Способы разделения неоднородных смесей


МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕ СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
ТАШКЕНСТКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА "ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ"
РЕФЕРАТ
НА ТЕМУ: "РАЗДЕЛЕНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ СМЕСЕЙ. ФИЛЬТРОВАНИЕ"
ВЫПОЛНИЛ:
СТУДЕНТ 3 КУРСА
ГРУППЫ 10-14 ТНВ ТСМЭРГАШЕВ А.А
ПРИНЯЛ:
ДОЦЕНТРИЗАЕВ Ш.Н.
ТАШКЕНТ-2016
Способы разделения неоднородных смесей
Понятием (термином) «неоднородные смеси» объединяются составы из компонентов, находящихся в различном агрегатном состоянии – твердом, жидком, газообразном. Один из компонентов обязательно представлен в виде мелких и/или мельчайших частиц. Взвешенные частицы образуют дисперсную фазу, а оставшаяся часть – общую (сплошную) фазу неоднородной смеси. Исходя из состава, они классифицируются следующим образом:
Суспензии – твердая взвесь в жидкости;
Эмульсии – две и более взаимно нерастворимых и не вступающих в реакцию жидкости;
Газовые взвеси – твердые частицы в газообразной среде.
Для разделения неоднородных смесей в зависимости от их вида применяются механические, термические и электрохимические способы, использующие физические характеристики компонентов смеси.
Механические способы разделения неоднородных смесей
Сточные воды являются наиболее распространенным аналогом суспензии. На примере процесса очистки сточных вод можно достаточно получить полное представление о существующих механических способах разделения неоднородных смесей:
Отстаивание;
Фильтрование;
Флотация;
Обезвоживание.
Как и в случае любых других жидких неоднородных смесей, на первичной стадии очистки используется механический способ разделения – песколовки, решетки и другие устройства, улавливающие самые крупные и тяжелые фрагменты смесей.
Следующая стадия - отстаивание, которое нередко объединяется с фильтрованием и/или флотацией и заключается в использовании различий плотности твердых и жидких компонентов неоднородной смеси. Более тяжелые относительно воды частицы опускаются на дно отстойника, а более легкие (всплывающие или флотирующие) собираются на поверхности отстойника, откуда удаляются. Осветленная жидкость сливается, а оставшаяся часть является собственно суспензией. С течением времени, когда взвесь становится мельче, процесс отстаивания резко замедляется, и для его ускорения могут использоваться коагулянты, адсорбенты, абсорбенты и другие химические реактивы.
Пассивное фильтрование суспензий является наиболее простым способом, но требует больших площадей, поэтому чаще используют активные ленточные, дисковые или барабанные вакуум-фильтры. Другим способом активного механического разделения жидких суспензий являются центрифуги и гидроциклоны. Эти аппараты позволяют достигать максимального обезвоживания таких смесей. Термические способы используются, когда вязкость суспензии не позволяет применять другие способы разделения.
Основным способом разделения эмульсий является использование центрифуг с высокой скоростью вращения, включая сверхцентрифуги для разделения особо устойчивых эмульсий. Газовые взвеси разделяются в скоростных циклонах, электрическими и комбинированными устройствами, которые собирают (осаждают) твердые частицы на стенках и/или электродах. Если неоднородные смеси содержат радиоактивные компоненты, сульфаты и другие опасные вещества, используются специальные технологии их разделения и утилизации.
Характеристики жидких неоднородных смесей и выбор способа разделения
К числу основных характеристик жидких неоднородных смесей относятся:
Концентрация (плотность) дисперсной и общей фазы – выражается в массовых и объемных долях или в %;
Вязкость (зависит от концентрации дисперсной фазы, формы и размера ее частиц);
Насыщенность, выражающая содержание влаги в порах (капиллярах) осадка.
Например, высокая вязкость или концентрация суспензий (30-40%) не позволяет использовать для их разделения гидроциклоны и центрифуги. Сильная дисперсия (слишком мелкие частицы) требует дополнительного оснащения к обычному оборудованию или использования специальных химических реактивов. Собранные в результате разделения неоднородных смесей компоненты утилизируются или становятся вторичным сырьем.
Методы, повышающие эффективность и скорость процессов разделения неоднородных систем
В случае если дисперсные частицы выделяются медленно из среды или необходимо предварительно осветлить неоднородную систему, используются такие методы как флокуляция, флотация, классификация, коагуляция и т.д.
Коагуляция – процесс слипания частиц в коллоидных системах (эмульсиях или суспензиях) с образованием агрегатов. Слипание происходит вследствие столкновения частиц при броуновском движении. Коагуляция относится к самопроизвольному процессу, который стремиться перейти в состояние, имеющее более низкую свободную энергию. Порог коагуляции – это минимальная концентрация введенного вещества, которое вызывает коагуляцию. Искусственно коагуляция может быть ускорена при добавлении в коллоидную систему специальных веществ – коагуляторов, а также приложением к системе электрического поля (электрокоагуляция), механическим воздействием (вибрация, перемешивание) и т.д.
При коагуляции достаточно часто добавляют в разделяемую неоднородную смесь химические вещества-коагулянты, которые разрушают сольватированные оболочки, уменьшая при этом диффузионную часть двойного электрического слоя, расположенного у поверхности частиц. Благодаря этому облегчается агломерация частиц и образование агрегатов. Таким образом, за счет образования более крупных фракций дисперсной фазы, происходит ускорение осаждения частиц. В качестве коагулянтов применяют соли железа, алюминия или соли других поливалентных металлов.
Пептизация – это процесс обратный коагуляции, представляющий собой распад агрегатов на первичные частицы. Пептизация осуществляется при помощи добавления веществ-пептизаторов в дисперсионную среду. Данный процесс способствует дезагрегированию веществ на первичные частицы. Веществами-пептизаторами могут быть поверхностно-активные вещеста (ПАВ) или электролиты, например, гуминовые кислоты или хлорное железо. Процесс пептизации используется для получения жидких дисперсных систем из паст или порошков.
В свою очередь флокуляция является разновидностью коагуляции. При данном процессе мелкие частицы, которые находятся во взвешенном состоянии в газовых или жидких средах, образуют хлопьевидные агрегаты, которые называются флокулами. В качестве флокулянтов применяются растворимые полимеры, например, полиэлектролиты. Вещества, образующие хлопья при флокуляции, могут быть легко удалены при помощи фильтрования или отстаивания. Флокуляция используется для подготовки воды и выделения ценных веществ из сточных вод, а также при обогащении полезных ископаемых. В случае водоочистки флокулянты используются в небольшой концентрации (от 0,1 до 5 мг/л).
Для того чтобы разрушить агрегаты в жидких системах, используются добавки, наводящие заряды на частицы, которые препятствуют их сближениям. Данного эффекта можно достигнуть и при изменении рН среды. Данный метод называется дефлокуляцией.
Флотация – процесс отделения твердых гидрофобных частиц от жидкой сплошой фазы путем их избирательного закрепления на границе раздела раздела жидкой и газообразной фаз (поверхность соприкосновения жидкости и газа или поверхность пузырьков в жидкой фазе) Образующаяся система из твердых частиц и газовых включений удаляется с поверхности жидкой фазы. Данный процесс применяется не только для того, чтобы удалять частицы дисперсной фазы, но также и для раздения разных частиц вследствие различия их смачиваемости. При данном процессе гидрофобные частицы закрепляются на границе раздела фаз и отделяются от гидрофильных частиц, оседающих на дно. Наилучшие результаты флотации возникают в том случае, когда размер частиц составляет от 0,1 до 0,04 мм.
Флотация бывает нескольких видов: пенная, масляная, пленочная и т.д. Наиболее распространенной является пенная флотация. Данный процесс позволяет выносить частицы, обработанные реагентами, на поверхность воды при помощи пузырьков воздуха. Это позволяет образовывать пенный слой, устойчивость которого регулируется при помощи пенообразователя.
Классификация используется в аппаратах переменного сечения. С ее помощью возможно отделение определенного количества мелких частиц от основного продукта, состоящего из крупных частиц. Классификация выполняется при помощи центрифуг и гидроциклонов благодаря воздействию центробежной силы.
Разделение суспензий при помощи магнитной обработки системы является очень перспективным методом. Вода, которая обработана в магнитном поле, длительное время сохраняет измененные свойства, например, пониженную смачивающую способность. Данный процесс позволяет интенсифицировать разделение суспензий.

Фильтрование. Процесс фильтрования. Движущая сила процесса фильтрования. Уравнение процесса фильтрования
Общая информация по фильтрации
Фильтрование – это процесс разделения неоднородных дисперсных систем путем пропускания их через пористую перегородку, задерживающую одну фазу и пропускающую другую. Обычно к таким системам относят суспензии (жидкость – твердое тело) и аэрозоли (газ – жидкость, газ – твердое тело). При этом в системе выделяют сплошную фазу (жидкость для суспензии и газ для аэрозоля) и дисперсную фазу. Как следует из названий, дисперсная фаза раздроблена на отдельные части и находится внутри непрерывной сплошной фазы. После проведения процесса фильтрования суспензия разделяется на чистую жидкость и влажный осадок, а аэрозоль – на чистый газ и сухой осадок (или жидкость). Причем целевым компонентом фильтрации может быть как сплошная фаза (к примеру, очистка воздуха от пыли), так и дисперсная (выделение нерастворимого продукта реакции из раствора), а также оба компонента.
Это достаточно простой по принципу действия процесс, поэтому фильтрование было освоено человеком еще много веков назад до нашей эры. Так уже в древнем Египте массово применяли фильтрацию воды через слой песка или сложенную в несколько слоев ткань, чтобы очистить ее от песчинок и ила, а также улучшить органолептические (цвет, запах и вкус) показатели. С развитием цивилизаций росла и сфера применения фильтрации, постепенно расширяясь и включая в себя варианты, начиная от фильтрации вин, нефти и нефтепродуктов, и заканчивая очисткой плазмы крови и выделению продуктов химических реакций. Однако не все применения этого процесса связаны с мирным развитием человечества, если вспоминать черные страницы истории, то именно фильтрование газа стало основой такого изобретения как противогаз, разработанного в годы Первой мировой войны, когда впервые стали массово применяться боевые отравляющие газы.
В настоящее время фильтры различных конструкций и назначения встречаются повсеместно, как на крупных предприятиях, так и в быту, поскольку стремительное индустриальное развитие человечества повлекло за собой обширное загрязнение гидросферы и атмосферы планеты. Фильтрации подвергаются как жидкие и газообразные вредные выбросы механизмов и предприятий, так и потоки, забираемые из внешней среды. Кроме того, практически в каждом технологическом процессе можно найти фильтр, выполняющий задачи конечной очистки, отделения или подготовки веществ.
Принцип действия
Рассмотрим принцип процесса фильтрации на примере работы простейшего фильтра для разделения суспензий. Он представляет собой сосуд, разделенный на две части фильтрующей перегородкой. Если фильтрующий материал сыпуч, то для его удержания в форме слоя может использоваться поддерживающая конструкция, к примеру, опорная решетка. Суспензия подается в одну часть сосуда, проходит через фильтрующую перегородку, на которой происходит полное или частичное отделение дисперсной фазы, после чего выводится из сосуда. Для продавливания жидкости через перегородку по разные стороны от нее создается разность давлений, при этом суспензия продавливается из части сосуда с большим давлением в часть сосуда с меньшим давлением. Разность давлений является движущей силой процесса фильтрования.

Если обозначить объем получаемого фильтрата, получаемого за время dτ, как dVф, то дифференциальное уравнение скорости фильтрования может быть представлено как:
Cф = dVф/(Fф∙dτ)
где:Cф – скорость фильтрования;Fф – площадь фильтрования.
Площадь фильтрования является основной расчетной геометрической характеристикой (ОРГХ) фильтров.
Фильтровальная перегородка представляет собой пористую структуру, размер пор которой напрямую влияет на ее фильтровальную способность. Жидкость проникает по порам как по каналам сквозь перегородку, а дисперсная фаза задерживается на ней. Процесс удержания твердой частицы может осуществляться несколькими путями. Самый простой вариант, когда размер пор меньше размеров частицы, и последняя просто оседает на поверхности перегородки, образуя слой осадка. Если размер частицы соизмерим с размером пор, то она проникает внутрь каналов и удерживается уже внутри на узких участках. И даже если размер частицы меньше самого узкого сечения поры, она все равно может быть удержана вследствие адсорбции или оседания на стенку поры в месте, где сильно искривлена геометрия канала. Если же твердая частица не была задержана ни одним из перечисленных способов, то она уходит из фильтра вместе с потоком фильтрата.

Те частицы, что удерживаются внутри пор, фактически увеличивают фильтровальную способность всей перегородки, поэтому при фильтровании можно наблюдать такую картину, когда в начальный период времени получаемый фильтрат оказывается мутным из-за наличия “проскочивших” частичек дисперсной фазы, и лишь спустя время фильтрат осветляется, когда задерживающая способность перегородки достигает необходимой величины. В свете этого выделяют два типа процесса фильтрования:
с образованием осадка;
с закупориванием пор.
В первом случае накопление твердых частиц происходит на поверхности перегородки, а во втором – внутри пор. Однако необходимо заметить, что реальный процесс фильтрования обычно сопровождается двумя этими явлениями, выраженными в различной степени. Фильтрование с образованием осадка более распространено.
Скорость фильтрования является величиной пропорциональной движущей силе и обратно пропорциональной сопротивлению фильтрованию. Сопротивление создают как сама перегородка, так и образующийся осадок. Скорость фильтрования можно выразить следующей формулой:
Cф = ΔP / [μ∙(Rфп+rо∙l)]
где:Cф – скорость фильтрования, м/с;ΔP – перепад давления на фильтре (движущая сила), Па;Rфп – сопротивление фильтровальной перегородки, м-1;rо – удельное сопротивление осадка, м-2;l – высота слоя осадка, м.
Важно отметить, что в общем случае Rфп и rо не являются постоянными. Сопротивление фильтровальной перегородки может возрастать вследствие частичного забивания пор или набухания волокон самой перегородки в случае применения волокнистых материалов. Величина rо является удельной, то есть показывает сопротивление, которое будет приходиться на единицу высоты осадка. Возможность удельного сопротивления изменять свое значение зависит от физических и механических свойств осадка. Если в рамках процесса фильтрации частицы, образующие осадок, можно принять недеформируемыми, то такой осадок называют несжимаемым, и его удельное сопротивление не возрастает с повышением давления. Если же твердые частицы при повышении давления подвергаются деформации и уплотняются, вследствие чего размеры пор в осадке уменьшаются, то такой осадок называют сжимаемым.

Предпочтительной является фильтрация с образованием осадка. В этом случае забивания пор перегородки почти не происходит из-за образования сводов из твердых частиц над входами в каналы пор, служащих в качестве дополнительного задерживающего фактора для дисперсных твердых частиц. Увеличения сопротивления перегородки Rпр, почти не происходит, и контролировать сопротивление слоя осадка достаточно легко путем своевременного удаления его части. Кроме того, очистка пор фильтрующей перегородки обычно сопряжена с большими трудностями, а в отдельных случаях может оказаться вообще бесполезной, что означает утрату фильтровальной способности у перегородки, поэтому по возможности такого вида загрязнения следует избегать. Для предотвращения закупоривания пор фильтруемая суспензия может быть подвергнута предварительному сгущению, к примеру, путем отстаивания. Массовое образование сводов начинается при достижении объемной концентрации твердой фазы в суспензии около 1%.
Режимы фильтрования
Процесс можно проводить различными способами в зависимости от способа создания разности давлений. В связи с этим выделяют фильтрацию:
при постоянной разности давлений (ΔP=const);
при постоянной скорости фильтрации (Сф=const);
при переменных разности давлений и скорости фильтрации (ΔP, Сф =var).
Условия фильтрования при постоянном давлении создаются путем подсоединения пространства над перегородкой к линии сжатого газа, либо же подключением пространства под перегородкой к линии вакуума. Такие линии обычно подключаются к ресиверу компрессора, в котором давление поддерживается на постоянном уровне. Другой вариант выполнения таких условий – проведение фильтрования под гидростатическим давлением слоя суспензии постоянной высоты. При этом скорость фильтрации будет падать в течение процесса, так как будет возрастать сопротивление накапливающегося осадка.
Если суспензия подается в фильтр с помощью поршневого насоса, который обеспечивает постоянный расход, то такой процесс называют фильтрованием с постоянной скоростью. При этом также происходит накопление слоя осадка, а значит и его сопротивление. Поскольку скорость фильтрации не изменяется, это приводит к увеличению разности давлений на перегородке.
В случае подачи суспензии центробежным насосом увеличение давления вызывает снижение производительности, то есть изменяются обе величины, и такой процесс называют фильтрацией с переменной разностью давлений и производительностью.
Обработка осадка
В действительности процесс фильтрования обычно не заканчивается на этапе разделения суспензии на осадок и фильтрат. Полученный осадок с целью его дальнейшего использования может подвергаться промывке, продувке и просушке.
Промывка заключается в обработке полученного осадка промывной жидкостью для удаления остатков фильтрата в нем. Целью может быть как очистка осадка от остатков фильтрата, так и получение в чистом виде дополнительного объема фильтрата, если тот представляет ценность сам по себе. Процесс может осуществляться двумя способами в зависимости от свойств осадка:
вытеснением;
разбавлением.
Способ вытеснения применим к легко промываемым осадкам, при этом промывная жидкость подается в фильтр вместо исходной суспензии или разбрызгивается над осадком. Проходя по порам осадка, промывная жидкость смешивается с остатками фильтрата и выносит их своими током наружу. Движущей силой этого процесса является разность давлений, за счет чего осуществлялась и сама фильтрация. Если же осадок плохо поддается промывке, то велика вероятность, что промывная жидкость не сможет проникнуть в часть пор, а значит, не сможет вытеснить фильтрат в полном объеме. В таких случаях осуществляют промывку разбавлением, при которой осадок изымается из фильтра, смешивается с промывной жидкостью в отдельном аппарате, а затем получившаяся суспензия вновь подается на фильтрацию.
Продувка и просушка осуществляются с помощью газов. При продувке в фильтр подается под давлением газ (обычно воздух, но могут применяться и другие газы, например, инертные, такие как азот), который вытесняет остатки жидкости из пор осадка, благодаря чему его влажность можно снизить до значения равновесной. Если требуется достичь влажности осадка меньше равновесной, то его продувают предварительно осушенным и нагретым газом, то есть осуществляют просушку.
Физические закономерности процессов фильтрования
Характеристики протекающих процессов определяются физической зависимостью скорости фильтрации от свойств фильтруемой взвеси, перепада давления перед фильтрующей мембраной (или на входе и выходе фильтра) и т.д.:
v = 1/F · dV/dτ = ∆p / (μ·[x0 · r0 · V/F + Rп])
где v – скорость фильтрации (м/с);V – внутренний (рабочий) объём фильтра (м3);F – площадь поверхности фильтрования (м2);τ – время фильтрования (продолжительность протекания процесса), сек;Δр – величина перепада давлений (Па);μ – динамическая вязкость фильтруемой взвеси (Па·с);х0 – объём осадка, отнесённый к объёму фильтрата;r0 – среднее удельное сопротивление слоя осадка (м(-2));Rп – сопротивление фильтрующей перегородки (м(-1)).
Приведённое выше уравнение получено из предпосылок, что фильтрация является газодинамическим процессом, а его скорость находится в прямой зависимости от движущей силы процесса (то есть величине перепада давлений на границе фильтрующей среды) и обратной зависимости от сопротивления фильтруемой среды (при продавливании жидкости сквозь поры фильтрующей мембраны). Уравнение выполняется только для ньютоновых капельных несжимаемых жидкостей и несжимаемых фильтрующих перегородок (т.е. когда величины х0, r0 и Rп постоянны и не зависят от перепада давления Δр).
При расчётах промышленных фильтровальных установок, уравнение скорости фильтрации необходимо проинтегрировать с учётом граничных условий процесса фильтрации.
В свою очередь конструкция вакуум-фильтров позволяет реализовать режим фильтрации с постоянным давлением (Δр=const). Такой же режим возможен для фильтров обычной конструкции при строгом поддержании неизменного перепада давления на «входе» и «выходе» фильтра.
При нагнетании фильтруемой суспензии насосом центробежного типа, фильтр работает в режиме и переменного давления, и скорости. Для определения скорости фильтрации такого режима необходимо сперва определить математическую зависимость перепада давления от продолжительности процесса (времени фильтрации) – Δр = f(τ).
На получение одинакового объёма фильтрата меньшее время тратиться при работе фильтра в режиме с постоянным перепадом давления, а не постоянной скорости. Данный вывод справедлив, если выполняются условия: осадок несжимаем и перепад давления в конце процесса фильтрации одинаков для обоих режимов.
Толщина осадка на фильтровальной перегородке – hос = x0·V/F.
Константы процесса фильтрации r0 и Rп для вышеприведённой базовой зависимости определяются эмпирически на симуляторах, моделирующих условия максимально приближенные к промышленным.
Помимо самого процесса фильтрации, цикл работы фильтра включает время удаления осадка, его просушку, паузу перед следующим циклом и т.п. Время промывки осадка можно определить из следующей формулы при учете, что расход промывочной жидкости, толщина осадка и перепад давления являются константами:
vпр = Vпр / (F · τпр) = ∆pпр / (μпр · (r0 · hос+Rп))
здесь Vпр – требуемый объём жидкости для промывки (м3);μпр – динамическая вязкость жидкости для промывки (Па·с);h0 – высота осадка (м);∆pпр – рабочий перепад давления при промывке (Па);Rп – сопротивление фильтрующей перегородки (м(-1));r0 – среднее удельное сопротивление слоя осадка (м(-2)).
Окончательный вид формулы для времени промывки (τпр) будет определяться конструктивными особенностями фильтра и условиями закачки промывочной жидкости.
Продолжительность сушки осадка (время, необходимое на полное удаление жидкости) в процессе продувки воздухом или другим газом чаще всего определяется эмпирически на моделирующих установках.
Таким образом, общая длительность рабочего цикла фильтра будет равна сумме:
τц = τ + τпр + τс + τв + τпз
где τ – время фильтрования,τпр – время промывки осадка,τс – время сушки осадка,τв – время на выгрузку осадка,τпз – подготовительно-заключительное время.
Вышеописанная зависимость является главным критерием расчёта циклов работы фильтра периодического действия, или движения рабочего органа в фильтре непрерывного действия.
Закономерности фильтрования в гравитационном поле
Несжимаемые осадки образуются при разделении суспензии, содержащих твердые механически прочные частицы с размерами от 100 мкм и более (к таким осадкам относятся минеральные соли и другие).
Несжимаемыми фильтровальными перегородками являются материалы, изготовленные из пористой керамики, стеклянных, металлических и металлокерамических порошков путем спекания из гранул.
Отличительная особенность несжимаемых перегородок – сохранение первоначальных размеров пор во время эксплуатации. Благодаря чему обеспечивается постоянство сопротивления разделяемой жидкости.
Видимая скорость фильтрования, выражающая объем жидкости (фильтрата), проходящий через поры 1 м2 поверхности фильтра, высчитывается по формуле:
С = 1/F · dV/dτ = ∆p / (μ · (8 · l)/(π · r4 · i))
где С – видимая скорость фильтрования,F – площадь фильтра,dV – элементарный объем жидкости, фильтруемый за отрезок времени dτ,Δp – перепад давления на фильтрующей перегородке,μ – вязкость жидкости,l – длина капилляра,r – радиус капилляра,i – число капилляров.
Движущая сила процесса фильтрования. Уравнение процесса фильтрования
Движущей силой процесса фильтрации является разница давлений потоков вещества до фильтра и после него. В случаях, когда давление нагнетается посредством насоса, процесс фильтрования осуществляется под действием перепада давления.
Чтобы жидкость могла пройти через фильтровальную перегородку, необходимо создать разность давлений между пространством сосуда над перегородкой и пространством под ней. Это реализуется несколькими способами:
за счет массы самой жидкости;
суспензия нагнетается жидкостным насосом (разность давлений составляет 0,5 МПа);
подается сжатым воздухом (разность давлений - 0,03-0,5 МПа);
подается центробежным насосом;
во второй части сосуда создается вакуум (разность давлений - 0,05-0,09 МПа).
По мере фильтрования на перегородке накапливается осадочный слой. Из-за чего сопротивление потоку жидкости растет, и объем фильтрата уменьшается. В такой ситуации вырабатывать одинаковое количество фильтрата за единицу времени можно только при постоянном увеличении разницы давлений.
Уравнение фильтрования под действием перепада давления
Для процесса фильтрования с образованием осадка, справедливо следующее уравнение:
w = dV / (S · dτ)
где w - скорость фильтрования; dτ- объем фильтрата по времени; S- фильтрующая поверхность.
Фильтрование под действием центробежной силы осуществляется в фильтрующих центрифугах. Такие аппараты оснащены барабаном с перфорированной стенкой. Барабан изнутри покрывается фильтрованной перегородкой. Под действием разности давлений, которое возникает в результате действия центробежных сил, суспензия проходит сквозь фильтр. Разделение суспензий в таких машинах делится на три стадии:
образование осадка;
уплотнение осадка;
отжим осадка.
Центробежная сила, которая действует на массу элементарного кольца, рассчитывается следующим образом:
dGц = dm (w²r) / r = dm (2 · π · r · n)2 / rгде dm- масса суспензии в кольцевом слое;wr- окружная скорость вращения на радиусе r;n- частота вращения.

Вакуумные фильтры
Общее описание устройства ленточного вакуум-фильтра
Чертеж ленточного вакуумного фильтра

Данный тип фильтров представляет собой аппарат непрерывного действия, работающий под вакуумом. В вакуум-фильтре движение фильтрата и направление действия силы тяжести совпадают.
Перфорированная резиновая лента перемещается с помощью приводного и натяжного барабана по замкнутому контуру. Ткань, являющаяся фильтровальной перегородкой, прижимается к ленте при помощи роликов. Суспензия подается из лотка на фильтрующую ткань. Фильтрат под действием разности давлений перемещается в вакуум - камеры, расположенные под лентой, а после этого выводится из аппарата. Осадок, образующийся на фильтровальной ткани, промывается жидкостью, подающейся из форсунок. Жидкость для промывки отсасывается в другие вакуум-камеры, после чего также отводится из аппарата.
Осадок подсушивается с помощью вакуума. Далее он отделяется от ткани при перегибе ленты через валик, и далее сбрасывается в бункер. Фильтрованная ткань регенерируется на обратном пути между роликами. Регенерация заключается в очистке при помощи механических щеток, промывке жидкостью и пропаривании.
Достоинствами ленточных вакуум-фильтров являются простота устройства, отсутствие распределительной головки, возможность обезвоживания осадка и благоприятные условия промывки. Благодаря тому, что осадок легко снимается и возможна регенерация ткани, ленточные фильтры могут применяться для работы с труднофильтруемыми суспензиями.
Общее описание устройства вакуумного дискового фильтра
Фильтрование осуществляется с использованием пористой перегородки. Во время процесса с одной стороны перегородки накапливается слой твердых частиц (осадок), а с другой - фильтрованная жидкость (фильтрат), проходящая сквозь перегородку. Для фильтрования необходимо, чтобы давление суспензии было выше, чем давление по другую сторону перегородки. Такие условия создаются за счет массы суспензии, путем ее нагнетания с помощью насосов, давлением газа, созданием вакуума с другой стороны перегородки.

Устройство вакуум-фильтра изображено на чертеже выше. В таком устройстве на пустотелом валу находятся диски, состоящие из секторов (как правило, изготовленных из алюминия) и обтянутые фильтрующей тканью. Вал с дисками вращается со скоростью не более 3 об/мин в резервуаре, куда подается суспензия для фильтрации. Когда внутри дисков вакуумным насосом, присоединенным к фильтру также как в случае барабанного вакуум-фильтра, создается разрежение, то жидкость проходит сквозь ткань внутрь дисков.
На фильтрующей поверхности каждого диска остается осадок, который прилипает к ней в виде лепешек. Толщина таких лепешек зависит в первую очередь от свойства осадка.
Смена циклов работы в дисковом вакуум-фильтре происходит точно так же, как и в барабанном фильтре.
Дисковые вакуум-фильтры представляют собой фильтровальное оборудование с вращающимися дисками (или барабанами), главной задачей которого является разделение суспензий с примерно одинаковыми по размеру частицами твердой фазы с умеренной скоростью их осаждения.
Фильтры вакуумные дисковые используют, главным образом, в случае образования при вакуум-фильтровании за короткий промежуток времени (не более 3-х минут) слоя осадка, толщиной не менее 8 миллиметров. При этом самые крупные частицы твердой фазы, которых допускается минимум 20 процентов от ее общего количества, должны иметь скорость осаждения не более 18 миллиметров в секунду.
Суспензия, которую собираются подвергать разделению в дисковом вакуум-фильтре, должна быть абсолютно безопасной, а ее жидкая фаза в вакуумной среде не должна кристаллизоваться. К вакуумному фильтрованию не допускается легколетучая, огне- и взрывоопасная, а также ядосодержащая суспензия. Осадок, образующийся на фильтровальном оборудовании, в дальнейшем не промывается. При просушке допускается лишь незначительное его растрескивание.
Дисковые вакуум-фильтры сегодня используют, в основном, в таких отраслях промышленности, как угольная, рудная и металлургическая.
Конструкция вакуумного дискового фильтра
Дисковый вакуум-фильтр состоит из корыта, распределительной головки и нескольких дисков, установленных на ячейковый вращающийся вал. Каждый из дисков имеет определенное количество (от 12 до 18) отдельных полых секторов, обтянутых фильтровальной тканью, либо же сеткой. Сами сектора могут быть выполнены из металла, либо же полипропилена. Полый вал установлен горизонтально в опорных подшипниках и имеет две стенки (наружную и внутреннюю), между которыми расположены каналы (ячейки) соответственно в количестве от 12 до 18 штук. Каналы и полости секторов между собой сообщаются. Ячейки имеют выход на поверхность полого вала с плотно прижатой к ней неподвижной распределительной головкой, которая состоит из четырех камер, куда подведены трубопроводы вакуума.
Чертеж вакуумного дискового фильтра

Принцип работы дискового вакуум-фильтра
Когда вал начинает вращаться все секторы друг за другом начинают сообщаться с камерами распределительной головки. В фильтровальной зоне происходит поступление фильтрата под вакуумом в полость сектора через фильтровальную перегородку. После чего фильтрат отводится из оборудования через ячейки вала и камеру, сообщающуюся с линией вакуума. Твердая фаза, при этом, задерживается и накапливается на поверхности фильтровальной перегородки, образуя тем самым всего за несколько минут довольно толстый слой осадка.
В двух других зонах (обезвоживание и просушка) происходит отсасывание свободной жидкости из осадка, после чего она удаляется из оборудования через специально предназначенные для этого камеры.
Через еще одну камеру в секции подается сжатый воздух, который отделяет осадок от перегородки, а затем происходит окончательное снятие осадка ножом. Импульсную подачу сжатого воздуха осуществляет клапан отдувки. В регенерирующей зоне через еще одну камеру производится подача воздуха или пара, за счет чего происходит регенерация фильтровальной ткани.
Стоит отметить, что зону регенерации используют лишь в том случае, если осадок забил фильтровальную перегородку. Фильтры, выполненные из углеродистой стали, имеют литой ячейковый вал, состоящий из нескольких отдельных частей. Оборудование, изготовленное из коррозионностойкой стали, оснащено сварным валом, состоящим из цельных по длине отдельных секций.
Корыто вакуумного дискового фильтра, как правило, имеет сварную конструкцию, в которой предусмотрен переливной желоб, обеспечивающий постоянный уровень суспензии. Вращательная мешалка оснащена отдельным приводом. Распределительная головка дискового вакуум-фильтра полностью литая и имеет штуцеры для отведения фильтрата из фильтровальной зоны, а так же штуцера зоны просушки, через которые осуществляется подача сжатого воздуха на отдувку осадка и регенерацию фильтровальной ткани.
Оборудование, имеющее поверхность фильтрования до 51 квадратного метра, оснащено лишь одной распределительной головкой, все другие фильтры с поверхность фильтрования выше этой цифры — двумя головками.
Общее описание устройства барабанного вакуумного фильтра
При проектировании данных аппаратов на прочность следует рассчитывать все основные компоненты: парное соединение цапф с торцовой стенкой (барабан с цапфами для проведения расчетов рассматривают как балку на двух опорах); торцевая стенка барабана (расчетная схема стенки выглядит как круглая пластина с расположенными радиально ребрами жесткости, в центре пластины цапфа передает сосредоточенный момент, а наружный контур торцевой стенки принят для расчетов как защемленный); обод барабана цилиндрической формы, подвергающийся воздействию гидростатического давления со стороны суспензии; усилие от механизма сбора осадка и изгибающий момент, возникающий благодаря силе тяжести самого барабана.
Барабанный вакуум-фильтр представляет собой вращающийся цилиндрический перфорированный барабан, покрытый металлической сеткой с прилегающей к ней фильтровальной тканью.
В химической промышленности чаще всего применяются барабанные вакуум-фильтры, имеющие наружную фильтрующую поверхность. Такие фильтры характеризуются простотой в эксплуатации, хорошей скоростью фильтрации, а также пригодностью для обработки различных видов суспензий.
Расчет фильтров для суспензий производится в два этапа. Сначала необходимо определить общую поверхность фильтрации и в зависимости от него выбирают число фильтров, а также их типоразмер. Следующий этап заключается в уточнение производительности выбранного фильтрата, а также количества фильтров.
Чертеж барабанного вакуум-фильтр с наружной фильтрующей повержностью
Зона I является зоной фильтрования, а также подсушки осадка. В этой зоне ячейки соединяются с линией вакуума. По действием перепада давления фильтрат проходить через фильтровальную ткань, перфорацию барабана и сетку в середину ячейки. После этого фильтрат по трубе выводится из аппарата. При этом на наружной поверхности ткани происходит формирование осадка. Когда ячейки выходят из суспензии, осадок частично подсушивается.
Зона II – зона, в которой проходит промывка осадка и его сушка. В этой зоне ячейки соединины с линией вакуума. Устройство подает промывную жидкость, проходящую через осадок, а после этого по трубам выводится из аппарата. В тех местах, где жидкость не поступает, осадок высушивается.
Зона III является зоной съема осадка. В этой зоне ячейки соединяются с линией сжатого воздуха для разрыхления осадока и облегчения его удаления. После этого при помощи ножа осадок снимается с поверхности ткани.
Зона IV – зона, в которой происходит регенерация фильтровальной перегородки при помощи продувки сжатым воздухом, что освобождает ее от твердых частиц, которые остались на перегородке после предыдущих стадий.
После окончания всех этапов цикл повторяется. На всех участках фильтра операции происходят последовательно, но участки работают вне зависимости друг от друга. Таким образом, процесс фильтрации протекает непрерывно. В процессе вращения барабана ячейки проходят мертвые зоны, где они отсоединены от источника вакуума и сжатого газа.
В корыте для суспензии происходит процесс осаждения твердых частиц под действием силы тяжести. При этом процесс происходит в направлении противоположном направлению движения фильтрата. Из-за этого возникает необходимость перемешивать суспензии мешалкой.
В качестве исходных данных для расчета фильтра используется необходимая производительность по фильтрату, а также массовая концентрация твердых веществ в суспензии и перепад давления при промывке и фильтровании. Помимо этого, в процессе экспериментов необходимо определить такие константы фильтрования, как влажность осадка после фильтрации, удельное сопротивление осадка и фильтровальной перегородки, продолжительность процесса сушки осадка и высоту слоя осадка. Данные исследования проводятся на лабораторной ячейке.
Расчет барабанных вакуумных фильтров
Перед тем как проводить расчет на основании разбивки фильтра на технические зоны, необходимо задать значения углов сектора предварительной сушки осадка, мертвых зон, зон съема осадка, а также регенерации фильтровальной перегородки.
Продолжительность полного цикла фильтра равна величине, обратной частоте вращения барабана:
τц = 1/nА для вычисления общей поверхности фильтрования используется формула:
В процессе вращения барабана ячейки проходят мертвые зоны, где они отсоединены от источника вакуума и сжатого газа.
Fоб = (Q·τц)/(υфуд·Kп)
в которой Vоб является заданной производительностью по фильтрату (в м3/с),
Кп – это поправочный коэффициент, учитывающий необходимость увеличения поверхности фильтрования из-за того, что увеличивается сопротивляемость перегородки при многократном использовании (Кn=0,8), Ѵфуд является удельным объемом фильтрата, который находится по формуле:
υфуд = hос / x0
где hос – высота слоя осадка на фильтре, м;x0 – отношение объема осадка на фильтре к объему образующегося фильтрата.
После того, как было найдено значение Fоб, выбирают типоразмер фильтра из каталога, а также определяют количество фильтров, которое будет необходимо для поддержания нужной производительности.
После этого необходимо проверить пригодность выбранного фильтра. Чтобы это сделать, устанавливают соответствие частоты вращения барабана диапазону частот, который указан в каталоге. Помимо этого, сравниваются рассчитанные и стандартные углы сектора фильтрования. В том случае, если частота больше той, которая указана в диапазоне частот, или если угол фильтрования больше, чем стандартный, необходимо повторить расчеты, задав другую высоту слоя осадка.
После этого проводится уточненный расчет фильтра. Распределение технических зон определяют по каталогу. А частоту вращения барабана берут наименьшую из тех, которые были вычислены по формулам:
n1 = φф / (360·τф)
n2 = (φпр+φс2) / (360·(τпр+τс2))
Где φф, φпр, φс2 – углы секторов фильтрации, промывки и сушки;τф, τпр, τс2 – продолжительность фильтрования, промывки и сушки.
Цикл фильтрования вакуум фильтра
Складывается из семи операций:
погружение в суспензию с образованием осадка и отводом фильтрата;
втягивание воздуха через осадок и удаление остатка фильтрата;
промывка осадка;
втягивание воздуха через осадок и удаление остатка промывной жидкости;
отсоединение осадка и его рыхление;
снятие осадка;
регенерация фильтровального полотна.
На первых четырех этапах ячейки подключены к линии вакуума, на последних трех – сообщаются с линией сжатого воздуха.
На время продувки тонкая спиралеобразная проволока прижимает фильтровальную ткань к поверхности барабана, чтобы исключить возможность ее растяжения. В отдельных случаях в осадке могут появиться трещины. Это приведет к растрескиванию слоя и нарушению вакуума за счет того что воздух будет поступать через трещины. В таких случаях трещины заглаживаются покровной лентой, которая перемещается по поверхности осадка.
Для удаления осадка используются различные способы в зависимости от его структуры и толщины:
толщина слоя составляет 8-10 мм – осадок снимается широким ножом, который устанавливается вдоль образующей барабана на определенном расстоянии от его поверхности;
слой 2-4 мм – снимается при помощи бесконечных тонких шнуров, которые расположены параллельно на расстоянии 6-25 мм друг от друга и перемещаются по замкнутому пути, огибая натяжной и направляющий ролики; от фильтровальной ткани шнуры отделяются вместе с осадком;
слой около 2 мм – снимается резиновым валиком, который вращается в противоположном направлении относительно барабана; осевший на валике слой снимается ножом;
слой около 1 мм – для удаления осадка используется метод сходящего полотна, при котором фильтровальная ткань проходит такой же путь, как и бесконечные шнуры: с поверхности барабана подается на разгрузочный ролик для удаления осадка ножом, затем проходит ролик для промывки, после чего возвращается на барабан.
При разделении тонкодисперсных суспензий поры фильтровального материала быстро закупориваются. По этой причине вместо фильтровальной ткани используют намывную зернистую перегородку толщиной 50-75 мм. Материалом для нее часто служат зерна кизельгура. Процесс фильтрования выглядит следующим образом: в корыто подают густую суспензию зернистого материала, выключают съемное устройство и запускают работу фильтра на 30-60 минут. За это время накапливается осадок нужной толщины. Далее в корыто подают суспензию для фильтрования. В процессе разделения суспензии намывной слой с осевшим на него осадком постепенно срезается ножом. Нож перемещается очень медленно и проходит около 0,01-0,05 мм при одном обороте барабана. По мере истончения намывной слой регенерируют.
Площадь рабочей поверхности барабанных ячейковых вакуум-фильтров составляет до 50 м². Диаметр барабана составляет 1-4 м, длина – 0,2-5 м. Вращение барабана происходит со скоростью 0,1-3 об/мин. Для приведения барабана в действие используется электромотор мощностью 0,1-4,5 кВт. Фильтровальные материалы выбирают в зависимости от рода суспензии.

Приложенные файлы

  • docx 7383404
    Размер файла: 166 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий