În numeroasele verigi ale producției industriale, filtrele sunt echipamente cheie pentru a asigura puritatea mediilor fluide și pentru a menține funcționarea stabilă a dispozitivelor. Fie că este lichid sau gazos, ori de câte ori este nevoie de separarea impurităților sub formă de particule, tehnologia de filtrare este indispensabilă. Deci, cum realizează filtrele exact separarea particulelor? Și care sunt scenariile aplicabile pentru diferite mecanisme de filtrare? Acest articol va descrie în detaliu principiile de bază și metodele-de îmbunătățire a eficienței de filtrare industrială.
Definiția de bază și clasificarea filtrării
Esența filtrării este procesul de separare a particulelor de fluide (lichid sau gaz) prin intermediul canalelor unui mediu permeabil. În funcție de proporția de particule din fluid, filtrarea poate fi împărțită în două categorii:
- Colecția Solid Dispersat: Când particulele reprezintă o proporție semnificativă din fluid, scopul principal al filtrării este colectarea acestor particule solide.
- Purificarea fluidelor: Când proporția de particule este de numai 0,01% sau mai puțin, filtrarea vizează în principal purificarea fluidului.
În aplicațiile industriale, majoritatea filtrelor se concentrează pe separarea particulelor cu diametre cuprinse întrecâțiva micrometri până la peste 40 de micrometri-merită remarcat faptul că cele mai mici particule vizibile cu ochiul liber au un diametru de aproximativ 40 de micrometri. În ceea ce privește conversia unității, 1 micrometru (µm)=1/1000 milimetru, adică aproximativ 0,000039 inci.
Trei mecanisme de bază de separare a particulelor
Separarea solidelor în suspensie de fluide se bazează în principal pe trei mecanisme:impactul inerțial, interceptarea difuziei și interceptarea directă. Diferite tipuri de filtre și proprietăți ale fluidului afectează direct greutatea acestor trei mecanisme.
Impact inerțial: „coliziune direcțională” a particulelor mari
Particulele din fluid au masă și viteză, generând astfel forța de inerție corespunzătoare. Când particulele care transportă fluidul trec prin fibrele mediului de filtrare, fluidul va curge de-a lungul traseului cu cea mai mică rezistență și va schimba direcția în jurul fibrelor; totuși, din cauza inerției, particulele tind să mențină mișcarea liniară și în cele din urmă se ciocnesc cu suprafața fibrei și rămân prinse.
În general, cu cât dimensiunea particulelor este mai mare, cu atât este mai ușor pentru particule să se abată de la liniile de curgere a fluidului și cu atât efectul impactului inerțial este mai evident. Dar dacă diferența de densitate dintre particule și fluid este extrem de mică, particulele cu greu se vor abate de la liniile de curgere și, în acest moment, rolul impactului inerțial va fi foarte slăbit. Acest mecanism este mai potrivit pentru tratarea sistemelor fluide care conțin particule mai mari.
Interceptarea difuziei: „Capcană de mișcare aleatorie” pentru microparticule
Pentru particulele cu masă extrem de mică, impactul inerțial nu funcționează cu greu și, în acest moment,interceptarea difuzieiîncepe să joace un rol central. Astfel de microparticule se vor ciocni continuu cu moleculele de fluid, rezultând o mișcare aleatorie neregulată, cunoscută sub numele de „mișcare browniană”.
Mișcarea browniană face ca microparticulele să se abată de la liniile de curgere a fluidului, crescând probabilitatea contactului cu fibrele mediilor de filtrare și prindere ulterioară. Trebuie remarcat faptul că interceptarea difuziei are un efect semnificativ în filtrarea gazelor, dar un rol relativ limitat în filtrarea lichidelor-aceasta se datorează faptului că densitatea moleculelor lichide este mai mare, iar mișcarea browniană a particulelor este supusă unor restricții mai mari.
Interceptare directă: „Barieră fizică” pentru screening-ul mărimii
Când efectele impactului inerțial și interceptării difuziei nu sunt ideale,interceptarea directădevine o metodă cheie pentru separarea particulelor și are efecte echivalente atât în filtrarea lichidelor, cât și a gazelor.
Mediile filtrante nu sunt compuse dintr-o singură fibră, ci o structură poroasă formată prin împletirea unui număr mare de fibre, iar acești pori determină calea de trecere a fluidului. Atunci când diametrul particulelor din fluid este mai mare decât porii mediului de filtrare, acestea vor fi prinse direct pe suprafața mediului de filtrare. Chiar și particulele cu diametre mai mici decât porii pot fi reținute prin următoarele moduri:
- Particulele de formă neregulată vor „pune peste” pori;
- Când mai multe particule intră în pori în același timp, ele se vor stivui și vor bloca porii;
- După ce particulele sunt prinse, dimensiunea porilor devine mai mică, permițând reținerea particulelor mai mici;
- Efectele de suprafață, cum ar fi legăturile de hidrogen și forțele van der Waals, vor face ca microparticulele să adere la suprafețele porilor mediilor de filtrare.
Pentru filtrele cu pori uniformi și grosime subțire, cum ar fi ecranele metalice, principiul interceptării directe este mai ușor de înțeles. Pentru mediile filtrante cu pori ne-uniformi, variația dimensiunii în direcția grosimii formează trasee sinuoase ale fluidului, îmbunătățind și mai mult eficiența interceptării.
Ai grijă! Probleme cu eliberarea particulelor în timpul filtrării
În timpul utilizării filtrelor, particulele prinse pot fi re-retranse în fluidul din aval, ceea ce este strâns legat de designul structural al filtrului și de condițiile de funcționare.
De exemplu, particulele colectate de un filtru cu plasă moale în condiții de debit scăzut-și de funcționare stabile pot fi curățate și eliberate dacă se confruntă cu o stare de „șoc” cu o creștere bruscă a debitului; în plus, dacă porii mediului de filtrare se extind din cauza presiunii crescute, va duce și la desprinderea particulelor prinse.
Filtrele industriale de-înaltă calitate ar trebui să aibă o rezistență structurală stabilă, iar porii mediilor filtrante nu se vor deforma din cauza schimbărilor de presiune. Mai mult, ar trebui să aibă o grosime suficientă pentru a capta majoritatea particulelor în intervalul 10%-20% din grosimea mediului de filtrare, evitând în mod fundamental eliberarea particulelor.
Trei tehnici practice pentru a îmbunătăți eficiența filtrării lichidelor
În scenariile de filtrare a lichidelor, baza exclusiv pe mecanismele de separare de bază este adesea insuficientă. Următoarele trei metode pot îmbunătăți semnificativ eficiența de îndepărtare a particulelor a filtrelor.
Precipitații electrostatice: Utilizarea „atracției de adsorbție” a sarcinilor electrice
Majoritatea particulelor din fluidele industriale poartă sarcini negative, iar suprafața mediilor de filtrare poate fi dotată cu sarcini specifice pentru a întări efectul de captare a particulelor. Când suprafața mediului de filtrare poartă un potențial pozitiv (potențial Zeta), aceasta va atrage particule încărcate negativ prin adsorbție electrostatică.
Această metodă are avantaje proeminente: mediile de filtrare cu pori mai mari nu numai că pot prinde eficient microparticulele, dar și menține o cădere scăzută de presiune, îmbunătățind în același timp capacitatea de-reținere a murdăriei a mediului de filtrare. Cu cât densitatea de încărcare a particulelor și a mediilor de filtrare este mai mare, cu atât eficiența de interceptare a particulelor mici este mai mare.
Floculare: facerea microparticulelor „să se aglomereze și să devină mai mari”
Filtrarea directă a particulelor cu diametre extrem de mici este foarte dificilă. În acest moment,flocularepoate fi folosit pentru a agrega microparticule în altele mai mari, reducând dificultatea de filtrare și formând în același timp o turtă de filtru liberă pentru a reduce rezistența la filtrare și pentru a îmbunătăți eficiența producției.
O practică industrială comună este adăugarea de polielectroliți (cum ar fi amidonul solubil, gelurile, derivații de polietilenă etc.) în fluid. Aceste lanțuri moleculare lungi cu locuri de sarcină pozitive și negative vor adsorbi particulele cu sarcini opuse în fluid, promovând agregarea particulelor și accelerând viteza de sedimentare.
În timpul funcționării, trebuie remarcat faptul că dozarea de polielectroliți ar trebui să fie adecvată, iar intensitatea de agitare ar trebui să fie controlată în intervalul de „a putea dispersa substanțele chimice, dar nu deteriora flocurile”; pompele pneumatice sau pompele fără-forfecare ar trebui să fie selectate pentru livrarea fluidului pentru a evita ruperea floculului, iar recircularea solidelor în suspensie trebuie redusă la minimum pe cât posibil.
Ajutoare pentru filtrare: „Îmbunătățitori de eficiență” pentru optimizarea structurii turtei de filtrare
Adăugarea unei cantități mici de ajutoare de filtrare la suspensie poate îmbunătăți foarte mult eficiența de filtrare a particulelor fine. Această metodă se numește „alimentare corporală”, care este diferită de filtrarea pre-acoperire-în filtrarea pre-acoperire, adjuvanții de filtrare sunt mai întâi depuși pe suprafața mediului de filtrare înainte de introducerea suspensiei.
Rolul de bază al ajutoarelor de filtrare este de a optimiza permeabilitatea turtei de filtrare. Cel mai des folosit filtru auxiliar în industrie estepământ de diatomee, care este format din depozitele de diatomee antice, iar formele sale diverse pot îmbunătăți semnificativ porozitatea turtei de filtrare; în plus, perlitul, cărbunele activ, celuloza etc., pot fi, de asemenea, utilizați ca adjuvanti de filtrare.
Trebuie remarcat faptul că filtrarea cu ajutorul filtrului nu este utilizată singură în purificarea lichidelor, ci este instalată de obicei în amonte de filtrul cu cartuş; filtrul cu cartuș acționează apoi ca un „filtru de lustruire” pentru a capta impuritățile care pot pătrunde în stratul auxiliar de filtrare.
Concluzie
Miezul filtrării industriale este utilizarea rațională a celor trei mecanisme de impact inerțial, interceptare prin difuzie și interceptare directă în funcție de caracteristicile particulelor și tipurile de fluid. În aplicațiile practice, combinarea-metodelor de îmbunătățire a eficienței, cum ar fi precipitarea electrostatică, flocularea și ajutoarele de filtrare, poate obține rezultate de filtrare mai eficiente și mai stabile.
Alegerea filtrelor cu structură stabilă și tehnologie avansată este cheia pentru a asigura continuitatea producției și puritatea fluidului. Soluțiile de filtrare-de înaltă calitate nu numai că pot reduce uzura echipamentului, ci și pot ajuta la eficiența producției și la calitatea produselor întreprinderilor.