فیلتر دیسکی

طراحی المنت های دیسکی سرامیکی سطح فیلتراسیونی بزرگ تر در مقایسه با فیلتر خلاء نواری و درام فیلتر را ارائه می دهد. دیسک فیلتر های سرامیکی متشکل از المنت های سرامیکی است، که به صورت یک یا چند دیسک حول یک محور شفت مجموع شده اند. اساس کار دیسک فیلتر مشابه دارم فیلتر می باشد. در این فیلتر ، دیسک هایی با مقطع دایره ای به یک شفت افقی در مرکز متصل شده اند هنگامیکه دیسک ها در بخش پایینی استوانه دوغاب غرق می شود تحت نیروی مکشی خلاء کیک در سطح بیرونی فیلترهای دیسکی تشکیل می گردد. هنگامی که دیسک فیلتر ها به بخش بالایی شروع به چرخش می کنند فرآیند های شستشو ، خشک شدن و در نهایت تخلیه کیک توسط یک تغیه و یا ضربه ارتعاشی صورت می گیرد. دریک فیلتر دیسکی بر مبنای سطح مورد نیاز فیلتراسیونی تعداد دیسک ها حول محور مرکزی شفت متغیر می باشد. از جمله مزیت های فیلتر دیسکی سرامیکی می توان به کم حجم بودن آن ، داشتن سطح فیلتراسیون بالا جهت انجام فیلتراسیون های با ظرفیت بالا و هزینه کمتر نسبت سطح فیلتراسیون بیشتر نسبت به دارم فیلتر اشاره کرد. شمایی از تجهیزات دستگاهی سرامیک دیسک فیلتر در شکل 1 ارائه شده است.

به طور مرسوم فیلتراسیون تحت نیروی مکشی خلاء جهت آبگیری از محصول سنگ آهن به منظور بهربرداری مورد استفاده قرار گرفته است. با تغییر کیفیت محصول مورد نیاز ، کاهش گرید های سنگ معدنی، افزایش پیچیدگی فرآیند های معدنی و افزایش هزینه های انرژی گزینه فیلتراسیون دیسکی سرامیک با داشتن بازدهی بهتر به عنوان یک راه حل مطلوب در صنایع معدنی مطرح شد. توسعه واحد های سرامیکی بزرگ با سطح فیلتراسیون بالا منجر به فراورش بهتر آبگیری از سنگ آهن شده است همچنین توسعه فیلتر های سرامیکی با ظرفیت های بالای عملیاتی را ممکن ساخته است. پیرکانن و همکارانش در سال 2010 فناوری فیلتراسیونی سرامیکی را به عنوان یکی از فناوری های بسیار مطلوب جهت آبگیری از محلول های دوغابی با میزان درصد مواد جامد بالا و گستره اندازه ذرات بین 30 تا 150 میکر متر را مطرح کردند. این فناوری در حال حاضر به طور گسترده در صنایع معدنی فلزی ، فروکروم و محصولات سنگ آهن مورد استفاده قرار گرفته است.

فناوری فیلتراسیون سرامیکی اولین بار در سال 1980 به بازار معرفی شد بطوریکه در سال 2000 در صنایع معدنی سنگ آهن مورد استفاده قرار گرفت. دیسک فیلتر های سرامیکی یا فیلتر های دیسکی خلاء متشکل از صفحات سرامیکی از جنس آلومینا با میکرو حفرات یکنواخت است. این میکرو حفرات از طریق عمل موئینگی مکشی را ایجاد می کند بطوریکه فقط مولکول های مایع در طول فرآیند فیلتراسیون از آنها عبور خواهد کرد و در نهایت کیک فیلتر تشکیل شده بر سطح بیرونی فیلتر توسط یک تیغه زادینده از صفحه فیلتر حذف می گردد. عدم نفوذ هوا از کیک فیلتر سبب افزایش راندمان و کاهش انرژی مصرفی جهت ایجاد نیرو محرکه مکشی نسبت به فیلتر های دیسکی پارچه ای و درام فیلتر می شود. وجود میکرو حفرات غشای سرامیکی از نوع آلومینا سبب ایجاد نیروی موئینگی قوی در تماس با مولکول های آب می شود. مدیای فیلتر سرامیکی فقط اجازه عبور مایع را داده و سبب تشکیل کیک در سطح بیرونی دیسک می شود. یک المان فیلتر سرامیکی تشکیل شده از یک لایه لاغر از غشا بر روی پایه ای با اندازه حفرات متخلخل بزرگ است. لایه بیرونی المان سرامیکی لایه فیلتراسونی نام دارد درحالیکه لایه ضخیم زیرین المان نقش استحکام مکانیکی در فیلتر سرامیکی را بازی می کند.

دیسک فیلترهای سرامیکی متشکل از غشاهای میکرو فیلتر با اندازه حفرات یکنواخت می باشد که سبب ایجاد جریان موئینگی در آن می شود. این مدیای فیلتری میکرو متخلخل قابلیت عبوردهی سیال مایع را دارد. در یک سامانه مکشی عالی اختلاف فشار کافی جهت عبور سیال از مدیای باز فیلتر وجود دارد. پدیده موئینگی بر اساس قانون یانگ لاپلاس تشریح می شود، بطوریکه اندازه مشخص حفرات ، کشش سطحی و زاویه تماس سیال با فیلتر مدیای سرامیکی از جمله پارامتر های تعیین کننده در فعل و انفعال موئینگی در فیلتر های سرامیکی است.

تشریح کامل از اصول عملیاتی فیلتراسیون سرامیکی توسط سازندگان دستگاه تهیه شده است. فرآیند فیلتراسیون در این فناوری شامل 5 بخش مختلف است که شامل:

1. تشکیل کیک: مرحله اولیه تشکیل کیک، هنگامیکه که دیسک های سرامیکی از دوغاب عبور می کند اتفاق می افتد. در اثر ایجاد یک نیروی مکشی قوی ایجاد شده توسط عمل موئینگی مایع از فیلتر سرامیکی با اندازه حفرات یکنواخت خارج می گردد. کیک جامد بلافاصله در سطح بیرونی دیسک فیلتر تشکیل میگردد اما ساختار میکرو متخلخل از نفوذ انها به سطح داخلی فیلتر جلوگیری میکند و فقط با اعمال نیروی وکیوم بسیار کوچکی جهت حذف فیلتریت مایع از خط فیلتریت میکرو متخلخل جدا می گردد.
2. خشک شدن کیک: عمل موئینگی به صورت پیوسته هنگامیکه دیسک ها از محفظه زیرین دوغابی خارج می شود جهت گرفتن و عاری شدن کیک جامد از مولکول های مایع (فیلتریت آب) ادامه می یابد. مدیای میکرومتخلخل فقط اجازه عبور سیال مایع را از حفرات سرامیک می دهد، از آنجایی که نیروی موئینگی سبب حفظ و نگه داشتن قطرات آب می شود در نتیجه از نفوذ هوا به داخل سطح دیسک جلوگیری می شود. در شکل شمار 4 بخش 2 شمایی از جریان خروجی فیلتریت و عاری شدن کیک از مولکول های آب جهت رسیدن به رطوبت مطلوب را نشان می دهد.
3. تخلیه کیک: در این مرحله از یک تیغه زداینده جهت حذف کیک از دیسک های سرامیکی استفاده می شود. باقی ماندن یک لایه نازک بر روی سطح دیسک فیلتر را از مقابل سایش های مکانیکی ایمن می کند و در نتیجه کاهش هزینه نگهداری و افزایش طول عمر فیلتر را سبب می شود. در این سامانه از ضربه محکم و ناگهانی جهت تخلیه پیوسته کیک مورد نیاز نیست و این روش بیشتر در سامانه های مکشی فیلتراسیون درام معمول می باشد.
4. شستشوی المان های سرامیکی: از جریان مایع فیلتریت جدا شده جهت شستشو و تمیز کردن دیسک های سرامیکی بعد از تخلیه کیک استفاده شده است. بنابرین حذف کیک های باقی مانده و پاک سازی ساختار میکرو متخلخل به ثابت ماندن راندمان جداسازی فیلتر کمک می کند.
5. احیا و پاک سازی فیلترها: از جریان مایع فیلتریت جدا شده جهت شستشو و تمیز کردن دیسک های سرامیکی بعد از تخلیه کیک استفاده شده است. بنابرین حذف کیک های باقی مانده و پاک سازی ساختار میکرو متخلخل به ثابت ماندن راندمان جداسازی فیلتر کمک می کند.

جهت تعیین ظرفیت طراحی دیسک فیلتر سرامیکی پارامتر های فرآیندی مانند تراوایی المنت های سرامیکی ، سطح موثر فیلتراسیون ، غلظت ذرات جامد، پی اچ محلول دوغابی و دمای فرآیندی باید به کمک آزمون های اولیه آزمایشگاهی تعیین شوند. بنابرین بعد از هر سیکل فرآیندی این متغیر ها محاسبه و ثبت می گردند. در همین خصوص عوامل موثر بر فیلتراسیون به ویژگی های ذاتی دوغاب نیز بر می گردد که شامل پتانسیل زتای دوغاب ، پی اچ ، اثرافزودن فلوکولانت و دما و ویسکوزیته سیال نیز می شود. این ویژگی های سیال دوغابی توسط تجهیزات دقیق آزمایشگاهی تعیین و در محاسبات فرآیندی مورد استفاده قرار می گیرند. همه این موارد در کنار ویژگی های فیزیکی دو غاب می تواند عملکرد فیلتراسیونی دیسک سرامیکی را تحت شعاع قرار دهند. یکی دیگر از عوامل محدود کننده در فرآیند فیلتراسیونی مواد معدنی توسط دیسک فیلتر سرامیکی، مبحث گرفتگی غشاء فیلتر سرامیکی است. به همین منظور احیا و شستشوی اسیدی المان های فیلتراسیونی بعد از چند سیکل فرآیندی جهت ثابت ماندن و داشتن میزان تراوایی مطلوب و بهینه همواره دارای اهمیت است.

یکی از پارامتر های موثر بر فیلتراسیون دانسیته دوغاب جهت تشکیل کیک است بطوریکه دانسیته ذره جامد معدنی و کسر جرمی آن در دوغاب و دما همواره بر تعیین میزان دقیق آن موثر است، که از رابطه 1 قابل تعیین است.
رابطه ۱: Density= mass/volume (gr/L)

یکی از روش های مرسوم و متداول در تعیین نرخ فیلتراسیون فیلتر سرامیکی جرم کیک خشک شده بر واحد سطح بر واحد زمان است که از رابطه2قابل تعیین است.
رابطه ۲:

این زمان شامل مجموع مرحله زمانی تشکیل کیک ، مرحله زمانی جهت رسیدن به خشکی مطلوب و شستشوی صفحات فیلتراسیونی می شود هر کدام از این بخش های زمانی باید در هر آزمایش فیلتراسیونی به دقت تعیین و در محاسبات مورداستفاده قرار گیرند.

یک روش بسیار راحت جهت اندازه گیری تراوایی استفاده از محاسبه حداقل مربعات داده های آزمایشگاهی حجم فیلتریت درزمان می باشد. به صورت تئوریکی میزان تراوایی ازمدیای متخلخل از رابطه دارسی استفاده می شود که معیاری از میزان شار عبوری سیال ، اختلاف فشار درطول فیلتر ، ضخامت فیلتر و همچنین ویسکوزیته سیال می باشد.
رابطه ۳:

در نهایت تابعیت حجم فیلتریت خروجی از فیلتر بر حسب زمان در یک سیستم غیر مداوم آزمایشگاهی به صورت زیر بیان می شود.
رابطه ۴:

براساس متغیر های هندسی المنت های سرامیکی نسبت قطر داخلی برابر با قطر شفت و قطر خارجی و تعیین زاویه مرکزی المنت های سرامیکی غوطه ور در آب به همراه تعیین زمان فیلتریت بر اساس سرعت زاویه ای تعین شده، میزان فیلتریت خروجی برای یک دیسک در سیستم پیوسته مطابق با ربطه ارائه شده قابل محاسبه می باشد. در این رابطه K میزان تراوایی فیلتر سرامیکی جزء خصوصیات ذاتی فیلتر مانند جنس فیلتر میزان تخلخل و تزیع اندازه حفرات بستگی دارد.
رابطه ۵:

رابطه ۶:

براساس متغیر های هندسی المنت های سرامیکی نسبت قطر داخلی برابر با قطر شفت و قطر خارجی و تعیین زاویه مرکزی المنت های سرامیکی غوطه ور در آب میزان سطح فیلتر تر محاسبه می شود.
رایطه ۷:

بر اساس داده های تجربی حاصل از فیلتراسیون سرامیکی ظرفیت درایو پمپ خلاء مطابق رابطه تجربی بر مبنای سطح مورد نیاز فیلتراسیونی تعیین می شود.
رابطه ۸:

با انجام تست فیلتراسیونی غیرمداوم با نمونه المنت سرامیکی میزان نرخ فیلتراسیون و زمان فیلتراسیونی تعیین می گردد با داشتن این داده ها و بر اساس ظرفیت درخواستی عملیاتی سطح مورد نیاز فیلتراسیونی تعیین می گردد. مطابق با پارامتر های هندسی المنت های سرامیکی تعداد سگمنت های فیلتراسیونی و تعداد حلقه دیسک های فیلتر تعیین می گردد. میزان دور و سرعت دیسک های چرخان وابسته به تعیین زمان سیکلی هر ناحیه فیلتراسیونی بر حسب زاویه تتای مرکزی فیلتر تعیین می گردد.

بر اساس تعداد سگمنت های سرامیکی و سطح مورد نیاز و ابعاد هندسی هر سگمنت، قطر هر دیسک فیلتر تعیین می شود، با در نظر گرفتن زاویه مرکزی جهت تعیین خوراک دهی بهینه برمبنای حجم فیلتریت محسابه شده و دانسیته دوغابی و ظرفیت تعیین شده ناحیه تر ( غوطه وری فیلتر ) حجم و ابعاد کلی استراکچکر دستگاه تعیین می گردند.
طراحی شفت در حال چرخش و همچنین تعیین نیروی لازم برای چرخش آن توسط الکترو موتور بر مبنای جریان ورودی فشاری مکشی و جریان خروجی جریان فیلتریت و محاسبات دینامیکی در حالت بارگزاری و بدون آن جهت تحمل نیروی استاتیکی و دینامیکی بر مبنای وزن المنت ها با کیک و بدون آن با احتساب ضخامت بهینه شده بر مبنای دانسیته ذرات جامد کیک معدنی توسط مهندسان طراحی بهینه شده و محسابات جهت تحمل نیروی وارده بر آن و سگمنت های سرامیکی انجام باید گردد.
سامانه پایپینگ جهت انتقال سیال نیاز بر مبنای سرعت بهینه و کاهش افت فشار احتمالی در بخش های مختلف باید لحاظ گردیده بر مبنای ظررفیت تعیین شده طراحی لازم صورت گیرد. طراحی مخزن تانک فیلتریت نیز بر مبنای میزان شار عبوری سیال فیلتریت خارج شده از سطحوح فیلترهای سرامیکی در هر سیکل تعیین و محسابات مربوط به ظرفیت آن انجام می شود.

• صنایع آب و فاضلاب
• صنایع غذایی
• صنایع معدنی