Filtrare

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea altor semnificații, consultați Filtrare (dezambiguizare) .
Sticlărie obișnuită de laborator folosită pentru filtrare

Filtrarea este o operație de separare unitară utilizată atât la nivel de laborator, cât și la scară industrială.

Este o practică de laborator care poate fi utilizată atât în ​​scopuri de separare, dorind să elimine impuritățile solide din lichide sau soluții , cât și în scopuri sintetice, dorind să izoleze un compus precipitat dintr-o soluție sau cristalizat .

În natură, acesta reprezintă un fenomen comun în ceea ce privește sursele de apă ale căror ape pătrund în solul în care curg: de exemplu, acviferele adânci sunt utilizate ca sursă de alimentare cu apă potabilă, deoarece sunt purificate prin filtrare intensă.

În microbiologie și sinteză farmaceutică, filtrarea este utilizată ca mijloc de dezinfectare : folosind hârtie de filtru cu un diametru al porilor între 0,22-0,45 μm, este posibil să se rețină aproape toate bacteriile . Filtrele HEPA sunt utilizate de hote de laborator și de sisteme termo-hidraulice de condiționare a mediului pentru a purifica aerul .

În domeniul industrial, filtrarea folosește mașini de filtrare care funcționează pe scară largă.

Filtrarea în laborator

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: filtrul Büchner .

Există două metode pentru efectuarea filtrării în laborator: filtrarea gravitațională și filtrarea sub vid .

  • Filtrarea gravitațională , astfel definită deoarece exploatează acțiunea gravitațională pentru a separa fluidul de faza solidă, care este reținută pe o hârtie de filtru , se efectuează prin trecerea suspensiei prin hârtia de filtru aderată la pereții unei pâlnii de filtrare pe care o poate fi de dimensiuni variabile. Este necesar să aveți grijă să nu înfundați pâlnia și să verificați dacă hârtia nu a fost, între timp, deteriorată prin trecerea solidului. După cum sa menționat deja, solidul se așează pe hârtia de filtru în timp ce lichidul este colectat într-un pahar sau balon . Filtrul poate fi pregătit oferindu-i manual o formă clasică de con sau o formă plisată pentru o filtrare mai rapidă (datorită trecerii aerului între pliuri).
  • Filtrarea sub vid este o metodă mai rapidă, efectul separării prin aspirație este mai mare decât cel prin gravitație, dar care necesită o sticlărie sigilată, adaptarea hârtiei de filtru și un sistem care generează un vid care nu este prea mare (cum ar fi o apă pompă sau o pompă mecanică de vid ). Sticlăria utilizată include pâlnia Büchner , pâlnia Hirsch (similară cu Büchner, dar cu dimensiuni mai mici), creuzetul Gooch (chiar mai mic decât Hirsch și care nu necesită hârtie de filtru, având o suprafață poroasă) și un balon de colectare cu coadă.

Mediul filtrant (sau mediu )

Mediul este elementul care efectuează în mod activ filtrarea. Mediul filtrant este ales în funcție de tipul și calitatea filtrării necesare. Există numeroase variații între hârtii (în general alcătuite din nitroceluloză ), țesături nețesute ( poliester , polipropilenă , fibră de sticlă , fibre aramidice ), plase și pânze de sârmă (tip Reps, micro-întinse).

Caracteristicile calitative și cantitative distinctive ale unui mediu filtrant sunt următoarele:

  • porozitate , indică particulele care pot trece prin mediul de filtrare. De exemplu, particulele mici sunt reținute de hârtie cu porozitate redusă, pe de altă parte, un bob prea fin încetinește semnificativ viteza de filtrare;
  • retentivitatea , o caracteristică opusă porozității. Hârtia cu retentivitate scăzută nu poate reține cele mai mici particule de filtrat;
  • viteză , indică timpul necesar trecerii unui lichid prin filtru.

Cele trei caracteristici sunt interconectate: o hârtie rapidă are, de obicei, o retentivitate scăzută și o porozitate ridicată, iar o hârtie lentă are proprietăți opuse.

Compușii coloidali nu se pretează deloc la filtrare sau sunt parțial sau foarte greu de filtrat.

Filtrare industrială

Oricare ar fi sistemul de filtrare utilizat, predomină mișcarea laminară și fluxul filtratului este direct proporțional cu forța fluidomotoră care îl determină și invers proporțional cu rezistențele întâlnite de fluid ( lichid sau gaz ).

Regimuri de filtrare.

Filtrarea poate avea loc în următoarele moduri:

  • filtrare cu flux normal : suspensia de filtrat trece prin filtru într-o direcție normală (adică perpendiculară) pe suprafața mediului filtrant;
  • filtrare cu flux transversal : fluxul suspensiei de tratat este paralel cu suprafața mediului de filtrare;
  • filtrarea tortului (în limba engleză cake filtration ): fluxul suspensiei de filtrat trece printr-un tort (în limba engleză tort ), constând din solidul care trebuie separat care, pe măsură ce se desfășoară operațiunea, se depune pe sept; tortul este susținut de o foaie (de exemplu o grilă metalică), ai cărei pori au un diametru mai mare decât particulele de filtrat, deoarece mediul filtrant este în acest caz tortul, în timp ce foaia are doar o funcție de susținere;
  • filtrare în pat profund (în engleză filtrare în pat profund): particulele solide sunt reținute în mediul filtrant, deci cu excepția cazurilor rare (de exemplu într- un filtru de nisip ) nu este posibilă recuperarea solidului la sfârșitul filtrării, pentru ca imediat ce filtrul este saturat , acesta trebuie eliminat și înlocuit.

În așa-numitele filtre plăcintă , forța fluidomotoră este dată de diferența de presiune care există între cele două fețe ale mediului de filtrare, în timp ce rezistențele întâlnite de fluid derivă din rezistența intrinsecă a mediului de filtrare (sau pânză ) și din rezistența așa-numitei plăcinte.

În alte tipuri de filtru, rezistența se datorează doar căderilor de presiune ale septului, deoarece tortul este absent (sau cu o grosime neglijabilă).

Principalii factori care afectează rata de filtrare sunt:

  1. căderile de presiune suferite de filtrat atunci când acesta trece prin mediu;
  2. aria totală a suprafeței de filtrare;
  3. vâscozitatea filtratului;
  4. caracteristicile tortului format (în cazul filtrelor pentru plăcintă).

Diferența de presiune între cele două fețe ale mediului filtrant poate fi obținută în două moduri:

  • în filtrele de vid , este necesară o presiune în amonte de filtru egală cu presiunea atmosferică și o presiune în aval de filtru mai mică decât presiunea atmosferică.
  • în filtrele de presiune , este necesară o presiune în aval de filtru egală cu presiunea atmosferică și o presiune în amonte de filtru mai mare decât presiunea atmosferică.

Pe măsură ce viteza de filtrare crește odată cu creșterea diferenței de presiune, a doua metodă, pentru care se pot avea diferențe de presiune mai mari de 1 atm, ar fi, în teorie, preferabilă; în practică, totuși, trebuie luat în considerare și faptul că, pentru a lua produsul dintr-un filtru sub presiune, ar fi necesară instalarea unei pompe, ceea ce ar crește costurile sistemului. Din aceste motive, filtrele de presiune sunt utilizate în general pentru operații în serie , în timp ce filtrele de vid sunt utilizate pentru operațiuni continue.

Filtre industriale

Reprezentare grafică oficială, conform standardelor UNICHIM , a diferitelor sisteme de filtrare. Abrevierea asociată este reprezentată de litera F.

În ceea ce privește instalațiile, echipamentele industriale utilizate pentru efectuarea filtrării sunt împărțite în filtre continue și filtre discontinue, în funcție de faptul dacă procesul trebuie întrerupt sau nu pentru a efectua alte operațiuni colaterale.

Filtre discontinue
Filtre continue (filtre rotative)
  • Filtru tambur tip Swenson
  • Filtru tambur tip Oliver

Derivarea ecuației generale de filtrare

Ecuația generică care exprimă fluxul unui fluid prin paturile poroase este:

unde ΔP este diferența de presiune existentă între cele două fețe ale patului, R este rezistența întâlnită de fluid la traversarea mediului poros și Φ este fluxul de fluid.

Rezistența R poate fi obținută din relație

unde r este rezistența specifică a tortului, μ vâscozitatea filtratului, l grosimea tortului rezultat din depunerea solidului, A suprafața normală a tortului în raport cu direcția de curgere. Rezistența specifică r este definită ca diferența de presiune necesară pentru a provoca un flux de unitate de filtrat, de viscozitate unitară, pe o suprafață unitară și grosimea tortului.

Referindu-ne la un timp infinitesimal dt în timpul căruia se filtrează un volum dV de fluid, se obține ecuația:

Aceasta este ecuația fundamentală a teoriei filtrării. În cazuri practice, această ecuație duce la rezultate diferite în raport cu condițiile de funcționare la care este aplicată. Aceste condiții sunt reprezentate de debit constant sau ΔP și de cazul prăjiturilor necompresibile (de exemplu, cele obținute din precipitate cristaline) sau prăjiturilor compresibile (de exemplu, precipitate fulgi sau gelatinoase).

De asemenea, putem scrie ecuația anterioară făcând V S explicit, care este fluxul volumetric al fulidului care trece prin filtru:

Ecuația generală de filtrare pentru un filtru plăcintă

Presupunând că mișcarea prin tort este laminară și că particulele solide au același diametru, ecuația Blake-Kozeny deține: [1]

in care:

  • V S este viteza de suprafață (sau debitul volumetric), dată de raportul dintre debitul volumetric al fluidului care trebuie filtrat în raport cu secțiunea transversală A a mediului filtrant
  • este diferența de presiune dintre amonte și aval de filtru.
  • d p este diametrul mediu al particulelor solide care alcătuiesc tortul
  • μ este vâscozitatea fluidului de filtrat
  • L este înălțimea plăcintei (care crește în timp, deci viteza suprafeței nu este constantă)
  • ε este porozitatea (sau gradul de vid ) al tortului.
Reprezentarea sistemului de filtrare. În această schemă, tortul a fost împărțit în mod ideal într-o zonă cu un grad de vid unitar (care corespunde părții fixe a tortului) și o zonă cu un grad de vid "aproape" zero (care corespunde fluidului care trece prin tort și care conține o concentrație non-nulă de solide suspendate în interior).

Luând volumul plăcintei (care crește în timp) ca un volum de control , echilibrul materiei pe faza solidă pentru un filtru de plăcintă la momentul t este exprimat ca:

Masa solidului primit = masa solidului în „plin” al plăcintei + masa solidului în „golul” plăcintei

Termenul din stânga se referă la masa solidului din fluidul de filtrat, care este introdus în volumul de control între timpul 0 și timpul t. Termenul de acumulare este împărțit în două părți, deoarece tortul poate fi văzut ca un sistem format dintr-o fază solidă ("plinul"), care constituie tortul propriu-zis și o suspensie fluid-solidă ("vidul"), care umple interstițiile tortului solid.

Nu există un termen de ieșire, deoarece se presupune că fluxul de fluid este complet purificat.

Echilibrul material este exprimat în formule precum:

in care:

  • A : suprafața transversală a mediului filtrant
  • W : concentrația particulelor solide în fluxul de intrare
  • : densitatea solidului
  • V : volumul total al suspensiei introduse între timpul 0 și timpul t
  • : „volumul complet” al tortului
  • : „volum gol” al tortului

Masa de solid din suspensia fluid-solid poate fi considerată neglijabilă în comparație cu masa de solid care alcătuiește tortul, astfel încât termenul cel mai potrivit în echilibrul materiei poate fi neglijat. Prin urmare, explicând înălțimea L a tortului, avem:

Concentrația specifică a tortului este definită ca cantitate:

Înlocuind în ecuația Blake-Kozeny expresia lui L obținută din echilibrul materiei și rezistența specifică a tortului tocmai definit, obținem:

Termenul reprezintă rezistența tortului R c . La aceasta trebuie adăugat termenul corectiv care reprezintă rezistența pânzei R m , pentru care ecuația generală a filtrării este:

Notă

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 23517 · LCCN (EN) sh85048252 · GND (DE) 4017164-4 · BNF (FR) cb11977853s (dată) · NDL (EN, JA) 00.569.637