Фильтры глубины — это фильтры , которые используют пористую фильтрующую среду для удержания частиц по всей среде, а не только на ее поверхности. Фильтрация глубины, типичная для множества пористых слоев с глубиной, используется для улавливания твердых загрязняющих веществ из жидкой фазы. [1] Эти фильтры обычно используются, когда фильтруемая жидкость содержит большое количество частиц, поскольку по сравнению с другими типами фильтров они могут удерживать большую массу частиц, прежде чем засорятся. [2]
Были реализованы различные конструкции, обеспечивающие осуществимость процессов, сохраняя при этом основную цель глубинных фильтров.
Использование глубоких песчаных фильтров в качестве конечного этапа очистки питьевой воды в муниципальных целях 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 фильтрации с глубоким слоем, используемыми в настоящее время, являются прямая фильтрация и контактно-флокуляционная фильтрация. Прямая фильтрация включает в себя короткий период предварительной стадии флокуляции, за которой следует процесс фильтрации. [7] На очистных сооружениях большинство взвешенных твердых частиц и других загрязнений успешно удаляются после первичной и вторичной стадий очистки. Для удаления оставшихся твердых частиц и органических соединений из потока сточных вод используется метод прямой фильтрации с предварительной флокуляцией. Поскольку процесс разделения загрязнений происходит в фильтрующей среде, необходимо регулярно контролировать такие факторы, как время флокуляции, скорость фильтрации и дозировка флокулянта, поскольку они могут напрямую влиять на размер получаемого флокулянта. Это жизненно важно для процесса, чтобы предотвратить потенциальное засорение или биологическое засорение фильтрующего слоя.
Преимущества, связанные с этим процессом, включают возможность получения большого количества хлопьев, которые затем можно отфильтровать. Другим преимуществом метода глубинной фильтрации является гибкость в выборе расположения фильтра, что позволяет получить высокую емкость для хранения твердых частиц, сохраняя при этом уровень потребления энергии в приемлемом диапазоне. [1] Недостатком использования прямой фильтрации является то, что микробы способны расти в каналах фильтра и, следовательно, размножаться в течение длительных рабочих циклов. Такое размножение организмов в матрице фильтра может привести к загрязнению фильтрата.
Глубинная фильтрация также широко используется для очистки клеточной культуры. Системы клеточной культуры могут содержать дрожжи, бактериальные и другие загрязняющие клетки, и, следовательно, эффективная стадия очистки жизненно важна для разделения клеток и других коллоидных веществ для получения клеточной системы без частиц [9]. Большинство глубинных фильтров, используемых в фармацевтических процессах, таких как сбор клеточной системы, состоят из целлюлозных волокон и фильтрующих добавок. Конструкция с прямым потоком в глубинных фильтрах обеспечивает финансово выгодное решение, улавливая загрязняющие вещества в канале фильтра, обеспечивая при этом максимальную скорость извлечения продукта. К другим преимуществам этой системы относятся ее 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 сторону увеличения или уменьшения при высокой скорости выхода (>95%). [8]
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, отклоняя загрязняющие вещества, превышающие размер фильтра. Главной отличительной чертой среди них является их эффективный размер пор. Например, микрофильтрация работает, позволяя крупным частицам проходить через фильтрующую среду, в то время как обратный осмос отклоняет все частицы, за исключением очень мелких видов. Большинство мембранных фильтров можно использовать для окончательной фильтрации, в то время как глубинные фильтры, как правило, более эффективны при использовании в осветлительных приложениях, [10] поэтому комбинация двух процессов может обеспечить подходящую систему фильтрации, которая может быть адаптирована для многих приложений.
Такие характеристики процесса, как скорость фильтрации и фильтрующий материал, являются важными факторами проектирования и существенно влияют на производительность фильтра, поэтому для обеспечения более строгого контроля качества процесса необходим непрерывный мониторинг и оценка.
Скорость потока определяется как отношение движущей силы к сопротивлению фильтра. Два обычных типа конструкций глубинных фильтров: быстрые и медленные фильтры работают со скоростями 5–15 м/ч и 0,1–0,2 м/ч соответственно; тогда как напорные песчаные фильтры имеют расчетную скорость потока 238 л/мин. [11] Во время работы скорость фильтрации уменьшается из-за увеличения сопротивления фильтра, поскольку частицы оседают в среде. Скорость фильтрации влияет на скорость засорения, при этом высокие скорости фильтрации вызывают более быстрое накопление. Пилотные испытания показывают, что чем выше скорость фильтрации, тем меньше площадь фильтра, в то время как увеличение скорости фильтрации сокращает время до прорыва, сокращает время до потери напора (увеличивает потерю напора) и приводит к более коротким пробегам и меньшим оптимальным глубинам. Они также показывают, что более высокие скорости фильтрации могут быть достигнуты за счет использования среды большего диаметра и увеличенной глубины среды. Высокие скорости фильтрации зависят от конструкции среды, при этом самая высокая скорость фильтрации в эксплуатации составляет 13,5 галлонов в минуту/фут2. [11]
Источник: [12]
Обратная промывка является важной операцией, используемой для удаления отфильтрованных твердых частиц, поскольку это накопление приводит к увеличению сопротивления фильтрации со временем. Обратная промывка включает в себя инвертирование направления потока жидкости при использовании чистой жидкости. [13] Этот процесс используется в течение времени в диапазоне 5–15 минут с типичными расходами на единицу площади в диапазоне 6,8–13,6 л/м2.с. [13] Большинство конструкций обычно используют обратную промывку один раз в день работы. Работа глубинных фильтров по своей сути циклична из-за необходимости удаления твердых частиц, накопленных во время процесса, поэтому обычно используются два или более устройства, чтобы обратная промывка не мешала фильтрации. Эффективная обратная промывка происходит, когда фильтрующая среда псевдоожижена. Расход псевдоожижения обычно находится в диапазоне 20–50 галлонов в минуту/фут2. [13]
Сообщается, что скорость удаления для напорных песчаных фильтров с размером наполнителя обычно составляет 0,3–0,5 мм, что составляет 95% для частиц размером до 6 мкм при размере наполнителя 0,3 мм и 95% для частиц размером до 15 мкм при размере наполнителя 0,5 мм. [14]
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 (падение давления) чувствительна к диаметру материала, при этом увеличение диаметра материала приводит к увеличению времени для расчета потери напора. [11] Однако увеличение диаметра материала и скорости фильтрации приводит к ухудшению мутности сточных вод. [13] Для компенсации можно увеличить глубину материала, чтобы уменьшить влияние на мутность сточных вод. Максимальное значение глубины материала, используемое в конструкциях для высокоскоростной фильтрации, составляет 100 дюймов, в то время как максимальный размер материала, используемый в пилотных проектах, составляет 2 мм в диаметре. [11] Песок, магнетит, кокс и антрацит являются наиболее часто используемыми твердыми средами в промышленности, особенно из-за их широкой доступности.
Таблица [1] Характеристики процесса/конструкции моносредных фильтрующих слоев для очистки сточных вод (глубокий слой): [13]
Таблица [2] Параметры конструкции для глубинных фильтров давления: [13]
Глубокая фильтрация может использоваться для предварительной очистки, удаления взвешенных частиц из несущей жидкости, предназначенной для использования в качестве потока сырья, или в контексте осветления, когда твердые частицы удаляются для очистки потока продукта.
При проектировании глубинных фильтров применяется ряд эвристик, обеспечивающих стабильную работу в течение всего срока службы фильтра.
Связь между удержанием и размером частиц не является ступенчатой функцией. Более крупные частицы легко удерживаются фильтрующим материалом; однако частицы, которые находятся в промежуточном диапазоне между номинальными частицами и отходами, сложнее сохранить, и в результате они часто теряются как отход.
Чтобы максимизировать проход удержания для диапазона размеров частиц, фильтрующий материал наслаивается таким образом, что секции с большим размером пор находятся ближе к входящему потоку, захватывая частицы большего размера. Размеры пор уменьшаются по мере приближения к выходному потоку. При использовании этого метода фильтрующий материал обслуживает более широкий диапазон размеров частиц, что приводит к большему контролю удержания и продлению срока службы фильтра. [15]
Выбор фильтра зависит от ряда переменных, таких как нагрузка, продолжительность, форма, размер и распределение вещества, которое необходимо отфильтровать. В идеале, если среда слишком большая, фильтрат будет плохого качества, так как он не сможет собрать частицы внутри своей матрицы. И наоборот, если среда очень маленькая, твердые частицы будут скапливаться на поверхности картриджа, вызывая почти немедленные закупорки. Что касается формы, то использование зерен круглой формы имеет тенденцию к эрозии из-за давления, которое входящий поток может оказывать на систему, тогда как зерна плоской формы (могут увеличить площадь поверхности), однако, могут выплыть из системы во время обратной промывки. Частицы, которые имеют высокую шкалу твердости Мооса и относительно большой удельный вес, часто рекомендуются для использования в качестве частиц. Чем мягче и легче материал, тем он более подвержен эрозии и псевдоожижению. Таким образом, часто используются такие частицы, как кремний и песок, поскольку они доступны по цене, но устойчивы к высоким потокам входящей жидкости. Коэффициент однородности является мерой однородности материала, используемого в фильтре. Это отношение пор сита, пропускающих 60% материала, по сравнению с размером пор, пропускающих 10% материала. Чем ближе отношение к единице, тем ближе размер частиц. Идеальная система будет иметь коэффициент от 1,3 до 1,5 и не должна превышать 1,7. Все, что меньше 1,3, является показателем того, что это не нужно для системы и может привести к более высоким затратам без предоставления какой-либо дополнительной формы оптимизации. Более 1,5 указывает на то, что система может испытывать большее падение давления и, 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 для предотвращения псевдоожижения. [16]
Фильтры глубины работают как тупиковые фильтры, при этом скорость входных потоков имеет решающее значение для производительности фильтра. Высокоскоростные входные 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, а перепад давления постоянно увеличивается, обычно частицы отходов и потоки могут просачиваться через зоны внутри картриджа и проходить через выходной поток, что приводит к отсутствию очистки.
Чтобы минимизировать последствия засорения и накопления частиц, система обратной промывки должна вмещать около 1-5% от общего объема потока в качестве обратной промывки, работая при давлении около 6-8 бар. За пределами этого диапазона частицы могут фрагментироваться, что затрудняет их удаление из системы и потенциально может привести к флюидизации системы. [14]
Основная цель глубинного фильтра — действовать как осветлитель, отделяя взвешенные твердые частицы от потока жидкости, и в результате используется на заключительном этапе процесса разделения. По соглашению глубинные фильтры состоят из одного выходного потока очищенной жидкости, удерживающего частицы отходов в своей системе. Благодаря своей длине он обладает большей способностью удерживать остатки, чем стандартные фильтры. Что касается потока отходов, часто выходной поток может быть повторно использован в последующем фильтре, чтобы гарантировать, что поток свободен от частиц. Поток отходов может также образовываться при очистке фильтрующего материала, когда вода проходит в противоположном направлении, остатки, попавшие в фильтрующий материал, или частицы материала, которые были перемещены, могут выйти из устройства до того, как они будут надлежащим образом утилизированы. [12]
Благодаря постоянному совершенствованию технологических процессов глубинные фильтры были модифицированы для повышения их применимости в различных отраслях промышленности.