Filtracja Wgłębna: Szczegółowe Omówienie
- Szczegóły
Procesy związane z filtracją wgłębną pojawiają się zarówno przy rozdzielaniu zawiesin, jak i przy separacji cząstek cieczy albo ciała stałego z powietrza lub gazów odlotowych.
Definicja i Zasada Działania Filtracji Wgłębnej
Filtracja wgłębna to proces polegający na usuwaniu cząstek fazy stałej występujących w cieczy lub gazie poprzez przepuszczanie zawiesiny przez warstwę złoża, zbudowanego z ziaren lub włókien.
W odróżnieniu od filtracji powierzchniowej, która polega na zatrzymywaniu cząstek na powierzchni filtra, filtracja wgłębna zachodzi w całej objętości medium filtracyjnego, co pozwala na większą pojemność zatrzymywania zanieczyszczeń i skuteczniejszą separację.
Stosowane w tym celu materiały filtracyjne mają rozmiary porów większe niż rozmiary cząstek, które mają być odseparowane, tak, że cząstki mogą osadzić się wewnątrz złoża filtracyjnego o względnie dużej objętości.
Rozwiązanie takie pozwala osiągnąć bardzo niewielkie spadki ciśnienia.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Materiały Filtracyjne Stosowane w Filtracji Wgłębnej
Materiały filtracyjne do filtracji wgłębnej, które są stosowane zarówno przy rozdzielaniu faz ciecz - ciało stałe, jak i do separacji w układach gaz - cząstki cieczy lub ciała stałego, to przede wszystkim materiały ziarniste, maty z włókien oraz zbite masy.
Dla tego celu, jako materiały filtracyjne przy filtracji wgłębnej wykorzystywane są głównie maty włókninowe.
Tego typu materiały filtracyjne składają się na przykład z gruboziarnistej, mikroporowatej warstwy wspomagającej (średnica włókien ok. 20 mikrometrów) oraz powłoki z nanowłókien (średnica włókna ok. 0.15 mikrometra), która zwykle jest produkowana przy użyciu technologii „melt-blown” (rozdmuch w strumieniu gorącego powietrza).
Przy produkowaniu warstw z nanowłókien zastosowana może być również metoda galwanicznie formowanego runa.
Mechanizmy Separacji w Filtracji Wgłębnej z Nanowłóknami
Na przestrzeni ostatnich kilku lat rozwój w zakresie optymalnej konstrukcji filtrów oraz wyjaśnienia mechanizmu separacji aerozoli przy użyciu tego typu warstw filtracyjnych był obiektem intensywnych badań.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Sytuacja w punkcie przejściowym między warstwami podczas separacji to temat, który leży w centrum zainteresowania wytwórców tak zwanych kompozytowych materiałów filtracyjnych, które składają się z drobnych i gruboziarnistych warstw włóknistych.
Okazało się, że nanowłókno przylegające do mikrowłókna redukowało jego efektywność separacji (w związku z występowaniem efektu cienia), ale intensyfikowało tworzenie się dendrytów.
Co więcej, okazało się również, że rozmiar najbardziej penetrującej cząstki (MPPS - Most Penetrating Particle Size) nie wynosił 0.3 mikrometra, jak to miało miejsce zazwyczaj, ale mógł się zmieniać w bardzo dużym zakresie, zależnie od różnych parametrów (średnicy włókna, objętościowego przepływu gazu).
Wpływ Aglomeratów na Separację
W /9/ przebadano zachowanie cząstek w aglomeratach względem separacji, które ma duże znaczenie np. wtedy, gdy rozważana jest separacja sadzy z silników Diesla.
Okazało się, że w przypadku aglomeratów o dużych i małych rozmiarach fraktalnych (w odniesieniu do kształtu sferycznego) wystąpiły duże różnice.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Symulacje i Badania Pojedynczych Włókien
W celu zrozumienia zachowania podczas separacji na pojedynczym włóknie powstały różne opracowania, których realizacja możliwa było dzięki zastosowaniu narzędzi symulacyjnych.
W /14/ pojedyncze włókno stalowe zostało poddane działaniu strumienia cząstek gazu i przy pomocy współogniskowego laserowego mikroskopu skaningowego (CLSM -Confocal Laser Scanning Microscope) podjęto próbę stworzenia wizualizacji położenia różnych cząstek znajdujących się na włóknie stalowym.
Dla celów porównawczych efektywność separacji indywidualnych włókien była również określana w równoległych szeregach włókien, które wzajemnie wpływały na siebie w związku z efektem cienia.
Jeśli teraz efektywność separacji pojedynczego włókna zostaje rozszerzona na wszystkie włókna w warstwie w celu obliczenia całkowitej efektywności separacji dla homogenicznej warstwy filtracyjnej (przy wystąpieniu efektu cienia oraz przy jego braku) oraz odpowiednich strat ciśnienia, to można pokazać, że efekt połączonych włókien, który powoduje niejednorodność w układzie porów, ma pewien dość znaczący wpływ na efektywność separacji i straty ciśnienia.
Niejednorodność Materiałów Filtracyjnych
Jedna z metod, pozwalających na uwidocznienie lokalnego trójwymiarowego rozkładu materii za pomocą obrazowania rezonansu magnetycznego wewnątrz optycznie niedostępnego materiału filtracyjnego stosowanego w filtracji wgłębnej, została przedstawiona w /15/.
W przyszłości coraz więcej uwagi powinno skupiać się na badaniu wpływu niejednorodności filtra na zachowanie podczas procesu filtracji, lub na rozwijaniu odpowiednich i prostszych metod pomiaru stopnia niejednorodności oraz, w konsekwencji, dostosowanych do nich parametrów umożliwiających jego ocenę.
Niejednorodność w głębi materiału filtracyjnego również w różny sposób wiążą się ze zmianami przepływu, co jest związane z występowaniem fluktuacji porowatości.
Symulacje Przepływu i Struktury Włóknistej
Aby możliwe było wzięcie pod uwagę wpływu takich zjawisk, jak ruchy Browna, adhezja, elektrostatyczne siły przyciągające czy działanie ekranujące w materiałach włóknistych, stworzono ekstrawaganckie, trójwymiarowe symulacje przepływu.
Dla celów tych badań, geometryczna struktura warstwy włóknistej została wcześniej odtworzona w formie odpowiedniego modelu komputerowego na podstawie tomografii komputerowej i programu mikroskopowego.
Efektywność Separacji Włókien Elektretowych
W /22/ pokazano, że efektywność separacji takich włókien wynika z efektywności separacji mechanicznej w połączeniu z efektywnością separacji elektrycznej.
Przy wzrastającym obciążeniu włókna pyłem, efekt elektretowy włókien staje się słabszy z powodu powłoki z pyłu i całkowita efektywność separacji spada.
Dalszy wzrost obciążenia skutkuje powolnym zmniejszaniem się efektu elektretowego i całkowita efektywność separacji pojedynczego włókna znowu wzrasta, jako że składowa mechaniczna efektywności separacji rośnie z powodu wzrastającego przepływu objętościowego strumienia cząstek ciała stałego przez włókno otoczone wypustkami.
Wpływ Surfaktantów Anionowych
Elektryczne ładowanie materiałów filtracyjnych przez wstępną obróbkę z wykorzystaniem surfaktantów anionowych środków powierzchniowo- czynnych, które są bardzo popularne przy membranach ciekłych, zostało po raz pierwszy zastosowane we włókninowych materiałach filtracyjnych, służących do filtracji powietrza, i było z powodzeniem testowane metodą pomiaru efektywności separacji w aerozolowych testujących urządzeniach filtracyjnych /23/.
Optymalizacja Materiałów Włóknistych
Rozwój metod optymalizacji materiału włóknistego o różnej porowatości oraz grubości warstw był możliwy w przypadku, gdy warstwy włókniste wełny mineralnej były stosowane przy separacji aerozoli.
Po eksperymentalnym określeniu wartości penetracji dla cząstek rozmiaru MPPS oraz zachowaniu względem spadku ciśnienia w urządzeniu testowym do przeprowadzania filtracji wgłębnej oraz obliczeniu odpowiedniego czynnika jakości, okazało się, że bardzo duża porowatość warstwy pojawiała się przy jej j największej grubości /24/.
Filtry Donaldson w Filtracji Wgłębnej
Filtry Donaldson PP-TF filters są nominalnie klasyfikowanymi filtrami wgłębnymi składającymi sie w 100% z polipropylenu.
Wkłady PP-TF przeszły testy toksologiczne zgodnie z USP Class VI dla plastików.
Filtry Donaldson (P)-PP to nominalnie klasyfikowane filtry wgłębne wykonane w 100% z polipropylenu.
Filtry (P)-PP gwarantują doskonałe wartości przepływu i wysoką zdolność do przeciążeń przy zachowaniu nominalnej retencji cząstek submikronowych i znakomitych parametrów zatrzymywania zanieczyszczeń.
Filtr (P) - GS VE składa się z regenerowalnej spawanej matrycy filtracyjnej wykonanej ze spieku ze stali nierdzewnej.
Filtr (P) - GS VE zatrzymuje zanieczyszczenia takie jak cz. stałe, rdza i inne czynniki mogące wpływać na żywotność zaworów oraz uszczelnień.
Filtr (P)-GS VE pozwala na ekonomiczną filtrację dzięki możliwośći regeneracji wkładu w myjce ultradźwiękowej lub poprzez płukanie w przeciwprądzie.
Podstawy Filtracji
W pojazdach silnikowych stosowane są zazwyczaj filtry wgłębne.
Filtracja wgłębna jest metodą najekonomiczniejszą, gdy koncentracja separowanych cząstek jest niewielka.
Zanieczyszczenia nie występują wyłącznie w formie cząstek stałych, mogą mieć także postać cieczy.
Mechanizmy Separacji Cząstek
Separacja cząstek odbywa się według różnych mechanizmów, które zależą w znacznym stopniu od wielkości drobin oraz właściwości płynu.
Rys. 2 przedstawia wzajemne oddziaływania cząstek i medium filtracyjnego, które stanowią podstawę procesów separacji.
Gdy duże cząstki o dużej masie zbliżają się do przeszkody, np. włókna, w wyniku iner-cji opuszczają linie przepływu i natrafiają bezpośrednio na włókno (efekt inercji).
Nieco mniejsze cząstki mogą poruszać się zgodnie z liniami przepływu.
Jeśli jednak ich średnica jest na tyle duża, że dotkną włókna, przywierają do niego (efekt blokady).
Jeszcze mniejsze cząstki (o średnicy ok. 0,5 mm) poruszają się w płynach dodatkowo we wszystkich kierunkach (ruchy Browna).
Jeśli “przypadkowo” natrafią na włókno, zostaną także odseparowane (efekt dyfuzji).
Na proces separacji mogą mieć duży wpływ także inne wzajemne oddziaływania.
Po napotkaniu na włókno, w wyniku działania sił przyczepności, a w szczególności sił van der Waalsa, cząstki zatrzymywane są na powierzchni włókna.
Efekt blokady jest istotnym mechanizmem separacji w przypadku filtracji płynnych mediów w silnikach (ogólnie płynów lepkich), ponieważ w warunkach panujących w filtrach oleju lub paliwa media filtracyjne opływane są zazwyczaj laminarnie.
Wyznaczniki Skuteczności Filtrów
W przypadku mediów filtracyjnych stosowanych w pojazdach silnikowych mamy do czynienia prawie wyłącznie z filtrami wgłębnymi.
tags: #filtracja #wgłębna #co #to #jest
