فیلتراسیون صنعتی فقط جمع‌کردن ذرات نیست؛ کیفیت محصول، حفاظت از پمپ‌ها و توربوماشین‌ها، کاهش خوردگی/سایش و پایداری فرآیند به آن وابسته است. انتخاب نادرست فیلتر، افت فشار اضافی، خاموشی‌های تکراری و حتی شکست تجهیز را رقم می‌زند. این راهنما به‌صورت تخصصی انواع رایج را پوشش می‌دهد: فیلترهای کارتریجی (در بدنه‌های کربن استیل، استنلس استیل و آلیاژی)، استرینرها (Y-Type، Basket، Duplex)، تله سنگ، سیکلون و فیلترهای شنی.
مبانی و معیارهای انتخاب
- ماهیت سیال:
فاز، ویسکوزیته، دما، فشار کاری، خورندگی، وجود گازهای اسیدی/کلرید و سازگاری مواد سازه‌ای. - طیف ذرات و راندمان هدف:
محدوده اندازه و توزیع ذره، راندمان جداسازی، مقدار جامدات و بار لحظه‌ای/میانگین. - افت فشار مجاز و مصرف انرژی:
افت فشار پاک و کثیف، اثر بر NPSH پمپ، هزینه انرژی و سقف ΔP برای حفاظت فرایند. - تداوم سرویس و نگهداری:
امکان توقف، نیاز به بای‌پس/دوپلکس، فرکانس تمیزکاری/تعویض، دسترسی و ایمنی. - کدها و مواد سازه‌ای:
کلاس فشاری/دمایی (ASME)، مواد بدنه/سایه‌بان/توری، پوشش داخلی، سازگاری با سرویس ترش/بهداشتی.
قاعده عملی: برای ذرات ریز و کیفیت بالا از فیلتراسیون عمقی/سطحی (کارتریج/بگ) استفاده کنید؛ برای بار جامدات بالا و ذرات درشت، از استرینر/سیکلون/تله سنگ به‌عنوان پیش‌فیلتراسیون بهره ببرید.
فیلترهای کارتریجی (کربن استیل، استنلس استیل، آلیاژی)
فیلترهای کارتریجی با مدیای قابل‌تعویض، در سرویس‌های مایع (و بعضاً گاز) برای حذف ذرات تا زیر ۱ میکرون استفاده می‌شوند. بدنه‌ها بسته به خورندگی سیال و فشار انتخاب می‌شوند.
طراحی و اجزاء
- بدنه و هد:
کربن استیل برای سرویس‌های غیرخورنده/پوشش‌دار؛ استنلس 304/316 برای خورنده/بهداشتی؛ دوبلکس/سوپر دوبلکس، 904L یا نیکل‌بیس (625/Hastelloy) برای کلرید بالا/سرویس ترش. - مدیا و کارتریج:
پلی‌پروپیلن، شیشه الیافی، PTFE، یا کارتریج‌های سینتره فلزی؛ درجه‌بندی مطلق/اسمی، ساختار عمقی یا چین‌خورده. - پیکربندی:
تک‌کارتریج تا مولتی‌کارتریج (N×20/30/40 اینچ)، اتصال از بالا/پایین، سیلد O-Ring سازگار شیمیایی.
مزایا و محدودیت‌ها
- مزایا:
راندمان بالا، کیفیت ثابت، نصب/راه‌اندازی ساده، تطبیق‌پذیری مدیا. - محدودیت‌ها:
هزینه مصرفی کارتریج، حساس به شوک بار جامدات، نیاز به پیش‌فیلتراسیون برای عمر طولانی.
کلیدهای مهندسی
- سرعت سطحی و دبی هر کارتریج:
برای مایعات تمیز، شار معمول کارتریج‌های عمقی در محدوده ۲–۴ gpm برای ۱۰ اینچ یا معادل آن است؛ برای ویسکوز/باربالا، محافظه‌کارانه‌تر انتخاب کنید. - افت فشار و نقطه تعویض:
ΔP اولیه و نهایی را تعریف کنید؛ نقطه تعویض معمولاً در ۱–2 bar تنظیم می‌شود تا از کلاپس مدیا جلوگیری گردد. - محاسبه ساده افت فشار: [ \Delta P_{\text{total}} = \Delta P_{\text{housing}} + \sum_{i=1}^{N} \Delta P_{\text{cartridge},i} ] با افزایش بار ذره‌ای، (\Delta P) کارتریج‌ها تقریباً به‌صورت نمایی رشد می‌کند.
- انتخاب ماده بدنه:
کربن استیل با لاینینگ اپوکسی برای آب صنعتی کم‌خورنده؛ 316L برای آب شور/حلال‌ها؛ آلیاژهای Ni-Cr-Mo برای کلرید بالا، دما/سولفید.
استرینرها (Y-Type, Basket Type, Duplex)
استرینرها حفاظ خط هستند؛ ذرات درشت را قبل از پمپ‌ها، کنترل‌والوها و مبدل‌ها می‌گیرند و معمولاً قابل تمیزکاری در محل‌اند.
Y-Type
- ویژگی:
بدنه کامپکت، نصب افقی/عمودی، مناسب سایزهای کوچک/متوسط، سرویس‌های بخار/مایع. - کاربرد:
حذف اسکِیل، جلبک، تراشه و ذرات ۷۵–۲۰۰۰ میکرون. - نکته نصب:
جهت سبد رو به پایین برای جمع‌آوری؛ در بخار، نصب در خط افقی با پا به سمت پایین.
Basket Type
- ویژگی:
ظرفیت نگهداری بالا، افت فشار کمتر در دبی‌های زیاد، مناسب سایزهای متوسط/بزرگ. - کاربرد:
ورودی پمپ‌های سانتریفیوژ، خطوط آب دریا، حلال‌ها و هیدروکربن‌ها. - طراحی:
نسبت سطح توری به سطح مقطع خط را حداقل ۳:۱ بگیرید تا افت فشار محدود بماند.
Duplex
- ویژگی:
دو محفظه موازی با ولو سوئیچینگ؛ تمیزکاری بدون توقف جریان. - کاربرد:
سرویس‌های حیاتی (کولینگ، روغن‌کاری، فرآیند پیوسته).
پارامترهای کلیدی
- مش/اندازه توری:
انتخاب بر اساس کوچک‌ترین حفره تجهیز پایین‌دست؛ به‌صورت میکرون یا مش مشخص کنید. - افت فشار تجربی: [ \Delta P \approx K \cdot \frac{\rho v^2}{2} ] که در آن (K) تابع درصد گرفتگی و نوع توری است؛ مقدار اولیه برای توری تمیز کوچک است و با گرفتگی رشد می‌کند.
- مواد:
بدنه CS/SS؛ سبد SS 316 برای مقاومت به کلرید؛ روکش دوفازی/آلیاژ برای آب دریا/سرویس ترش.
جداسازهای اینرسی: تله سنگ و سیکلون
این دسته بر نیروی اینرسی/گریز از مرکز برای جداسازی تکیه دارند و در مواجهه با بار جامدات بالا بر فیلترهای سطحی برتری عملیاتی دارند.
تله سنگ (Stone Trap)
- کارکرد:
محفظه‌ای با تغییر ناگهانی سرعت/مسیر جریان که ذرات بسیار درشت (سنگ‌ریزه، شن، تراشه) را پیش از ورود به تجهیزات حساس ته‌نشین می‌کند. - محل نصب:
بالادست رگولاتورها، میترینگ اسکِیدها، توربوماشین‌ها و شیرهای کنترل در خطوط گاز/بخار/دوغاب. - ویژگی‌های طراحی:
مسیر U یا محفظه حجیم با دریچه تخلیه، حداقل افت فشار، دسترسی آسان برای پاک‌سازی. - محدودیت:
برای ذرات میکرونی مناسب نیست؛ به‌عنوان پیش‌جداکننده در کنار استرینر/فیلتر استفاده شود.
سیکلون (Cyclone)
- کارکرد:
اعمال گردش به جریان برای جداسازی ذرات/قطرات تحت نیروی گریز از مرکز؛ در گاز (سیکلون خشک) و مایع (هیدروسیکلون) کاربرد دارد. - کارایی و دبی برشی:
اندازه برش (,d_{50},) تابع چگالی ذره/سیال، ویسکوزیته، هندسه و دبی است؛ هرچه سرعت مماسی و اختلاف چگالی بیشتر، (,d_{50},) کوچک‌تر. - افت فشار معمول:
سیکلون‌های گاز: حدود ۰.۵–۳ kPa؛ هیدروسیکلون‌ها: معمولاً ۰.5–2 bar بسته به راندمان/هندسه. - مزایا/محدودیت‌ها:
بدون مدیای مصرفی، تحمل بار بالا؛ اما راندمان ذرات ریز محدود و حساس به رژیم جریان.
فیلترهای شنی (Sand Type)
فیلترهای بستر دانه‌ای برای تصفیه آب و برخی سیالات فرایندی استفاده می‌شوند؛ با مکانیسم‌های غربال، نفوذ و جذب سطحی کار می‌کنند.
پیکربندی و مدیا
- چیدمان بستر:
تک‌لایه سیلیس یا چندلایه (آنتراسیت/سیلیس/گارنت) برای توزیع دانه‌بندی و ظرفیت بالاتر. - ویژگی‌های مدیا:
اندازه مؤثر دانه (ES) معمولاً ۰.۵–۱.۰ mm؛ ضریب یکنواختی (UC) < ۱.۷ برای عملکرد پایدار. - فرآیند:
فیلتر ثقلی یا تحت فشار؛ توزیع یکنواخت جریان با نازل/پلیت؛ بک‌واش دوره‌ای.
نرخ‌ها و هیدرولیک
- نرخ فیلتراسیون:
فیلتر تحت فشار: ۵–۱۵ m/h بسته به کیفیت ورودی و اهداف کدورت. - افت فشار بستر (کوزنی–کارمن): [ \Delta P = \frac{180, \mu, L, (1-\varepsilon)^2}{\varepsilon^3, d_p^2}, v ] که (\mu) ویسکوزیته، (L) عمق بستر، (\varepsilon) تخلخل، (d_p) قطر متوسط دانه و (v) سرعت سطحی است.
- بک‌واش:
انبساط بستر ۲۰–۴۰٪ در دبی بک‌واش هدف‌گذاری شود تا ذرات آزاد شده و بستر طبقه‌بندی گردد.
کاربرد و مواد
- کاربردها:
پیش‌تصفیه آب دریا/خنک‌کن، حذف TSS، محافظ RO، پولیش پس از انعقاد/لخته‌سازی. - مواد سازه‌ای:
بدنه کربن استیل با لاینینگ اپوکسی؛ 316L برای آب شور/بهداشتی؛ FRP برای خورندگی خاص و وزن کم.
مقایسه و انتخاب کاربردی
| نوع تجهیز | محدوده ذره معمول | فاز هدف | افت فشار معمول | نگهداری |
|---|---|---|---|---|
| کارتریجی | 0.2–50 µm | مایع/گاز | متوسط تا رو‌به‌بالا | تعویض کارتریج |
| استرینر Y | 75–2000 µm | مایع/بخار | پایین | تخلیه/شست‌وشو |
| استرینر Basket | 50–2000 µm | مایع | پایین تا متوسط | تخلیه با توقف کوتاه |
| دوپلکس | 50–2000 µm | مایع/روغن | پایین | تمیزکاری بی‌وقفه |
| تله سنگ | >2–5 mm | گاز/مایع | بسیار پایین | تخلیه دوره‌ای |
| سیکلون | 5–100 µm (گاز)؛ 10–100 µm (مایع) | گاز/مایع | پایین تا متوسط | حداقل، بدون مدیا |
| فیلتر شنی | 5–50 µm | مایع | متوسط | بک‌واش دوره‌ای |
Sources: راندمان/بازه‌های ذکر شده به‌صورت صنعتی متعارف بیان شده‌اند و با کیفیت ذرات، دما/فشار و هندسه واقعی تغییر می‌کنند.
راهنمای سریع انتخاب
- حفاظت اولیه تجهیزات:
استرینر Y/Basket با مش مناسب؛ برای سرویس حیاتی، دوپلکس. - بار جامدات بالا و تغییرپذیر:
تله سنگ + سیکلون به‌عنوان پیش‌جداکننده، سپس فیلتر ظریف. - کیفیت بالا و ذرات ریز:
کارتریجی یا بستر شنی پولیش؛ پیش‌فیلتراسیون برای افزایش عمر. - خورندگی/بهداشتی:
بدنه 316L/دوبلکس؛ در صورت کلرید بالا/ترش، آلیاژ ویژه یا لاینینگ مناسب.
بهره‌برداری، پایش و محاسبات کلیدی
پایش و KPI
- افت فشار:
تعریف آلارم ΔP پاک/کثیف؛ ثبت روند برای پیش‌بینی سرویس. - کیفیت خروجی:
کدورت/SDI برای آب، شمارش ذرات برای روغن/حلال، نمونه‌برداری دوره‌ای. - چرخه نگهداری:
برنامه تمیزکاری/بک‌واش/تعویض بر مبنای داده؛ موجودی قطعات یدکی بحرانی.
محاسبات و ابعاددهی
- اندازه سبد استرینر:
نسبت سطح توری به سطح خط (OAR) ≥ 3: [ \text{OAR} = \frac{A_{\text{screen}}}{A_{\text{pipe}}} \ge 3 ] - ظرفیت کارتریجی: [ Q = N \cdot J ] که (Q) دبی کل، (N) تعداد کارتریج و (J) شار مجاز هر کارتریج است.
- افت فشار خط با فاکتور شیر/استرینر: [ \Delta P = K \cdot \frac{\rho v^2}{2} ] انتخاب (K) بر اساس کاتالوگ سازنده و درصد گرفتگی طراحی.
- اندازه برش سیکلون (روندی): [ d_{50} \propto \left(\frac{\mu}{\rho_p – \rho_f}\right)^{0.5} \left(\frac{Q}{D^3}\right)^{0.5} ] افزایش قطر سیکلون (D) یا کاهش دبی (Q) معمولاً (d_{50}) را بزرگ‌تر می‌کند.
نکات مهندسی و ایمنی
- بای‌پس و ایزولاسیون:
پیش‌بینی بای‌پس برای تداوم سرویس و تست پس از تعمیرات. - تخلیه و تهویه:
ولوهای درین/ونت برای تمیزکاری ایمن؛ سازگاری با MSDS مواد. - خوردگی و پوشش:
لاینینگ اپوکسی/PU در CS؛ انتخاب گسکت/سیل سازگار شیمیایی (FKM/PTFE/EPDM). - استانداردها:
طراحی مخازن ASME VIII، اتصالات ASME B16، تست‌های هیدرواستاتیک، معیارهای کیفیت آب (مثلاً SDI برای RO).
🛠 سؤالات فنی و فرآیندی
- سیال چیست (مایع، گاز، دوغاب) و چه ترکیب شیمیایی دارد؟
- دما و فشار کاری در شرایط عملیاتی و حداکثر چه مقادیری هستند؟
- دبی طراحی و حداکثر پیک جریان چقدر است؟
- ویسکوزیته و چگالی سیال در شرایط کاری چیست؟
- آیا سیال خورنده یا ساینده است و چه موادی با آن سازگارند؟
🔍 مشخصات ذرات و کیفیت موردنیاز
- توزیع اندازه ذرات ورودی (micron size distribution) چگونه است؟
- شکل و سختی ذرات چگونه است (الیافی، سوزنی، کریستالی، ماسه‌ای)؟
- درصد جامدات (TSS یا وزن خشک) چقدر است؟
- کیفیت خروجی موردنیاز چیست (مثلاً کدورت NTU، SDI، شمارش ذرات)؟
📉 محدودیت‌های هیدرولیکی و انرژی
- افت فشار مجاز در شروع و پایان سیکل فیلتراسیون چقدر است؟
- حساسیت تجهیزات پایین‌دست به افت فشار چگونه است؟
- آیا محدودیت انرژی یا NPSH وجود دارد (مثلاً برای پمپ‌ها)؟
🔄 بهره‌برداری و نگهداری
- امکان توقف فرآیند برای تمیزکاری یا تعویض وجود دارد یا خیر؟
- آیا نیاز به سیستم دوپلکس برای سرویس بی‌وقفه وجود دارد؟
- چه روشی برای نگهداری ترجیح داده می‌شود (بک‌واش، تعویض مدیا، شست‌وشوی دستی)؟
- دوره سرویس یا تعویض مدیا چه بازه‌ای است؟
🧱 مواد و استانداردها
- استاندارد طراحی موردنظر چیست (ASME، API، DIN و غیره)؟
- کلاس فشاری و دمایی بر اساس کد طراحی؟
- جنس بدنه، سبد یا کارتریج و آب‌بندی‌ها باید چه باشد؟
- الزامات ایمنی یا بهداشتی خاص (Food Grade، Pharma Grade) وجود دارد؟
📌 شرایط نصب و محیطی
- فضای موجود و محدودیت‌های ابعادی یا وزنی؟
- جهت‌گیری و مسیر لوله‌کشی (افقی/عمودی)؟
- شرایط محیطی (رطوبت بالا، فضای باز، محیط دریایی یا صنعتی سنگین)؟
- نیاز به اتوماسیون یا پایش پیوسته؟
