтрации зависят от конструкции фильтрующего материала, при этом самая высокая скорость фильтрации в эксплуатации составляет 13,5 галлонов в минуту/фут2. [ 11 ]
Обратная промывка глубинных фильтров
[ редактировать ]Источник: [ 12 ]
Обратная промывка является важной операцией, используемой для удаления отфильтрованных твердых частиц, поскольку их накопление со временем приводит к увеличению сопротивления фильтрации. Обратная промывка предполагает изменение направления потока жидкости при использовании чистой жидкости. [ 13 ] Этот процесс используется в течение времени в диапазоне 5–15 минут с типичным расходом потока на единицу площади в диапазоне 6,8–13,6 л/м2·с. [ 13 ] В большинстве конструкций обычно используется обратная промывка один раз в день работы. Работа глубинных фильтров по своей сути циклична из-за необходимости удаления твердых частиц, образующихся в процессе, поэтому обычно используются два или более агрегатов, чтобы обратная промывка не мешала фильтрации. Эффективная обратная промывка происходит при псевдоожижении фильтрующей среды. Скорость потока при псевдоожижении обычно находится в диапазоне 20-50 галлонов в минуту/фут2. [ 13 ]
Эффективность разделения
[ редактировать ]Сообщается, что скорость удаления для песочных фильтров под давлением с размером материала обычно в диапазоне 0,3–0,5 мм составляет 95 частиц размером всего 6 мкм при размере материала 0,3 мм и 95% скорости удаления частиц размером всего 15 мкм. для носителя размером 0,5 мм. [ 14 ]
Фильтрующий материал
[ редактировать ]Существует множество фильтрующих материалов, которые можно использовать в процессах глубинной фильтрации, наиболее распространенным из которых является песок. Выбор фильтрующего материала влияет на скорость фильтрации, мутность и площадь поверхности фильтра. Потеря напора в чистом слое (перепад давления) зависит от диаметра среды, поскольку увеличение диаметра среды приводит к увеличению времени расчета потери напора. [ 11 ] Однако увеличение диаметра фильтрующего материала и скорости фильтрации приводит к снижению мутности сточных вод. [ 13 ] В качестве компенсации можно увеличить глубину среды, чтобы уменьшить влияние на мутность сточных вод. Максимальное значение глубины среды, используемое в конструкциях для высокоскоростной фильтрации, составляет 100 дюймов, тогда как максимальный размер среды, используемый в пилотных системах, составляет 2 мм в диаметре. [ 11 ] Песок, магнетит, кокс и антрацит являются наиболее часто используемыми средами частиц в промышленности, особенно из-за их широкой доступности.
Таблица [1] Технологические/проектные характеристики моносредных фильтрующих слоев для очистки сточных вод (глубокий слой): [ 13 ]
| Характеристика | Диапазон параметров | Обычно занятые
значения параметров |
|---|---|---|
| Тип носителя: Песок | ||
| Глубина носителя (см) | 90-180 | 120 |
| Эффективный размер (мм) | 2-3 | 2.5 |
| Скорость фильтрации м/ч | 5-24 | 12 |
| Тип носителя: Антрацит | ||
| Глубина носителя (см) | 90-215 | 150 |
| Эффективный размер (мм) | 2-4 | 2.75 |
| Скорость фильтрации м/ч | 5-24 | 12 |
Таблица [2] Расчетные параметры глубинных напорных фильтров: [ 13 ]
| Эффективный размер носителя (мм) | Скорость фильтрации м/ч |
|---|---|
| 0.35 | 25-35 |
| 0.55 | 40-50 |
| 0.75 | 55-70 |
| 0.95 | 70-90 |
Эвристика проектирования
[ редактировать ]Глубинную фильтрацию можно использовать при предварительной очистке для удаления взвешенных частиц из несущей жидкости, предназначенной для использования в качестве исходного потока, или в контексте осветления, когда частицы удаляются для очистки потока продукта.
При разработке глубинных фильтров используется несколько эвристик, чтобы обеспечить стабильную работу на протяжении всего срока службы фильтра.
Удержание частиц и фильтрующий материал
[ редактировать ]Зависимость между удерживанием и размером частиц не является ступенчатой функцией. Более крупные частицы легко задерживаются фильтрующим материалом; однако частицы, которые находятся в промежуточном диапазоне между номинальными частицами и компонентами отходов, труднее сохранить, и в результате они часто теряются как компонент отходов.
Чтобы максимизировать удерживающий проход для частиц различного размера, фильтрующий материал уложен слоями таким образом, чтобы секции с более высоким размером пор находились ближе к входящему потоку, улавливая частицы большего размера. Размеры пор уменьшаются по мере приближения к выходному потоку. Благодаря этому методу фильтрующий материал обрабатывает более широкий диапазон размеров частиц, что приводит к лучшему контролю удержания и продлению срока службы фильтра. [ 15 ]
Выбор фильтрующего носителя
[ редактировать ]Выбор фильтра зависит от ряда переменных, таких как нагрузка, продолжительность, форма, размер и распределение вещества, которое необходимо фильтровать. В идеале, если среда слишком велика, фильтрат будет низкого качества, поскольку он не сможет собирать частицы внутри своей матрицы. И наоборот, если среда очень мала, твердые частицы будут скапливаться на поверхности картриджа, вызывая почти немедленную закупорку. Что касается формы, то использование зерен круглой формы имеет тенденцию к эрозии из-за давления, которое входящий поток может оказывать на систему, тогда как плоские зерна (могут увеличить площадь поверхности), однако, могут всплывать из системы во время обратной промывки. . В качестве среды для частиц часто рекомендуется использовать частицы с высокой твердостью по шкале Мооса и относительно большим удельным весом. Чем мягче и легче материал, тем более он подвержен эрозии и псевдоожижению. Таким образом, часто используются такие частицы, как кремнезем и песок, поскольку они доступны по цене, но устойчивы к высоким потокам поступающей жидкости. Коэффициент однородности является мерой однородности материала, используемого внутри фильтра. Это соотношение пор сита, пропускающее 60% материала, по сравнению с размером пор, пропускающим 10% материала. Чем ближе соотношение к единице, тем ближе частицы по размеру. Идеальная система должна иметь коэффициент от 1,3 до 1,5 и не должна превышать 1,7. Любое значение меньше 1,3 указывает на то, что оно не является необходимым для системы и может привести к более высоким затратам без предоставления какой-либо дополнительной формы оптимизации. Значение выше 1,5 указывает на то, что в системе может возникнуть больший перепад давления, что, как уже упоминалось, может привести к засорению, просачиванию потока отходов и снижению скорости фильтрации. [ 16 ] В качестве рекомендации рекомендуется, чтобы самые мелкие частицы, используемые в глубинных фильтрах, располагались на расстоянии не менее 150 мм от выходного потока во избежание псевдоожижения. [ 16 ]
Тупиковая работа глубинных фильтров
[ редактировать ]Глубинные фильтры работают как тупиковые фильтры, причем скорость входящих потоков имеет решающее значение для производительности фильтра. Высокоскоростные входящие потоки с относительно крупными частицами могут привести к возможному засорению и износу фильтрующего материала. Это приведет к увеличению перепада давления в системе. В ситуациях, когда фильтрующий материал засорен и перепад давления постоянно увеличивается, часто частицы и потоки отходов могут просачиваться через зоны внутри картриджа и проходить через выходной поток, что приводит к невозможности очистки.
Чтобы свести к минимуму последствия засорения и накопления частиц, система обратной промывки должна обеспечивать обратную промывку примерно 1–5% общего потока, работая при давлении примерно 6–8 бар. За пределами этого диапазона частицы могут фрагментироваться, что затрудняет их удаление из системы и потенциально может вызвать псевдоожижение системы. [ 14 ]
Системы доочистки и производство отходов
[ редактировать ]Основная цель глубинного фильтра – действовать как осветлитель, отделяя взвешенные твердые частицы от объемного потока жидкости и, как следствие, использоваться на заключительной стадии процесса разделения. Обычно глубинные фильтры состоят из одного выходного потока очищенной жидкости, удерживающей частицы отходов внутри своей системы. Благодаря своей длине он обладает большей способностью удерживать остатки, чем стандартные фильтры. Что касается потока отходов, часто выходной поток может быть рециркулирован в последующий фильтр, чтобы гарантировать, что поток не содержит твердых частиц. Поток отходов также может образовываться при очистке фильтрующего материала, поскольку вода проходит в противоположном направлении. Остатки, попавшие в фильтрующий материал, или смещенные частицы материала могут выйти из устройства до того, как он будет надлежащим образом утилизирован. [ 12 ]
Новые разработки
[ редактировать ]Благодаря постоянному развитию технологических процессов глубинные фильтры были модифицированы, чтобы повысить их применимость в ряде промышленных секторов.
| Дизайн | Характеристика | Улучшение | Промышленность |
|---|---|---|---|
| Под лентикулярный | Фильтрация достигается за счет таких сил, как сила тяжести и давление воды, действующих на уплотнения ножевых кромок, сжимающих фильтрующий материал и фильтрующих жидкость. |
|
Фармацевтический сектор – отделение клеточных организмов от жидкости. |
| Глубинные фильтры непрерывного действия | Применение быстрой песчаной фильтрации и улавливание грязного твердого вещества вместе с фильтрующим материалом. Струя воздуха переносит фильтрующую среду с твердым веществом в зону промывки над фильтром и отделяет. Очищенный фильтрующий материал затем добавляется обратно в фильтр с глубоким слоем. | Потоки воды и твердых частиц противотоки, что увеличивает удаление твердых частиц. | Очистка воды – улучшенные методы разделения во время предварительной очистки |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Дерек Б. Перчас и Кен Сазерленд, Справочник по фильтрующим материалам (2-е издание), Elsevier Advanced Technology (2002).
- ^ Шукла А.А. и Кандула Дж.Р., 2008, Сбор и выделение моноклональных антител из крупномасштабной культуры клеток млекопитающих. BioPharm International, май 2008 г., с. 34-45.
- ^ Jump up to: а б Кеннет С. Сазерленд, 2008. Справочник по фильтрам и фильтрации, пятое издание. 5-е издание. Эльзевир Наука.
- ^ Jump up to: а б с Мервин Смит, 2011. Солнечная энергия в винодельческой промышленности (зеленая энергия и технологии). Выпуск 2011 года. Спрингер.
- ^ Т. Кристофер Дикенсон, 1998. Справочник по фильтрам и фильтрации, четвертое издание. 4-е издание. Эльзевир Наука.
- ^ Ирвин М. Хуттен, 2007. Справочник по нетканым фильтрующим материалам. 1 издание. Эльзевир Наука.
- ^ Бен Эйм Р., Шанун А., Вишванатан К. и Виньесваран С. (1993). Новые фильтрующие материалы и их применение при очистке воды. Труды Всемирного конгресса по фильтрации, Нагоя, 273–276.
- ^ Томас П.О'Брайен, Крупномасштабное, однократное использование систем глубинной фильтрации для осветления культур клеток млекопитающих, 2012 г.
- ^ Сайед А. Хэшшам, Тупиковая мембранная фильтрация, Лабораторное технико-экономическое обоснование в области экологической инженерии, 2006 г.
- ^ РУКОВОДСТВО ПО МЕМБРАННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ, Агентство по охране окружающей среды США, 2005 г.
- ^ Jump up to: а б с д Трасселл, Р.Р. 2004, Глубокие фильтры и высокоскоростное обслуживание, издание лекций, Секция Калифорнии, Невада, Американская ассоциация водопроводных предприятий, Сакраменто.
- ^ Jump up to: а б Сазерленд, Кен (2008). «Обзор фильтрации: более пристальный взгляд на глубинную фильтрацию» . Фильтрация и разделение . 45 (8): 25–28. дои : 10.1016/S0015-1882(08)70296-9 . ISSN 0015-1882 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Арменанте, П. Глубинная (или глубокая) фильтрация, издание лекций, Технологический институт Нью-Джерси, Нью-Джерси.
- ^ Jump up to: а б Леканг, О. 2013, «Глубинная фильтрация: фильтры с гранулированной средой» в журнале Aquacultural Engineering, 2-е изд., Уайли-Блэквелл, Западный Суссекс, стр. 58-59-60.
- ^ Ли, Ю. 2008, «Рассмотрение конструкции фильтра» в микроэлектронике, применение химико-механической поляризации, изд. Ю. Ли, 1-е изд., John Wiley & Sons, Нью-Джерси, стр. 588-589-560.
- ^ Jump up to: а б Весилинд, А. 2003, «Химические и физические процессы, выбор и характеристики сред» в проектировании очистных сооружений, изд. А. Весилинд, 1-е изд., Федерация водной среды, Корнуолл, стр. 10.6-10.61-10.65.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
