بررسی بازار و فنی فیلترهای صنعتی (فنی)
- nirovan
- خرداد ۱۸, ۱۴۰۱
- بلاگ
- فیلتر, فیلترـهایـصنعتی
- 0دیدگاه ها
1- بررسی فنی
فیلتر های صنعتی از جمله تجهیزاتی هستند که وظیفه ی ممانعت از حرکت ذرات جامد معلق موجود در سیالاتی از قبیل مایعات یا گاز ها را دارند.
1-1- انواع ماژول (کارتریج)
فیلترهای موجود در بازار برحسب شکل و نوع کاربردی که دارند به انواع مختلفی ازجمله فیلترهای ورق مسطح[1]، حلزونی[2]، فیبر توخالی[3] و لوله‌ای[4] تقسیم‌بندی می‌شوند. در ادامه هرکدام از این کارتریج‌ها و روش‌های تولید آن به‌تفصیل توضیح داده شده است.
1-1-1- کارتریج‌های ورق مسطح
غشاهای ورق مسطح یکی از پرکاربردترین غشای بیوراکتورها می‌باشد. غشاهای ورق مسطح پیکربندی از نوع صفحه‌ای داشته و عمدتاً به شکل مستطیل هستند. در شکل زیر نحوه‌ی عملکرد این دسته از غشاها مشاهده می‌شود.
همان‌طور که در شکل بالا نیز مشاهده می‌شود، مایع پس از تماس با تخلخل سطح غشا، از میان شکاف مکیده می‌شود تا مایع از سطح غشا عبور کند.
غشاهای ورق مسطح تقریباً به‌طور انحصاری برای برنامه‌های کاربردی صنعتی و شهری مورداستفاده قرار می‌گیرند. البته ممکن است گاهی نیز برای تأسیسات کوچک‌تر (بر اساس سادگی عملیاتی آن‌ها) مورداستفاده قرار گیرند. در شکل زیر تعدادی از غشاهای ورق مسطح نشان داده شده است.
شکل زیر یک دستگاه تولیدکننده فیلترهای ورق مسطح را نشان می‌دهد. در ادامه فرایند تولید غشاهای ورق مسطح توسط این دستگاه توضیح داده شده است.
همان‌طور که در شکل بالا نیز مشاهده می‌شود، در مرحله اول ضخامت موردنظر برای فیلتر تعین می‌شود. سپس در مرحله‌ی بعد خوراک مایع مدیا (معمولاً پلیمر) به همان ضخامت تعیین‌شده، تزریق شده و در مرحله ریخته‌گری با استفاده از تجهیزات اندازه‌گیری دقیق و غلتک، خوراک تزریق‌شده روی صفحه کاملاً پخش می‌شود تا یک صفحه‌ی کاملاً یکنواخت ایجاد شود. سپس مدیا ایجادشده وارد یک گرم‌کن می‌شود. درنهایت محصول خروجی از گرم‌کن وارد یک حوضچه آب سرد می‌شود تا باعث ایجاد محصول نهایی شود.
1-1-1- کارتریج‌های حلزونی
ماژول مارپیچی (حلزونی) یک نوع ماژول مهم برای کاربردهای غشایی است. این دسته از ماژول‌ها در ابتدا برای کاربردهای اسمز معکوس توسعه داده شد ولی امروزه در کاربردهای اولترافیلتراسیون و نفوذ گاز نیز استفاده می‌شود. در شکل زیر نحوه‌ی عملکرد این دسته از غشاها مشاهده می‌شود.
شکل ۶ – نحوه‌ی عملکرد ماژول مارپیچی
ماژول‌های مارپیچی در مواردی استفاده می‌شود که افت فشار باید در نظر گرفته شود و برای افزایش کارایی جداسازی نیازی به وجود جریان متقابل نیست. برای کاربردهای فشار بالا شامل مخازن تحت‌فشار و لوله‌کشی، ماژول‌های فیبر توخالی مطلوب‌تر است به‌طوری‌که حتی در برخی موارد، هزینه‌های اجزای سیستم را تا اندازه یک‌دهم کاهش می‌دهد. در شکل زیر نمونه‌ای از غشاهای حلزونی نشان داده شده است.
ماژول مارپیچی مرحله پیشرفته‌تری از یک غشا ورق مسطح است. تولید غشاهای حلزونی دارای 7 مرحله شامل برش صفحات غشا، چسب کاری، رول کردن، کاور کردن، برش، بلاک کردن فیلتر و نهایت تست کردن می‌باشد. در ادامه فرایند تولید غشاهای حلزونی توضیح داده شده است.
همان‌طور که در شکل بالا نیز مشاهده می‌شود، در مرحله اول مدیا غشا که به‌صورت صفحات بسیار بزرگ می‌باشد، به صفحات کوچک‌تر متناسب به نیاز و کاربرد فیلتر برش زده می‌شوند. برای جلوگیری از به هم چسبیدن این صفحات، صفحات جداکننده‌ای در بین این صفحات برش زده‌شده تعبیه می‌شود که به‌منظور ایجاد استحکام لازم غشا، با استفاده از چسب محکم می‌شوند. در مرحله سوم این صفحات چسب کاری شده به‌صورت لوله‌ای رول می‌شوند و سپس در مرحله‌ی بعد کاوری رو آن را می‌پوشاند. در ادامه قسمت‌های اضافه‌ی کاور بریده شده و سپس یک‌طرف فیلتر به‌منظور آماده‌سازی برای استفاده، کاملاً بسته می‌شود. درنهایت کارتریج آماده شده پس از تست کیفیت وارد بازار می‌شود.
1-1-1- کارتریج‌های فیبر توخالی
غشاهای الیاف توخالی دسته‌ای از غشاهای مصنوعی است که حاوی یک مانع نیمه‌تراوا به شکل یک الیاف توخالی است. غشا الیاف توخالی که در ابتدا برای کاربردهای اسمز معکوس توسعه یافته بود، از آن زمان در تصفیه آب، نمک‌زدایی، کشت سلول، پزشکی و مهندسی بافت رایج شده است. بیشتر غشاهای الیاف توخالی تجاری درون کارتریج‌هایی قرار دارند که می‌توانند برای انواع جداسازی‌های مایع و گازی استفاده شوند. در شکل زیر نحوه‌ی عملکرد این دسته از غشاها مشاهده می‌شود.
خواص غشاهای الیاف توخالی را می‌توان با استفاده از همان روش‌هایی که معمولاً برای انواع دیگر غشاها استفاده می‌شود، مشخص کرد. خصوصیات اصلی، متوسط قطر منافذ و توزیع منافذ است که از طریق تکنیکی معروف به تخلخل سنجی قابل‌اندازه‌گیری است. در شکل زیر نمونه‌ای از غشاهای الیاف توخالی نشان داده شده است.
شکل ۹ – انواع فیلترهای الیاف توخالی
غشاهای الیاف توخالی در همه‌جا در جداسازی‌های صنعتی، به‌ویژه فیلتراسیون آب آشامیدنی مورداستفاده قرار می‌گیرند. غشاهای الیاف توخالی معمولاً برای کشت میلیاردها سلول در حجم بیوراکتور نسبتاً کم (کمتر از 100 میلی‌لیتر) از بسترهای مورداستفاده برای سیستم‌های بیوراکتور تخصصی استفاده می‌شود. از غشاهای الیاف توخالی می‌توان برای آزمایش کار آیی دارو در تحقیقات سرطان، به‌عنوان جایگزینی برای مدل زنوگرافت سنتی، اما گران‌تر، استفاده کرد.
شکل زیر یک دستگاه تولیدکننده فیلترهای الیاف توخالی را نشان می‌دهد. در ادامه فرایند تولید غشاهای الیاف توخالی توضیح داده شده است.
غشای الیاف توخالی عبارت است از یک لوله توخالی که می‌تواند تک دیو. اره یا چند دیواره باشد. برای تولید این نوع لوله ابتدا یک رشته لوله‌ی طویل تولیدشده و سپس متناسب با کاربرد آن در سایزهای مختلف بریده می‌شود. مکانیزم تولید این لوله طویل بر اساس خاصیت امتزاج‌ناپذیری دو ماده‌ی مختلف که عموماً یکی از آن‌ها پلیمری است می‌باشد. ماده‌ی امتزاج‌ناپذیر غیر محصول در هسته مرکزی لوله تحت عنوان Bore liquid و مواد اصلی لوله که عمدتاً پلیمری می‌باشند در اطراف Bore liquid قرار می‌گیرند. سپس این ساختار وارد سیستم تزریق شده و پس از خروج از سامانه تزریق، غوطه‌ور می‌شود.
مطابق شکل سامانه تزریق از بخش میانی تحت عنوان Bore liquid و بخش‌های جانبی تحت عنوان solution تشکیل شده است تا مطابق شکل مقطعی موجود، یک لوله تشکیل شود. پس از تشکیل لوله، Bore liquid از سامانه خارج گشته و لوله به یک لوله‌ی توخالی تبدیل می‌گردد. لازم به ذکر است سامانه غوطه‌وری متناسب با دمای انجماد ماده پلیمری تنظیم می‌گردد. این در حالی است که Bore liquid در آن دما مایع می‌ماند تا به‌راحتی از لوله‌های سنتز شده خارج شود.
به‌طورکلی تولید غشاهای الیاف توخالی دارای 4 مرحله شامل تزریق، نخ‌ریسی، پیچش و فلاشینگ می‌باشد. در ادامه فرایند تولید غشاهای الیاف توخالی توضیح داده شده است.
همان‌طور که در شکل بالا نیز مشاهده می‌شود، خوراک به سیستم تزریق پمپ شده و سپس عمل ریسندگی آغاز می‌شود. لوله ریسیده شده به دور یک استوانه پیچیده می‌شود تا کارتریج الیاف توخالی تشکیل شود. درنهایت ماژول تشکیل‌شده از دور استوانه جداشده و استوانه مرکزی برای استفاده دوباره به کار گرفته می‌شود.
1-1-1- کارتریج‌های لوله‌ای
فیلتراسیون غشایی لوله‌ای در کل فرآیندهای تصفیه فاضلاب صنعتی به‌عنوان یک روش کارآمد برای حذف آلاینده‌ها از آب استفاده می‌شود. ازآنجاکه فرآیندهای صنعتی می‌توانند منجر به آلودگی آب با مواد شیمیایی یا فلزات شوند، فیلتراسیون غشای لوله‌ای به‌عنوان یک جز از سیستم فیلتراسیون آب صنعتی برای کاهش عالی آلاینده‌ها عمل می‌کند. در شکل زیر نحوه‌ی عملکرد این دسته از غشاها مشاهده می‌شود.
همان‌طور که در شکل بالا نیز مشاهده می‌شود فیلتراسیون غشایی لوله‌ای یک فرایند فیلتراسیون تحت‌فشار و جریان متقابل است که با استفاده از یک غشای میکرو متخلخل، مواد معلق را از مایعات جدا می‌کند. فیلتراسیون غشایی لوله‌ای با تغذیه آب تحت‌فشار به لوله غشایی کار می‌کند. این فشار آب را از طریق غشا و بستر لوله عبور می‌دهد، اما اجازه نمی‌دهد ذرات معلق از غشا عبور کنند. آب فیلتر شده از طریق غشا و لوله بستر عبور می‌کند. ذرات معلق از لوله خارج می‌شوند و به‌منظور آماده‌سازی عبور مجدد از فیلتر لوله غشایی، به یک مخزن ذخیره‌سازی برمی‌گردند. این فرایند امکان فیلتراسیون مؤثر و کارآمد را فراهم می‌کند که فضای کمتری نسبت به سیستم‌های فیلتر شفاف کننده سنتی نیاز دارد. آب پس از تصفیه از طریق سیستم تصفیه غشای لوله‌ای، ممکن است تخلیه شده یا برای فرایند اسمز معکوس ارسال شود. البته در بعضی موارد با توجه به‌شدت آلودگی و نوع مصرف پایین‌دست یا می‌تواند برای استفاده مجدد بیشتر تصفیه شود. در شکل زیر نمونه‌ای از غشاهای الیاف توخالی نشان داده شده است.
همان‌طور که در شکل زیر نیز مشاهده می‌شود غشاهای لوله‌ای متخلخل به دو دسته فلزی و الیافی تقسیم می‌شود. غشاهای الیافی خود نیز به دو دسته اصلی پلیمری و غیر پلیمری تقسیم می‌شود. کاربرد غشاهای پلیمری بسیار بیشتر از سایر غشاها می‌باشد لذا در این بخش تنها به غشاهای الیافی پلیمری اشاره شده است.
در شکل زیر نمونه‌ای از غشاهای فلزی و الیافی نشان داده شده است.
در جدول زیر نوع پلیمر استفاده در این دسته از غشاها به همراه کاربر آن‌ها ارائه شده است.
جدول 6– انواع پلیمرهای استفاده‌شده در غشای لوله‌ای و کاربرد آن‌ها
ردیف | نام پلیمر | مهم‌ترین کاربرد |
1 | Cellulose acetate (CA) | MF, UF, RO |
2 | Cellulose esters (mixed) | MF |
3 | Polyacrylonitrile (PAN) | UF |
4 | Polyamide (PA) (aromatic, aliphatic) | MF, UF, RO |
5 | Polycarbonate (PC) (track-etched) | MF |
6 | Polyester (track-etched) | MF |
7 | Polyimide (PI) | UF, RO, GS |
۸ | Polypropylene (PP) | MF, GS |
۹ | Polyethersulfone (PES) | MF, UF, GS |
۱۰ | Polysulfone (PS) | MF, UF, GS |
۱۱ | Sulfonated polysulfone (SPS) | UF, NF, RO |
۱۲ | Polyvinylidenefluoride (PVDF) | UF |
راهنمای جدول: MF: Microfiltration NF: Nanofiltration UF: Ultrafiltration RO: Reverse Osmosis GS: Gas separation | ||
در ادامه فرایند تولید غشاهای الیاف توخالی توضیح داده شده است.
همان‌طور که در شکل نیز مشاهده می‌شود، پلیمر با استفاده از یک سیستم تزریق بر روی یک استوانه‌ی در حال چرخش که هم حرکت دورانی و هم حرکت طولی هم‌زمان دارد، تنیده می‌شود تا الیاف غشا در جهت شعاعی رشد پیدا کنند. الیاف غشا ممکن است مطابق شکل بالا منظم بوده و یا مطابق شکل زیر نامنظم باشد.
1-1- فرایند تولید به روش الکتروریسی
امروزه نانو ساختارها در حوزه‌های وسیعی در صنعت موردتوجه قرارگرفته‌اند. یکی از مهم‌ترین نانو ساختارها، نانو الیاف‌ها هستند. هنگامی‌که قطر الیاف از مقیاس میکرومتر (ده تا صد میکرومتر) به مقیاس نانومتر (یک‌صدم تا یک‌دهم میکرومتر) تبدیل می‌شود، یعنی 1000 مرتبه کاهش میابد، خواهش شگفت‌انگیزی نظیر سطح مخصوص فوق‌العاده زیاد، نسبت سطح به حجم، انعطاف‌پذیری و کارایی بسیار بالا (برای مثال سختی و استحکام کششی) مشاهده می‌شود.
مهم‌ترین فرایندی که برای تولید نانو الیاف معرفی شده است، فرایند الکتروریسی است. این فرایند به‌واسطه قابلیت ریسیدن محدوده گسترده‌تری از الیاف از جنس‌های مختلف شامل پلیمری، کامپوزیتی، سرامیکی و فلزی از توجه ویژه‌ای برخوردار است. در فرایند الکتروریسی، پلیمر و یا به عبارتی قطره‌ای کوچک از محلول یا مذاب پلیمر، تحت تأثیر میدان الکتریکی بسیار قوی قرارگرفته و در اثر اختلاف ولتاژ به وجود آمده و نیروهای کششی ناشی از آن باریک و باریک‌تر شده و به سطح جمع کننده حرکت می‌کند. در این فرایند لازم است تا اختلاف ولتاژ به وجود آمده به‌اندازه کافی بالا باشد تا بتواند بر نیروهای کششی سطحی پلیمر غلبه کرده و جریان باریک سیال را از دهنه جهت به سمت جمع کننده به حرکت درآورد.
در شکل زیر یک دستگاه الکتروریسی مشاهده می‌شود.
در جدول زیر تعدادی از تولیدکنندگان تجهیزات آزمایشی و صنعتی نانو الیاف به همراه نوع دستگاه و کاربرد آن‌ها ارائه شده است.
جدول 7– تولیدکنندگان تجهیزات آزمایشی و صنعتی نانو الیاف به همراه نوع دستگاه و کاربرد آن‌ها
ردیف | نام شرکت | نام دستگاه | کاربرد | خریداران |
1 | فناوران نانو مقیاس | دستگاه الکتروریسی صنعتی | نانو فیلتر / نانو ماسک‌های تنفسی | بهران فیلتر / آزاد فیلتر |
2 | نانو ساختار آسیا | خط صنعتی تولید نانو الیاف | تولید لایه‌های متشکل از نانو الیاف از انواع پلیمرهای طبیعی و سنتزی و همچنین نانو ذرات سرامیکی | – |
3 | فن‌آوران تجهیزات نانو آزما | دستگاه الکتروریسی تمام‌اتوماتیک | تولید بسیاری از پلیمرهای مصنوعی، طبیعی و زیست‌تخریب‌پذیر در مقیاس آزمایشگاهی | – |
1- وابستگی ارزی در ایران
وابستگی ارزی تولید غشا در ایران در سه بخش مواد خام اولیه، تجهیزات تولید و امکان تست کردن بررسی می‌شود.
1-1- خوراک اولیه
کشور ایران با توجه به منابع سرشار خود پتانسیل تأمین 90% خوراک موردنیاز صنعت تولید فیلتر را دارا می‌باشد و تنها 10% مواد اولیه موردنظر از خارج وارد می‌شود.
1-2- تجهیزات تولید
فیلتر از یک درپوش[1]، واشر[2] هسته[3] و مدیا[4] تشکیل شده است. کشور ایران پتانسیل تولید واشر، هسته و درپوش برای فیلتر را دارد ولی تولید مدیا که مهم‌ترین بخش یک فیلتر است کماکان با چالش جدی روبه‌رو است لذا شرکت‌های مونتاژ کننده فیلتر، مجبور به واردکردن مدیا هستند.
در جدول زیر لیست روش‌های تولید غشا و امکان بومی‌سازی آن‌ها در ایران ارائه شده است.
جدول 8– روش‌های تولید غشا
نام روش | تجهیز ایرانی | قابلیت تولید و سادگی طراحی | |
Flat Sheet | وجود دارد | قابل‌تولید است | |
Spiral wound | وجود دارد | قابل‌تولید است | |
Hollow fiber | وجود ندارد | قابل‌تولید است | |
Tubular | فلزی | وجود ندارد | پیچیده |
الیافی | وجود دارد | قابل‌تولید است | |
همان‌طور که در جدول بالا نیز مشاهده می‌شود، برای فرایندهای Flat sheet، Sprial Wound و Tublar الیافی تجهیزات ایرانی تولید وجود داشته و برای فرایند Hollow fiber نیز باوجود عدم داشتن تجهیزات ایرانی، به دلیل سادگی طراحی، قابلیت تولید این دسته از غشاها ممکن می‌باشد.
1-3- تست
مراکز علمی مانند دانشگاه‌ها تجهیزات لازم برای تست کیفیت غشاها را دارا می‌باشند.
2- کاربرد
2-1- شیرین سازی
یکی از اصلی‌ترین بخش‌های فرآوری گاز، تفکیک دی‌اکسید کربن و گوگرد از هم می‌باشد. گازهای حاصل از منابع نفتی، معمولاً دارای مقادیر متفاوتی سولفید هیدروژن و دی‌اکسید کربن هستند. به دلیل بوی بد حاصل از محتویات گوگردی، به این گاز طبیعی «گازترش» می‌گویند. این گاز به دلیل دارا بودن محتویات گوگردی، گاز نامطلوبی بوده و می‌تواند برای تنفس بسیار خطرآفرین و سمی باشد و همچنین باعث خوردگی شدید می‌شود.
یکی از مهم‌ترین کاربردهای فیلتر در صنایع پتروشیمی، استفاده از آن در بخش شیرین سازی گاز طبیعی می‌باشد. شیرین سازی گاز، فرآیند از بین بردن موادی ازجمله سولفیدهای هیدروژن، کربن دی‌اکسید و مرکاپتان‌ها از گاز طبیعی است تا آن را برای حمل‌ونقل و فروش مناسب کند.
روش‌های مختلفی برای شیرین سازی گاز وجود دارد. صنایع می‌توانند بر اساس راندمان، هزینه، مقیاس و ملاحظات فضا، طیف وسیعی از راه‌حل‌ها را انتخاب کنند. ازجمله روش‌های شیرین سازی گاز طبیعی می‌توان از جذب شیمیایی، جذب فیزیکی، فرآیند هیبرید و جذب سطحی با استفاده از ستون جامد نام برد.
شکل زیر شماتیکی از یک واحد شیرین سازی گاز طبیعی ارائه شده است.
همان‌طور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، در ابتدا گازترش پس از عبور از پیش فیلتر (به‌منظور حذف جامدات) و کوآلسر (به‌منظور حذف مایعات) وارد برج جذب شده و از میان حلال آمین که به سمت پایین در جریان است عبور کرده و بالا می‌رود. با عبور از حلال آمین، گاز تصفیه‌شده و حالا باید از بالای برج خارج شود. محلول غنی از گازهای اسیدی جذب محلول آمینی شده و سپس وارد مبدل گرمایی می‌شود. در مبدل حرارتی، آمین غنی به‌وسیله جریان خالص آمینی که دمای بسیار زیادی دارد گرم می‌شود. همچنین در ستون دفع، گرمای حاصل از ریبویلر سبب گرمایش بیشتر آمین غنی می‌شود. آب و گازهای اسیدی توسط جریان حلال ستون جدا و پس‌ازآن وارد یک کندانسور شده تا در آنجا سرد شوند. بخار و گازهای اسیدی در این مرحله تفکیک می‌شود، جریان بخار به ستون بازمی‌گردند و گازهای اسیدی نیز با توجه به نیاز یا سوزانده می‌شوند و یا به سیستم بازیابی گوگرد برگردانده می‌شوند. جریان آمین تصفیه‌شده نیز اول خنک شده و پس از تصفیه در فیلتر به برج تماس اولیه بازمی‌گردد تا این چرخه کامل گردد. به‌منظور تأمین آمین ازدست‌رفته طی این چرخه، یک جریان آمین جبرانی قبل از ورود به فیلتر نهایی به جریان آمین خروجی از برج دفع افزوده می‌شود.
در زیر تعدادی از انواع فیلترهای استفاده‌شده در سیستم شیرین سازی گاز طبیعی نشان داده شده است.
شکل ۲۲ – فیلترهای استفاده‌شده در سیستم شیرین سازی گاز طبیعی
محصولات مرتبط
