Фильтрация

Лекция №3

Основные сведения

В тех случаях, когда при разделении суспензий недопустимы потери жидкости с осадком или взвешенные твердые частицы весьма плохо оседают, или же необходимо выделить твердую фазу в виде осадка с некото­рым минимальным содержанием влаги, метод отстаивания и декантации неприменим. В этих случаях суспензии разделяют при помощи фильтрации.

Процесс фильтрации основан на задержании твердых взвешенных частиц пористыми перегородками, способными пропускать только жидкость и задерживать частицы твердой фазы. В результате непосредственного контакта суспензии с поверхностью пористой перегородки и разного давления до и после перегородки жидкая фаза проходит через поры перегородки и собирается в виде освобожденного от твердых частиц фильтрата, а твердые частицы задерживаются на поверхности перегородки, образуя слой осадка, который затем удаляется.

Иногда частицы не образуют осадка, а проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживаются там. Такой процесс называется фильтрованием с закупориванием пор. Возможен промежуточный процесс, когда частицы проникают в поры и образуют осадок на фильтровальной перегородке.

Фильтрация находит в настоящее время широкое применение в тех­нике как универсальный метод разделения суспензий, начиная от самых грубых и кончая тонкими мутями, и используется даже для разделения некоторых коллоидных растворов; в последнем случае необходим соответствующий фильтрующий материал.

При фильтрации жидкая фаза должна преодолеть гидравлическое сопротивление, оказываемое фильтрующей перегородкой току жидкости. Однако величина пор фильтрующей перегородки и ее сопротивление имеют значение только в начальный момент процесса, так как в дальнейшем на поверхности фильтрующей перегородки постепенно отлагается осадок. Этот увеличивающийся по мере протекания процесса слой осадка обычно используют как фильтрующую среду и стремятся уменьшить его гидравлическое сопротивление, что достигается путем периодического или непрерывного удаления большей части осадка с фильтрующей перегородки, иногда с последующей промывкой поверхности перегородки растворителями.

Характер и толщина слоя осадка, отлагающегося на поверхности фильтрующей перегородки, являются в большинстве случаев важнейшими факторами, определяющими эффективность фильтрации, производительность фильтра и расход энергии на проталкивание жидкости через фильтр. Большинство фильтрующих перегородок в начале процесса фильтрации обладает низкой задерживающей способностью, и при фильтрации тонких суспензий первые порции фильтрата почти всегда содержат некоторое количество суспендированных частиц, прошедших через поры перегородки вместе с жидкостью. Осадки, получаемые на фильтровальной перегородке, делят на сжимаемые и несжимаемые – в зависимости от того, уменьшается пористость осадка при увеличении давления или нет.

Степень разделения в значительной мере зависит от давления, при котором протекает процесс фильтрации. Фильтрат получается более чистым, если фильтрацию начинают при низком давлении, а затем повышают его по мере увеличения осадка.

Существенное значение имеет также равномерность давления; при непрерывном и равномерном давлении может быть достигнуто полное разделение, если же давление неравномерно и передается толчками (например, при подаче суспензии на фильтрпрессы при помощи поршневых насосов), из-за возникающих при этом гидравлических ударов в фильтрат могут попасть наиболее тонко раздробленные частицы.

Полнота разделения находится в обратной зависимости от производительности фильтра; чем выше производительность данного фильтра, тем ниже полнота разделения, и наоборот.

Скорость фильтрования. В количественном отношении производитель­ность фильтра характеризуется скоростью фильтрации, т. е. количеством фильтрата, проходящего через 1 м² поверхности фильтрующей перегородки в единицу времени.

Скорость фильтрации зависит от следующих основных факторов: давления, действующего на суспензию, толщины слоя осадка на фильтре, структуры или характера осадка, состава суспензии и температуры жидкости.

Уравнения фильтрования под действием перепада давления:

Рассмотрим процесс фильтрования с образованием осадка. Скорость фильтрования W определяют как производную объема фильтрата по времени τ, отнесенную к поверхности фильтрования S:

Основной характеристикой процесса является скорость фильтрования - объем фильтрата, получаемый за единицу времени с единицы поверхности фильтра. Скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений , обратно пропорциональна вязкости фильтрата и сопротивлению фильтрующей среды, т.е. сумме сопротивлений слоя осадка и фильтрующей перегородки . В большинстве случаев существенно больше . Толщина осадка , а следовательно и его сопротивление в процессе фильтрования увеличивается, в том числе и за счет его сжатия под действием и закупорки каналов мелкими частицами. Сопротивление перегородки также изменяется вследствие забивки ее пор и сжатия, поэтому основное уравнение фильтрования записывается в дифференциальной форме: . Здесь - объем фильтрата, - поверхность фильтрования, - продолжительность фильтрования. На величину сопротивления осадка и перегородки кроме гидродинамических факторов, т.е. размеров и формы пор перегородки, формы, размеров и удельной поверхности частиц осадка, оказывают влияние и физико-химические факторы: степень коагуляции частиц осадка, наличие на них сольватной оболочки, содержание в суспензии смолистых и коллоидных примесей, набухание материала перегородки, изменение поверхностного натяжения жидкости в порах осадка и перегородки, образование у стенок пор неподвижного слоя жидкости, электростатические поля, возникающие на границе раздела фаз при наличии ионов в суспензии. Влияние этих факторов увеличивается с уменьшением размеров частиц осадка и пор перегородки. Будем считать, что осадок и перегородка несжимаемы, т.е. их пористость и удельное сопротивление потоку жидкости постоянны в течение всего процесса. Не будем также учитывать возможное увеличение и за счет влияния физико-химических факторов. Тогда будет постоянной величиной, а можно записать в виде: , где - удельное объемное сопротивление осадка (сопротивление потоку фильтрата равномерного слоя осадка толщиной 1 м). Обозначив отношение объема осадка к объему фильтрата через , запишем: , т.е. . Тогда основное уравнение фильтрования с образованием несжимаемого осадка на несжимаемой перегородке примет вид . Это уравнение используется для расчета производительности фильтра заданной поверхности или наоборот - необходимой поверхности по заданной производительности. Значения величин и определяются экспериментально. На практике используются два основных режима фильтрования - постоянного перепада давления и постоянной скорости фильтрования. Режим постоянного перепада давления обеспечивается присоединением фильтра к линии вакуума или сжатого газа. После разделения переменных и интегрирования от 0 до и от 0 до основное уравнение фильтрования примет вид: . Режим постоянной скорости обеспечивается подачей суспензии в фильтр насосами объемного типа (поршневым, шестеренчатым). Заменяя в основном уравнении фильтрования на , получим: . Сравнив полученные уравнения, можно сделать вывод, что при прочих равных условиях для получения одного и того же объема фильтрата в режиме постоянной скорости требуется большее время, чем в режиме постоянного перепада давления (при - вдвое больше). Величина для любого типа фильтра ограничена сверху , поэтому при достижении в режиме постоянной скорости максимально возможного перепада давления часть суспензии байпасируется и фильтрование продолжается в режиме постоянного перепада давления. Иногда для подачи суспензии в фильтр используют центробежные насосы. В этом случае и перепад давления, и скорость фильтрования являются переменными и для решения основного уравнения фильтрования необходимо предварительно определить вид функциональной зависимости (). В рабочий цикл фильтра, кроме собственно фильтрования, входит промывка осадка, его осушка, выгрузка и подготовка фильтра к следующему циклу. Промывку осадка можно рассматривать как фильтрование при постоянной толщине слоя осадка, перепаде давления и скорости, т.е. основное уравнение фильтрования для случая промывки будет иметь вид . При заданной вязкости промывной жидкости из этого уравнения можно найти необходимый объем промывной жидкости , требуемое время промывки или перепад давления . Время осушки осадка сжатым воздухом или газом от остатков фильтрата или промывной жидкости определяется экспериментально. Общая продолжительность рабочего цикла фильтра , где - время вспомогательных операций (загрузка, выгрузка, подготовка к новому циклу). Это соотношение является основополагающим при определении режима работы фильтров периодического действия и скорости перемещения рабочего органа фильтра непрерывного действия.

Скорость фильтрации зависит также от вязкости жидкости, причем с возрастанием вязкости скорость фильтрации уменьшается. Следовательно, для повышения производительности фильтра желательно фильтровать жидкости в подогретом состоянии. Однако необходимо учитывать, что вязкость жидкостей уменьшается с повышением температуры вначале быстро, а затем медленней, и при дальнейшем нагревании после достижения некоторой температуры вязкость практически не изменяется; кроме того, повышение температуры не всегда возможно, так как этим может быть вызвано растворение фильтруемого осадка. Повышение тем­пературы нередко приводит также к усилению химического воздействия фильтруемой жидкости на материал фильтра.

Поэтому в каждом отдельном случае необходимо устанавливать оптимальную температуру для данной фильтруемой жидкости.

Промывка осадка. В большинстве случаев для того, чтобы получить твердый осадок более чистым или возможно полнее выделить фильтрат, осадок на фильтре промывают водой или другой жидкостью.

При промывке фильтрат разбавляется, что приводит к увеличению расхода пара на его выпаривание, если фильтрат должен быть получен концентрированным. Разбавление фильтрата можно значительно умень­шить систематическим промыванием. В этом случае промывку проводят несколько раз растворами убывающих концентраций и лишь оконча­тельно—чистой водой. Растворы для промывки являются фильтратами от предшествующих операций промывки. Наиболее концентрированный раствор периодически отделяют и присоединяют к основному фильтрату.

Рис. 5. Схема процесса фильтрации.

Дата добавления: 2014-10-31