Фильтрование (суспензий)

Фильтрование (суспензий)

Фильтрование – это смешанная задача гидродинамики.

Фильтрование – процесс разделения неоднородных систем (суспензий или аэрозолей) при помощи пористых перегородок, пропускающих жидкость или газ и задерживающих дисперсную твердую фазу. В результате образуется осадок или фильтрат.

Фильтрованием отделяют твердые частицы (или агрегаты частиц), средний размер которых одного порядка с размера пор фильтрующей перегородки.

Фильтрование обеспечивает значительно более полное отделение взвешенных частиц по сравнению с осаждением.

Процессы фильтрования суспензий и запыленных газов обычно рассматривают раздельно.

Классификация процессов фильтрования

Фильтрование и фильтры можно классифицировать по нескольким признакам:

Рекомендуемые материалы

1. По движущей силе:

Фильтрат проходит через фильтрующую перегородку под действием:

а) Гидростатического напора (силы тяжести);

б) При создании повышенного давления над перегородкой или вакуума под перегородкой;

в) Центробежной силы (фильтрующие центрифуги).

2. По механизму процесса фильтрования:

а) С образованием осадка на поверхности фильтрующей перегородки;

б) С закупориванием пор фильтрующей перегородки.

3. По принципу действия:

а) Непрерывное фильтрование;

б) Периодическое фильтрование, которое может осуществляться:

· При постоянном давлении;

· При постоянной скорости фильтрования;

· При переменных давлении и скорости.

4. По природе осадка – с образованием:

а) Сжимаемого осадка;

б) Несжимаемого осадка.

5. По направлению потока:

а) Сверху вниз;

б) Снизу вверх;

в) В сторону.

Рассмотрим более подробно механизм процесса фильтрования.

Движущей силой процесса является разность давлений (или ц/б сила), которая создается либо нагнетанием жидкости в объем аппарата над фильтром, либо путем создания вакуума под фильтром (вакуум-фильтры).

Под действием разности давлений суспензия разделяется на фильтрат и осадок – фильтрование с образованием осадка. Образующийся на фильтре осадок играет роль основной фильтрующей среды.

Может быть фильтрование с закупориванием пор – мелкие частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживается там, не образуя осадка. В этом процессе быстро растет сопротивление и уменьшается скорость фильтрования.

Возможен и промежуточный вид – с образованием осадка и частичной закупоркой пор.

Наличие указанных видов фильтрования связано с протеканием различных процессов:

1) Если размер пор меньше частиц, то она задержится на поверхности фильтрующей перегородки;

2) Если размер пор больше, то частица пройдет, но не всегда. Частица может задержаться в результате адсорбции на стенках или из-за неправильной формы поры. Тем самым уменьшается эффективное сечение поры вплоть до ее полного закупоривания.

3) Возможно образование под входом в пору сводика из нескольких твердых частиц, пропускающих жидкость, но способствующих возникновению осадка.

Разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки создают различными способами. Наиболее часто процесс происходит при постоянной разности давлений (вакуум-насос или сжатый воздух в объеме над осадком).

Процесс удобен в практическом осуществлении, однако скорость фильтрования с увеличением слоя осадка уменьшается.

Осуществляется также процесс фильтрования при постоянной скорости (суспензию подают поршневым насосом с постоянной скоростью), и с возрастанием слоя осадка возрастает разность давлений.

(Ц/б насос  переменный перепад и переменная скорость фильтрования).

Наиболее желательно фильтрование с образованием осадка, которое происходит при концентрации твердой фазы в суспензии более 1% объемных, при этом происходит образование сводиков. Поэтому для предотвращения закупоривания пор суспензии, содержащие 0,1 – 1% объемных твердой фазы, подвергают предварительному сгущению в отстойниках. Этот процесс можно производить и в фильтрах-сгустителях, когда твердая фаза уделяется не в виде осадка, а в виде сгущенной суспензии.

Наименее желательно фильтрование с закупориванием пор, происходящее при концентрации твердых частиц в суспензии менее 0,1% объемных (трудность регенерации). Этот процесс также называется осветлением жидкостей.

Осветление осуществляют практически при добавке вспомогательных веществ, препятствующих проникновению твердых частиц в поры фильтровальной ткани (активированный уголь, диатомит, древесная мука, целлюлоза, асбест).

Два способа:

1. Слой этих веществ наносят на фильтр намывным образом в виде слоя небольшой толщины, который задерживает очень мелкие частицы. Сам слой постоянно срезается ножом, так что суспензия соприкасается со свежей поверхностью слоя вспомогательного вещества.

2. Эти вещества добавляют в суспензию (1% вес), что приводит к увеличению концентрации и образованию сводиков. Кроме того, активированный уголь обладает и адсорбционным действием.

Процесс фильтрования сопровождается осаждением частиц суспензии под действием силы тяжести, что может усложнять процесс фильтрования. В этом случае для поддержания однородности суспензии необходимо перемешивание.

Получаемые при фильтровании осадки делятся на сжимаемые и несжимаемые.

У несжимаемых осадков порозность их (отношение объема пор к объему осадка ), а, следовательно, и сопротивление потоку жидкости в процессе фильтрования остаются постоянными.

Практически совершенно несжимаемых осадков нет, но к этой группе относят осадки минеральных веществ (песок, мел, сода), с размером частиц > 100 мкм, сопротивление которых незначительно зависит от перепада давлений [кристаллические].

Сжимаемые осадки характеризуются уменьшением порозности в результате образования более плотного осадка и увеличением сопротивления при увеличении перепада давлений (гидраты окислов металлов, пасты и др.) [аморфные].

Уравнения фильтрования

(при  и )

Общая зависимость: скорость процесса пропорциональна движущей силе:

Скорость фильтрования: ;

Объем фильтрата, проходящего через единицу поверхности фильтра за единицу времени, прямо пропорционален разности давлений и обратно пропорционален общему сопротивлению осадка и фильтрующей перегородки (уравнение Дарси).

;

Где:  - вязкость жидкой фазы суспензии.

Сопротивление фильтровальной перегородки  обычно принимается постоянной (не считая закупоривание пор).

Сопротивление осадка  изменяется от нуля до максимального значения. Сопротивление осадка пропорционально его толщине:

;

Где:  - удельное сопротивление осадка . Характеризует сопротивление, оказываемое потоку жидкой фазы, движущейся со скоростью 1 м/с, единицей объема осадка, распределенного равномерным слоем толщиной 1 м. Зависит от свойств осадка (дисперсности, удельной поверхности, порозности и др.)

Найдем величину  (через легко определяемые параметры):

Объем осадка, отложившегося на фильтре:

 (площадь на толщину);

С другой стороны:

;

Где:  - объем фильтрата;

 - отношение объема осадка к объему фильтрата: .

Тогда:

;

;

;

Уравнение фильтрования запишется как:

;

При  для несжимаемого осадка  это уравнение можно проинтегрировать:

;

;

;

(I) ;

;

1. Константы фильтрования  и  определяют опытным путем.

Продифференцируем уравнение (I):

;

;

;

Замеряя  и  строим график:

Влияние концентрации твердой фазы.

2. По опытным данным, зная , определяют  и , решая систему уравнений:

;

Из значений констант определяют  и , после чего можно рассчитать время фильтрования.

Фильтрующие перегородки

Это важная часть фильтра, Требования к фильтрующим перегородкам:

1) Определенная пористость (сопротивление и задерживающая способность);

2) Химическая стойкость к действию фильтруемой среды;

3) Достаточная механическая прочность;

4) Теплостойкость при температуре фильтрования.

Классификация проводится по материалам (х/б, шерстяные, синтетические, стеклянные, керамические, металлические) и по структуре (гибкие – металлические и неметаллические; негибкие: жесткие – из связанных твердых частиц; нежесткие – из несвязанных твердых частиц).

Наиболее распространены:

1. Гибкие металлические перегородки, пригодные для работы с химически агрессивными жидкостями при повышенных температурах в условиях значительных механических напряжений. Изготавливают в виде перфорированных листов, сеток, тканей из углеродистых и нержавеющих сталей, цветных металлов и их сплавов. Перфорированные листы используют для разделения суспензий с крупными частицами и в качестве опорных перегородок для фильтровальных тканей.

2. Гибкие неметаллические перегородки:

а) Х/б ткани (бельтинг, бязь, диагональ) – нейтральные, слабощелочные (не выше ) и слабокислые (не выше ). В кислых средах разрушается (концентрация кислоты не более 5%).

б) Шерстяные ткани (сукно, байка, войлок) – кислые среды до , но разрушаются в щелочных средах.

в) Синтетические ткани (ПВХ, клорин, полиамидные, лавсановые) – хорошая механическая прочность и химическая устойчивость, устойчивость от набухания, повышенная теплостойкость.

г) Минеральные волокна (асбестовые, стекловолокно) – химически агрессивные жидкости при небольших .

3. Негибкие металлические (жесткие) перегородки:

Получаются спеканием металлических порошков:

· Из углеродистой стали – в нейтральных и щелочных средах;

· Из нержавеющей стали – в кислых средах.

Другие виды негибких жестких перегородок также получают путем спекания (керамика, уголь со связующими и др.)

Эти перегородки, выпускаемые в виде дисков, плиток и патронов, отличаются хорошей прочностью и химической устойчивостью.

Однако они плохо очищаются от осадка, попавшего в поры.

4. Негибкие нежесткие перегородки.

Это куски – песок, гравий, кокс, уголь. Достоинства: дешевизна и возможность тщательной промывки.

Конструкции фильтров

Фильтры подразделяются на периодические и непрерывные.

Периодические работают как с образованием осадка, так и с закупориванием пор и осуществляют любой режим фильтрования.

Применяются:

а) В производствах малой мощности;

б) При большом ассортименте;

в) При длинных циклах фильтрования, так как повторение вспомогательных операций снижает производительность  ;

г) Для отделения труднофильтруемых и требующих тщательной промывки осадков.

Непрерывные работают только с образованием осадка, осуществляют режим при постоянной разности давлений.

Применяются:

а) В крупнотоннажных производствах с непрерывным технологическим процессом;

б) При коротком технологическом цикле фильтрования;

в) При постоянном составе суспензий.

Фильтры подразделяются на фильтры, работающие под вакуумом и фильтры, работающие под давлением.

Промывка производится путём вытеснения водой жидкости из осадка. Объём промывной жидкости примерно равен 1,5-2,5 объёма фильтрата.

Нутч-фильтр

Направление движения фильтрата и силы тяжести одинаковы.

Открытый – работает под вакуумом.

Закрытый – работает при давлениях до 3атм.

Порядок работы открытого: при включении вакуума начинается фильтрование. Осадок удаляется вручную.

Достоинства:

1) Возможность тщательной промывки осадка;

2) Лёгкость защиты от коррозии;

3) Простота конструкции.

Недостатки:

1) Малая скорость фильтрования;

2) Ручная выгрузка. Хотя бывают и опрокидывающиеся с откидными днищами, но это всё равно неудобно.

Порядок работы закрытого: Наполнение, фильтрование под давлением сжатого газа, удаление осадка, регенерация ткани. Выгрузка осадка происходит через откидное днище или через боковой люк.

Нутч, работающий под давлением до 3 атм

1 – корпус; 2 – рубашка; 3 – съёмная крышка; 4 – перемещающееся дно; 5 – фильтровальная перегородка; 6 – опорная перегородка; 7 – защитная стенка; 8 – кольцевая перегородка; 9 – штуцер для подачи суспензии; 10 – штуцер для подачи сжатого воздуха; 11 – штуцер для удаления фильтрата; 12 – предохранительный клапан.

Достоинства:

1) Бо^/льшая скорость фильтрования;

2) Пригодность для разведения суспензий, выделяющих вредные пары;

3) Простота конструкции.

Недостатки:

1) Малая производительность, так как трудно изготовить фильтр с большой поверхностью.

Фильтрпрессы

Рассмотрим периодический (рамный) фильтрпресс с вертикальными рамами. Поверхность фильтрования достигает 140 м², давление до 10 атм.

Направление силы тяжести и движения фильтрата перпендикулярны.

Плиты и рамы фильтрпресса

а – плита; б – рама; 1 – гладкая поверхность плиты; 2 – желобок; 3 – фильтровальная перегородка; 4 – канал для удаления фильтрата и промывной жидкости; 5 – отверстия для прохода суспензии; 6 – отверстия для прохода промывной жидкости.

Фильтр-пресс состоит из чередующихся плит (а) и рам (б) одинаковых размеров. Плиты и рамы опираются боковыми ручками на два параллельных бруса.

Между плитами и рамами имеются фильтровальные перегородки, которые зажимаются между боковыми гладкими поверхностями, служа одновременно уплотнением. Плиты и рамы последовательно набираются и прижимаются к неподвижной плите подвижной плитой при помощи гидросистемы (или винта со штурвалом или электромеханического привода).

Боковые поверхности плиты по краям плоские и гладкие, а во внутренней части рифлёные с желобками. Желобки сообщаются с каналом в нижней её части, который заканчивается краном для отвода фильтрата.

У верхней кромки плиты и рамы расположены три отверстия, которые образуют каналы: центральный – для прохода суспензии и 2х боковых – для промывной жидкости. В фильтровальной перегородке прорезаны соответствующие отверстия.

Схема работы плиточно-рамного фильтрпресса

а – стадия фильтрования; б – стадия промывки; 1 – средний канал для прохода суспензии; 2, 9 – каналы; 3 – пространство между двумя плитами; 4 – плиты; 5 – рама; 6 – канал для отвода фильтрата и промывной жидкости; 7 – кран; 8 – боковой канал для прохода промывной жидкости.

Суспензия подаётся под давлением по среднему каналу и по каналу в раме поступает в пространство между двумя фильтровальными перегородками. Происходит фильтрация и фильтрат по каналам 6 через краны 7 удаляется в корыто. Пространство 3 заполняется осадком.

Фильтруемая суспензия поступает только внутрь рам.

Следующая стадия процесса – промывка. Плиты бывают двух типов: фильтровальные и промывные, у которых имеются наклонные каналы для промывной жидкости 9. У промывных плит закрывают сливные краны.

Промывная жидкость проходит через каналы промывной плиты, ткань, слой осадка, ткань и удаляется через каналы фильтровальной плиты.

По окончании промывки осадок продувают паром или воздухом для удаления жидкости, плиты и рамы раздвигаются и осадок удаляется в бункер (сам или вручную).

Конструкции плит и рам весьма разнообразны.

Принцип действия фильтр-пресса типа «Абко» с воздушной камерой.

Фильтрпресс типа «Абко»

1 – фильтровальная рама; 2 – плита; 3 – фильтрующая перегородка; 4 – резиновая камера; 5 – опорный лист.

В фильтровальных рамах 1 установлены резиновые камеры 4, в которые поступает сжатый воздух. Суспензия подаётся между резиновой камерой и фильтрующим полотном. Фильтрат, пройдя через фильтрующее полотно и перфорированный лист, укреплённый на плите 2, удаляется через сливной патрубок.

В процессе фильтрования стенки резиновой камеры прилегают к внутреннему опорному листу 5, а промежуток между фильтрующим полотном и резиновой камерой заполняется осадком. После окончания фильтрования внутрь резиновой камеры подаётся сжатый воздух и её наружные стенки начинают уплотнять осадок. Жидкость удаляется через патрубок слива суспензии. Давление прессования 15-30 атм. По окончании прессования рамы и плиты раздвигаются и плотный осадок падает на транспортёр.

Достоинства:

- Низкая влажность осадка;

- Удаление без ручного труда;

- Возможность промывки и вторичного прессования до требуемой остаточной влажности.

Такие фильтрпрессы особенно распространены при разделении суспензий с небольшим содержанием твёрдых частиц, когда стадия фильтрования продолжительна.

Достоинства фильтрпрессов:

1) Большая движущая сила фильтрования;

2) Большая поверхность фильтрования на единицу поверхности производственного помещения.

3) Возможность контроля работы и отключения отдельных плит (с мутным фильтратом);

4) Простота и надёжность эксплуатации (отсутствие движущихся частей).

Недостатки:

1) Ручное обслуживание;

2) Несовершенная промывка осадка;

3) Быстрый износ фильтровальной ткани.

В настоящее время разработаны конструкции автоматических фильтр-прессов с горизонтальными камерами (ФПАКМ); F=25м².

Совершенствование конструкций фильтр-прессов идёт по следующим направлениям:

1) Увеличение поверхности фильтрования за счёт применения рам и плит большего размера и увеличения количества фильтрующих элементов в одном аппарате (сохраняется стоимость единицы фильтровальной поверхности и экономятся производственные площади).

2) Механизация перемещения рам и плит и выгрузки осадка, что увеличивает производительность труда и облегчает работу.

3) Применение отжатия осадка на самом фильтр-прессе.

4) Обогрев и охлаждение рам и плит, что позволяет расширить круг обрабатываемых веществ.

5) Увеличение применения полимеров в качестве конструкционных материалов, что уменьшает вес фильтр-прессов и их стоимость, предотвращает износ фильтровальных тканей.

Барабанные вакуум-фильтры

Один из наиболее распространённых видов фильтров. Они применяются в химической, нефтехимической, металлургической, горной, пищевой  и других отраслях промышленности.

Барабанные вакуум-фильтры относятся к фильтрам, у которых действие силы тяжести и движущей силы фильтрования направлены в противоположные стороны  (кроме фильтров с внутренней фильтрующей поверхностью).

В настоящее время созданы многочисленные модификации барабанных вакуум-фильтров с поверхностью фильтрования от десятых долей до 100 и более м².

В качестве фильтрующей перегородки в последнее время применяются, в основном, ткани и сетки из синтетических материалов. Используются и вакуум-фильтры с намывным слоем вспомогательного фильтрующего вещества.

По конструкции барабана вакуум-фильтры подразделяют на ячейковые и безъячейковые.

Конструкции фильтров с наружной поверхностью фильтрования можно подразделить на три группы:

1) Фильтры общего назначения с углом погружения барабана на 133-145^О;

2) Фильтры малого погружения для легко фильтруемых суспензий (угол 80-100 ^О) – в случае значительного содержания твёрдых частиц, хорошо проницаемых осадков;

3) Фильтры глубокого погружения для трудно фильтруемых суспензий (угол =200 ^О).

Для легколетучих, огне- взрывоопасных и токсичных веществ используют герметизированные фильтры. Барабан помещается в закрытом корпусе, в нижнюю часть которого подаётся суспензия. В ряде конструкций в корпус подаётся под избыточным давлением инертный газ.

Используют и шатровую крышку с патрубком для отведения паров и газов.

Для изготовления фильтров применяются углеродистая и коррозионностойкая стали, чугун, пластмассы, резина и др.

Осадок с фильтрующей части барабана снимается ножом, шнуром, валиком, сеткой, а так же отведением ткани от поверхности барабана и последующим удалением осадка ножом или валиком.

Барабанный вакуум-фильтр с наружной поверхностью фильтрования. Непрерывный с последовательным проведением стадий процесса.

Основной частью фильтра является перфорированный барабан, покрытый фильтровальной тканью, который частично погружён в корыто и приводится во вращение от электродвигателя (0,1-2,5 об/мин).

Корыто заполнено суспензией, которая размешивается качающейся мешалкой.

Поверхность барабана разделена радиальными перегородками на ряд ячеек, изолированных одна от другой.

Схема действия барабанного вакуум-фильтра с наружной поверхностью фильтрования

1 – барабан; 2 – соединительная трубка; 3 – распределительное устройство; 4 – резервуар для суспензии; 5 – качающаяся мешалка; 6, 8 – полости распределительного устройства, сообщающиеся с источником вакуума; 7 – разбрызгивающее устройство; 9 – бесконечная лента; 10 – направляющий ролик; 11, 13 – полости распределительного устройства, сообщающиеся с источником сжатого воздуха; 12 – нож для съёма осадка.

Камеры при движении по окружности присоединяются последовательно к линиям вакуума и сжатого воздуха через трубы 6 и распределительное устройство

Каждая камера проходит последовательно зоны: фильтрования, обезвоживания I, промывки, обезвоживания II, отдувки и регенерации ткани.

Фильтрование – удаление суспензии, образование осадка.

Обезвоживание I – воздух вытесняет жидкость, которая присоединяется к фильтрату.

Промывка – подача и фильтрование промывной жидкости.

Обезвоживание II – вытеснение промывной жидкости, подсушка.

Отдувка – подсушка и разрыхление осадка.

Регенерация – продувка ткани сжатым воздухом.

Между рабочими зонами имеются небольшие мёртвые зоны.

Распределительная головка

Служит для последовательного соединения ячеек барабана с вакуумом и сжатым воздухом и для создания зон фильтрования.

Неподвижный корпус головки прижимается пружиной к ячейковой шайбе, которая вращается вместе с барабаном и имеет отверстия по числу камер барабана. В корпусе головки находятся четыре неодинаковых по величине камеры.

Распределительное устройство барабанного вакуум-фильтра

1 – вакуум для зоны промывки и обезвоживания II; 2 – корпус неподвижной шайбы; 3 – сжатый воздух для зоны отдувки; 4 – сжатый воздух для зоны регенерации; 5 – вакуум для зоны фильтрования и обезвоживания I.

Камеры соединены с соответствующими трубопроводами.

                              а)                                        б)                                             в)

г)

Способы удаления осадка:

а) Ножом, при толщине осадка мм;

б) Бесконечными шнурами, огибающими барабан, с которых осадок сбрасывается при перегибе через валик (мм);

Обратите внимание на лекцию "Функции управления качеством".

в) Тонкие и мажущиеся осадки - прижатым к барабану резиновым валиком, на который переходит осадок и затем снимается валиком меньшего диаметра;

г) Бесконечно сходящим полотном (очень тонкие мм) и последующей промывкой полотна. Сложность заключается в равномерности натяжения.

Модификации:

Конструкция барабанного фильтра фирмы «Краус-Маффей-Империал»(ФРГ) позволяет совмещать в одном аппарате две операции: фильтрование и интенсивную сушку осадка горячим воздухом.

Барабан заключён в закрытый кожух, в который подаётся горячий воздух, просасываемый через осадок. Суспензия поступает на барабан сверху. В нижней части барабана почти весь осадок срезается ножом.

Не снятый слой осадка препятствует горячему воздуху свободно проходить внутрь барабана и при этом идёт интенсивная сушка внутреннего слоя осадка.