En nombrosos enllaços de la producció industrial, els filtres són equips clau per garantir la puresa dels mitjans fluids i mantenir el funcionament estable dels dispositius. Ja sigui líquid o gasós, sempre que calgui separar impureses en partícules, la tecnologia de filtració és indispensable. Aleshores, com aconsegueixen exactament els filtres la separació de partícules? I quins són els escenaris aplicables per als diferents mecanismes de filtració? En aquest article es descriuen en detall els principis bàsics i els mètodes-de millora de l'eficiència de la filtració industrial.
Definició bàsica i classificació de la filtració
L'essència de la filtració és el procés de separació de partícules dels fluids (líquid o gas) mitjançant els canals d'un medi permeable. Segons la proporció de partícules del fluid, la filtració es pot dividir en dues categories:
- Col·lecció de sòlids dispersos: Quan les partícules representen una proporció significativa del fluid, l'objectiu principal de la filtració és recollir aquestes partícules sòlides.
- Purificació de fluids: Quan la proporció de partícules és només del 0,01% o menys, la filtració està dirigida principalment a purificar el fluid.
En aplicacions industrials, la majoria dels filtres se centren a separar partícules amb diàmetres que van des ded'uns pocs micròmetres a més de 40 micròmetres-val la pena assenyalar que les partícules més petites visibles a ull nu tenen un diàmetre d'aproximadament 40 micròmetres. Pel que fa a la conversió d'unitats, 1 micròmetre (µm)=1/1000 mil·límetre, que és d'uns 0,000039 polzades.
Tres mecanismes bàsics de separació de partícules
La separació dels sòlids en suspensió dels fluids es basa principalment en tres mecanismes:impacte inercial, intercepció de difusió i intercepció directa. Els diferents tipus de filtres i propietats del fluid afecten directament el pes d'aquests tres mecanismes.
Impactació inercial: "Col·lisió direccional" de partícules grans
Les partícules del fluid tenen massa i velocitat, generant així la força inercial corresponent. Quan el fluid que transporta partícules travessa les fibres del medi de filtre, el fluid fluirà pel camí de menor resistència i canviarà de direcció al voltant de les fibres; tanmateix, a causa de la inèrcia, les partícules tendeixen a mantenir el moviment lineal i, finalment, xoquen amb la superfície de la fibra i queden atrapades.
En termes generals, com més gran sigui la mida de la partícula, més fàcil serà que les partícules es desviïn de les línies de flux de fluid i més evident serà l'efecte de la impactació inercial. Però si la diferència de densitat entre les partícules i el fluid és extremadament petita, les partícules gairebé no es desviaran de les línies de flux i, en aquest moment, el paper de l'impacte inercial es veurà molt afeblit. Aquest mecanisme és més adequat per tractar sistemes de fluids que contenen partícules més grans.
Intercepció de difusió: "Trampa de moviment aleatori" per a micropartícules
Per a partícules amb massa extremadament petita, la impactació inercial gairebé no funciona, i en aquest punt,intercepció de la difusiócomença a tenir un paper fonamental. Aquestes micropartícules xocaran contínuament amb molècules de fluids, donant lloc a un moviment aleatori irregular, que es coneix com "moviment brownià".
El moviment brownià fa que les micropartícules es desviïn de les línies de flux del fluid, augmentant la probabilitat de contacte amb les fibres del medi de filtre i la posterior atrapament. Cal tenir en compte que la intercepció de la difusió té un efecte significatiu en la filtració de gasos, però un paper relativament limitat en la filtració de líquids-això es deu al fet que la densitat de les molècules líquides és més alta i el moviment brownià de les partícules està subjecte a majors restriccions.
Intercepció directa: "Barrera física" per a la detecció de mida
Quan els efectes de l'impacte inercial i la intercepció de difusió no són ideals,intercepció directaes converteix en un mètode clau per a la separació de partícules, i té efectes equivalents tant en la filtració de líquids com de gasos.
Els mitjans filtrants no estan formats per una sola fibra, sinó per una estructura porosa formada per entrellaçar un gran nombre de fibres, i aquests porus determinen el camí de pas del fluid. Quan el diàmetre de les partícules del fluid és més gran que els porus del medi filtrant, quedaran atrapades directament a la superfície del medi filtrant. Fins i tot les partícules amb diàmetres més petits que els porus es poden retenir de les maneres següents:
- Les partícules de forma irregular "travessen" els porus;
- Quan diverses partícules entren als porus al mateix temps, s'apilaran i bloquejaran els porus;
- Després que les partícules queden atrapades, la mida dels porus es fa més petita, permetent la retenció de partícules més petites;
- Els efectes superficials, com ara l'enllaç d'hidrogen i les forces de Van der Waals, faran que les micropartícules s'adhereixin a les superfícies de porus del medi de filtre.
Per a filtres amb porus uniformes i gruix prim, com ara pantalles metàl·liques, el principi d'intercepció directa és més fàcil d'entendre. Per als mitjans de filtre amb porus no-uniformes, la variació de mida en la direcció del gruix forma camins de fluids tortuosos, millorant encara més l'eficiència d'intercepció.
Compte! Problemes d'alliberament de partícules durant la filtració
Durant l'ús de filtres, les partícules atrapades poden tornar-se a -entrar al fluid aigües avall, cosa que està estretament relacionada amb el disseny estructural del filtre i les condicions de funcionament.
Per exemple, les partícules recollides per un filtre de malla suau en condicions de funcionament estables i de baix-flux es poden netejar i alliberar si es troba una condició de "xoc" amb un augment sobtat del cabal; a més, si els porus del medi de filtre s'expandeixen a causa de l'augment de la pressió, també provocarà el despreniment de les partícules atrapades.
Els filtres industrials d'alta-qualitat haurien de tenir una resistència estructural estable i els porus dels mitjans filtrants no es deformaran a causa dels canvis de pressió. A més, haurien de tenir un gruix suficient per atrapar la majoria de partícules entre el 10% i el 20% del gruix del medi de filtre, evitant fonamentalment l'alliberament de partícules.
Tres tècniques pràctiques per millorar l'eficiència de la filtració de líquids
En escenaris de filtració de líquids, confiar únicament en mecanismes de separació bàsics sovint és insuficient. Els tres mètodes següents poden millorar significativament l'eficiència d'eliminació de partícules dels filtres.
Precipitació electrostàtica: utilitzant l'"Atracció d'adsorció" de les càrregues elèctriques
La majoria de les partícules dels fluids industrials porten càrregues negatives i la superfície dels mitjans de filtre es pot dotar de càrregues específiques per reforçar l'efecte de atrapament de partícules. Quan la superfície del medi de filtre porta un potencial positiu (potencial Zeta), atraurà partícules carregades negativament mitjançant l'adsorció electrostàtica.
Aquest mètode té avantatges destacats: els mitjans de filtre amb porus més grans no només poden atrapar micropartícules de manera eficient, sinó que també poden mantenir una baixa caiguda de pressió alhora que milloren la capacitat de retenció de la brutícia{0}}del medi de filtre. Com més gran sigui la densitat de càrrega de partícules i medis de filtre, més gran serà l'eficiència d'intercepció de les partícules petites.
Floculació: fer que les micropartícules "s'agrupin i creixin més grans"
La filtració directa de partícules amb diàmetres extremadament petits és molt difícil. En aquest moment,floculacióes pot utilitzar per agregar micropartícules en altres més grans, reduint la dificultat de filtració i formant un pastís de filtre solt alhora per reduir la resistència a la filtració i millorar l'eficiència de la producció.
Una pràctica industrial habitual és afegir polielectròlits (com ara midó soluble, gels, derivats de polietilè, etc.) al fluid. Aquestes cadenes moleculars llargues amb llocs de càrrega positiva i negativa adsorbiran partícules amb càrregues oposades al fluid, afavorint l'agregació de partícules i accelerant la velocitat de sedimentació.
Durant el funcionament, cal tenir en compte que la dosificació de polielectròlits ha de ser adequada i la intensitat de l'agitació s'ha de controlar dins del rang de "poder dispersar els productes químics però no danyar els flocs"; S'han de seleccionar bombes pneumàtiques o bombes sense -cisalla per al subministrament de fluids per evitar el trencament del floc, i la recirculació de sòlids en suspensió s'ha de minimitzar tant com sigui possible.
Ajudes al filtre: "Potenciadors de l'eficiència" per optimitzar l'estructura del pastís del filtre
L'addició d'una petita quantitat d'ajudes de filtració a la suspensió pot millorar considerablement l'eficiència de filtració de les partícules fines. Aquest mètode s'anomena "alimentació corporal", que és diferent de la filtració pre-recoberta-en la filtració pre-recobriment, els auxiliars de filtració es dipositen primer a la superfície del medi filtrant abans d'introduir la suspensió.
La funció principal dels auxiliars de filtració és optimitzar la permeabilitat del pastís de filtre. L'ajuda de filtre més utilitzada a la indústria ésterra de diatomeas, que està format pels dipòsits de diatomees antigues, i les seves diverses formes poden millorar significativament la porositat del pastís de filtre; a més, la perlita, el carbó actiu, la cel·lulosa, etc., també es poden utilitzar com a auxiliars de filtració.
Cal tenir en compte que la filtració d'ajuda al filtre no s'utilitza sola en la purificació de líquids, sinó que normalment s'instal·la aigües amunt del filtre del cartutx; Aleshores, el filtre de cartutx actua com a "filtre de poliment" per atrapar les impureses que poden penetrar a la capa d'ajuda al filtre.
Conclusió
El nucli de la filtració industrial és utilitzar racionalment els tres mecanismes d'impacte inercial, intercepció de difusió i intercepció directa segons les característiques de les partícules i els tipus de fluids. En aplicacions pràctiques, la combinació de mètodes de millora de l'eficiència-com ara la precipitació electrostàtica, la floculació i les ajudes de filtració pot aconseguir resultats de filtració més eficients i estables.
Escollir filtres amb estructura estable i tecnologia avançada és la clau per garantir la continuïtat de la producció i la puresa del fluid. Les solucions de filtració d'alta-qualitat no només poden reduir el desgast dels equips, sinó que també poden acompanyar l'eficiència de la producció i la qualitat del producte de les empreses.