Фильтрование
Разделение жидкой и газовой суспензии, пропусканием их через твердую пористую перегородку, то есть фильтр, задерживающий твердые частицы
1. Корпус фильтра
2. Фильтровальная Перегородка(ФП) на опорной решетке
Движущая сила фильтрования – перепад(разность давлений) по обе стороны ФП.
∆p=p1 - p2
где р1 – давление над ФП, а р2 – давление под ФП.
В процессе фильтрования 2 продукта: 1. Осадок(слой твердых частиц с небольшим количеством жидкостей) 2. Фильтрат(жидкость, с небольшим количеством очень мелких частиц)
Перепад давления необходим для преодоления общей гидравлического слоя осадка и ФП.
∆p растет в ходе процесса
∆p можно создать пятью способами:
1. Гидростатическим давлением столба суспензий
2. С помощью насоса(р1 ↑)
3. С помощью сжатого газа(p1 ↑)
4. Созданием вакуума под ФП(р2 ↓)
5. Вращением фильтра(Центробежное фильтрование или фильтрование центрифугированием)
Возможны 3 режима фильтрования:
1.При постоянной скорости (W = const, ∆p ↑)
2. При постоянном перепаде давлений(∆p = W↓) – сжатый газ или вакуум
3. При переменном перепаде давления и скорости(∆p ↑, W↓)
Возможны 3 вида фильтрования:
1. С образованием осадка(закупорка практически отсутствует)
2. С закупоркой пор ФП(Слой осадка отсутствует)
3. С обретением осадка при частичной закупорке, т.е. комбинация первых двух видов.
Наиболее желателен первый вид фильтрования, однако на праутике чаще чаще 3 вид.
2 вид хорош для разбавленных суспензий.
Осадки бывают сжимаемые и несжимаемые.
Несжимаемые образуют кристаллические решетки(NaHCO3, песок)
Сжимаемые образуют твердые частицы аморфных веществ(Al(OH)3, Cu(OH)2)
Пористость сжимаемых осадков уменьшается в процессе фильтрования, что вызывает рост гидравлического сопротивления осадков.
К суспензиям, образующим сжимаемые осадки добавляют агрегирующие вещества(Силикогель, амомогель). Они образуют каркас осадка, препятствующий его сжатию.
Фильтрование проходит в несколько стадий:
1.Собственно фильтрование.
2. Промывка осадка на ФП
3. Продувка осадка инертным газом для равномерности.
4. Продув осадка горячим инертным газом влажности ниже равновесной.
5. Удалением осадка из фильтра(съем осадка)
6. Регенерация ФП.
ФП изготавливают из керамики, пластиков, ткани/синтетики и т.п.
Кроме того, в качестве ФП используют зернистый слой.
По форме ФП - сетки, сито, патроны, листы, ленты и т.д.
В первом приближении фильтрование протекает в ламинарном режиме.
W – скорость фильтрования
V – объем фильтрата, прошедшего через ФП за время Т
S – площадь поверхности ФП
∆p – давление по обе стороны ФП
μ – вязкость фильтрата
Скорость фильтрата равна объему фильтрата, прошедшему через 1 м2 фильтровой перегородки за 1 с, прямо пропорциональна перепаду давлений и обратно пропорциональна вязкости фильтрата и суммарному гидравлическому сопротивлению слоя осадков.
Из анализа данного уравнения видно, что интенсифицировать работу фильтрата можно увеличением давления ∆p, уменьшением гидравлического сопротивления слоя осадка.
Для снижения сопротивления слоя осадка поставить кристаллические решетки вместо аморфных. Можно поднять оптимальную величину слоя осадка, а также можно использовать агрегатирующие молекулы.
Газовые фильтры.
Фильтры классифицируют по разным принципам:
1.По назначению:
-газовые
-жидкостные
2.По ориентации процесса во времени:
-непрерывные
-периодические
3.По давлению:
-вакуумные
-под избыточным давлением
4.По взаимному направлению потока фильтрата и силы гравитации
-одинаковые
-противоположные
-перпендикулярные
Газовые фильтры используют тогда, когда газ не удается эффективно очистить в пылеосадительных камерах или циклонах.
Применяют газовые фильтры с плоской ФП с батареями.
Рассмотрим широко применяемый в химическом производстве рукавный фильтр.
1 – корпус(имеет впитываемую по горизонтали форму)
2. «Рукав»(тканевый мешок)
3. Шнек
Принцип действия: запыляющий газ проходит через рукав фильтра непрерывно. Пыль откладывается на внутренней поверхности рукавов. С нее она встряхивается периодически, встряхивающим моментом. С днища аппарата пыль выгружается с помощью шнека.
«+»: высокая степень обеспылевания газа (до 5 мг/м3)
«-»: быстрый износ рукавов.
Тонкая газоочистка достигается при помощи газовых фильтровальных перегородок (полиарилаты, перхлорвинил). Они обладают высокой механической и термической стойкостью. Тонкая газоочистка достигается также в фильтрах с зернистым слоем (гравий, кокс, песок шлак и т.д.)
Жидкостные фильтры.
-используют для разделения суспензий. Бывают переодического и непрерывного действия. Простейший жидкостной фильтр периодического и непрерывного действия.
Простейший жидкостной фильтр периодического действия (путч фильтр) с плоской ФП.
Кроме того применяют батарейные фильтры (листовые, патронные), а также многокамерные периодические фильтры (автоматизированный пресс). К непрерывным жидкостным фильтрам относятся: переменный вращающийся дисковый, ленточный и карусельный. В ХП наиболее распространены барабанные вращающиеся вакуум-фильтры.
Барабан перегородками разделен на 12 одинаковых ячеек (секций). Барабан снаружи покрыт дренажный сеткой, обтянутой фильтровальной пленкой.
Барабан вращается на валу, один конец которого прижат к неподвижной распределительной пленке. Фильтрующая поверхность соединяет трубки через полый вал, через который можно последовательно присоединится к камерам вакуума или сжатия воздуха. Сам барабан на 1/3 погружен в слой суспензии.
Маятниковая мешалка препятствует осаждению твердых частиц в ванне. Фильтрование происходит в первых четырех ячейках с помощью вакуума из камер В1. Фильтрат отсасывается в специальную линию.
На ФП образуется нарастающей по ходу вращения слой осадка. В секциях V и VI первая просушка. В ячейках VII и VIII промывка осадка растворителем. В ячейке IX вторичная просушка. В X через осадок наружу проходит сжатый воздух. В конце XI осадок срезается ножом, в XII через ткань наружу проходит сжатый воздух, т.е. ткань регенерируется, далее рабочий цикл повторяется.
«+»: непрерывность, универсальность, простота обслуживания, автоматизированность.
«-»: небольшая фильтровальная поверхность, недостаточная просушка осадка, дороговизна.
Центробежное фильтрование (ЦБ фильтрование)
В осадительных центрифугах лишь образование и уплотнение осадка. В отличие от обычных фильтрах ЦБ фильтрование происходит под действием растущей с радиусом ЦБ силы через перемешивающую поверхность перемешенного слоя осадка и при значительности сжатия последнего до 0,5 МПа. При таком сильном сжатии скорость ЦБ фильтрования резко падает.
На графике зависимости скорости ЦБ фильтрования от времени можно выделить 3 участка:
AB- образование осадка
BC- уплотнение осадка
CD – механическая сушка (отжим осадка)
Для стадии АВ можно использовать основное лифференцированное уравнение фильтрования. Для этого перепад давления ∆р заменяют на силу ЦБ фильтрации ру и принимают ряд упрощенных допущений. Для ФБ периодического действия определяют оптимальную длительность стадии фильтрования. Скорость ЦБ фильтрации намного больше обычной.
