فیلتر

نام انگلیسی: Filter

سایر اسامی: صافی، پالایه

فیلتر وسیله ای است (معمولاً به صورت غشاء یا لایه ) که به صورت فیزیکی از عبور برخی مواد جلوگیری کرده و در عین حال اجازه خروج برخی دیگر را می دهد. فیلتر ها اغلب در حذف مواد جامد که بصورت معلق در سیال وجود دارند، استفاده می شود. برای مثال در حذف آلاینده های هوا ، بدست آوردن آب قابل شرب و ساختن قهوه… برخی وسایل که فیلتر نامیده می شوند ممکن است که فرآیند های دیگری نیز انجام بدهند، مثل عملیات تصفیه (مثل بیوفیلتر ها) . فرآیند عبور مخلوط از میان فیلتر، فیلتراسیون نامیده می شود. محلول بدست آمده بعد از فیلتر کردن ذرات معلق در محلول، فیلتر شده (Filtrate) نامیده می شود و باقی مانده در فیلتر، پس مانده (Residue) نام دارد. مقدمه: یکی از وسایلی که دارای کاربرد وسیعی در جداسازی ذرات جامد از سیال می باشد، فیلترها می باشند . دراین وسایل، ذرات جامد وجود در یک سیال با عبور دادن سیال از یک محیط صاف کننده یا غشاء از سیال جدا می شوند و در نهایت ذرات جامد روی غشاء باقی می مانند. این عملیات را فیلتراسیون می نامند. با این حال در صنایع فرایندی گازی، فیلتراسیون معمولاً به فرایندهایی اطلاق می شود که ذرات جامد و قطرات مایع از جریان گاز جدا شوند. راندمان جداسازی فیلتر ها از جداسازی سانتریفوژی بیشتر است اما مشکلی که در مورد فیلتر ها وجود دارد این است که غشاء متخلخل فیلتر ها باید پس از مدتی کار کردن تعویض شود . اندازه فیلتر ها نسبت به سایر جداساز ها تا حدی متفاوت است و سازنده فیلتر باید توجه کافی به توزیع سایز ذرات ورودی به فیلتر و میزان جداسازی مطلوب نیز داشته باشد. یکی از معمول ترین موادی که برای ساخت غشاء فیلتر مورد استفاده قرار می گیرد فایبرگلاس (Fiber glass) این ماده می تواند ذرات مایع ریزتر از یک میکرون را نیز ازجریان گاز جدا کند بنابراین دارای راندمان بالایی می باشد .

راندمان یک فیلتر عمدتاً بستگی به نوع طراحی آن دارد. یکی از این پارامتر های طراحی، افت فشار ایجاد شده در اثر فیلتر می باشد. افت فشاری در حدود ۱۴-۷ kpas در مورد یک فیلتر تمیز که در صنایع گازی مورد استفاده قرار می گیرد مقدار مناسبی است. اگر ذرات جامد زیادی در جریان گاز وجود داشته باشند، معمولاً زمانیکه افت فشار ایجاد شده در فیلتر به بیش از ۷۰ kpas برسد، غشاء فیلتر تعویض می شود . معمولاً از طرف شرکت های سازنده فیلتر یک سری اعداد و ارقام برای توصیف شرایط کار فیلتر ارائه می شود . به عنوان مثال جداسازی % ۱۰۰ قطرات مایع که دارای قطری بزرگتر از ۸ میکرون هستند و جداسازی ۹۹/۵ درصد ازذراتی که قطر آنها دردامنه ۰/۵ تا ۸ میکرون قرار دارد از طرف سازنده فیلتر ارائه می شود. اما رسیدن به این نتایج در محیط واقعی تا حدودی مشکل می باشد. به طور کلی سیالی که از فیلتر عبور می کند ممکن است گاز یا مایع باشد که پس از عبور از فیلتر ذرات جامد آن جدا می شود. اما ماده با ارزش حاصل از فیلتراسیون ممکن است سیال عبور کرده از فیلتر یا جامد جدا شده از جریان و یا هر دو مورد باشند. گاهی نیز هیچ یک از این دو با ارزش نمی باشد. به عنوان نمونه می توان به زمانی که ضایعات جامد را بایستی قبل از دور ریختن از ضایعات مایع جدا کرد اشاره کرد. معمولا قبل از عملیات فیلتراسیون، روی خوراک به طریقی کارمی کنند که سرعت فیلتراسیون افزایش یابد. به عنوان مثال آن را حرارت می دهند و یا تبلور مجدد می کنند. یکی دیگر از مواردی که در مورد فیلترهای ناپیوسته مهم است، استفاده از فیلتر های موازی برای تغییر مسیر جریان از یک فیلتر به فیلتر دیگر برای تمیز کردن فیلتر اول است.

برای جدا کردن ذرات جامد از سیال می توان از ته نشین کننده های ثقلی، سیکلون ها، فیلتر ها و گیرنده های الکترواستاتیکی (ESP) استفاده کرد. دستگاه های فوق به غیر از فیلتر ها با هدایت ذرات جامد به سمت یک دیوار جامد باعث جدا شدن ذرات جامد از فاز سیال می شوند. اما فیلتر ها با تقسیم جریان به قسمت های کوچکتر باعث جلوگیری از عبور ذرات جامد از این قسمت های کوچکتر شده و به این ترتیب باعث جداسازی دو فاز جامد وسیال می گردند. فیلتر ها را به طور کلی می توان به دو نوع کلی تقسیم کرد: فیلتر های سطحی (Surface filter) فیلتر های عمقی (Depth filter) فیلتر های سطحی باید به گونه ای ساخته شوند که قطر سوراخ های صافی فیلتر مشخص کننده قطر مواد جامدی است که از سیال جدا می شود. اما ساختن این فیلتر ها در حالاتی که ذرات ریز حدود ۱ میکرون و کوچکتر در سیال وجود دارد کار مشکلی می باشد. از فیلتر های عمقی به طور وسیعی برای کنترل آلودگی هوا استفاده می شود. در این فیلتر ها، قالب مواد جامد روی سطح فیلتر کمتر مشاهده می شود. بلکه جمع آوری ذرات در داخل غشاء فیلتر صورت می گیرد .

به طور کلی فیلتر ها به سه گروه عمده تقسیم می شوند:

۱ – فیلتر کیکی یا قالبی

۲- فیلتر شفاف کننده

۳- فیلتر با جریان متقاطع

فیلتر کیکی ، مقادیر نسبتاً زیادی از مواد جامد را به صورت قالبی از بلور یا گل جدا می سازد. در این فیلتر ها برای شستن قالب و خارج کردن مقداری از مواد جامد قبل از تخلیه نهایی پیش بینی هایی صورت می گیرد. در فیلتر های شفاف کننده، معمولا مقدار جامد جدا شده کم است و محصول یک گاز تمیز یا یک مایع شفاف و زلال می باشد. در فیلترهای با جریان متقاطع، محلول سوسپانسیون خوراک تحت فشار با سرعت تقریبًا زیاد از عرض محیط صافی جریان می یابد. محیط صافی نیز یک غشاء سرامیکی، فلزی یا پلیمری با منافذ کوچک است که بیشتر ذرات معلق را دفع می کنند. اکثر فیلتر های صنعتی ، به صورت فیلتر های فشاری ، فیلتر های خلا و فیلتر های سانتریفوژی می باشند . این فیلتر ها با توجه به اینکه تخلیه جامدات جدا شده از سیال به صورت پیوسته یا منقطع باشد به صورت پیوسته و یا ناپیوسته مورد استفاده قرار می گیرند.

در مورد فیلتر های ناپیوسته، باید هر چند وقت یکبار جریان سیال را قطع کرد تا بتوان جامدات جمع شده را خارج ساخت. اما در فیلتر های پیوسته، تخلیه جامدات و سیال زمانیکه دستگاه مشغول کار است قطع نمی شود. دلیل حرکت سیال در فیلتر وجود افت فشار در محیط فیلتر می باشد. عیوب و موارد عدم مطلوب بودن فیلتر ها غشاء مورد استفاده در فیلتر باید شرایط زیر را داشته باشد:

– باید توانایی نگهداری جامداتی که از جریان مایع جدا می شوند را داشته باشد.

– باید از نظر شیمیایی مقاوم باشد و از نظر فیزیکی به قدر کافی در برابر شرایط فرآوری مقاومت کند.

– نباید به سادگی مسدود شود.

– باید امکان تخلیه تمیز و کامل قالب تشکیل شده را دارا باشد.

– نباید خیلی گران باشد.

در تصفیه صنعتی، یک محیط رایج صافی، پارچه است که به صورت شکسته یا اریب بافته شده است. برای حالات مختلف الگوهای بافت بسیار متفاوت موجود است . برای مایعات خورنده باید از محیط های صافی دیگری همچون پارچه پشمی، پارچه فلزی از جنس مونل یا فولاد ضد زنگ، پارچه شیشه ای یا کاغذ استفاده کرد. پارچه های مصنوعی همچون نایلون ، پلی پروپیلن و پلی استرهای مختلف از نظر شیمیایی نیز بسیار مقاومند . در یک پارچه با مش های با اندازه معین، الیاف مصنوعی یا فلزی صاف کمتر از الیاف طبیعی ریز در جدا کردن ذرات بسیار ریز کارایی دارند. معمولاً این عیب الیاف مصنوعی و فلزی فقط در شروع تصفیه بروز می کند . لذا محصول تصفیه شده ابتدا ممکن است کدر باشد و بعد زلال شود. معمولا محصول تصفیه کدر برای تصفیه مجدد به مخزن دوغاب بازگردانده می شود. جامدات باریک یا بسیار ریز که یک قالب متراکم و ناتراوا تولید می کنند هر محیط صافی ریز را به سرعت مسدود می کنند. تصفیه عملی چنین موادی مستلزم آن است که تخلخل قالب یا کیک افزایش یابد تا محلول بتواند با سرعتی معقول عبور کند. این کار با افزودن یک کمک صافی همچون سیلیکای دیاتومه ای، پولیت، سلولز خالص، چوب یا هر جامد متخلخل و بی اثر دیگر به دوغاب قبل از تصفیه انجام می شود. کمک صافی را بعداً می توان با حل کردن جامدات یا سوزانیدن کمک صافی، از جامدات جدا کرد. اگر جامدات گرفته شده از سیال ارزشی نداشته باشند آنها را همراه با کمک صافی دور می ریزند. در فیلتراسیون، حرکت جریان در محیط متخلخل صورت می گیرد. در ضمن مقاومت این تخلخل در برابر جریان باگذشت زمان افزایش می یابد . کمیت های عمده مورد نظر در عملیات فیلتراسیون شدت فیلتراسیون و افت فشار در فیلتر می باشد. در عملیات فیلتراسیون با گذشت زمان یا شدت جریان کاهش می یابد و یا افت فشار زیاد می شود و یا هر دو مورد صورت می گیرد.

نام انگلیسی: Centrifugal filter

این فیلتر ها به دو نوع کلی پیوسته و ناپیوسته تقسیم می شوند . به طور کلی معمولاً این فیلتر ها در مورد جامداتی که یک قالب متخلخل تشکیل می دهند مورد استفاده قرار می گیرد. برای این کار دوغاب را وارد یک سبد چرخان می کنند که دارای یک دیواره شیاردار یا مشبک است و یا محیط فیلتر با پارچه یا توری فلزی پوشانده شده است. فشار حاصل از عمل گریز از مرکز محلول را به درون محیط فیلتر می راند و جامدات را برجای می گذارد. در این صورت اگر جریان خوراکی که وارد سبد می شود را قطع کنیم و قالب جامدات را برای مدت کوتاهی خشک کنیم بیشتر مایعات باقیمانده در قالب، از ذرات خارج می شود و جامدات نهایی خیلی خشک تر از جامدات درون یک فیلتر رس یا فیلتر خلا می شوند. در این حالت اگر قرار باشد جامد تصفیه شده بعداً با وسائل حرارتی خشک شود، فیلتر سانتریفوژی باعث صرفه جویی قابل ملاحظه می شود.

انواع عمده فیلتر های سانتریفوژی عبارتند از:

– فیلتر های سانتریفوژی ناپیوسته

– فیلتر های سانتریفوژی پیوسته

نام انگلیسی: Batch centrifugal filter

نوع رایج فیلتر های سانتریفوژی ناپیوسته در صنعت، فیلتر سانتریفوژ معلق از بالا می باشد. قطر سبد های مشبک بین ۷۵۰ تا ۱۲۰۰ میلی متر می باشد و عمق آنها از ۱۸ تا ۳۰ اینچ و سرعت آنها از ۶۰۰ تا ۱۸۰۰ دور بر دقیقه می باشد. سبد نیز از انتهای یک میله قائم با نوسان آزاد که در قسمت بالا برگردانده می شود، آویزان است.

نام انگلیسی: Continuous centrifugal filter

یکی از انواع رایج فیلتر های پیوسته، دستگاه سانتریفوژ پیوسته با نقاله رفت و برگشتی می باشد . در این فیلتر ها، خوراک از طریق یک قیف چرخان وارد یک سبد چرخان دارای دیواره شیاردار می شود. منظور از بکار بردن قیف، شتاب دادن آرام و یکنواخت به خوراک دو غاب است . خوراک از یک لوله ساکن در محور دوران سبد وارد انتهای کوچک قیف می شود. این خوراک به طرف انتهای بزرگ قیف می رود و در این بین، سرعت آن افزایش می یابد و وقتی از قیف به دیواره سبد پاشیده می شود، در همان جهت دیواره و تقریباً با همان سرعت حرکت می کند و محلول از دیواره سبد که ممکن است با یک پارچه پوشانده شود جریان می یابد. یک لایه از بلور با ضخامت ۲۵ تا ۷۵ میلی متر نیز تشکیل می شود. این لایه توسط یک عامل فشار دهنده رفت و برگشتی از روی سطح تصفیه کننده عبور می کند. وقتی بلور ها به لبه سبد می رسند به طرف بیرون پرت می شوند و پس از عبور از یک محفظه بزرگ وارد یک لوله جمع کننده می شوند. لازم به ذکر است که فیلتر های سانتریفوژی پیوسته معمولاً برای جداسازی بلور های درشت بکار می روند.

نام انگلیسی: Vacuum filter

فیلتر های خلا می توانند به صورت پیوسته یا ناپیوسته مورد استفاده قرار بگیرند . اما فیلتر خلاء ناپیوسته در مقیاس وسیع فرایندی رایج نیست. چون به کار زیادی برای کندن قالب نیاز دارد. لذا فیلتر های خلا معمولاً به صورت پیوسته مورد استفاده قرار می گیرند که از مهمترین نوع این فیلتر ها می توان به فیلتر خلا دوار اشاره کرد که در اکثر واحد های روغن سازی مورد استفاده قرار می گیرد. در فیلتر های خلا پیوسته، محلول از یک جدار غشائی متحرک مکیده می شود تا قالبی از جامد برجای بماند. در مورد فیلتر های استوانه ای دوار، قالب ایجاد شده بر روی صافی فیلتر با یک تیغه تراشیده می شود و به این ترتیب مواد جامد در جریان مایع جداسازی می شوند.

در فیلتر استوانه ای دوار،حرکت چرخشی غشاء فیلتر باعث می شود که پس از جدا شدن مواد جامد از روی صافی فیلتر، این قسمت از فیلتر مجدداً وارد قسمت خوراک دوغاب شده و با توجه به وجود خلا و چرخش استوانه، مواد جامد بر روی استوانه باقی می مانند و به این ترتیب عملیات جداسازی جامد از مایع صورت می گیرد. قالب هایی که روی فیلتر های خلا در واحد های صنعتی تشکیل می شود ضخامتی بین ۳ تا ۴۰ میلی متر دارند. استوانه های استاندارد نیز دارای قطر ۳/۰ متر تا ۳ متر می باشند. فیلتر های خلا دوار را گاهی اوقات تحت فشارهای مثبت در حدود ۱۵ اتمسفر و در مواردی که سایر فیلتر های خلا قابل استفاده یا مقرون به صرفه نمی باشند مورد استفاده قرار می دهند. این مورد معولاً وقتی پیش می آید که جامدات خیلی کند تصفیه می شوند و یا فشار بخار مایع بسیار زیاد است. یکی دیگر از موارد کاربرد این فیلتر ها در مورد محلول های با ویسکوزیته بالاتر از poise 1 می باشد. مثال دیگری از فیلتر های خلاء، فیلتر تسمه ای افقی می باشد. اگر خوراک حاوی ذرات درشت با قابلیت ته نشینی سریع باشد، فیلتر با استوانه دوار ضعیف عمل می کند و یا اصلاً عمل نمی کند . در این مورد، ذرات درشت نمی توانند در ظرف دوغاب به صورت معلق باقی بمانند و به این ترتیب قالبی که تشکیل می شود اغلب به سطح استوانه ای غشاء نمی چسبد. برای رفع این مشکل می توان از یک فیلتر افقی که خوراک از بالای آن وارد می شود استفاده کرد. این نوع فیلتر دارای کاربرد ویژه ای در مورد مواد زائد مفید می باشد.

نام انگلیسی: Shell and layer filter

برای تصفیه در فشارهای بالاتر از فشار فیلتر پرس، برای صرفه جویی در کار، می توان از فیلتر پوسته و لایه استفاده کرد. در این فیلتر مجموعه ای از لایه های عمودی روی یک قفسه با قابلیت بیرون آوردن قرار داده شده است. در حین عملیات لایه ها درون مخزن بسته هستند. خوراک نیز از کنار مخزن وارد می شود. محصول تصفیه شده نیز از لایه ها به درون لوله تخلیه می رود. لازم به ذکر است که این طرح برای تصفیه خانه هایی به کار می رود که کمک صافی دارند.

نام انگلیسی: Filter Press

فیلتر پرس از مجموعه ای از سینی ها در یک سری محفظه تشکیل شده است که مواد جامد در آنها جمع می شوند. سینی ها نیز به وسیله یک محیط صافی همچون پارچه پوشانده شده اند . دوغاب تحت فشار وارد هر محفظه می شود. محلول از پارچه عبور می کند و از یک لوله تخلیه می گردد و یک قالب مرطوب از مواد جامد در پشت سر خود بر جای می گذارد. سینی های فیلتر پرس به شکل مربع و یا دایره ای عمودی یا افقی می باشند . غشایی، سطح هر سینی را می پوشاند و این دو توسط یک پیچ یا پیستون هیدرولیک ، محکم به هم فشرده می شوند. دوغاب ورودی از یک مجرا عبور می کند که به صورت طولی از یک گوشه مجموعه فوق وارد می شود. جامدات نیز روی وجوه پوشیده از پارچه سینی ها جمع می شوند. محلول از پارچه عبور می کند و وارد شیارها یا لوله های موجدار روی سطح سینی می شود و سپس از پرس خارج می گردد . دوغاب از یک پمپ یا مخزن تحت فشار ۳ تا ۱۰ اتمسفر وارد می شود و عمل تصفیه آنقدر ادامه می یابد تا اینکه دیگر محلول از محل تخلیه بیرون نیاید یا فشار تصفیه ناگهان افزایش می یابد. این حالات وقتی اتفاق می افتد که قاب ها پر از جامد باشند و دوغاب دیگر نتواند وارد شود. در این صورت گفته می شود که پرس جام کرده است (بسته شده است). در چنین مواقعی، شوینده را وارد فیلتر می کنند تا ناخالصی های انحلال پذیر از جامدات جدا گردد و پس از آن می توان قالب برجای مانده را با دمیدن بخار آب یا هوا از محیط صافی جدا کرد و در یک نقاله یا انبار ریخت . در بسیاری از دستگاه های فیلتر پرس این عملیات به صورت خودکار انجام می شود. در این شکل ابعاد سینی های مربع شکل ۲ تا ۱۵۰ میلی متر می باشد. ضخامت سینی ها ۶ تا ۵۰ میلی متر و ضخامت قاب ها ۶ تا ۲۰۰ میلی متر می باشد. شستشوی کامل یک فیلتر پرس ممکن است چند ساعت طول بکشد. چون مایع شوینده آسان ترین مسیر را دنبال می کند. اگر تراکم قالب در برخی از قسمت ها کمتر از بقیه جاها باشد، همچنان که معمولاً اتفاق می افتد، بیشتر مایع شوینده بی اثر خواهد بود. اگر بخواهیم شستشو خیلی خوب صورت بگیرد شاید بهتر باشد قالب به طور ناقص شسته شده را با حجم زیادی از مایع شوینده دوباره به دوغاب تبدیل کرده و مجدداً آن را صاف کنیم.

نام انگلیسی: Atmospheric filter

این فیلترها با فشار جو در محل ورود خوراک و شرایط خلا در محل خروج سیال عمل می کنند . یکی از مثالهای موجود در این مورد، فیلترهای ثقلی می باشد. کاربرد این فیلترها به جداسازی بلورهای فیلمی درشت از محلول، تصفیه آب آشامیدنی و تصفیه فاضلاب محدود می شود. نوع دیگری از فیلترها که می توانند به صورت پیوسته و ناپیوسته مورد استفاده قرار بگیرند فیلترهای فشاری هستند. اما به دلیل دشوار بودن تخلیه جامدات در فیلترهای فشاری ، اکثر این فیلترها به صورت ناپیوسته کار می کنند. لازم به ذکر است که معمولا فیلتر های فشاری ناپیوسته از نوع فیلتر های قالبی هستند . فیلتر های فشاری اختلاف فشار زیادی در طول غشاء فیلترایجاد می کنند. لازم به ذکر است که این فیلترها در مورد مایعات ویسکوز و یا جامدات پودری، عمل فیلتراسیون را سریع تر انجام می دهند . معمول ترین انواع فیلترهای فشاری، شامل فیلتر پرس و فیلتر پوسته و لایه می باشند.