Циклоны. Процесс разделения неоднородных систем во вращающемся потоке неподвижного аппарата используется для отделения пыли от газа (аппараты называются циклонами), суспензий и нестойких эмульсий (аппараты - гидроциклоны). Циклон конструкции НИИОгаз, показаный на рис. 8.5, состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем 2 и крышкой 3.
Рис.8.5. Циклон конструкции НИИОгаз:
1 - корпус; 2 - днище; 3 - крышка; 4 - патрубок для входа запыленного газа; 5 - сборник для пыли; 6 - выхлопная труба.
Запыленный газ поступает тангенциально со значительной скоростью 20 - 30 м/с через патрубок 4 прямоугольного сечения в верхнюю часть корпуса циклона. В корпусе поток запыленного газа движется вниз по спирали вдоль внутренней поверхности стенок циклона. При таком вращательном движении частицы пыли, как более тяжелые, перемещаются в направлении действия центробежной силы быстрее, чем газ, концентрируются в слоях газа, примыкающих к стенке аппарата, и переносятся потоком в пылесборник 5. Здесь пыль оседает, а очищенный газ, продолжая вращаться по спирали, поднимается к верху и удаляется через выхлопную трубу 6. В циклонах НИИОгаз с диаметром корпуса от 100 до 1000мм степень очистки газов от пыли составляет 30 - 85% (для частиц диаметром 5 мкм) и с увеличением диаметра частиц до 70 - 95% (для частиц диаметром 10 мкм) и далее до 90 - 95% (для частиц диаметром 20 мкм).
Степень очистки газа в циклоне повышается с увеличением фактора разделения Кр. Как следует из уравнения (42) увеличить Кр можно путем уменьшения радиуса r или путем увеличения скорости wr газового потока. Однако увеличение скорости приводит к увеличению гидравлического сопротивления циклона и к возможности турбулизации газового потока, что снижает степень очистки газа. Таким образом, скорость газа должна быть оптимальной. Уменьшение радиуса вращения газового потока связано с уменьшением размеров циклона и, как следствие, с уменьшением его производительности. Поэтому при больших расходах запыленного газа применяют батарейные циклоны (мультициклоны), когда в одном корпусе установлено несколько циклонных элементов малого размера. Диаметр элементов батарейного циклона лежит в пределах от 40 до 250 мм.
Батарейный циклон рис.8.6 состоит из параллельно работающих циклонных элементов 5, смонтированных в одном корпусе 1. Запыленный газ через входной патрубок 2 попадает в распределительную камеру 3, ограниченную трубными решетками 4, в которых герметично закреплены циклонные элементы. Газ равномерно распределяется по отдельным элементам, действие которых аналогично действию обычных циклонов. Очищенный газ выходит из элементов в общую камеру и удаляется через патрубок 6. Пыль собирается в бункер 7.
Устройство циклонного элемента показано на рис.8.7. Газ поступает сверху через кольцевое пространство между корпусом 1 и выхлопной трубой 2. Вверху кольцевого пространства установлено закручивающее лопастное устройство 3 в виде "винта", имеющего две лопасти, наклоненные под углом 25 градусов. При помощи такого устройства придается вращательное движение газовому потоку. Пыль из элемента осыпается через пылеотводящий патрубок 4.
Гидроциклоны и мультигидроциклоны аналогичны по устройству циклонам и мультициклонам. На рис 8.8 показана схема гидроциклона.
Рис. 8.6. Схема батарейного циклона: Рис.8.7. Устройство элемента батарейного
1 - корпус; 2 - патрубок для входа циклона:
запыленного газа; 3 - распределительная 1 - корпус; 2 - выхлопная труба;
камера; 4 - трубная решетка; 3 - закручивающее устройство;
5 - элементный циклон; 6 - патрубок 4 - пылеотводящий патрубок;
отвода очищенного газа; 7 - бункер для
пыли
Рис.8.8. Гидроциклон:
1 - корпус; 2 - суспензия; 3 - выход осадка; 4 - выход осветленной жидкости;
В верхней части цилиндро - конического корпуса 1 тангенциально расположен патрубок для ввода суспензии (нестойкой эмульсии). Через нижний патрубок 3 выходит осадок (тяжелая фаза), а через патрубок в цилиндрической части 4 выходит очищенная осветленная жидкость (легкая фаза). Достоинствами гидроциклонов является простота устройства, компактность и низкая стоимость, а их недостаток - невысокая степень разделения.
Расчет циклонов. Теоретический расчет циклонов очень сложен и на практике используют метод выбора циклона (типа, его размеров) на основе ряда заданных и расчетных величин. Должны быть заданы: расход газа 
, фракционный состав пыли; начальная концентрация пыли в газе и степень очистки. По таблицам ориентировочно выбирают тип нормализованного циклона. Далее определяется диаметр циклона следующим путем.
Гидравлическое сопротивление циклона характеризуется уравнением
(35)
где wц - фиктивная скорость газа в циклоне, получаемая делением объемного расхода газа на поперечное сечение цилиндрической части циклона; r - плотность газа; zц - коэффициент гидравлического сопротивления циклона (справочная величина).
Для расчета циклона необходимо знать отношение
. (36)
каждый тип циклонов имеет свое оптимальное значение 
. Так для циклонов типа НИИОгаз = 500 - 750 м2/с2. По принятым значениям и zц исходя из формулы (8.13) можно вычислить оптимальное значение wц.
По уравнению расхода 
определяют диаметр циклона
(37)
Далее по нормалям для вычисленного значения Dц определяют все остальные размеры циклона. С учетом фракционного состава пыли ее плотности, а также Dц и по справочным данным находят степень очистки. Так как значение степени очистки после первого вычисления может быть неудовлетворительным, то приходится делать несколько последовательных расчетов, принимая новые уменьшенные значения Dц, с учетом установки нескольких параллельно соединенных циклонов или выбрать новый тип циклона.
Рекомендуется выбирать тип циклона и число циклонов на основе минимальных приведенных затрат.
Осадительные центрифуги. Осадительные центрифуги применяются для разделения суспензий с объемной концентрацией твердой фазы до 40%, состоящей из частиц размером более 1 мкм. В результате центрифугирования получаются осадок с некоторым содержанием жидкой фазы и осветленная жидкость (иногда с небольшим содержанием мелких твердых частиц), называемая фугатом. Кроме осадительных в химической технологии используют и фильтрующие центрифуги (о чем будет сказано в разделе «Фильтрование»).
По организации процесса центрифуги делятся на непрерывного и периодического действия; по расположению вала ротора - на горизонтальные, вертикальные и наклонные; по способу выгрузки осадка - на центрифуги с ручной, шнековой, гравитационной и другими способами выгрузки.
Осадительные центрифуги применяют и для разделения эмульсий, при этом их называют сепараторами, а процесс разделения - сепарацией.
Схема осадительной вертикальной центрифуги периодического действия с ручной выгрузкой осадка показана на рис. 8.9. Основной частью центрифуги является барабан 1 со сплошной стенкой, который насажен на вращающийся вал. Суспензия подается во внутрь барабана по трубе 5. Под действием центробежной силы твердые частицы суспензии движутся к стенкам барабана и отлагаются на них в виде осадка 3. Осветленная жидкость (фугат) переливается из барабана в кожух 6 и выводится из него через штуцер 4. По окончании разделения центрифугу останавливают и вручную выгружают из барабана осадок. Недостатком таких центрифуг являются низкая производительность и ручной труд при выгрузке осадка.
Рис.8.9. Схема осадительной центрифуги периодического действия:
1 - барабан (ротор); 2 - суспензия; 3 - осадок; 4 - вывод осветленной жидкости (фугата); 5 - ввод суспензии; 6 - неподвижный кожух; D - внутренний диаметр барабана; H - высота барабана; D0 - диаметр жидкостного кольца.
На рис. 8.10 показана схема осадительной горизонтальной центрифуги непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка.
Эта центрифуга имеет два вращающихся барабана, выполняющих различные функции. Внутренний барабан 2 с окнами 7 приводится во вращение от внутреннего вала 5 с небольшим числом оборотов. На внутреннем барабане установлены лопасти шнека 4. Эта сборочная единица служит для приема суспензии и подачи ее в конический барабан 1, а также для перемещения осадка лопастями шнека справа налево к левой кромке барабана 1.
Конический барабан 1, вращающийся от внешнего вала 3 с большим числом оборотов, служит для центробежного разделения суспензии на осадок и осветленную жидкость (фугат). Схема движения потоков в центрифуге такова. Суспензия поступает во внутренний барабан 2 и из его окон 7 направляется в конический барабан 1. Осветленная жидкость (фугат) из барабана 1 выливается в кожух 6 и отводится через правый патрубок. Образующийся на внутренней поверхности конического барабана 1 осадок лопастями шнека 4 передвигается к левой кромке барабана 1 и сбрасывается в кожух 6. Из кожуха осадок отводится через левый патрубок.
Достоинствами данных осадительных центрифуг являются непрерывность работы, высокая производительность, возможность разделения суспензии с большой концентрацией дисперсной фазы. Недостатки: высокое содержание жидкости в осадке и твердой фазы в фугате, значительный расход энергии на разделение.
Рис.8.10. Схема осадительной горизонтальной центрифуги непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка: 1 - конический барабан; 2 - внутренний барабан; 3 - полый внешний вал; 4 - лопасти шнека; 5 - полый внутренний вал; 6 - кожух; 7 - окна во внутреннем барабане.
Для разделения эмульсий применяются сепараторы различных конструкций. На рис.8.11 показана схема барабана тарельчатого сепаратора. Эмульсия по центральной трубе направляется в нижнюю часть вращающегося с большой скоростью барабана (ротора) 1 снабженного рядом конических перегородок - тарелок 2. Которые делят смесь на несколько слоев, что уменьшает длину пути осаждения частиц. Более тяжелая жидкость отбрасывается центробежной силой к периферии ротора, более легкая перемещается к его центру. Направление движения жидкостей показано стрелками (сплошные линии - тяжелая жидкость, пунктирные линии - легкая). В ряде случаев для улучшения процесса разделения тарелки имеют отверстия.
Трубчатые сверхцентрифуги (рис. 8.12.) имеют ротор небольшого диаметра (до 200 мм), вращающийся с большим числом оборотов и фактор разделения в них достигает 15000. Здесь увеличение центробежного ускорения достигается за счет увеличения частоты вращения ротора. Такие центрифуги и используют для разделения тонкодисперсных суспензий и выделения осадка содержащего минимальное количество жидкости, что достигается большим уплотнением осадка при высоких значениях фактора разделения. Схема устройства сверхцентрифуги показана на рис.8.12. В кожухе 1 расположен ротор 2 со сплошными стенками, внутри которого имеются радиальные лопасти 3, препятствующие отставанию жидкости от стенок ротора при его вращении. Верхняя часть ротора жестко соединена со шпинделем 4, который подвешен на опоре 5 и приводится во вращение при помощи шкива 6. В нижней части ротора расположен эластичный направляющий подпятник 7, через который проходит труба 8 для подачи суспензии. При движении суспензии в роторе вверх на стенках его оседают твердые частицы, а осветленная жидкость отводится через отверстия 9 в патрубок 10. По истечении определенного времени сверхцентрифугу останавливают и удаляют осадок, накопившейся в роторе.
Рис. 8.11. Схема барабана (ротора) сепаратора:
1 - барабан (ротор); 2 – тарелки.
Рис.8.12. Схема устройства трубчатой сверхцентрифуги: 1 - кожух; 2 - ротор; 3 - радиальные лопасти; 4 - шпиндель; 5 - опора; 6 - шкив; 7 - подпятник; 8 - труба для подачи суспензии; 9 - отверстия; 10 - патрубок для отвода осветленной жидкости.
Для разделения эмульсий применяют сверхцентрифуги, отличающиеся более сложным устройством верхней части ротора, что позволяет раздельно отводить тяжелую и легкую жидкие фазы.
Фильтрование
Фильтрованием называется процесс разделения суспензий и газовзвесей при помощи пористых фильтровальных перегородок, задерживающих твердые частицы (дисперсную фазу), но пропускающих сплошную фазу (жидкость, газ). Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений в двух зонах фильтра (по обе стороны фильтровальной перегородки), которая соответствует сопротивлению, встречаемому потоком фильтрата (жидкости, газа) при его прохождении через образующийся слой осадка и фильтровальную перегородку. Эта разность давлений Dр создается различными способами: весом столба самой суспензии; нагнетания жидкостными насосами (Dр» 0,5 МПа); подачей сжатого газа (Dр = 0,05 ¸ 0,3 МПа); вакуумпрованием пространства под фильтровальной перегородкой (Dр = 0,05 ¸ 0,09 МПа); при помощи центробежной силы.
В зависимости от организации процесса фильтрование может быть как непрерывным, так и периодическим. Фильтрование, в основном, применяют в промышленности для тонкого разделения неоднородных систем, с его помощью можно достигнуть более полной, чем при осаждении, очистки жидкости или газа от взвешенных твердых частиц.
Фильтрование суспензий
Аппарат, в котором осуществляется фильтрование, называется фильтром, простейший вид которого показан на рис.8.13. Фильтр 1 делится на две части фильтровальной перегородкой 2. Суспензия 3 помещается над фильтровальной перегородкой. Разность давлений над перегородкой и под ней является движущей силой процесса фильтрования.
Жидкость проходит через перегородку и очищается от твердых частиц, которые на перегородке образуют слой влажного осадка 5. Этот процесс называется фильтрованием с образованием осадка. Иногда твердые частицы проникают в поры перегородки и задерживаются там, не образуя осадка. Такой процесс называется фильтрованием с закупориванием пор. Возможен также промежуточный вид фильтрования, когда твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и образуют на ней слой осадка. Очищенная от твердой фазы жидкость под перегородкой называется фильтратом 4.
Рис. 8.13. Схема процесса фильтрования:
1 - фильтр; 2 - фильтровальная перегородка; 3 - суспензия; 4 - фильтрат; 5 - осадок.
Разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки создается разными способами, в результате чего осуществляются различные процессы фильтрования.
Если пространство над суспензией сообщается с источником сжатого воздуха или пространство под фильтровальной перегородкой присоединяется к источнику вакуума, то происходит процесс фильтрования при постоянной разности давлений. При этом скорость процесса уменьшается в связи с увеличением сопротивления слоя осадка возрастающей толщины.
Если суспензию подают на фильтр поршневым насосом, то осуществляется процесс фильтрования при постоянной скорости; при этом разность давлений увеличивается за счет увеличения сопротивления осадка с ростом его толщины.
Если суспензию подают центробежным насосом, производительность которого уменьшается с ростом сопротивления осадка, то производится процесс фильтрования при переменных разности давлений и скорости.
Осадки, получаемые при фильтровании, подразделяют на несжимаемые и сжимаемые. Под несжимаемыми понимают те осадки, в которых пористость, не уменьшается при увеличении разности давлений. Пористость сжимаемых осадков уменьшается, а их гидравлическое сопротивление потоку жидкой фазы возрастает с увеличением разности давлений.
В производственных условиях под фильтрованием понимают не только операцию разделения суспензии на фильтрат и осадок, но и последующие операции промывки, продувки и сушки осадка на фильтре.
Промывку осадка выполняют способами: вытеснения и разбавления.
Способ вытеснения состоит в том, что промывную жидкость на поверхность осадка заливают в виде слоя или подают в диспергированном состоянии, причем промывная жидкость под действием разности давлений проходит сквозь поры осадка, вытесняет из них жидкую фазу и смешивается с ней.
При способе разбавления осадок снимается с фильтровальной перегородки и перемешивается в сосуде с мешалкой с промывной жидкостью. Образующая при этом суспензия разделяется на фильтре. Этот способ используют когда осадок промывается трудно.
Продувку осадка производят с целью вытеснения из пор осадка промывной жидкости.
Сушку осадка на фильтре нагретым или предварительно осушенным воздухом применяют, когда необходимо получить на фильтре осадок с низкой окончательной влажностью.
Фильтровальные перегородки. Фильтровальные перегородки могут быть подразделены на различные группы по нескольким признакам.
По принципу действия различают поверхностные и глубинные. В поверхностных перегородках твердые частицы суспензии задерживаются на их поверхности, не проникая в поры перегородки. Глубинные перегородки характеризуются тем, что частицы проникают в основном в их поры и там задерживаются. Такие перегородки используются когда концентрация твердой фазы в суспензии мала.
Перегородки классифицируются и по материалам, из которых они изготовлены, например, на перегородки из хлопчатобумажных, шерстяных, синтетических, стеклянных, керамических и металлических материалов. Такая классификация необходима для выбора материала, способного противостоять химически агрессивным средам.
По структуре фильтровальные перегородки подразделяются на гибкие и негибкие. Гибкие перегородки могут быть металлическими, тканевыми и т.д.; негибкие перегородки - жесткими, состоящими из связанных твердых частиц, или нежесткими, состоящими из несвязанных твердых частиц.
Фильтры
Число конструкций фильтровального оборудования очень велико. Ниже будут рассмотрены принцип действия и основные особенности наиболее распространенных фильтров.
Нутч-фильтры. Нутч представляет собой простейший фильтр периодического действия, работающий под вакуумом или под избыточным давлением. На рис 8.14 показана схема нутч - фильтра, работающего под давлением (до 0,3 МПа). Нутч состоит из корпуса 1 с рубашкой 2, съемной крышки 8 и откидывающегося дна 4. На опорной решетке 6 расположена фильтровальная перегородка 5. Иногда в качестве перегородки применяют слой волокон, который закрепляют сеткой 7. Над фильтровальной перегородкой укреплена кольцевая перегородка 3, поддерживающая осадок во время выгрузки, когда откидывается дно 4. Подача суспензии производится через трубу 10, сжатый воздух в процессе фильтрования поступает через патрубок 9, фильтрат удаляется через патрубок 11. Для предохранения от возможности повышения давления в аппарате установлен предохранительный клапан 12. В рубашку 2 подают теплоноситель для повышения температуры фильтрования, что обеспечивает снижение вязкости фильтрата и повышение, в связи с этим скорости фильтрования.
Рис. 8.14. Нутч-фильтр, работающий под давлением:
1 - корпус; 2 - обогревающая рубашка; 3 - кольцевая перегородка; 4 - откидывающееся дно; 5 - фильтровальная перегородка; 6 - опорная решетка; 7 - сетка; 8 - съемная крышка; 9 - патрубок для подвода сжатого воздуха; 10 - труба для подачи суспензии; 11 - патрубок для отвода фильтрата; 12 - предохранительный клапан.
В простейшем случае цикл работы на нутч - фильтре состоит из следующих операций: наполнение суспензией, фильтрование суспензии под давлением газа, удаление осадка с фильтровальной перегородки, регенерация последней.
Достоинствами нутчей является большая движущая сила процесса фильтрования, пригодность для разделения суспензий, выделяющих токсичные пары, возможность хорошей промывки осадка. К недостаткам относятся ручная выгрузка осадка, громоздкость. По этим причинам нутч - фильтры используют, в основном, в производствах малой мощности.
Фильтр-прессы. Они работают под давлением и являются фильтрами периодического действия. Направления сил тяжести и движения фильтрата в них перпендикулярны. На рис. 8.15 показана схема фильтр - пресса с вертикальными рамами.
Рис.8.15. Фильтр – пресс:
а - плита; б - рама; в - сборка; 1 - отверстия в плитах и рамах, образующие при сборке канал для подачи суспензии; 2 - отверстия в плитах и рамах, образующие канал для подачи промывной жидкости; 3 - отводы для прохода суспензии внутрь рам; 4 - внутренние пространства рам; 5 - фильтровальные перегородки; 6 - рифления плит; 7 - каналы в плитах для выхода фильтрата на стадии фильтрования или промывной жидкости - на стадии промывки осадка; 8 - центральные каналы в плитах для сбора фильтрата или промывной жидкости; 9 - краны на линиях вывода фильтрата или промывной жидкости.
Фильтр представляет собой сборку из чередующихся плит и рам. Плиты имеют вертикальные рифления 6, предотвращающие прилипание фильтровальной ткани к плитам и обеспечивающие движение по ним фильтрата. Полая рама помещается между двумя плитами, образуя камеру 4 для осадка. Отверстия 1 и 2 в плитах и рамах совпадают, образуя каналы для прохода соответственно суспензии и промывной жидкости. Между плитами и рамами помещают фильтровальные перегородки («салфетки») 5. На салфетках имеются отверстия, которые совпадают с отверстиями в плитах. Сжатие плит и рам производится при помощи винтового или гидравлического зажимов. На стадии фильтрования суспензия под давлением по системе трубопроводов подается к фильтр - прессу и по каналу 1 и отводам 3 поступает в полое пространство (камеру) 4 внутри рам. Жидкость проходит через фильтровальные перегородки 5, по желобам рифлений 6 движется к каналам 7 и далее в каналы 8. Отсюда фильтрат выводится через краны 9, открытые на стадии фильтрования. После заполнения камеры 4 осадком подачу суспензии прекращают. Затем начинается стадия промывки осадка. Промывная жидкость проходит по каналам 2, омывает осадок и фильтровальные перегородки и выводится через краны 9. По окончании промывки осадок продувают сжатым воздухом для удаления остатков промывной жидкости. После этого плиты и рамы раздвигают, и осадок частично падает под действием силы тяжести в сборник, установленный под фильтром. Оставшуюся часть осадка выгружают в ручную.
К достоинствам фильтр - прессов относятся большая удельная поверхность фильтрования, возможность проведения процесса при высоких давлениях (до 1,5 МПа), простота конструкции, отсутствие движущихся в процессе эксплуатации частей.
Недостатками являются ручное обслуживание, невозможность полной промывки осадка, быстрый износ фильтровальных салфеток.
Барабанный вакуум-фильтр. Это фильтр непрерывного действия, его схема представлена на рис. 8.16.
Рис. 8.16. Барабанный вакуум – фильтр:
1 - перфорированный барабан; 2 - волнистая сетка; 3 - фильтровальная перегородка; 4 - осадок; 5 - нож для съема осадка; 6 - корыто для суспензии; 7 - качающаяся мешалка; 8 - устройство для подвода промывной жидкости; 9 - камеры (ячейки) барабана; 10 - соединительные трубки; 11 - вращающаяся часть распределительной головки; 12 - неподвижная часть распределительной головки;
I - зона фильтрования и отсоса фильтрата; II - зона промывки осадка и отсоса промывной жидкости; III - зона съема осадка; I V - зона очистки фильтровальной ткани.
Фильтр имеет вращающийся цилиндрический барабан 1, покрытый металлической волнистой сеткой 2, на которой расположена тканевая фильтровальная перегородка 3. Барабан на 30 - 40% своей поверхности погружен в суспензию, находящуюся в корыте 6. Так как в фильтре направление осаждения частиц противоположно направлению движения фильтрата, то в корыте 6 установлена качающаяся мешалка 7 для взмучивания суспензии.
Барабан разделен радиальными перегородками на ряд изолированных друг от друга ячеек (камер) 9. Каждая камера соединяется трубой 10 с различными полостями неподвижной части 12 распределительной головки. Трубы объединяются во вращающуюся часть 11 распределительной головки. Благодаря этому при вращении барабана 1 камеры 9 в определенной последовательности присоединяются к источникам вакуума и сжатого воздуха. В результате при полном обороте барабана каждая камера проходит несколько зон, в которых осуществляются процессы фильтрования, промывки осадка и другие.
Зона I - фильтрования и отсоса фильтрата, где камера соприкасается с суспензией. Камера в это время соединена с источником вакуума. Под действием вакуума фильтрат проходит через фильтровальную ткань, сетку и перфорацию барабана внутрь камеры и через трубу выводится из аппарата. На наружной поверхности барабана, покрытой фильтровальной тканью, образуется осадок 4.
Зона II - промывка осадка и отсоса промывной жидкости. Здесь камера вышедшая из корыта с суспензией, также соединена с источником вакуума, а на осадок с помощью устройства 8 подается промывная жидкость. Она проходит через осадок и по трубе отводится из аппарата.
Зона III - съема осадка. В этой зоне осадок сначала отдает остатки свободной жидкости, находящейся в нем, под действием вакуума, а затем камера соединяется с источником сжатого воздуха. Воздух сушит и разрыхляет осадок, что облегчает его последующее удаление. При подходе камеры к ножу 5 подача сжатого воздуха прекращается. Осадок падает с поверхности фильтровальной ткани под действием силы тяжести. Нож служит, в основном, направляющей плоскостью для слоя осадка отделяющегося от ткани.
Зона I V - очистки фильтровальной ткани, где она продувается сжатым воздухом или водяным паром и освобождается от оставшихся на ней твердых частиц.
После этого ячейки с регенерированной тканью вновь входят в корыто с суспензией и весь цикл операции вновь повторяется.
На каждом участке поверхности фильтра все операции проводятся последовательно одна за другой. Но участки поверхности барабана работают независимо, и поэтому в целом все операции проводятся одновременно, т.е. процесс протекает непрерывно. Это одно из достоинств барабанного фильтра. Другими являются: простота обслуживания, возможность фильтрования суспензии с большой концентрацией твердой фазы, хорошие условия промывки осадка.
К недостаткам относятся сравнительно небольшая удельная поверхность фильтрования, относительно высокая стоимость, необходимость перемешивания суспензии в корыте, сложность герметизации.
Ленточный вакуум-фильтр. На рис. 8.17 показана схема ленточного вакуум - фильтра. Такой фильтр представляет собой аппарат непрерывного действия, в котором направление силы тяжести и движение жидкой фазы совпадают. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений между атмосферным и остаточным давлением в вакуум - камерах для фильтрата 8 и промывной жидкости 10. Опорная резиновая лента в сечении в виде желоба 1 с прорезями и бортами перемещается по замкнутому пути при помощи приводного 2 натяжного 3 барабанов. Фильтровальная ткань в виде замкнутой ленты 4 прижимается к опорной резиновой ленте при помощи натяжения роликами 5. Суспензия поступает на фильтровальную ткань из лотка 6, где и происходит процесс фильтрования. После фильтрования идет процесс промывки осадка. Промывная жидкость подается на образовавшийся осадок из форсунок 7. Фильтрат под вакуумом отсасывается в камеры 8, находящиеся под опорной резиновой лентой, и через коллектор 9 отводится в сборник. Промывная жидкость, также под вакуумом, отсасывается в камеры 10 и через коллектор 11 уходит в другой сборник. На приводном барабане фильтровальная ткань (лента) отходит от резиновой ленты и огибает ролик 12; при этом осадок 14 отделяется от ткани и падает в бункер 13. На пути между роликами 5 фильтровальная ткань промывается и очищается.
Рис.8.17. Ленточный вакуум – фильтр:
1 - опорная резиновая лента; 2 - приводной барабан; 3 - натяжной барабан; 4 - фильтровальная ткань (лента); 5 - натяжные ролики; 6 - лоток для подачи суспензии; 7 - форсунки для подачи промывной жидкости; 8 - вакуум - камера для фильтрата; 9 - коллектор для фильтрата; 10 - вакуум - камера для промывной жидкости; 11 - коллектор для промывной жидкости; 12 - направляющий ролик; 13 - бункер для осадка.
К достоинствам ленточного вакуум - фильтра относятся: совпадение направления фильтрования и осаждения, относительная простота устройства (отсутствие распределительной головки), хорошие условия для обеспечения промывки и удалении жидкости из осадка. Благодаря простоте съема осадка и регенерации ткани возможна обработка труднофильтруемых материалов.
Недостатками являются: небольшая удельная поверхность и довольно быстрый износ фильтровальной ленты, громоздкость аппарата, сложность герметизации.
Фильтрующие центрифуги
Принципиальное отличие фильтрующих центрифуг от осадительных заключается в том, что они имеют перфорированный барабан, на внутренних стенках которого закреплена фильтровальная ткань. На рис. 8.18 показана схема вертикальной фильтрующей центрифуги периодического действия. Центрифуга состоит из перфорированного барабана 2, насажанного на вращающийся вал. На внутренней поверхности барабана расположена дренажная проволочная сетка 3, а на ней - фильтровальная ткань 4. Суспензия подается сверху в барабан. В результате фильтрования на фильтрующей ткани образуется слой осадка. Фильтрат (фугат) под действием центробежной силы проходит через осадок, фильтровальную перегородку, перфорацию барабана и попадает в кожух, откуда и отводится. После окончания процесса фильтрования барабан останавливается и вручную выгружается осадок.
Достоинством центрифуги этого типа является простота устройства, а недостатками - периодичность работы и ручная выгрузка осадка.
Рис.8.18. Схема вертикальной фильтрующей центрифуги:
1 - корпус; 2 - перфорированный барабан; 3 - проволочная сетка; 4 - фильтровальная ткань; 5 - осадок; 6 - суспензия. Потоки: с - суспензия; ф - фильтрат (фугат).
Горизонтальная фильтрующая центрифуга непрерывного действия с ножевым съемом осадка показана на рис.8.19
Рис.8.19. Горизонтальная фильтрующая центрифуга с ножевым съемом осадка:
1 - барабан; 2 - гидравлический цилиндр для подъема и опускания ножа; 3 - кожух; 4 - нож для съема осадка; 5 - наклонный желоб; 6 - патрубок для отвода фугата; 7 - труба для подачи суспензии. Потоки: с - суспензия; ф - фугат; о - осадок.
В перфорированный барабан на внутреннюю его поверхность укладывается дренажная сетка, на нее закрепляется фильтровальная ткань, а на фильтровальную ткань сверху укладывается предохранительная сетка. Она служит для того, чтобы не было выпучивания ткани при действии ножа во время съема осадка. Особенностью этих центрифуг является осуществление всех операций процесса в автоматическом режиме и при постоянной скорости вращения барабана. Приведем такой пример. Рабочий цикл фильтра, продолжительность которого равна tр = 10 мин, разбит на операции, запрограммированные по отведенным им отрезкам времени. Операции эти следующие: 1) фильтрование в течении t1 = 5 мин. Открывается клапан подачи суспензии в центрифугу на время 5 мин., после чего он закрывается; 2) отжим осадка t2 = 0,5 мин; 3) промывка осадка t3 = 1 мин., в течении этого времени открыт клапан подачи промывной жидкости; 4) отжим осадка после промывки t4 = 0,5 мин.; 5) снятие осадка t5 = 3 мин., в течении этого времени поднимается медленно нож и срезает осадок. После этого начинается вновь процесс фильтрования. Открывание и закрывание клапанов производится автоматически. Срезанный ножом осадок поступает в желоб 5, которому во время работы ножа сообщается вибрация для лучшего отвода осадка. Применяются такие центрифуги для разделения суспензий с концентрацией твердой фазы более 10% и содержащие твердые частицы размером более 30 мкм, измельчение которых допустимо.
Основным достоинством этих центрифуг является полная автоматизация процесса фильтрования. Недостаток их - это относительно быстрый износ фильтровальной перегородки.
Центробежное фильтрование. Для периодически действующей фильтрующей центрифуги можно выделить три периода: образование осадка, уплотнение осадка и его механическая сушка (отжим). В течении первого периода на поверхности фильтровальной перегородки образуется слой осадка, состоящий из твердых дисперсных частиц, толщина слоя увеличивается до тех пор, пока все элементы дисперсной фазы не перейдут из суспензии в осадок и внутренний радиус слоя суспензии Rc не сравняется с внутренним радиусом осадка Rо. В ходе второго периода происходит уплотнение осадка путем выдавливания жидкости. Третий период характеризуется замещением жидкости в порах осадка газовой фазой, что позволяет получать в процессе центробежного фильтрования менее влажные осадки, чем в осадительных центрифугах.
 |
Рис.8.21. Схема барабана фильтрующей центрифуги: 1 - перфорированная стенка; 2 - фильтровальная перегородка; 3 - осадок; 4 - суспензия; 5 - газовая фаза;
Движущей силой в первом периоде фильтрования является, в основном, разность давлений на внутренней поверхности осадка и на внешней поверхности фильтровальной перегородки.
