Разделение под действием сил разности давления

Сергей Чекрыжов
Фильтрование под действием сил разности давления
Уравнение процесса фильтрования и экспериментальное определение его констант.

Сергей Чекрыжов
ФИЛЬТРОВАНИЕ
Фильтр
(франц. filtre, от позднелат. filtrum, буквально – войлок), аппарат, в котором с помощью фильтровальной перегородки осуществляется разделение, сгущение или осветление неоднородных систем, содержащих твёрдую и жидкую (газообразную) фазы.

Сергей Чекрыжов
ФИЛЬТРОВАНИЕ
Выделение дисперсной фазы из гетерогенной системы за счет пропускания ее через пористую фильтрующую перегородку.
Фильтрование используют для разделения суспензий на твердую (осадок) и жидкую (фильтрат) фазы.

Сергей Чекрыжов
Виды фильтрования
Фильтрование с образованием осадка
Фильтрование с закупориванием пор;
Промежуточный вид

Сергей Чекрыжов
ФИЛЬТРОВАНИЕ
Для движения жидкости в порах осадка и фильтрующей перегородки необходимо создать перепад давления над и под фильтрующей перегородкой.
Перепад давления над и под фильтрующей перегородкой является движущей силой процесса и создается за счет разряжения под фильтрующей перегородкой (вакуум-фильтры) или создания давления над фильтрующей перегородкой (фильтры под давлением).

Сергей Чекрыжов
Характеристики процесса
Движущая сила процесса;
Скорость процесса;
Производительность фильтра;
Константы процесса фильтрования

Сергей Чекрыжов
Производительность фильтра
Производительность фильтра зависит от режима фильтрования (давление, температура), вида фильтрующей перегородки и физико-химических свойств суспензии и осадка.

Сергей Чекрыжов
Тип осадка
Фильтрование со сжимаемым и несжимаемым осадком:
Несжимаемые осадки –пористость которых не меняется при увеличении давлений (мел, песок);
Сжимаемые осадки – пористость уменьшается, гидравлическое сопротивление потоку жидкой фазы возрастает с увеличением давления (гидраты окисей металлов)

Сергей Чекрыжов
Фильтрующие перегородки
По принципу действия
По материалу
По структуре
Поверхностные и глубинные
Керамика, стекло…
Гибкие, негибкие жесткие, негибкие нежесткие

Сергей Чекрыжов
Скорость фильтрования
Интенсивность фильтрования и производительность фильтров характеризуются скоростью фильтрования – количество фильтрата, проходящего в единицу времени через единицу поверхности фильтра:

Сергей Чекрыжов
Скорость фильтрования
скорость фильтрования суспензии прямо пропорциональна разности давления по обе стороны фильтрующей перегородки (ΔP) и обратно пропорциональна сопротивлению процесса фильтрования:

Сергей Чекрыжов
Основное уравнение процесса фильтрования

Сергей Чекрыжов
Пояснения к уравнению
где: V – объем фильтрата (осветленной жидкости), м3;
F - площадь фильтра, м2;
μ - динамический коэффициент вязкости фильтрата, Па·с;
Rф- сопротивление процесса фильтрования, м-1.

Сергей Чекрыжов
Сопротивление процесса фильтрования
При расчете сопротивления процесса учитывают сопротивление фильтрующей перегородки и сопротивление слоя осадка, образующегося на перегородке,:
Rф =Rфп + Rос , ;
или Rф =Rфп + rос · hос , ;

Сергей Чекрыжов
Пояснения к уравнению
где: Rфп - сопротивление фильтрующей перегородки, ;
Rос - сопротивление слоя осадка,
rос – удельное объемное сопротивление осадка, ;
hос – высота слоя осадка, м.

Сергей Чекрыжов
Физический смысл
Сопротивление фильтрующей перегородки равно перепаду давления, который необходимо создать для фильтрования жидкости вязкостью 1Па·с со скоростью 1м/с через перегородку.
Удельное объемное сопротивление осадка равно перепаду давления, который необходимо создать для того, чтобы через слой осадка высотой 1м проходил фильтрат вязкостью 1Па·с со скоростью 1м/с.

Сергей Чекрыжов
Влияние ΔP на характер процесса
если ΔP= const, то накопление осадка на фильтре уменьшает скорость фильтрования (процесс нестационарный);
если с увеличением толщины слоя осадка hос увеличивается ΔP , скорость фильтрования остается постоянной (процесс стационарный).
В промышленности наиболее распространены процессы нестационарного фильтрования.

Сергей Чекрыжов
Вывод уравнения
Объем образующегося осадка зависит от площади фильтра:
Vос = hос F, м3 .
Обозначив через хо объем влажного осадка, образующегося на фильтре, при прохождении 1 м3 фильтрата:
хо= Vос /V ,м3 /м3;
можно вывести зависимость толщины слоя осадка от объема
фильтрата и площади фильтра:
hос = хо·V /F , м;
подставив в уравнение hос получим

Сергей Чекрыжов
ВЫВОД УРАВНЕНИЯ
В полученном уравнении введем понятие удельная производительность фильтра q=V/F

Сергей Чекрыжов
Уравнение для определения постоянных процесса
Постоянные процесса фильтрования можно определить графически:

Сергей Чекрыжов
Графическое определение постоянных уравнения
Обозначив:

Сергей Чекрыжов
Общий вид уравнения
Уравнение для нестационарного процесса фильтрования :

Сергей Чекрыжов
Коэффициенты уравнения
Коэффициенты N и M уравнения процесса фильтрования определяют экспериментальным путем. Уравнение для нестационарного процесса фильтрования – это уравнение прямой линии, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс равен -M, а отрезок, отсекаемый линией на оси ординат, - N.

Сергей Чекрыжов
График зависимости τ/q=f(q)
τ/q,
с·м2/
м3
*
* M
*
*
*
N
q, м3/м2

Сергей Чекрыжов
Определения
Фильтровальные перегородки,материалы (естественные или искусственные) или изделия, имеющие пористую структуру (проницаемую для жидкости и газа) и применяемые для фильтрования.
Фильтровальные перегородки,материалы должны обладать следующими свойствами:
1) соответствующей пористостью (размеры пор должны быть такими, чтобы частицы осадка задерживались на перегородке),
2) химической стойкостью к действию фильтруемой среды,
3) достаточной механической прочностью,
4) теплостойкостью при температуре фильтрования.

Сергей Чекрыжов
Фильтровальные перегородки
Различают гибкие и негибкие Ф. п.
К гибким фильтровальным перегородкам относятся металлические перегородки в виде перфорированных листов и сеток из стали, меди, алюминия, никеля, серебра и др. материалов. Такие фильтры особенно удобны при работе с химически агрессивными жидкостями, в условиях повышенных температур и больших механических напряжений.
К гибким Ф. п. относятся также неметаллические перегородки в виде тканей ( Ткань техническая) или слоев несвязанных волокон (нетканые).

Сергей Чекрыжов
Фильтровальные перегородки
Неметаллические Ф. п. бывают асбестовые, стеклянные, хлопчатобумажные, шерстяные, поливинил-хлоридные, лавсановые и т.п. Негибкие Ф. п. могут быть жёсткие (в виде дисков, плит, патронов и листов), которые изготовляются прессованием в формах с последующим спеканием из керамических, металлических, стеклянных и синтетических порошков, и нежёсткие, состоящие из соприкасающихся (но не связанных жестко) частиц каменного, древесного и животного углей, кокса, диатомита, песка, глины и т.п. материалов.

Сергей Чекрыжов
Схема процесса фильтрования
При фильтровании суспензия разделяется с помощью пористой перегородки на жидкую фазу в виде фильтрата и твердую фазу в виде осадка .
Движущей силой процесса является разность давлений по обе стороны фильтрующей среды, которая состоит из фильтрующей перегородки и слоя образующегося на ней осадка.

Сергей Чекрыжов
Cкорость фильтрования
Основной характеристикой процесса является скорость фильтрования - объем фильтрата, получаемый за единицу времени с единицы поверхности фильтра.
Скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений ΔР , обратно пропорциональна вязкости фильтрата μ и сопротивлению фильтрующей среды, т.е. сумме сопротивлений слоя осадка Ro и фильтрующей перегородки Rp .
В большинстве случаев Ro существенно больше Rp.
Толщина осадка h , а следовательно и его сопротивление в процессе фильтрования увеличивается, в том числе и за счет его сжатия под действием ΔP и закупорки каналов мелкими частицами.
Сопротивление перегородки также изменяется вследствие забивки ее пор и сжатия.

Сергей Чекрыжов
Основное уравнение фильтрования записывается в дифференциальной форме:
Здесь V - объем фильтрата, F - поверхность фильтрования, τ - 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.

Сергей Чекрыжов
Жидкостные фильтры
по принципу действия подразделяются на две основные группы: периодические и фильтры непрерывного действия.
Фильтры различаются по способу создания в них разности давлений (работающие под вакуумом или под избыточным давлением),
по геометрии фильтрующей поверхности (плоская или криволинейная),
В фильтрах периодического действия на всей поверхности фильтрующей поверхности поочерёдно осуществляются поступление суспензии и образование осадка (фильтрование), обезвоживание, промывка и удаление осадка, регенерация.
В фильтрах непрерывного действия указанные операции проходят непрерывно, единовременно и независимо одна от другой в каждой соответствующей зоне фильтра.

Сергей Чекрыжов
Фильтры периодического действия
К фильтрам периодического действия относятся
ёмкостные ,
листовые ,
фильтр-прессы,
патронные .

Сергей Чекрыжов
Ёмкостный фильтр
Ёмкостный фильтр применяют для разделения небольших количеств суспензий.
Он может работать под вакуумом (путч-фильтр) и под избыточным давлением (друк-фильтр).
Корпус ёмкостного фильтра бывает открытым или закрытым.
Фильтровальная поверхность располагается на перфорированном днище.
В верхнюю часть корпуса подаётся разделяемая суспензия. Из нижней части отводится фильтрат.
В фильтрах с механизированной выгрузкой осадок удаляется через откидное днище.
В фильтрах с открытым корпусом – опрокидыванием или вручную.

Сергей Чекрыжов
Ёмкостный фильтр
Суспензия
Корпус фильтра
Опорная решетка
Решотка
Выходной патрубок
Песчаный фильтр

Сергей Чекрыжов
Листовой фильтр.
Используют для осветления растворов и разделения суспензий, содержащих не более 5% (по объёму) твёрдой фазы.
Фильтрующие элементы круглой или прямоугольной формы, обтянутые (обычно тканью), соединены с коллектором для отвода фильтрата.
Суспензия подаётся в корпус фильтра. Слой осадка промывается (после удаления из корпуса остатка суспензии).

Сергей Чекрыжов
Листовой фильтр.

Сергей Чекрыжов
Фильтр-прессы
Фильтр-прессы применяют в основном для разделения тонкодисперсных суспензий. К ним относятся рамные и камерные фильтр-прессы и камерный автоматический фильтр-пресс (ФПАКМ).
Рамный фильтр-пресс представляет собой блок чередующихся вертикальных плит и рам, прижатых друг к другу ручным, гидравлическим или электромеханическим зажимом.
Рамы образуют в собранном аппарате свободные плоские камеры (карманы) для приёма суспензии. Плиты с рифлёными боковыми поверхностями служат дренирующим основанием для фильтр-прессов.

Сергей Чекрыжов
Фильтр-прессы
Под действием избыточного давления фильтрат проходит через фильтр-пресс, затем стекает по желобкам рифлёных плит и через отводные каналы поступает в сборник. Твёрдые частицы образуют в камерах слой осадка, который удаляется при раздвигании плит. Действие камерного фильтр-пресса подобно работе рамного фильтр-пресса, но он рассчитан на более высокое избыточное давление. Камерный автоматический фильтр-пресс состоит из расположенных горизонтально на некотором расстоянии одна от другой фильтрующих плит, которые в свою очередь находятся между двумя поддерживающими плитами. Сверху каждая фильтрующая плита покрыта перфорированным листом, над которым находится ФП в виде бесконечной ленты.

Сергей Чекрыжов
Фильтр-прессы
При сжатии плит между ними образуются камеры, в которые последовательно подаётся из соответствующих коллекторов суспензия, промывная жидкость и сжатый воздух для продувки. Фильтрат проходит через ФП, а твёрдая фаза остаётся на ней в виде осадка. По окончании цикла фильтрования плиты раздвигаются, между ними открывается щель и ФП приводится в движение, вынося осадок наружу, где он снимается ножами. Работа Ф. автоматизирована. Производительность в 4–10 раз выше производительности рамного фильтра.

Сергей Чекрыжов
Патронный фильтр
Патронный фильтр применяют для осветления или сгущения суспензий; работает под вакуумом или под давлением и состоит из корпуса с крышкой и днищем. Внутри находится решётка, на которой закреплена фильтрующая поверхность в виде патрона (обычно патронный фильтр имеет несколько десятков таких патронов). Удаление осадка с последней производится отдувкой сжатым воздухом, пневмогидравлическим ударом или с помощью вибрационных устройств.

Сергей Чекрыжов
Патронный фильтр

Сергей Чекрыжов
Фильтры непрерывного действия
К фильтрам непрерывного действия относятся
барабанные,
дисковые,
ленточные,
тарельчатые и
карусельные .

Сергей Чекрыжов
Вакуум-фильтр
Вакуум-фильтр представляет собой горизонтальный вращающийся барабан, который изнутри разделён радиальными герметичными перегородками на отдельные ячейки, соединённые трубками с распределительной головкой. По мере вращения барабана в ячейках создаётся вакуум или избыточное давление. При вращении барабан проходит зону фильтрации, где жидкость засасывается в барабан, а твёрдые частицы оседают на фильтрующей ткани. После промывания осадка водой барабан входит в зону сушки, где через осадок просасывается воздух, затем в зону удаления осадка. Здесь изнутри барабана подаётся сжатый воздух, а осадок с поверхности барабана срезается ножом.

Сергей Чекрыжов
Вакуум-фильтр

Сергей Чекрыжов
Дисковый вакуум-фильтр
Дисковый вакуум-фильтр предназначен для разделения суспензий с близкими по размерам частицами твёрдой фазы.
Имеет более развитую фильтрующую поверхность, чем барабанные вакуум-фильтры.
В дисковом вакуум-фильтре на горизонтально расположенном полом валу, разделённом на секции, укреплены вертикальные диски. Вал с дисками вращается в корыте, имеющем форму полуцилиндра и заполненном разделяемой суспензией.
Каждый диск состоит из обтянутых ФП полых секторов, имеющих с обеих сторон перфорированную или рифлёную поверхность. Полость каждого сектора диска сообщается с отводящим каналом для удаления фильтрата. Съём осадка осуществляют сжатым воздухом (для отдувки), посредством ножей и валков (для отрыва и направления выгрузки).

Сергей Чекрыжов
Дисковый вакуум-фильтр

Сергей Чекрыжов
Дисковый вакуум-фильтр

Сергей Чекрыжов
Ленточный вакуум-фильтр
Ленточный вакуум-фильтр предназначен для разделения суспензий, образующих неоднородный по размерам частиц тяжёлый и требующий тщательной промывки осадок.
Фильтр представляет собой стол, в котором имеются вакуум-камеры для отвода фильтрата и промывной жидкости. Фильтровальная поверхность (обычно ткань) покрывает прорезиненную перфорированную ленту, натянутую на крайних барабанах стола. Осадок сбрасывается в сборник при перегибе фильтровальной поверхности. Регенерация фильтровальной поверхности производится при обратном движении ленты с помощью механических щёток или паровых форсунок.

Сергей Чекрыжов
Ленточный вакуум-фильтр

Сергей Чекрыжов
Ленточный вакуум-фильтр

Сергей Чекрыжов
Тарельчатые вакуум-фильтры
Тарельчатые вакуум-фильтры применяют преимущественно для обезвоживания крупнозернистых шламов в производстве калия, в подготовке каменного угля и руд и т.д.
Основная деталь фильтра – кольцо, состоящее из ряда трапецеидальных секторов, каждый из которых является фильтрующей ячейкой. Последняя открыта сверху и имеет днище, наклоненное к центру для облегчения стока жидкости. По верху ячейки уложен перфорированный лист, на котором находится фильтровальная поверхность. Внутренняя полость каждого сектора с помощью соединительных трубок сообщается с каналами распределительного устройства, жестко связанного с корпусом.
Фильтр приводится во вращение электродвигателем. За один оборот ячейки Ф. последовательно соединяются с линиями вакуума и сжатого воздуха. Подача суспензии осуществляется в ячейки сверху. Съём осадка производится ножом или шнеком.

Сергей Чекрыжов
Тарельчатые вакуум-фильтры

Сергей Чекрыжов
Ленточный фильтр-пресс

Сергей Чекрыжов
Ленточный фильтр-пресс

Сергей Чекрыжов
Ленточный фильтр-пресс

Сергей Чекрыжов
Ленточный фильтр-пресс

Сергей Чекрыжов
Ленточный фильтр-пресс

Сергей Чекрыжов
Песчаный скорый фильтр

Сергей Чекрыжов
Преимущества
- развитая фильтрующая поверхность при незначительной занимаемой производственной площади;
- фильтрация осадка при оптимальной толщине слоя и возможность его гидравлического отжима, что резко снижает затраты воздуха на просушку осадка;
- хорошая регенерация фильтровальной ткани;
- полная механизация фильтра и возможность автоматизации его работы, что позволяет резко сократить затраты на обслуживание, быстро настраивать фильтр на оптимальный технологический режим;
- низкая металлоемкость, отнесенная к единице производительности по суспензии и к 1 м.кв. фильтрующей поверхности.