Фильтры для разделения суспензий

Для осуществления фильтрования необходимо создать разность давлений по обе стороны от перегородки, которая выполняет роль начального сопротивления для протекания процесса, поэтому скорость процесса фильтрования прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна сопротивлению пористой перегородки и осадка. Дополнительное сопротивление на фильтрующей перегородке возрастает при увеличении толщины осадка или закупоривании его частицами пористой фильтрующей перегородки, а также при одновременном увеличении толщины осадка и закупоривании пор его и перегородки. Наличие давления также приводит к увеличению сопротивления за счет сжатия осадка и пористой перегородки вследствие уменьшения в них пор для прохождения фильтрата и изменения их формы (из-за сжатия и сдвига).

Пористая перегородка создает при фильтровании первоначальное сопротивление, обусловлен вое вязкостью жидкой фазы (фильтрата), диаметром, формой поперечного сечения и извилистостью каналов пор. Это сопротивление может изменяться из-за набухания материала перегородки, изменения поверхностного натяжения системы жидкость - твердая перегородка, адсорбции жидкости на стенках, возникновения неподвижного слоя жидкости у стенок пор и электроосмотического потока жидкости, а также от частичного или полного перекрывания пор твердыми частицами суспензий.

Осадок создает обычно основную долю сопротивления протеканию процесса. Это сопротивление зависит в основном от структур и толщины осадка, на него влияют также физико-химические факторы системы жид- кость - твердое тело.

Структура осадков по крупности частиц изменяется, начиная от фильтрующей перегородки, где осаждаются самые мелкие частицы, проникающие в ее поры. Затем осаждаются более крупные частицы, но между ними располагаются и более мелкие, закупоривающие пространство между крупными частицами.

На протекание процесса фильтрования влияют две группы факторов: микрофакторы и макрофакторы. К макрофакторам относятся структура и геометрия фильтровальной перегородки и слоя осадка, вязкость фильтрата, разность давлений по сторонам фильтра; к микрофакторам -размеры и форма пор, по которым движется жидкость в осадке к фильтровальной перегородке.

Фильтрование суспензий обычно заканчивается промывкой и про сушкой осадков. Эти процессы характеризуются гидродинамическими, а также массообменными и диффузионными явлениями.

Современная теория фильтрования базируется на законах капиллярной гидравлики, которые выражаются законами Дарси и Навье-Стокса. Для их применения процесс фильтрования подразделен на следующие виды: 1) процесс фильтрования образованием осадка; 2) процесс фильтрования закупориванием пор образующегося осадка; 3) процесс фильтрования промежуточного вида; 4) процесс фильтрования с постепенным закупориванием пор фильтрующей перегородки; 5) процесс фильтрования с полным закупориванием пор фильтрующей перегородки и уменьшением их числа.

Несмотря на различия между этими видами процессов фильтрования, их гидродинамику можно описать общим уравнением дня гидравлического сопротивления К движению жидкости через фильтр (фильтровальную перегородку и осадок):

, (15)

где

, (16)

В этих выражениях V-объем фильтрата за время , = .(или , , , ) - коэффициенты, характеризующие каждый вид фильтрования; =0 2 - показатель степени для каждого вида фильтрования, чередующийся через 0, 5 соответственно ряду перечисленных выше видов; - текущая скорость фильтрования.

Это уравнение может быть преобразовано к виду:

, (17)

откуда время фильтрования:

, (18)

где - начальная скорость фильтрования.

Для значений = 0; 0, 5; 1, 0; 1, 5, соответственно первым четырем из указанных видов фильтрования, уравнение (18) можно проинтегрировать в общем виде и определить время фильтрования:

, (19)

При = 2 (фильтрование с полным закупориванием пор) интегрированием уравнения (18) находим:

, (20)

Материал фильтрующей перегородки. Выбор материала фильтрующей перегородки обусловлен степенью агрессивности фильтруемой суспензии и дисперстностью ее твердой фазы. Фильтрующие перегородки изготовляют из текстильных и волокнистых материалов: бязи, парусины, тика, сукна, шелка, асбеста, шлаковой и стеклянной ваты, бумаги и картона.

Для повышения кислотостойкости хлопчатобумажной ткани ее подвергают нитрованию. Шерстяные ткани устойчивы к кислотам, но разрушаются щелочами. Наиболее устойчивы фильтрующие перегородки из асбеста, шлаковой и стеклянной ваты, а также металлические сетки из бронзы и коррозионностойкой стали.

В качестве материала для зернистых или волокнистых перегородок применяют песок, инфузорную землю, кокс, уголь, целлюлозу и др. Такие перегородки используют в случаях, когда твердая фаза суспензии имеется в малом количестве и не используется после фильтрования.

В качестве жестких фильтрующих перегородок применяют керами-ческие фильтровальные камни, плитки, свечи и кольца, стойкие к действию кислот и щелочей и позволяющие получить чистый фильтрат. Коллоидные пленки или материалы изготовляют из нитроцеллюлозы, пергаментной бумаги и др. Эти фильтрующие перегородки имеют очень мелкие поры (13 мкм) и могут задерживать коллоидные частицы.

Фильтрами периодического действия являются нутчфильтры, листовые фильтры, фильтрпрессы и патронные сгустители.

Автоматический камерный с механическим зажимом плит фильтрпрес

Листовые (пластинчатые) фильтры

Фильтры непрерывного действия.

В фильтрах непрерывного действия одновременно проводятся операции: фильтрация, сушка, промывка, разгрузка и регенерация фильтровальной ткани. Эти операции проходят непрерывно и независимо одна от другой в каждой зоне фильтра, поэтому процесс работы фильтра протекает непрерывно.

Фильтры непрерывного действия различают по форме фильтрующей перегородки и подразделяют на барабанные, дисковые и ленточные, и по рабочему давлению на аппараты, работающие под разряжением и под давленим.

К недостаткам этих фильтров относятся их относительная сложность, высокая стоимость, необходимость установки вспомогательного оборудования и большой расход энергии главным образом на вакуум насосы и воздуходувки.

Барабанные фильтры

Дисковые фильтры

Тарельчатый фильтр (планфильтр)

Ленточный вакуумфильтр

Фильтры непрерывного действия

Барабанный фильтр ячейкового типа. При расчете должны быть заданы следующие величины: - массовая производительность подаваемой суспензии: Р- давление фильтрации: - давление промывки: и -константы удельного сопротивления осадка; и константы удельного сопротивления фильтрующей ткани; динамическая вязкость фильтра; динамическая вязкость промывной жидкости; и плотность соответственно жидкой и твердой фазы суспензии; толщина влажного осадка при оптимальных условиях процесса; -необходимое количество промывной жидкости на 1 кг влажного осадка в м ; - содержание твердой фазы в фильтруемой суспензии; - содержание твердой фазы во влажном осадке перед просушкой.

Уменьшение толщины слоя осадка ускоряет процесс фильтрации. Однако, уменьшение толщины слоя осадка на фильтре ограничено возможностью удовлетворительного съема его с фильтрующей поверхности, поэтому наименьшими значениями допускаемой толщины слоя осадка для барабанных фильтров являются: при прочном маловажном осадке - 4 мм, при непрочном, влажном, слегка мажущемся осадке - 6 мм при слабом, липком осадке - 10 мм. Для дисковых фильтров этим величинам соответствуют значения 6, 8 и 12 мм.

Вначале определяю т вспомогательные величины: объемную массу влажного осадка перед просушкой , объем влажного осадка в 1 м фильтрата ; количество твердой фазы на фильтре от 1 м фильтрата С.

Необходимая производительность фильтра по фильтрату:

, (21)

по воздушно-сухому осадку:

, (22)

где -содержание твердой фазы в воздушно-сухом осадке.

Среднее удельное сопротивление осадка и фильтрующей перегородки определяют при заданном давлении фильтрации.

Параметры уравнения фильтрации для единицы площади фильтра:

Время фильтрации:

, (23)

Время промывки можно определить следующим образом. Зная на основании экспериментов количество промывной жидкости, расходуемой на единицу массы влажного осадка, определяют количество промывной жидкости, расходуемой на единицу площади фильтра:

,

Определение скорости промывки аналогично определению скорости фильтрации:

, (24)

откуда время промывки:

, (25)

Заменив

, (26)

и учитывая, что , получают время промывки:

, (27)

где

, (28)

При подаче воды форсунками время промывки надо увеличить, так как для предупреждения размывания осадка приходится покрывать водяными струями большую поверхность, чем зона промывки. Увеличение времени на промывку через отношение v действительно орошаемой форсунками площади фильтра к теоретической площади зоны промывки, т.е.:

, (29)

Время подсушки, съема осадка и пребывания его в мертвых зонах:

, (30)

где -число секций фильтра, одновременно находящихся в зонах просушки, съема и мертвых зонах; -общее число секций фильтра.

Эти величины могут быть заданы или выбраны по конструктивным соображениям.

Общая продолжительность рабочего цикла или время, затрачиваемое на один оборот барабана:

, (31)

При определении времени просушки осадка необходимо учесть, что обычно угол , занимаемый сектором зоны отдувки и съема осадка, составляет 45  55 (рисунок 2).

Рис 2. - Расчетная схема барабанного вакуум-фильтра.

Угол ( сектора мертвой 'зоны (от уровня жидкости до верхней границы зоны фильтрации) составляет 3°. угол сектора зоны от верхней границы зоны фильтрации до середины ее вервей ячейки составляет 360/2 . Угол, занимаемый секторами съема осадка и мертвых зон, равен сумме указанных углов:

, (32)

Тогда время просушки осадка:

, (33)

Полная поверхность фильтра:

, (34)

Частота вращения барабана в минуту:

, (3.48)

Углы секторов фильтра:

зоны фильтрации

, (35)

зоны промывки

, (36)

зоны просушки

, (37)

мертвых зон (ниже уровня жидкости)

, (38)

угловая скорость барабанная фильтра.

Глубина погружения барабана в суспензию:

, (39)

где диаметр барабана.

Выбор вспомогательного оборудования. Для выбора вакуум насосов необходимо знать зависимость количества воздуха просасываемою через зоны промывки и просушки, от времени пребывания в этих зонах. Для приближенного определения этой зависимости можно рекомендовать формулу:

, (40)

где динамическая вязкость воздуха; коэффициент, учитывающий превышение действительного расхода воздуха над теоретическим из-за попадания наружного воздуха через не плотности.

Для определения сечения трубопроводов можно принимать следующие скорости: для жидкостей -0, 5 м/с, для мокровоздушной смеси- 4м/с.

Полезный объем ванны для фильтров:

, (41)

где объем поступающей суспензии:

, (42)

здесь плотность суспензии:

, (43)

Расчет мощности привода фильтра. Мощность привода барабанного вакуум-фильтра затрачивается на преодоление следующих моментов сопротивлений.

1. Момент сопротивления , создающийся в вследствие неуравновешенности слоя осадка при вращении барабана или дисков. Осадок покрывает 3/4 фильтрующей поверхности барабана, поэтому неуравновешенность создается за счет осадка, покрывающего 1/4 фильтрующей поверхности:

, (44)

где масса осадка на неуравновешенной части фильтрующей поверхности барабана или дисков фильтра; расстояние от центра тяжести неуравновешенной части осадка до оси барабана или диска; угол сектора неуравновешенной части осадка на барабане или дисках.

, (45)

здесь площадь поверхности, покрытой неуравновешенной частью осадка.

Для барабанного фильтра:

, (46)

где и диаметр и длина барабана

, (47)

(при условии, что осадок покрывает 3/4 поверхности барабана), следовательно, для барабанного фильтра:

, (48)

2. Момент сопротивления срезу осадка.

Для барабанного фильтра:

, (49)

где коэффициент трения при срезании осадка; усилие срезания осадка.

Усилие срезания осадка:

,

где удельное сопротивление срезанию осадка.

Тогда:

, (50)

3. Момент сопротивления трению барабана или дисков о суспензию.

По некоторым опытным ориентировочно можно принимать:

, (51)

4. Момент сопротивления трению вала фильтра о распределительную головку:

где число распределительных головок фильтра; коэффициент трения; сила прижима головки к торцу вала фильтра ( площадь поверхности трения, удельное давление между трущимися поверхностями вала и головки); радиус трения.

Площадь поверхности трения:

, (52)

здесь и соответственно наружный и внутренний диаметр торца вала фильтра; число ячеек; площадь отверстия ячейки.

Радиус трения:

, (53)

5. Момент сопротивления трению в подшипниках вала:

, (54)

где масса вала с барабаном (или дисками) и осадком; коэффициент трения цапф вала в подшипниках; диаметр цапфы.

Полная мощность электродвигателя для барабанного фильтра:

, (55)