Теоретические основы процесса фильтрования

Фильтрованием называется процесс разделения неоднородных систем при помощи пористых перегородок, задерживающих на своей поверхсности частицы твердой фазы и пропускающих жидкую фаза.

Процессы фильтрования и фильтры классифицируются по следующим признакам.

• 1) По движущей силе. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки, создаваемой различными способами. Фильтрование осуществляется под действием гидростатического напора (силы тяжести) при создании повышенного давления над перегородкой или вакуума под перегородкой.
• 2) По механизму фильтрования:

а) с образованием осадка на поверхности фильтровальной перегородки, при этом твердые частицы почти не проникают внутрь этой перегородки;

б) с закупориванием пор фильтровальной перегородки: на поверхности перегородки осадок почти не образуется и твердые частицы задерживаются внутри пор.

Рисунок 1. — Схема классификации фильров по принципу их действия и конструктивным особенностям.

3) По виду процесса:

а) разделение суспензий, т. е. фильтрование с образованием значительного слоя осадка на фильтровальной перегородке;

б) сгущение суспензий, т. е. отделение твердой фазы от жидкой не в виде осадка, а в виде высококонцентрированной суспензии (этот процесс применяется для повышения концентрации твердой фазы перед центрифугированием); в) осветление — фильтрование жидкостей с незначительным содержанием твердой фазы.

• 4) По целенапрвленности процесса. Целью процесса фильтрования может быть получения:
  • а) чистого осадка;

б) чистого фильтрата;

в) чистого осадка и чистого фильтрата одновременно.

• 3) По взаимным напрвлениям движения фильтрата н действия силы тяжестей. В процессе фильтрования направление движения фильтрата и направление действия силы тяжести могут совпадать, быть противоположными или перпендикулярными.
• 4) По принципу действия различают непрерывное и периадическое фильт-рование.
• 5) По услловиям проведения процесса. Фильтрования может осуществляться:
  • а) при постоянном перепаде давлений;

б) с постоянной скоростью;

в) с переменными скоростью процесса и перепадом давлений.

• 6) По природе осадка:
  • а) с образованием сжимаемого;
  • б) несжимаемого осадка.

Кроме того, фильтры классифицируют по конструктивным особенностям, т. е. по основному конструктивному признаку (фильтры с вращающимся барабаном, с движущейся лентой и др.), по способу выгрузки осадка, исполнению оборудования в зависомости от степени герметизации и взрывозащищенности.

Схема классификации оборудования по принцопу его действия и конструктивным особенностям представлена на рисунке 1.

Рисунок 2- Возможные пути повышения производительности фильтров Процессы фильтрования при их осуществлении в производственных условиях нередко с большими затруднениями вследствие того, что многие суспензии разделяются на фильтрах очень медленно. Поэтому требуется выполнение мероприятий, повышающих производительность производительность фильтров. Возможные пути повышения производительности фильтров показаны на рисунке 2.

Таблица 1- Влияние свойств суспензий и технологических условий на выбор типа фильтров.

Факторы влияющие на выбор фильтра.	Периодического действия.	Непрерывного действия.
Нутч-фильтры.	Фильтр-прессы.	листовые.	барабанные.	Диско-вые.	Ленточ; ные.
рамные.	Горизон; тальные.	С ВП.	С НФП.
Начальная объемная концентрация суспензии%: До 0,5.				;	;	;
1,0.	2 — 3.		1−2.	;	;	;
		2−3.	3−4.	1−2.	;	;
Возможность получения чистого фильтрата.	1−2.
возможность промывки осадка.					;
Возможность изготовления из кислотостойкой стали.
Скорость осаждения твердой фазы, мм/с.	Не ограничена.		Не ограничено.	медленно.
Скорость образования осадка мм/мин.				Не ограничена.			2,7.
Скорость фильтрования, 104 м/с.			0,08.	1,7.		400−0,2.	1,7.	1,7.

Разработка аппаратурного оформления процесса фильтрования и выбор необходимого типа фильтра проводятся на основе предварительного анализа физикохимических свойств разделяемой суспензии и образующихся осадка и фильтрата, технологических требований, предъявляемых к процессу разделения (непрерывный или периодический процесс, требуемая производительность, основной продукт разделения, дальнейшая переработка осадка, состав суспензии, осадка и фильтрата, температура суспензии и промывной жидкости, необходимость применения герметичного, взрывобезопаного оборудования, содержание твердой фазы в суспензии и влажность осадка, возможность применения растворителя для регенерации фильтрационных свойств фильтровальной перегородки и др.), и экономических факторов. Так как всесторонних рекомендаций для выбора типа фильтра, учитывающих все перечисленные аспекты, дать невозможно, при предварительном выборе типа фильтра можно ориентироваться на данные таблицу 1, учитывающие только некоторые из основных свойств суспензии. Наряду с этим следует учитывать следующие факторы:

1) При удельном сопротивлении осадка r₀>10⁸— 10¹²м^-2 или скорости образования осадка менее 810^-3 м/с при р = 810⁴ Па предпочтительно применение фильтров, работающих под давлением;

2) При большой мощности производства целесообразно применение фильтров непрерывного действия с организацией, если необходимо, двухступенчатой схемы разделения (предварительное сгущение — разделение или разделение — осветление фильтрата).

Большое влияние на качестве продуктов разделения, производительность и технологические особенности работы фильтров оказывают фильтровальные перегородки, которые должны обладать следующими свойствами: минимальным гидравлическим сопротивлением; достаточной механической прочностью и гибкостью; химической стойкостью к суспензии; задерживать твердые частицы суспензии; не набухать и не разрушаться при заданных условиях фильтрования; быть термоустойчивыми при фильтровании в области повышенных температур.

В качестве фильтровальных перегородок применяют хлопчатобумажные, шерстяные, полиамидные ткани, ткани из синтетических материалов, металлические перегородки.

При фильтровании происходит движение фильтрата через слой осадка. И фильтровальную перегородку. В слое осадка жидкость движется через поры — капиллярные каналы переменного сечения и различной кривизны. Для такого движения жидкости через слой справедливо приведенное уравнение.

(1).

Как следует из этого уравнения, сопротивление фильтрованию R при прочих равных условиях уменьшается с возростанием пористости осадка и уменьшением вязкости фильтрата.

Величина R складывается из сопротивлении осадка R_ос. и фильтровальной перегородки R_пер .

Сопротивление осадка пропорционально его толщине д.

R_ос = rд (2).

где r — коэффицент пропорциональности, называемый удельным сопротивлением осадка.

Удельное сопротивление осадка представляет собой сопротивление единицы объема осадка высотой 1 м, отложенного на площади 1 м², и может быть определено опытным путем.

Из выражения (1) находим размерность сопротивления фильтрованию.

Соответственно размерность удельного сопротивления осадка.

Объем осадка, отложившегося на фильтре, можно выразить как произведение площади Fфильтра на толщину д осадка. Если обозначить через u объем осадка (в м³), приходящиися на 1 м³ фильтрата, то объем осадка, отложившегося после образование Vм³ фильтрата, будет равен uV. Следовательно.

Fд=uV (3).

Отсюда толщина слоя осадка составляет.

(4).

м³/м² (5).

Величина q представляет собой объем фильтрата, получаемого с единицы поверхности фильтра за время фильтрования ??, и называется удельной производительностью фильтра.

Подставив значение д в уравнение найдем сопротивление осадка.

R_ос=ruq (6).

И получим следующие выражение для сопротивления фильтрованию.

R=R_ос+R_пер= ruq+R_пер (7).

Из общего закона движения через слой, разделив обе части этого уравнения на, можно найти скорость движения жидкости через слой.

м³/м²сек (8).

Как видно из уравнений (2) и (8) сопротивление R по мере образования осадка и увеличения его толщины возрастает, а скорость фильтрования уменьшается. Перепишем уравнение (8) в дифференциальной форме и подставим вместо R его значение по формуле (7). Тогда.

(9).

Откуда.

Интегрируя это выражение в пределах от 0 до и от 0 до q, найдем продолжительность фильтрования.

После интегрирования получим.

сек (10).

Решая уравнение относительно q, определим удельную производительность фильтра.

м³/м² (11).

Из уравнении (11) и (9) следует, что по мере протекания процесса фильтрования величина q увеличивается, а скорость процесса ?? соответственно уменьшается.

Промывка осадка соответствует фильтрованию при постоянной высоте слоя осадка на фильтровальной перегородке.

Скорость промывки ??_пр. определяется по уравнению, аналогичному уравнению (9), и является постоянной. Следовательно.

м³/м²сек (12).

где p_пр — перепад давления при промывке;

r_пр — удельное сопротивление осадка при промывке.

Величина r_пр определяется по формуле.

(13).

где µ и µ_пр — вязкость фильтрата и промывной;

r — удельное сопротивление осадка при фильтрации.

Если расход промывной воды на 1 м³ влажного осадка обозначить через L м³/м³, то объем промывной жидкости, получаемой с единицы поверхности фильтра, составит.

V_пр=Luqм³/м² (14).

По удельному объему промывной жидкости V_пр скорости промывки ??_пр можно определить продолжительность промывки.

(15).