フィルタープレス

工業用フィルタープレス

工業用フィルタープレスは、分離プロセス、特に固体と液体の分離に使用されるツールです。この機械は多数のフィルターエレメントを積み重ねており、フィルターを容易に開けて濾過された固体を取り除くことができ、また、フィルターメディアの洗浄や交換も容易に行うことができます。

フィルタープレスは連続運転はできませんが、特に固形物中の残留液体含有量を低く抑えたい場合に非常に高い性能を発揮します。例えば、大理石工場では、大理石の切削工程で水を再利用するために、泥水から水を分離するためにフィルタープレスが利用されています。

フィルタープレス技術のコンセプト

通常、分離対象となるスラリーはプレス機の中央に注入され、各チャンバーに充填されます。充填時間を最適化すれば、最初のチャンバーの泥が固まり始める前に、プレス機の最後のチャンバーにスラリーを充填することができます。チャンバーが充填されると、濃厚なスラッジが形成されるため、システム内の圧力が上昇します。その後、液体は加圧空気を用いてフィルタークロスを通して強制的に濾過されますが、前の工程で使用した水を再利用する場合など、水を使用する方がコスト効率が良い場合もあります。

歴史

1918年9月、ブドウ糖工場でフィルタープレスを締める工場労働者

最初の形式のフィルタープレスは1853年にイギ​​リスで発明され、圧力セルを用いて種子油を採取するために使用されました。しかし、労働力の多さと不連続プロセスなど、多くの欠点がありました。フィルタープレス技術の大きな発展は20世紀半ばに始まりました。1958年、日本では栗田健一郎と諏訪誠一が、ケーキ除去効率と水分吸収性を向上させる世界初の自動横型フィルタープレスの開発に成功しました。9年後、栗田工業はフィルターケーキの水分を低減するためのフレキシブルダイアフラムの開発に着手しました。この装置は、自動ろ過サイクル、ケーキ圧縮、ケーキ排出、ろ布洗浄の最適化を可能にし、様々な産業用途への展開を可能にしました。K.マクグルーは、紀元前1600年に殷王朝がプレスを用いてツバキの葉から茶を、ツバキの実から油を抽出していた時代まで遡る詳細な歴史的考察をまとめました。 ^{[ 1 ]}

フィルタープレスの種類

フィルタープレスには、プレートおよびフレーム フィルタープレス、凹型プレートおよびフレーム フィルタープレス、メンブレン フィルタープレス、および (全) 自動フィルタープレスの 4 つの主な基本タイプがあります。

プレートフレームフィルタープレス

プレート＆フレーム型フィルタープレスは最も基本的な設計で、「メンブレンプレートフィルター」とも呼ばれます。このタイプのフィルタープレスは、一対のレールで支えられた多数のプレートとフレームが交互に配置され、各プレートとフレームの間にフィルターメンブレンが挿入されています。

• プレートは、圧力下でフィルター膜をサポートし、ろ液が膜を通過してプレートに流れ込み、収集システムに排出される狭いスロットを備えています。
• フレームは膜とプレートの間にチャンバーを提供し、そこにスラリーが送り込まれ、フィルターケーキが蓄積されます。

スタックは、各プレートとフレームの間に液密シールを提供するのに十分な力で圧縮され、フィルタ膜はエッジの周りに一体型のシールを備えている場合があり、フィルタ材料自体が圧縮時にガスケットとして機能する場合もあります。

スラリーが膜を通過すると、濾過ケーキが蓄積して厚みを増します。フィルター抵抗も増加し、圧力差がプレートが十分に満たされたと判断される点に達すると、プロセスは停止します。

フィルターケーキを除去してフィルターを洗浄するには、プレートとフレームのスタックを分離し、ケーキを膜から剥がすか、下のトレイに集めます。^{[ 2 ]}次に、フィルター膜を洗浄液で洗浄し、スタックを再圧縮して次のサイクルを開始する準備を行います。^{[ 3 ]}

MW ウォーターマークプレート＆フレームフィルタープレス

その初期の例として、ドイツのハレ出身のALG・デーネ（1832-1906）によって開発されたデーネ式フィルタープレスが挙げられます。このプレスは19世紀後半から20世紀初頭にかけて、テンサイやサトウキビからの砂糖抽出、そして鉱石スラリーの乾燥に広く使用されました。しかし、その大きな欠点は、操作に多大な労力を要することでした。^{[ 4 ]}

（全自動）フィルタープレス

自動フィルタープレスは、手動フィルターやフレームフィルターと同じ概念ですが、プロセス全体が完全に自動化されています。^{[ 5 ]}自動フィルタープレスは、機械式の「プレートシフター」を備えた大型のプレート式フィルタープレスとフレーム式フィルタープレスで構成されています。プレートシフターの機能は、プレートを移動させ、プレート間に蓄積されたフィルターケーキを迅速に排出することです。また、フィルタープレート内にはダイヤフラムコンプレッサーが内蔵されており、フィルターケーキをさらに乾燥させることで運転条件を最適化します。

全自動フィルタープレスは、高度な自動化を実現すると同時に、連続運転を実現します。例えば、同時フィルタープレート開放システムのオプションは、特に高速なケーキ排出を実現し、サイクルタイムを最小限に抑えます。その結果、フィルター単位面積あたりの生産量を増加させる高速フィルタープレスが実現します。このため、これらの機械は、高いろ過速度が求められる、ろ過性の高い製品を扱う用途で使用されます。これには、鉱業の精鉱や残留物などが含まれます。全自動運転には、振動/シェーキング装置、スプレッダークラ​​ンプ/スプレッダークロスバージョン、スクレーピング装置など、様々なシステムがあります。全自動フィルタープレスの無人運転時間は24時間365日です。

凹型プレートフィルタープレス

凹型プレートフィルタープレスはフレームを使用せず、代わりに各プレートにフィルタークロスが収まる傾斜エッジ付きの凹みが設けられています。フィルターケーキは2枚のプレートの間の凹みに直接堆積し、プレートを分離すると傾斜エッジにより最小限の力でケーキが落下します。^{[ 6 ]}構造と使用を簡素化するために、プレートには通常、フィルタークロスを貫通する中央に穴が設けられ、その周囲が密閉されているため、スラリーは各プレートの端から内側に流れるのではなく、各プレートの中央を通ってスタックを下方に流れます。この方法は洗浄が容易ですが、クロスの交換時間が長くなること、紙などの湾曲した凹みに適合しないフィルターメディアを収容できないこと、不均一なケーキが形成される可能性があることなどの欠点があります。^{[ 7 ]}

メンブレンフィルタープレス

メンブレンフィルタープレスは、フィルタープレート内の膨張膜を用いて、プレートを開く前にフィルターケーキ内の残留液体を圧縮することで、固形物の乾燥度に大きな効果をもたらします。従来のろ過プロセスと比較して、フィルターケーキ内の残留水分値が最も低くなります。そのため、メンブレンフィルタープレスは強力で広く使用されているシステムとなっています。脱水度に応じて、メンブレンプレートで圧縮することにより、フィルターケーキ内の乾燥物質含有量（乾燥物質含有量 - フィルターケーキ内の乾燥物質の重量パーセント）を異なる値にすることができます。達成可能な乾燥物質含有量の範囲は、30%から80%以上までです。メンブレンフィルタープレスは、極めて高い脱水度という利点だけでなく、懸濁液の種類によっては、ろ過サイクル時間を平均50%以上短縮します。これにより、サイクルタイムとターンアラウンドタイムが短縮され、生産性が向上します。膜膨張媒体は、圧縮空気または液体媒体（水など）のいずれかです。

アプリケーション

フィルタープレスは、鉱物採掘スラリーの脱水から血漿精製まで、多種多様な用途に使用されています。 ^{[ 3 ]}同時に、フィルタープレス技術は、超微粉炭の脱水や石炭選鉱プラントにおける濾液回収にも広く利用されています。G.Prat氏によると、「フィルタープレスは、今日のニーズを満たす最も効果的で信頼性の高い技術であることが証明されています。」^{[ 8 ]}一例として、石炭スラリーの脱水に特化したパイロットスケールプレートフィルタープレスが挙げられます。2013年、鉱業・冶金・探査協会はこの特定の用途に焦点を当てた記事を発表しました。^{[ 9 ]}フィルタープレスの使用は、超高純度の石炭を脱水できるだけでなく、機器洗浄に利用できる除去水の品質を向上させることができるため、プラントの操業に非常に有益であると指摘されています。^{[ 10 ]}

自動膜フィルタープレスの他の産業用途としては、都市廃棄物の汚泥脱水、^{[ 11 ]}、レディーミックスコンクリートの水回収、^{[ 12 ]、}金属精鉱の回収、大規模なフライアッシュ池の脱水などがあります。^{[ 13 ]}

様々な業界で現在使用されている様々なタイプのフィルタープレスは、多くの特殊な用途に関連しています。プレートフィルタープレスは、非常に高い効率と信頼性を備えているため、カナダのメープルシロップ製造などの糖化工程で広く使用されています。M.イッセルハルト氏によると、「外観はメープルシロップの価値と顧客の品質認識に影響を与える可能性があります。」^{[ 14 ]}そのため、高品質で魅力的な形状の目的の製品を得るには、生シロップのろ過プロセスが極めて重要であり、フィルタープレス方式が業界でいかに高く評価されているかを改めて示しています。

重要な特性の評価

以下に、廃水処理に適用される処理操作に使用される一般的なフィルタープレスの計算を示します。

固形物負荷率

S= (B x 8.34 lb/gal xs) ⁄ A ここで、

Sはポンド単位の固体負荷率である。+h ⁄ ft 2 .<r /> B はバイオソリッド（ガロン/時間）で、 s は固形物の割合（%/100）です。A はプレート面積（平方フィート）です。 

純フィルター収量

${\displaystyle NFY={\frac {S\times P}{TCT}}}$

どこ：

• ^{NFYは、kg/h/m 2}単位の純フィルタ収量です。
• ^{Sはkg/h/m 2}単位の固形物負荷率です。
• P は h の周期です。
• TCT は合計サイクル時間（時間単位）です。

（S × P）はフィルターの実行時間を与える。^{[ 15 ]}

濾液の流量

${\displaystyle u={\frac {1}{A}}{\frac {dV}{dt}}={\frac {\Delta P}{\mu \times (R_{c}+R_{f})}}}$

どこ：

• uは布とケーキを通過する濾液の流量（m/s）である。
• dV/dtは容積濾過速度（m ³ /s）であり、
• R _cは濾過ケーキの抵抗（m-1）であり、
• R _fはフィルターの初期抵抗（ケーキ、フィルター布、プレート、チャネルの初期層の抵抗）（m-1）です。
• μは濾液の粘度（N·s/m ²）である。
• ΔPは、フィルタ媒体の一方の側からもう一方の側にかけて加えられる圧力差（N/m ^{2 ）である。}
• Aは濾過面積（m ²）である。

これらは濾過速度に影響を与える最も重要な要因です。濾液が濾板を通過すると、固形物が沈殿してケーキの厚さが増加し、Rfが一定であると仮定した場合、Rcも増加します。^{[ 16 ]}ケーキと濾材の流動抵抗は、それらを通過する濾過流量を計算することで調べることができます。

流量が一定であれば、圧力と時間の関係が得られます。ろ過は、細孔の目詰まりによる流動抵抗の増加に対処するために、圧力差を増加させながら操作する必要があります。^{[ 16 ]}ろ過速度は、主にろ液の粘度とろ板およびケーキの抵抗の影響を受けます。

最適な時間サイクル

薄いケーキを製造することで高いろ過速度が得られます。しかし、従来のフィルタープレスはバッチシステムであり、フィルターケーキを排出してプレスを再組み立てするためにプロセスを停止する必要があり、時間がかかります。実際には、布の抵抗を考慮して、ろ過時間がケーキの排出とプレスの再組み立てにかかる時間よりも長い場合に、最大のろ過速度が得られます。^{[ 16 ]}フィルターケーキの特性はろ過速度に影響を与え、凝集剤 を使用して細孔が詰まるのを防ぐために、粒子サイズはできるだけ大きいことが望ましいです。実験的研究によると、フィルター媒体を通過する液体の流量は圧力差に比例します。^{[ 17 ]}ケーキ層が形成されると、システムにかかる圧力が増加し、濾液の流量は減少します。^{[ 7 ]}固体が必要な場合は、ケーキの洗浄と風乾によって固体の純度を高めることができます。^{[ 18 ]} フィルターケーキのサンプルをさまざまな場所から採取して重量を測定し、全物質収支を使用して水分含有量を決定することができます。^{[ 9 ]}

プロセス設計時に使用できるヒューリスティック

フィルタープレスの種類は、液相または固相の量に応じて選択されます。液相のみを抽出したい場合は、フィルタープレスが最も適切な方法の一つです。^{[ 19 ]}

材料

現在、フィルタープレートはポリマー製、またはポリマーコーティングされた鋼板で作られており、フィルタークロスの排水性に優れています。プレートのサイズは10cm×10cmから2.4m×2.4mまで、フレームの厚さは0.3cmから20cmまであります。^{[ 18 ]}

ろ材

典型的な布面積は、実験室規模では1 m ^{2以下ですが、生産環境では1000 m 2}に及びます。ただし、プレート式フィルタープレスは最大2000 m ²のフィルター面積を提供できます。通常、プレート式およびフレーム式フィルタープレスは最大50 mmのケーキ厚を成形できますが、極端な場合には最大200 mmまで押し出すことができます。凹型プレート式フィルタープレスは最大32 mmのケーキ厚を成形できます。^{[ 7 ]}

都市廃棄物バイオソリッド処理業界でプレス機が使用され始めた当初は、脱水ケーキが布に付着する問題が深刻で、多くの処理施設では効率の低い遠心分離機やベルトフィルタープレス技術が採用されていました。しかしその後、布の品質と製造技術が大きく向上し、この問題は解消されました。^{[ 20 ]} 米国とは異なり、アジアでは自動メンブレンフィルター技術が都市廃棄物バイオソリッドの脱水に最も一般的に使用されています。水分量は通常10～15%低く、必要なポリマー量も少なくなるため、輸送費や処分コスト全体を削減できます。

動作条件

運転圧力は、金属の場合、通常最大7バールです。^{[ 18 ]}技術の改良により、16バールの圧力で大量の水分を除去し、30バールで運転することが可能になりました。^{[ 3 ]}しかし、木製またはプラスチック製のフレームの場合、圧力は4～5バールです。^{[ 18 ]} 供給タンク内の固形物の濃度が固体粒子が互いに付着するまで増加する場合、フィルタープレスに可動ブレードを設置して、スラリーを通る液体の流れの抵抗を減らすことができます。^{[ 21 ]ケーキ排出前のプロセスでは、透過性が10 −11}～ 10 ⁻¹⁵ m ² のケーキにエアブローが使用されます。^{[ 9 ]}

前処理

固体懸濁液が沈殿している場合は、濾過前にスラリーの前処理が必要です。前処理として凝集を行うと、濾過ケーキの多孔度が高まり、濾過速度が速くなるため、フィルタープレスの性能を向上させることができます。温度、濃度、pHを変化させることで、凝集塊のサイズを制御できます。さらに、濾過ケーキが不浸透性で濾液の流れが困難な場合は、前処理プロセスに濾過助剤を添加してケーキの多孔度を高め、ケーキ抵抗を減らし、より厚いケーキを得ることができます。ただし、濾過助剤は物理的または化学的処理によって濾過ケーキから除去できる必要があります。一般的な濾過助剤は珪藻土で、空隙率は0.85です。^{[ 21 ]}

ケーキ処理の点では、バッチ式フィルタープレスは大量のケーキを収容するために大きな排出トレイを必要とし、同じ出力の連続式フィルタープレスに比べてシステムが高価になる。^{[ 3 ]}

洗浄

洗浄には、「簡易洗浄」と「徹底洗浄」という2つの方法があります。簡易洗浄では、洗浄液がスラリーと同じ流路を高速で流れ、入口付近のケーキを侵食します。そのため、形成された流路は常に拡大し、通常、洗浄液は不均一になります。より優れた方法は徹底洗浄です。徹底洗浄では、洗浄液は洗浄プレートと呼ばれるろ布の後ろにある別の流路から導入されます。洗浄液は、まずケーキの厚さ全体にわたって、濾液と反対方向に流れ、次に濾液と同じ方向に流れます。洗浄液は通常、濾液と同じ流路から排出されます。洗浄後、圧縮空気を供給して余分な液体を除去することで、ケーキは容易に除去できます。^{[ 18 ]}

無駄

今日、フィルタープレスは多くの産業で広く使用されていますが、様々な種類の廃棄物も発生します。染色産業からの有毒化学物質などの有害廃棄物や、廃棄物由来の病原体などが廃棄物ケーキに蓄積する可能性があるため、これらの廃棄物の処理要件は異なります。したがって、廃棄物を環境に排出する前に、後処理を施すことが重要な消毒段階となります。これは、地域住民や廃棄物（フィルターケーキ）を扱う労働者の健康リスクを防ぐだけでなく、生態系への悪影響を防ぐためです。フィルタープレスは大量の廃棄物を生成するため、埋め立て処分する場合は、鉱山地域など、植生の開発や定着が不可能な、土地利用が大きく変化した地域に処分することが推奨されます。もう一つの方法は焼却であり、これにより有機汚染物質が破壊され、廃棄物の質量が減少します。これは通常、密閉された装置内で、制御された炎を用いて行われます。^{[ 2 ]}

他の競争方法と比較した利点と欠点

フィルタープレスは最も古い機械駆動式脱水装置の一つであったため、現在のみならず将来においてもフィルタープレスが現代の設備と競合できるかどうかについては、多くの議論がなされてきた。現代のフィルタープレスが最適な特性を持つ多くの用途においては、効率向上が可能である。しかしながら、多くの機械的な改良が行われたにもかかわらず、フィルタープレスは発明当初と同じコンセプトで動作し続けている。効率向上の進展が遅れていること、そしてフィルタープレスを取り巻く関連課題の克服に関する研究が不足していることから、性能不足の可能性が示唆されている。同時に、他の多くの種類のフィルターは、プレスフィルターと同等、あるいはそれ以上の性能を発揮できる可能性がある。場合によっては、特性と性能を比較することが非常に重要となる。^{[ 22 ]}

バッチ式フィルタープレスと連続式真空ベルトフィルターの比較

フィルタープレスは幅広い用途に利用されていますが、その主な特徴の一つは、比較的小さな設置面積で広い濾過面積を実現できることです。濾過面積は、濾過プロセスにおいて最も重要な要素の一つであり、濾過流量と濾過能力を最大化します。標準サイズのフィルタープレスは216 m²の濾過面積を提供します^が、標準ベルトフィルターは約15 m²に過ぎませ^ん。^{[ 22 ]}

高固形分スラリー：連続加圧運転

フィルタープレスは、金属加工工場における高固形分スラリーの脱水に一般的に使用されています。この用途に適したプレスフィルター技術の一つに、圧力によってろ過を制御することで単一ユニットで連続生産を可能にするロータリープレッシャーフィルター方式があります。しかし、高固形分スラリー中の固形分濃度が高すぎる場合（50%以上）、連続インデックス式真空ベルトフィルターなどの真空ろ過を用いてこれらのスラリーを処理する方が適切です。スラリー中の固形分濃度が高いと圧力が上昇し、圧力が高すぎると機器が損傷したり、運転効率が低下したりする可能性があるためです。^{[ 22 ]}

参考文献

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工業用フィルタープレス機およびフィルタープレートの各種一覧