Фильтр глубины - Depth filter

Фильтры глубины разнообразие фильтры которые используют пористый фильтрация средний, чтобы сохранить частицы по всей среде, а не только на ее поверхности. Эти фильтры обычно используются, когда жидкость фильтруемые фильтры содержат большое количество частиц, потому что по сравнению с другими типами фильтров они могут удерживать большую массу частиц, прежде чем засорятся.^[1]

Глубинная фильтрация, состоящая из нескольких пористых слоев с глубиной, используется для улавливания твердых загрязняющих веществ из жидкой фазы.^[2] Из-за извилистой и канальной природы фильтрующей среды частицы удерживаются во всей среде внутри ее структуры, а не на поверхности. Дополнительное преимущество глубинных фильтров состоит в том, что они способны улавливать большое количество частиц без снижения эффективности отделения. Глубинные фильтры обычно характеризуются песочными фильтрами и могут использоваться с существенно более высокими скоростями фильтрации, чем в других конструкциях. Именно эти характеристики укрепили популярность глубинных фильтров как эффективной среды для сепарации. В связи с постоянным развитием технологических процессов конструкции глубинных фильтров постоянно адаптируются и улучшаются в соответствии с потребностями промышленности.

Доступные дизайны

Чтобы приспособиться к разнообразным применениям глубинных фильтров, в промышленности были реализованы различные конструкции, чтобы гарантировать осуществимые процессы, сохраняя при этом основную цель глубинных фильтров.

дизайн	Характеристика	Количество циклов	Габаритные размеры	Промышленное применение
Подушечки и панели (кассеты)	Толстые листы или более тонкие листы сложенного фильтрующего материала имеют прямоугольную форму. Упакован в прямоугольную рамку с перегородкой.[3]	Используется только для 1-2 циклов очистки	Доступны размеры 400, 1600 или 3600 см.^2 с расходом 75 л / ч через каждую подушку и может увеличиваться до 130 л / ч за счет полирующей фильтрации.[4]	Еда и напитки - фруктовые соки, безалкогольные напитки Химия - Производство красок, органических растворителей, чернил. Нефть - воск, керосин Винодельня,[5] косметика
Толстый картридж[6]	Цельный кусок фильтрующего материала, намотанный на перфорированный цилиндр из металла или жесткого пластика, в котором жидкость или газ с растворенными веществами протекают внутри цилиндра.	Как только фильтрующая среда достигает максимальной загрузки растворенного вещества, картридж выбрасывается. Благодаря обратной промывке фильтр может выполнять больше циклов очистки		Фильтры для воды и бассейнов для дома Промышленная сепарация углеводородного топлива [7]
Глубокий слой (песочный фильтр) [8]	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 реверсирования потока.	Виды глубокой кровати Медленный определяется низкой скоростью потока воды (0,1–0,2 м / ч), более мелким размером частиц (0,35–0,5 мм) и имеет глубину около 0,6–1,0 м. Rapid имеет более быстрый поток (в 5–7 раз быстрее, чем медленный) и более крупные частицы (0,5–0,6 мм) и имеет глубину около 0,75 м.	Питьевая вода, полировка после очистки сточных вод, предварительная очистка для опреснения
Чечевицеобразный [9]	Многослойная конструкция дисков - механические компрессионные уплотнения (семь уплотнений на фильтр с восемью ячейками) между пластиковыми «острыми кромками» и фильтрующим материалом.		Диаметр диска 300 или 400 мм	Ферментированные продукты

Применение глубинных фильтров и преимущества

Использование глубинных песочных фильтров в качестве заключительного этапа очистки питьевой воды в городских условиях за последнее десятилетие значительно расширилось: от осветления и обработки питьевой воды до водоочистных сооружений, где сточные воды необходимо подвергнуть полировке перед их очисткой. разряжены.^[10] Основное преимущество глубинной фильтрации заключается в способности задерживать частицы во всех каналах среды, а не только на ее поверхности. Это значительно увеличивает фильтрующую способность среды по сравнению с другими типами процессов фильтрации и позволяет фильтровать частицы различного размера в матрице.

Известные процессы глубокой фильтрации, используемые в настоящее время, - это прямая фильтрация и фильтрация с контактной флокуляцией. Прямая фильтрация включает короткий период стадии предварительной флокуляции, за которой следует процесс фильтрации.^[11] На очистных сооружениях большая часть взвешенных твердых частиц и других загрязняющих веществ успешно удаляется после стадий первичной и вторичной очистки. Чтобы удалить оставшиеся твердые частицы и органические соединения из потока сточных вод, используется метод прямой фильтрации с предварительной флокуляцией. Поскольку процесс отделения загрязняющих веществ происходит в фильтрующей среде, необходимо регулярно контролировать такие факторы, как время флокуляции, скорость фильтрации и дозировка флокулянта, поскольку они могут напрямую влиять на размер производимого флокулянта. Это жизненно важно для процесса, чтобы предотвратить возможное засорение или биоблоггинг фильтрующего слоя.

Преимущества, связанные с этим процессом, включают способность производить большие хлопья, которые затем можно фильтровать. Другим преимуществом метода глубинной фильтрации является гибкость в выборе конфигурации фильтра, которая позволяет получить высокую емкость накопления твердых частиц, сохраняя при этом уровень энергопотребления в приемлемом диапазоне.^[12] Обратной стороной использования прямой фильтрации является то, что микробы могут расти в каналах фильтра и, следовательно, воспроизводиться в течение длительных рабочих циклов. Это размножение организмов в матрице фильтра может привести к загрязнению фильтрата.

Глубокая фильтрация также широко используется для осветления клеточных культур. Системы клеточных культур могут содержать дрожжевые, бактериальные и другие загрязненные клетки, и, следовательно, эффективная стадия осветления жизненно важна для разделения клеток и другого коллоидного вещества для получения клеточной системы без частиц [9]. Большинство глубинных фильтров, используемых в фармацевтических процессах, таких как сбор клеточных систем, состоят из целлюлозных волокон и фильтрующих добавок. Конструкция с прямоточным потоком в глубинных фильтрах обеспечивает финансово приемлемое решение, улавливая загрязняющие вещества в канале фильтра, обеспечивая при этом максимальную степень 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 в системе. Глубинная фильтрация также является гибкой с точки зрения возможности масштабирования системы в сторону увеличения или уменьшения, обеспечивая при этом высокий выход (> 95%). ^[13]

Ограничения глубинной фильтрации конкурентных процессов

Помимо глубинной фильтрации, ряд методов мембранной фильтрации также используется для различных промышленных применений, таких как обратный осмос, нанофильтрация и микрофильтрация.^[14] Вышеупомянутые процессы работают по тому же принципу, отбрасывая загрязнения, размер которых превышает размер фильтра. Их главная отличительная особенность - эффективный размер пор. Например, микрофильтрация работает, позволяя крупным частицам проходить через фильтрующий материал, в то время как обратный осмос отбрасывает все частицы, за исключением очень мелких частиц.Большинство мембранных фильтров можно использовать для окончательной фильтрации, в то время как глубинные фильтры, как правило, более эффективны при использовании в осветительных целях. ,^[15] следовательно, комбинация двух процессов может обеспечить подходящую систему фильтрации, которую можно адаптировать ко многим приложениям.

Оценка основных характеристик процесса

Характеристики процесса, такие как скорость фильтрации и фильтрующий материал, являются важными соображениями при проектировании и сильно влияют на производительность фильтра, в результате чего необходим непрерывный мониторинг и оценка для обеспечения большего контроля над качеством процесса.

Обработанный расход

Скорость потока определяется как отношение движущей силы к сопротивлению фильтра. Два обычных типа конструкций глубинных фильтров: быстрый и медленный фильтры работают со скоростями 5-15 м / ч и 0,1-0,2 м / ч соответственно;^[16] в то время как песочные фильтры под давлением имеют расчетную скорость потока 238 л / мин [14]. Во время работы степень 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 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 проходам и меньшим оптимальным глубинам. Они также демонстрируют, что более высокая степень фильтрации может быть достигнута за счет использования материала большего диаметра и увеличенной глубины фильтра. Высокие скорости фильтрации зависят от конструкции среды с самой высокой производительностью фильтрации в эксплуатации при 13,5 галлонов в минуту / фут2.^[17]

Обратная промывка в глубинных фильтрах

Обратная промывка - важная операция, используемая для удаления отфильтрованных твердых частиц, поскольку это накопление вызывает со временем увеличение сопротивления фильтрации. Обратная промывка включает изменение направления потока жидкости при использовании чистой жидкости.^[18] Этот процесс используется в течение времени в диапазоне 5–15 минут с типичным расходом на единицу площади в диапазоне 6,8–13,6 л / м2.с.^[19] В большинстве конструкций обычно используется обратная промывка один раз в день работы. Работа глубинных фильтров по своей природе является циклической из-за необходимости удаления твердых частиц, накапливающихся во время процесса, поскольку обычно используются два или более таких блока, чтобы обратная промывка не мешала фильтрации. Эффективная обратная промывка происходит при псевдоожижении фильтрующего материала. Скорость потока псевдоожижения обычно находится в диапазоне 20-50 галлонов в минуту / фут2.^[20]

Эффективность разделения

Сообщается, что скорость удаления для песочных фильтров под давлением со средой обычно в диапазоне 0,3-0,5 мм составляет 95 частиц размером до 6 мкм при размере среды 0,3 мм и 95% степени удаления частиц размером до 15 мкм. для носителей размером 0,5 мм.^[21]

Фильтр СМИ

Существует множество фильтрующих материалов, которые могут использоваться в процессах глубинной фильтрации, наиболее распространенным из которых является песок. Выбор фильтрующего материала влияет на скорость фильтрации, мутность и площадь фильтрующей поверхности. Потеря напора в чистом слое (перепад давления) зависит от диаметра среды, при этом увеличение диаметра среды приводит к увеличению времени для расчета потери напора.^[22] Однако увеличение диаметра среды и скорости фильтрации приводит к ухудшению мутности сточных вод.^[23] Для компенсации можно увеличить глубину среды, чтобы уменьшить влияние на мутность сточных вод. Максимальное значение глубины среды, используемой до сих пор в конструкциях для высокоскоростной фильтрации, составляет 100 дюймов, в то время как максимальный размер среды, используемой в пилотных устройствах, составляет 2 мм в диаметре.^[24] Песок, магнетит, кокс и антрацит являются наиболее часто используемыми средами для твердых частиц в промышленности, особенно ввиду их широкой доступности.

Таблица [1] Технологические / конструктивные характеристики мономерных фильтрующих слоев для очистки сточных вод (глубокий слой):^[25]

Характеристика	Параметр Диапазон	Обычно занятый значения параметров
Тип материала: песок
Глубина носителя (см)	90-180	120
Эффективный размер (мм)	2-3	2.5
Скорость фильтрации м / ч	5-24	12
Тип материала: 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 напорных глубинных фильтров:^[26]

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 дизайна

Глубинная фильтрация может использоваться при предварительной обработке, удалении взвешенных частиц из несущей жидкости, предназначенной для использования в качестве потока сырья, или в контексте разъяснения, когда частицы удаляются для очистки потока продукта.

При разработке глубинных фильтров используется несколько эвристических методов, чтобы гарантировать стабильную работу в течение всего срока службы фильтра.

Удержание частиц и фильтрующий материал

Взаимосвязь между удерживанием и размером частиц не является ступенчатой ​​функцией. Более крупные частицы легко задерживаются фильтрующим материалом; однако твердые частицы, которые находятся в промежуточном диапазоне между номинальными частицами и компонентами отходов, сложнее сохранить, и в результате они часто теряются как компонент отходов.

Чтобы максимально увеличить удерживающий канал для частиц различных размеров, фильтрующий материал наслоен таким образом, чтобы секции с более высоким размером пор располагались ближе к входящему потоку, захватывая частицы большего размера. Размеры пор уменьшаются по мере приближения к выходному потоку. Применяя этот метод, фильтрующий материал подходит для более широкого диапазона размеров частиц, что приводит к большему контролю удержания и продлению срока службы фильтра. ^[27]

Выбор фильтрующего материала

Выбор фильтра зависит от ряда переменных, таких как нагрузка, продолжительность, форма, размер и распределение вещества, которое требуется фильтровать. В идеале, если среда слишком большая, фильтрат будет плохого качества, так как он не будет собирать частицы в своей матрице. И наоборот, если среда очень мала, твердые частицы будут накапливаться на поверхности картриджа, вызывая почти немедленную закупорку. Что касается формы, то при использовании зерен, которые имеют округлую форму, есть тенденция к эрозии из-за давления, которое входящий поток может оказывать на систему, тогда как зерна, которые являются плоскими (могут увеличивать площадь поверхности), тем не менее, могут вылетать 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 больше он подвержен эрозии и разжижению. Таким образом, часто используются такие частицы, как диоксид кремния и песок, поскольку они доступны по цене, но устойчивы к высоким потокам поступающей жидкости. Коэффициент однородности является мерой однородности материала, используемого в фильтре. Это соотношение пор сита, которое пропускает 60% материала, по сравнению с размером пор, который пропускает 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 должен превышать 1,7. Значение меньше 1,3 указывает на то, что в этом нет необходимости для системы, и это может привести к увеличению затрат без предоставления какой-либо дополнительной формы оптимизации. Значение выше 1,5 указывает на то, что в системе может наблюдаться больший перепад давления и, как уже упоминалось, это может привести к засорению, просачиванию потока отходов и снижению скорости фильтрации.^[28]В качестве ориентира рекомендуется, чтобы самые мелкие частицы, используемые в глубинных фильтрах, размещались на расстоянии не менее 150 мм от выходящего потока, чтобы предотвратить псевдоожижение.^[29]

Тупиковая работа глубинных фильтров

Частицы (черные точки) задерживаются фильтрующим материалом (коричневые пятна). Белые пространства, которые меньше по размеру, чем фильтрующий материал, обеспечивают узкий проход для потока жидкости.

Глубинные фильтры работают в контексте тупиковых фильтров. При этом скорость входящего потока имеет решающее значение для работы фильтра. Входящие с высокой скоростью потоки с относительно крупными частицами могут вызвать засорение и износ фильтрующего материала. Это вызовет увеличение падения давления в системе. В ситуациях, когда фильтрующий материал забивается и падение давления постоянно увеличивается, часто частицы и потоки отходов могут просачиваться через зоны внутри картриджа и проходить через выходной поток, что не приводит к очистке.

Чтобы свести к минимуму эффекты засорения и накопления частиц, система обратной промывки должна принимать приблизительно 1-5% объемного потока в качестве обратной промывки, работая при давлении приблизительно 6-8 бар. За пределами этого диапазона частицы могут стать фрагментированными, что затрудняет их удаление из системы и потенциально может вызвать псевдоожижение системы.^[30]

Системы доочистки и производство отходов

Основное назначение глубинного фильтра - действовать как осветлитель, отделяя взвешенные твердые частицы от потока жидкости в объеме потока, и, как результат, он используется на заключительной стадии процесса разделения. Традиционно глубинные фильтры состоят из одного выходного потока очищенной жидкости, задерживающего частицы отходов внутри своей системы. Благодаря своей длине он лучше удерживает 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, когда вода проходит в противоположном направлении Остатки, захваченные фильтрующим материалом, или частицы материала, которые были вытеснены, могут выйти из устройства до того, как он будет надлежащим образом утилизирован.^[31]

Новые разработки

В связи с постоянным прогрессом в технологических процессах глубинные фильтры были модифицированы, чтобы повысить их применимость в ряде промышленных секторов.

дизайн	Характеристика	Улучшение	Промышленность
Стручок чечевицеобразный	Фильтрация достигается за счет сил, таких как сила тяжести и давление воды, действующих на уплотнения режущей кромки, сжимающих фильтрующий материал и фильтрующих жидкость.	Масштабирование продукта путем соединения 1-5 или 5-30 капсул в одном держателе Увеличение объема выхода на 40-70% по сравнению с обычным лентикулярным диском Доступная площадь фильтрации 0,11, 0,55 и 1,1 м2 Возможность проверки целостности фильтра, которую нельзя проверить с помощью обычного линзовидного стекла.	Фармацевтический сектор - отделение клеточных организмов от жидкости.
Глубокие фильтры непрерывного действия	Применяя быструю фильтрацию песком и удерживая грязное твердое вещество вместе с фильтрующим материалом. Струя воздуха переносит фильтрующую среду с твердыми частицами в зону промывки над фильтром и отделяется. Затем очищенный фильтрующий материал снова добавляется в глубокий фильтр.	Потоки воды и твердых частиц являются противоточными, что увеличивает удаление твердых частиц.	Обработка воды - улучшенные методы разделения во время предварительной обработки

использованная литература

1. Шукла А. А. и Кандула Дж. Р., 2008, Сбор и выделение моноклональных антител из крупномасштабной культуры клеток млекопитающих. BioPharm International, май 2008 г., стр. 34-45.
2. Дерек Б. Покупки и Кен Сазерленд, Справочник по фильтрующим материалам (2-е издание), Elsevier Advanced Technology (2002).
3. Кеннет С. Сазерленд, 2008. Справочник по фильтрам и фильтрации, пятое издание. 5-е издание. Elsevier Science.
4. Мервин Смит, 2011. Солнечная энергия в винодельческой промышленности (Зеленая энергия и технологии). Издание 2011 г. Springer.
5. Мервин Смит, 2011. Солнечная энергия в винодельческой промышленности (Зеленая энергия и технологии). Издание 2011 г. Springer.
6. Т. Кристофер Диккенсон, 1998. Справочник по фильтрам и фильтрации, четвертое издание, 4-е издание. Elsevier Science.
7. Ирвин М. Хаттен, 2007. Справочник по нетканому фильтрующему материалу. 1 издание. Elsevier Science.
8. Кеннет С. Сазерленд, 2008. Руководство по фильтрам и фильтрации, пятое издание, 5-е издание. Elsevier Science.
9. Мервин Смит, 2011. Солнечная энергия в винодельческой промышленности (Зеленая энергия и технологии). Издание 2011 года. Спрингер.
10. Дерек Б. Покупки и Кен Сазерленд, Справочник по фильтрующим материалам (2-е издание), Elsevier Advanced Technology (2002).
11. Бен Эйм Р., Шанун А., Вишванатан К. и Виньесваран С. (1993). Новые фильтрующие материалы и их использование в водоподготовке. Слушания, Всемирный конгресс по фильтрации, Нагоя, 273–276
12. Дерек Б. Покупки и Кен Сазерленд, Справочник по фильтрующим материалам (2-е издание), Elsevier Advanced Technology (2002).
13. Томас П. Обрайен, Крупномасштабное, Одноразовое использование систем глубокой фильтрации для осветления культур клеток млекопитающих, 2012 г.
14. Сайед А. Хашшам, Тупиковая мембранная фильтрация, Лабораторные исследования по экологической инженерии, 2006 г.
15. РУКОВОДСТВО ПО МЕМБРАННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ, Агентство по охране окружающей среды США, 2005 г.
16. Сазерленд, К. 2009 г., 23 марта 2009 г. - последнее обновление, Обзор фильтрации: более пристальный взгляд на глубинную фильтрацию. Имеется в наличии: http://www.filtsep.com/view/841/filtration-overview-a-closer-look-at-depth-filtration/ [2013, 10/9].
17. Трасселл, Р.Р. 2004, Глубокие фильтры и высокоскоростная служба, лекция, отдел Калифорнии, Невада, Американская ассоциация водопроводных сооружений, Сакраменто.
18. Арменанте, П. Глубокая (или глубокая) фильтрация, лекция, Технологический институт Нью-Джерси, Нью-Джерси.
19. Арменанте, П. Глубокая (или глубокая) фильтрация, лекция, Технологический институт Нью-Джерси, Нью-Джерси.
20. Арменанте, П. Глубинная (или глубокая) фильтрация, лекция, Технологический институт Нью-Джерси, Нью-Джерси.
21. Леканг, О. 2013, «Глубинная фильтрация: гранулированные средние фильтры» в издании Aquaculture Engineering, 2-е издание, Wiley-Blackwell, Западный Суссекс, стр. 58-59-60.
22. Трасселл, Р.Р. 2004, Глубокие фильтры и высокоскоростная служба, лекция, отдел Калифорнии, Невада, Американская ассоциация водопроводных сооружений, Сакраменто.
23. Арменанте, П. Глубокая (или глубокая) фильтрация, лекция, Технологический институт Нью-Джерси, Нью-Джерси.
24. Трасселл, Р.Р. 2004, Глубокие фильтры и высокоскоростная служба, лекция, отдел Калифорнии, Невада, Американская ассоциация водопроводных сооружений, Сакраменто.
25. Арменанте, П. Глубокая (или глубокая) фильтрация, лекция, Технологический институт Нью-Джерси, Нью-Джерси.
26. Арменанте, П. Глубинная (или глубокая) фильтрация, лекция, Технологический институт Нью-Джерси, Нью-Джерси.
27. Ли, Ю. 2008, "Рассмотрение конструкции фильтра" в Микроэлектронных приложениях химической механической поляризации, под ред. Ю. Ли, 1-е изд., John Wiley & Sons, Нью-Джерси, стр. 588-589-560.
28. Весилинд, А. 2003, «Химические и физические процессы, выбор и характеристики сред» в проектировании очистных сооружений, под ред. А. Весилинд, 1-е изд., Федерация водной среды, Корнуолл, стр. 10.6-10.61-10.65.
29. Весилинд, А. 2003, "Химические и физические процессы, выбор и характеристики сред" в проектировании очистных сооружений сточных вод, под ред. А. Весилинд, 1-е изд., Федерация водной среды, Корнуолл, стр. 10.6-10.61-10.65.
30. Леканг, О. 2013, «Глубинная фильтрация: гранулированные средние фильтры» в издании Aquaculture Engineering, 2-е изд., Wiley-Blackwell, West Sussex, стр. 58-59-60.
31. Сазерленд, К. 2009 г., 23 марта 2009 г. - последнее обновление, Обзор фильтрации: более пристальный взгляд на глубинную фильтрацию. Имеется в наличии: http://www.filtsep.com/view/841/filtration-overview-a-closer-look-at-depth-filtration/ [2013, 10/9].