Filtrering

Filtrering er en enhetlig separasjonsoperasjon som brukes både i laboratorieskala (for eksempel i et kjemisk laboratorium ) og i industriell skala (for eksempel i frese- og slipeanlegg ).

Det er en laboratoriepraksis som kan brukes både for separasjonsformål, for å fjerne faste urenheter fra væsker eller løsninger , og for syntetiske formål, for å isolere en utfelt forbindelse fra en løsning eller krystallisert .

I naturen representerer det et vanlig fenomen når det gjelder vannkilder hvis vann gjennomsyrer bakken de strømmer i: for eksempel brukes de dype akviferene som en kilde til drikkevann ettersom de renses ved intens filtrering.

I mikrobiologi og farmasøytisk syntese brukes filtrering som et middel for desinfeksjon : ved bruk av filterpapir med en porediameter mellom 0,22-0,45 μm , er det mulig å beholde nesten alle bakteriene . HEPA-filtre brukes av laboratoriehetter og av termohydrauliske miljøkondisjoneringssystemer for å rense luften .

I det industrielle feltet bruker filtrering filtreringsmaskiner som opererer i stor skala.

Filtrering i laboratoriet

Det er to metoder for å utføre filtrering i laboratoriet: gravitasjonsfiltrering og vakuumfiltrering.

Tyngdekraftsfiltrering, slik definert fordi den utnytter tyngdekraftens virkning for å skille væsken fra den faste fasen , som holdes tilbake på et filterpapir, utføres ved å føre suspensjonen gjennom filterpapiret festet til veggene i en filtertrakt som den kan være av variabel størrelse. Det er nødvendig å være forsiktig så du ikke tetter til trakten og kontrollerer at papiret ikke i mellomtiden har blitt skadet ved også å passere faststoffet. Som allerede nevnt legger det faste stoffet seg på filterpapiret mens væsken samles i et beger eller en kolbe . Filteret kan klargjøres ved å manuelt gi det en klassisk kjegleform eller en plissert form for raskere filtrering (på grunn av luftpassasje mellom foldene).
Vakuumfiltrering er en raskere metode, effekten av separasjon ved sug er større enn ved tyngdekraft, men som krever et forseglet glass , tilpasning av filterpapiret og et system som genererer et vakuum som ikke er for høyt (for eksempel vann pumpe eller en mekanisk vakuumpumpe ). Glassvarer som brukes inkluderer Büchner-trakten , Hirsch-trakten (lik Büchner-trakten, men mindre i størrelse), Gooch-digelen (enda mindre enn Hirsch og som ikke krever filterpapir, har en porøs overflate) og en oppsamlingskolbe med hale.

Filtermediet (eller medium )

Mediet er elementet som aktivt utfører filtreringen. Filtermediet velges i henhold til typen og kvaliteten på filtreringen som kreves. Det er mange variasjoner mellom papir (vanligvis laget av nitrocellulose ), ikke-vevde stoffer ( polyester , polypropylen , glassfiber , aramidiske fibre ), nett og trådduker (type Reps, mikrostrukket).

De karakteristiske kvalitative og kvantitative egenskapene til et filtermedium er følgende:

porøsitet, indikerer partiklene som kan passere gjennom filtreringsmediet. For eksempel holdes små partikler tilbake av papir med lav porøsitet, på den annen side reduserer et for fint korn filtreringshastigheten betydelig;
retentivitet, en karakteristisk motsetning til porøsitet. Papir med lav retentivitet kan ikke holde på de minste partiklene av filtrat;
hastighet, angir tiden det tar før en væske passerer gjennom filteret.

De tre egenskapene henger sammen: et raskt papir har vanligvis lav retentivitet og høy porøsitet og et sakte papir har motsatte egenskaper.

Kolloide forbindelser egner seg ikke til å bli filtrert i det hele tatt eller er delvis eller svært vanskelige å filtrere.

Industriell filtrering

Uansett hvilket filtreringssystem som brukes, råder laminær bevegelse og strømmen av filtratet er direkte proporsjonal med den fluidomotoriske kraften som bestemmer den og omvendt proporsjonal med motstandene som væsken møter ( væske eller gass ).

Filtrering kan foregå på følgende måter:

normal strømningsfiltrering : suspensjonen som skal filtreres passerer gjennom filteret i en normal retning (dvs. vinkelrett) på overflaten av filtermediet;
kryssstrømsfiltrering : strømmen av suspensjonen som skal behandles er parallell med overflaten til filtermediet;
kakefiltrering (på engelsk kakefiltrering ): strømmen av suspensjonen som skal filtreres går gjennom en "kake" (på engelsk kake ), bestående av det faste stoffet som skal separeres, som etter hvert som operasjonen fortsetter, avsettes på skilleveggen; kaken er støttet av et ark (for eksempel et metallgitter), hvis porer har en større diameter enn partiklene som skal filtreres, siden filtermediet i dette tilfellet er kaken, mens arket bare har en støttefunksjon;
dypbedfiltrering : de faste partiklene holdes inne i filtreringsskilleveggen, så bortsett fra i sjeldne tilfeller (for eksempel i sandfilteret ) er det ikke mulig å gjenvinne faststoffet ved slutten av filtreringen, for så snart filteret er mettet , den må kasseres og erstattes.

I de såkalte pie-filtrene er den fluidomotoriske kraften gitt av trykkforskjellen som eksisterer mellom de to sidene av filtermediet, mens motstandene som væsken møter stammer fra den indre motstanden til filtermediet (eller duken) og fra motstanden til den såkalte paien.

I andre typer filter skyldes motstanden i stedet bare trykkfallet i det gjennomgående skilleveggen, da kaken er fraværende (eller av ubetydelig tykkelse).

De viktigste faktorene som påvirker filtreringshastigheten er:

trykkfallet som filtratet lider når det passerer gjennom mediet;
det totale arealet av filtreringsoverflaten;
viskositeten til filtratet;
egenskapene til den dannede kaken (i tilfelle av paifiltre).

Trykkforskjellen mellom de to sidene av filtermediet kan oppnås på to måter:

i vakuumfiltre kreves et trykk oppstrøms for filteret lik atmosfærisk trykk og et trykk nedstrøms filteret lavere enn atmosfærisk trykk.
i trykkfiltre kreves et trykk nedstrøms for filteret som er lik atmosfæretrykket og et trykk oppstrøms for filteret større enn atmosfærisk trykk.

Ettersom filtreringshastigheten øker når trykkforskjellen øker, vil den andre metoden, for hvilken trykkforskjeller større enn 1 atm kan være, i teorien være å foretrekke; i praksis må det imidlertid også vurderes at for å ta produktet fra et filter under trykk vil det være nødvendig å installere en pumpe, og dette vil øke kostnadene til systemet. Av disse grunner brukes trykkfiltre vanligvis til batchoperasjoner , mens vakuumfiltre brukes til kontinuerlig drift.

Industrielle filtre

Plantemessig sett er det industrielle utstyret som brukes til å utføre filtreringen delt inn i kontinuerlige filtre og diskontinuerlige filtre avhengig av om prosessen må avbrytes eller ikke for å utføre andre sivile operasjoner.

Diskontinuerlige filtre

sandfilter , arbeider ved tyngdekraft eller trykk
filterpresse , med enkel vask eller komplett vask
Moore filter
Sweetland filter
Vallez filter
Kelly filter
stearinlys filter

Kontinuerlige filtre (roterende filtre)

skivefilter
trommelfilter

Swenson trommelfilter
Oliver type trommelfilter

Bønn filter
karusellfilter

Utledning av den generelle filtreringsligningen

Den generiske ligningen som uttrykker strømmen av en væske gjennom porøse lag er:

{\ displaystyle \ Phi = {\ frac {\ Delta P} {R}}}

hvor er trykkforskjellen som eksisterer mellom de to flatene av sjiktet, er motstanden som fluidet møter ved å krysse det porøse mediet og er fluidstrømmen. ${\ displaystyle \ Delta P}$ $R.$ $\ Phi$

Motstand kan utledes fra forholdet $R.$

{\ displaystyle R = {\ frac {r \ mu l} {A}}}

hvor er den spesifikke motstanden til kaken, viskositeten til filtratet, tykkelsen på kaken oppsto etter avsetning av fast stoff, den normale overflaten av kaken med hensyn til strømningsretningen. Spesifikk motstand er definert som trykkforskjellen som kreves for å forårsake en enhetsstrøm av filtrat, av enhetsviskositet, over en enhetsoverflate og kaketykkelse. $r$ $\ mu$ $L$ $TIL$ $r$

Med henvisning til en uendelig liten tid hvor et volum av væske filtreres , oppnås ligningen: $dt$ $dV$

{\ displaystyle {\ frac {dV} {dt}} = {\ frac {A \ Delta P} {r \ mu l}}}

Dette er den grunnleggende ligningen til filtreringsteorien. I praktiske tilfeller fører denne ligningen til forskjellige resultater i forhold til driftsforholdene den brukes på. Disse forholdene er representert ved strømningshastighet eller konstant og ved tilfellet med ikke-komprimerbare kaker (f.eks. de oppnådd fra krystallinske utfellinger) eller komprimerbare kaker (f.eks. flak eller gelatinøse utfellinger). ${\ displaystyle \ Delta P}$

Du kan også skrive den forrige ligningen ved å forklare , som er den volumetriske strømmen til væsken som passerer gjennom filteret: $V_ {S}$

{\ displaystyle V_ {S} = {\ frac {1} {A}} {\ frac {dV} {dt}} = {\ frac {\ Delta P} {r \ mu l}}}

Generell filtreringsligning for et kakefilter

Forutsatt at bevegelsen gjennom kaken er laminær og at de faste partiklene har samme diameter, gjelder Blake-Kozeny-ligningen : [1]

{\ displaystyle V_ {S} = {\ frac {\ Delta P \ cdot d_ {p} ^ {2}} {150 \ mu L}} {\ frac {\ varepsilon ^ {3}} {(1- \ varepsilon ^ {2})}}}

der:

$V_ {S}$ er overflatehastigheten (eller volumetrisk strømning), gitt av forholdet mellom den volumetriske strømningshastigheten til fluidet som skal filtreres i forhold til tverrsnittet til filtermediet $TIL$
${\ displaystyle \ Delta P}$ er trykkforskjellen mellom oppstrøms og nedstrøms filteret.
${\ displaystyle d_ {p}}$ er gjennomsnittsdiameteren til de faste partiklene som utgjør kaken
$\ mu$ er viskositeten til væsken som skal filtreres
$L$ er høyden på kaken (som vokser over tid, så overflatehastigheten er ikke konstant)
$\ varepsilon$ er porøsiteten (eller graden av vakuum ) til kaken.

Ved å ta volumet av paien (som vokser over tid) som et kontrollvolum , blir materiebalansen på den faste fasen for et paifilter til enhver tid uttrykt som: $t$

Masse av innkommende fast stoff = masse av fast stoff i "full" av kaken + masse av fast stoff i "tom" av pai

Begrepet til venstre refererer til massen av fast stoff i væsken som skal filtreres, som mates inn i kontrollvolumet mellom tid og tid . Akkumuleringsbegrepet er delt i to deler siden kaken kan sees på som et system dannet av en fast fase ("den fulle"), som utgjør den egentlige kaken og en væskefast suspensjon ("vakuum"), som fyller mellomrom i den solide kaken. ${\ displaystyle 0}$ $t$

Det er ingen utløpsterm, da det antas at væskestrømmen er fullstendig renset.

Materialbalansen uttrykkes i formler som:

{\ displaystyle WV = [AL (1- \ varepsilon)] \ rho _ {S} + (AL \ varepsilon) W}

der:

$TIL$ : tverrgående overflate av filtermediet
$W$ : konsentrasjon av faste partikler i innløpsstrømmen
${\ displaystyle \ rho _ {S}}$ : tetthet av faststoffet
$V.$ : totalt volum av suspensjon lagt inn mellom tid og tid ${\ displaystyle 0}$ $t$
${\ displaystyle [AL (1- \ varepsilon)]}$ : "fullt volum" av kaken
${\ displaystyle (AL \ varepsilon)}$ : "tomt volum" av kaken

Massen av fast stoff i væske-faststoff-suspensjonen kan betraktes som ubetydelig sammenlignet med massen av fast stoff som utgjør kaken, så begrepet lengst til høyre i materiebalansen kan neglisjeres. For å forklare høyden på kaken, har vi derfor: $L$

{\ displaystyle L = {\ frac {WV} {A [\ rho _ {S} (1- \ varepsilon)]}}}

Den spesifikke styrken til kaken er definert som mengden:

{\ displaystyle \ alpha = {\ frac {150} {d_ {p} ^ {2} \ rho _ {S}}} {\ frac {(1- \ varepsilon)} {\ varepsilon ^ {2}}}}

Ved å erstatte uttrykket oppnådd fra materiebalansen og den spesifikke motstanden til kaken nettopp definert i Blake-Kozeny-ligningen , får vi: $L$

{\ displaystyle V_ {S} = {\ frac {\ Delta P} {(\ mu W \ A) \ alpha V}}}

Begrepet representerer styrken til kaken . Til dette må legges det korrigerende begrepet som representerer motstanden til kluten , så den generelle ligningen for filtrering er: ${\ displaystyle (W \ alpha V) \ A}$ ${\ displaystyle R_ {c}}$ ${\ displaystyle R_ {m}}$

{\ displaystyle V_ {S} = {\ frac {\ Delta P} {\ mu (R_ {c} + R_ {m})}}}

Merknader

^ RP Chhabra, Bubbles , Drops and Particles in Non-Newtonian Fluids , CRC Press, 2021, s. 294, ISBN 978-03-67-07448-7 .

Bibliografi

Robert Perry , Don W. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook , 8. utgave , McGraw-Hill, 2007, ISBN 0-07-142294-3 .
( EN ) Warren McCabe, Julian Smith, Peter Harriott, Unit Operations In Chemical Engineering , 6. utgave, Tata Mcgraw Hill Publishers, 2005, s. 991-1035, ISBN 0-07-060082-1 .

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Wiktionary inneholder ordboklemmaet « filtrering »
Wikimedia Commons inneholder bilder eller andre filer om filtrering

Eksterne lenker

filtrering , på Sapienza.it , De Agostini .

( EN ) Filtrering , i Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

( NO ) IUPAC Gold Book, "filtrering" , på goldbook.iupac.org .
Filtreringsteori ( PDF ) , på Students.dicamp.units.it .
Diskontinuerlige filtre ( PDF ) , på Students.dicamp.units.it .
Strømme gjennom porøse medier ( PDF ) , på columbia.edu .