محاسبه ظرفیت فیلتر پرس

محاسبه ظرفیت فیلتر پرس فقط به این معنا نیست که بدانیم دستگاه چند صفحه دارد یا چه حجمی از دوغاب وارد آن می‌شود. برای انتخاب درست دستگاه باید مشخص شود در هر سیکل چه مقدار جامد خشک وارد فیلتر می‌شود، این جامد چه حجمی از کیک را اشغال می‌کند، تشکیل کیک چقدر زمان می‌برد و برای عبور مایع چه سطح فیلتراسیونی لازم است. به همین دلیل ممکن است دو فیلتر پرس با حجم چمبر مشابه، در دو دوغاب متفاوت ظرفیت عملیاتی کاملاً متفاوتی داشته باشند. غلظت جامدات، اندازه و شکل ذرات، قابلیت تراکم کیک، ویسکوزیته مایع، فشار فیلتراسیون، نوع پارچه و زمان سیکل همگی روی ظرفیت واقعی دستگاه اثر می‌گذارند.

FLS  نیز نرخ فیلتراسیون را وابسته به فشار خوراک، ضخامت کیک، دما و ویسکوزیته دوغاب، ماهیت جامدات و مدیای فیلتر می‌داند. بنابراین سایزینگ فیلتر پرس باید هم بر مبنای حجم کیک و هم بر مبنای سرعت فیلتراسیون کنترل شود. برای بررسی مشخصات فنی، ظرفیت‌های قابل طراحی و انتخاب دستگاه متناسب با شرایط فرآیند خود، می‌توانید صفحه خرید فیلتر پرس توربین‌ دار را مشاهده کنید و پیش از تصمیم‌گیری نهایی، مشخصات خوراک و ظرفیت موردنیاز خط را با کارشناسان فنی مجموعه بررسی کنید.

منظور از ظرفیت فیلتر پرس چیست؟

در کاتالوگ‌ها معمولاً ظرفیت فیلتر پرس بر اساس حجم کیک قابل نگهداری در چمبرها در هر سیکل بیان می‌شود؛ برای مثال 500، 1000 یا 2000 لیتر کیک در هر سیکل. اما در طراحی مهندسی بهتر است سه نوع ظرفیت را از هم تفکیک کنیم:

بنابراین اینکه گفته شود «فیلتر پرس 10 مترمکعب بر ساعت ظرفیت دارد» بدون دانستن درصد جامد دوغاب و زمان سیکل، اطلاعات کافی برای انتخاب دستگاه نیست. برای مثال، 10 مترمکعب بر ساعت دوغاب با 2 درصد جامدات شرایط کاملاً متفاوتی با همان دبی و 25 درصد جامدات ایجاد می‌کند.

بیشتر بخوانید: فیلتر پرس چیست؟ بررسی کاربردها و مزایا انواع فیلترپرس

چه اطلاعاتی برای محاسبه ظرفیت فیلتر پرس لازم است؟

پیش از شروع محاسبات فیلتر پرس، باید مشخصات خوراک و محصول نهایی تا حد ممکن دقیق تعیین شود. M.W. Watermark نیز در راهنمای سایزینگ خود اطلاعاتی مانند نوع دوغاب، مقدار خوراک، درصد جامد وزنی، وزن مخصوص، دمای فرآیند، چگالی کیک مرطوب، ضخامت موردنظر کیک و شرایط کاری دستگاه را جزو ورودی‌های اصلی طراحی معرفی می‌کند. مهم‌ ترین داده‌ها عبارت‌اند از:

1. دبی دوغاب ورودی (Q)

حجم خوراکی که باید در واحد زمان پردازش شود:

m³/h یا L/h

دبی فقط نقطه شروع محاسبه است و به‌تنهایی ظرفیت فیلتر پرس را مشخص نمی‌کند.

2.  درصد جامد وزنی خوراک (w)

مشخص می‌کند چه سهمی از جرم دوغاب را مواد جامد تشکیل داده‌اند. برای مثال:

10% جامد وزنی = 0.10

این پارامتر یکی از مهم‌ترین داده‌ها در محاسبه ظرفیت دستگاه فیلتر پرس است.

3.  چگالی دوغاب (ρs)

چگالی معمولاً با واحد kg/m³ بیان می‌شود. در دوغاب‌های بسیار رقیق ممکن است مقدار آن به چگالی مایع نزدیک باشد؛ اما در دوغاب‌های معدنی و خوراک‌های دارای درصد جامد بالا، در نظر گرفتن چگالی آب می‌تواند خطای قابل‌توجهی ایجاد کند. اگر چگالی اندازه‌گیری نشده باشد و چگالی جامد و مایع مشخص باشد، می‌توان به‌صورت تقریبی نوشت:

1 / ρs = w / ρsolid + (1 − w) / ρliquid

بااین‌حال، استفاده از مقدار آزمایشگاهی برای پروژه صنعتی مطمئن‌تر است.

4.  درصد جامد کیک نهایی (Xc)

بعد از فیلتراسیون مقداری از مایع همچنان در فضای بین ذرات باقی می‌ماند. بنابراین کیک خروجی فقط شامل جامد خشک نیست. برای مثال:

• کیک با 60% جامد وزنی
• معادل حدود 40% مایع وزنی

5. چگالی کیک مرطوب (ρcake)

برای تبدیل جرم کیک به حجم چمبر موردنیاز، چگالی کیک مرطوب اهمیت زیادی دارد. بهترین روش، تعیین آن در تست آزمایشگاهی یا پایلوت است.

6. زمان سیکل فیلتر پرس

زمان سیکل فقط «زمان فیلتراسیون» نیست و باید کل زمان لازم برای یک چرخه کامل را در بر گیرد؛ از جمله:

• پر شدن چمبرها
• تشکیل و آبگیری کیک
• فشرده‌سازی ممبران، در صورت وجود
• Air Blow یا Core Blow
• شست‌وشوی کیک، در صورت نیاز
• باز شدن صفحات
• تخلیه کیک
• بسته شدن مجدد دستگاه

کاهش زمان تخلیه یا جابه‌جایی صفحات می‌تواند بدون تغییر حجم چمبرها، ظرفیت روزانه فیلتر پرس را افزایش دهد.

فرمول محاسبه ظرفیت فیلتر پرس

برای یک محاسبه اولیه می‌توان سایزینگ را در چند مرحله انجام داد.

• مرحله اول؛ محاسبه جرم جامد خشک ورودی

ابتدا باید مشخص شود چه مقدار ماده خشک در هر ساعت وارد دستگاه می‌شود:

Mds = Q × ρs × w

که در آن:

• Mds: جرم جامد خشک، kg/h
• Q: دبی دوغاب، m³/h
• ρs: چگالی دوغاب، kg/m³
• w: کسر وزنی جامدات خوراک

مثال

فرض کنیم:

• دبی دوغاب = 10 m³/h
• چگالی = 1100 kg/m³
• درصد جامد = 10%

خواهیم داشت:

Mds = 10 × 1100 × 0.10

Mds = 1100 kg/h

یعنی فیلتر پرس باید در هر ساعت توان مدیریت حدود 1100 کیلوگرم ماده خشک را داشته باشد.

• مرحله دوم؛ محاسبه جرم جامد در هر سیکل

اگر زمان کامل سیکل 1.5 ساعت باشد:

Mds,cycle = Mds × tcycle

بنابراین:

Mds,cycle = 1100 × 1.5

Mds,cycle = 1650 kg

پس در هر سیکل حدود 1650 کیلوگرم ماده خشک باید در چمبرهای فیلتر پرس جمع شود.

• مرحله سوم؛ محاسبه جرم کیک مرطوب

اگر درصد جامد کیک خروجی 60 درصد باشد:

Mcake = Mds,cycle / Xc

در مثال ما:

Mcake = 1650 / 0.60

Mcake = 2750 kg

بنابراین جرم کل کیک مرطوب تولیدشده در هر سیکل حدود 2750 کیلوگرم خواهد بود.

• مرحله چهارم؛ محاسبه حجم کیک فیلتر پرس

اگر چگالی کیک مرطوب طبق تست برابر 1500 kg/m³ باشد:

Vcake = Mcake / ρcake

پس:

Vcake = 2750 / 1500

Vcake ≈ 1.83 m³

بنابراین حداقل حدود 1.83 مترمکعب فضای کیک برای هر سیکل موردنیاز است.

همین محاسبه را می‌توان به شکل یک رابطه واحد نوشت:

Vcake = (Q × ρs × w × tcycle) / (ρcake × Xc)

این رابطه یکی از کاربردی‌ترین فرمول‌ها برای برآورد اولیه ظرفیت حجمی فیلتر پرس است.

فرمول ارائه‌شده در کاتالوگ Shriver شرکت FLS نیز همین موازنه جرم را مبنای تعیین حجم فیلتر پرس قرار می‌دهد و حجم خوراک، غلظت جامدات، وزن مخصوص دوغاب، چگالی کیک مرطوب و غلظت جامدات کیک را در محاسبه وارد می‌کند.

آیا باید ظرفیت دستگاه دقیقاً 1.83 مترمکعب انتخاب شود؟

در طراحی صنعتی معمولاً انتخاب دستگاه دقیقاً روی عدد محاسباتی انجام نمی‌شود. نوسان درصد جامد خوراک، تغییر شرایط فرآیند، کاهش عملکرد پارچه در طول زمان، تغییر زمان سیکل و احتمال افزایش ظرفیت تولید باید بررسی شوند. برای مثال اگر در مرحله طراحی تصمیم گرفته شود حدود 15 درصد حاشیه عملیاتی در نظر گرفته شود:

Vdesign = 1.83 × 1.15

Vdesign ≈ 2.10 m³

در نتیجه باید دستگاهی انتخاب شود که حجم مفید چمبرهای آن پاسخگوی حدود 2.1 مترمکعب کیک در هر سیکل باشد. عدد حاشیه طراحی ثابت و یکسانی برای همه پروژه‌ها وجود ندارد و باید با توجه به نوسان واقعی فرآیند تعیین شود.

محاسبه تعداد صفحات فیلتر پرس

بعد از مشخص شدن حجم کیک موردنیاز، می‌توان به سراغ تعداد چمبرها و صفحات رفت. اگر حجم مفید یک چمبر از کاتالوگ سازنده برابر Vch باشد:

Nch = Vdesign / Vch

عدد به‌دست‌آمده باید به عدد صحیح بالاتر گرد شود.

برای مثال اگر:

• حجم موردنیاز دستگاه = 2.10 m³
• حجم مفید هر چمبر = 0.035 m³

باشد:

Nch = 2.10 / 0.035 = 60

بنابراین حدود 60 چمبر نیاز داریم.

تعداد دقیق صفحات از روی طراحی Plate Pack، نوع صفحه، صفحات انتهایی و استاندارد سازنده تعیین می‌شود؛ بنابراین بهتر است در سفارش صنعتی مستقیماً از جدول Volume per Chamber سازنده استفاده شود.

چگونه سطح فیلتراسیون موردنیاز را محاسبه کنیم؟

برای یک تخمین ابتدایی می‌توان نوشت:

A = Vf / (Javg × tf)

که در آن:

• A: سطح فیلتراسیون، m²
• Vf: حجم فیلتریت تولیدشده در سیکل
• Javg: متوسط Flux آزمایشگاهی، m³/m².h
• tf: زمان درنظرگرفته‌شده برای فیلتراسیون

اما مشکل اینجاست که Flux در فیلتر پرس ثابت نمی‌ماند.

با تشکیل کیک، مقاومت مسیر افزایش پیدا می‌کند و معمولاً دبی فیلتریت به‌تدریج کاهش می‌یابد. به همین دلیل استفاده مستقیم از یک Flux ثابت بدون تست می‌تواند نتیجه گمراه‌کننده ایجاد کند.

جدول تقریبی ظرفیت فیلتر پرس بر اساس سایز صفحه

برای درک بهتر ارتباط سایز صفحه، تعداد چمبر و ظرفیت، می‌توان از جدول راهنمای Micronics استفاده کرد:

سایز صفحه	حجم کیک تقریبی دستگاه	تعداد معمول چمبر
470 mm	حدود 28 تا 57 لیتر	7 تا 13
630 mm	حدود 57 تا 283 لیتر	7 تا 35
800 mm	حدود 283 تا 566 لیتر	20 تا 40
1000 mm	تا حدود 1.13 m³	حدود 50
1200 mm	تا حدود 4.25 m³	حدود 120
1500 mm	تا حدود 7.08 m³	حدود 125
2000 mm	تا حدود 14.16 m³	حدود 130

این جدول فقط راهنمای اولیه است و بر اساس ضخامت کیک حدود 32 میلی‌متر تهیه شده است. Micronics نیز تأکید می‌کند که سایزینگ نهایی باید متناسب با شرایط واقعی هر کاربرد انجام شود. بنابراین نمی‌توان صرفاً گفت «صفحه 1200 میلی‌متر یعنی ظرفیت مشخصی». تعداد صفحات، عمق چمبر، نوع صفحه و طراحی سازنده ظرفیت نهایی را تعیین می‌کنند.

چه عواملی ظرفیت واقعی فیلتر پرس را کاهش می‌دهند؟

محاسبات روی کاغذ زمانی معتبر هستند که شرایط واقعی فرآیند نیز نزدیک به فرضیات طراحی باقی بماند.

• • افزایش مقاومت پارچه

گرفتگی پارچه باعث افزایش Rm و کاهش دبی فیلتریت می‌شود. در نتیجه سیکل طولانی‌تر شده و ظرفیت روزانه افت می‌کند.

• • ذرات بسیار ریز

ذرات ریز معمولاً ساختار کیک با نفوذپذیری پایین‌تری ایجاد می‌کنند و می‌توانند مقاومت ویژه کیک را افزایش دهند. مطالعات آزمایشگاهی نیز نشان داده‌اند که پیش‌بینی رفتار فیلتراسیون فقط بر اساس توزیع اندازه ذرات کافی نیست و آزمایش عملی فیلتراسیون اهمیت بالایی دارد. (ScienceDirect)

• • تغییر ویسکوزیته

افزایش ویسکوزیته مایع، برای یک فشار و سطح ثابت، نرخ عبور سیال را کاهش می‌دهد.

• • تغییر درصد جامد خوراک

اگر درصد جامدات بیشتر از مقدار طراحی شود، چمبرها سریع‌تر پر می‌شوند. کاهش غلظت نیز می‌تواند زمان لازم برای تشکیل کامل کیک را افزایش دهد.

• • تراکم‌ پذیری کیک

در برخی لجن‌های صنعتی و بیولوژیکی، افزایش فشار باعث فشرده‌ترشدن ساختار جامد و افزایش مقاومت در برابر جریان می‌شود. به همین دلیل همیشه نمی‌توان انتظار داشت دو برابر شدن فشار، سرعت فیلتراسیون را دو برابر کند. مدل‌های عددی فیلتر پرس نیز Compressibility و Permeability خوراک را از پارامترهای مهم پیش‌بینی عملکرد معرفی می‌کنند.

 

چک‌ لیست محاسبه و سایزینگ فیلتر پرس

قبل از انتخاب دستگاه، بهتر است حداقل اطلاعات زیر مشخص شده باشد:

پارامتر	واحد
دبی دوغاب	m³/h
ساعات کار روزانه	h/day
درصد جامد خوراک	wt%
چگالی دوغاب	kg/m³
چگالی جامد	kg/m³
دمای خوراک	°C
ویسکوزیته مایع	Pa.s یا cP
درصد جامد هدف کیک	wt%
چگالی کیک مرطوب	kg/m³
زمان هدف فیلتراسیون	min
زمان کامل سیکل	min
فشار فیلتراسیون	bar
کیفیت موردنیاز فیلتریت	ppm یا TSS
نیاز به شست‌وشوی کیک	بله/خیر
نوع تخلیه	دستی/اتوماتیک
نوع صفحه	چمبر/ممبران

هرچه تعداد داده‌های واقعی بیشتر باشد، فاصله ظرفیت محاسباتی و ظرفیت واقعی کمتر خواهد شد.

جمع بندی

محاسبه ظرفیت فیلتر پرس از یک موازنه ساده جرم شروع می‌شود، اما سایزینگ حرفه‌ای در همان مرحله متوقف نمی‌ماند. ابتدا باید جرم جامد خشک ورودی در هر ساعت تعیین شود. سپس با توجه به زمان سیکل، درصد جامد کیک و چگالی کیک، حجم کیک موردنیاز در هر سیکل محاسبه می‌شود. در مرحله بعد این حجم به تعداد چمبر و صفحات تبدیل شده و در نهایت سطح فیلتراسیون، فشار کاری، زمان تشکیل کیک و ظرفیت پمپ کنترل می‌شوند. به‌ صورت خلاصه مسیر محاسبه چنین است:

دبی دوغاب → درصد جامد → جرم جامد خشک → جامد هر سیکل → جرم کیک مرطوب → حجم کیک → حجم چمبر موردنیاز → تعداد چمبر → تعداد صفحات → کنترل سطح فیلتراسیون و زمان سیکل

بنابراین بهترین فیلتر پرس الزاماً بزرگ‌ترین دستگاه موجود نیست؛ بلکه دستگاهی است که حجم چمبر، سطح فیلتراسیون، فشار کاری و درجه اتوماسیون آن با رفتار واقعی دوغاب و ظرفیت خط تولید هماهنگ باشد. شرکت توربین‌ دار به‌ عنوان یکی از مجموعه‌های تخصصی در زمینه طراحی، ساخت و ارائه دستگاه‌های فیلتر پرس صنعتی فعالیت می‌کند. این مجموعه با بررسی مشخصات دوغاب، ظرفیت خط تولید، درصد جامدات، رطوبت مورد انتظار کیک و شرایط بهره‌برداری، دستگاهی متناسب با نیاز هر پروژه پیشنهاد می‌دهد. بهره‌گیری از دانش فنی، امکان سفارشی‌سازی تجهیزات و ارائه مشاوره تخصصی باعث شده است توربین‌دار به انتخابی قابل‌ اعتماد برای مجموعه‌های صنعتی نیازمند تجهیزات جداسازی جامد از مایع تبدیل شود.