ФИЛЬТРОВАНИЕ

(от лат. filtrum - войлок, англ., франц. filtration), разделение неоднородных систем жидкость -твердые частицы (суспензии) и газ - твердые частицы в спец. аппаратах - фильтрах, снабженных пористыми фильтровальными перегородками (ФП), к-рые пропускают жидкость или газ, но задерживают твердую фазу. Движущая сила процесса - разность давлений по обе стороны ФП. Данная статья посвящена разделению суспензий. О закономерностях Ф. под действием центробежных сил см. Центрифугирование, о разделении систем газ - твердые частицы см. Газов очистка, Пылеулавливание.

Различают: а) собственно разделение суспензий - отделение содержащихся в них твердых частиц, отлагаемых на ФП (осадок), через к-рую проходит подавляющее кол-во жидкости (фильтрат); б) сгущение суспензий - повышение в них концентрации твердой фазы путем удаления через ФП нек-рой части жидкой фазы; в) осветление жидкостей (осветительное Ф.) - очистка от содержащегося в них небольшого кол-ва тонких взвесей (см. также Осаждение). Суспензии могут фильтроваться "хорошо", "средне" и "трудно", что определяют обычно по толщине слоя (мм) осадка, образующегося на ФП за 1 мин: соотв. 1-15, 0,1-3,0 и 0,005-0,2.

Некоторые основные понятия. Четкость разделения суспензии определяется качествами фильтрата и осадка. Качество фильтрата оценивают коэф. очистки с ₁/c₂, где с ₁ и с ₂ - концентрации твердой фазы в исходной суспензии и фильтрате; коэф. уноса с ₂/с ₁; степенью очистки (с ₁ Ч с ₂)/c₁ (отношение кол-ва задержанной и исходной твердой фазы). Качество осадка оценивают содержанием в нем жидкой фазы либо содержанием р-римых примесей, отнесенным к массе сухого осадка.

Интенсивность разделения суспензии может определяться объемом фильтрата V(м ³), прошедшего через единицу площади S(м ²) пов-сти Ф. за единицу времени , или скоростью Ф.: (мгновенная скорость Ф.) либо (средняя скорость Ф.), где V' = V/S - удельный объем фильтрата.

В хим. технологии под Ф. понимают весь комплекс процессов, происходящих на фильтрах (фильтровальные процессы): собственно Ф., промывка и обезвоживание осадка, а также вспомогат. операции (загрузка суспензии, разгрузка и удаление осадка, регенерация ткани). В этом случае интенсивность разделения обычно оценивают удельной производительностью фильтра по фильтрату:

или по массе осадка т _ос: продолжительность всего фильтровального цикла, собственно Ф., промывки и просушки осадка и вспомогат. операций.

Характеристика и закономерности фильтровальных процессов

Собственно Ф. Скорость процесса описывается ур-нием движения Эйлера, к-рое для одномерного ламинарного потека принимает форму закона Дарси: , где R_o6, R - гидравлич. сопротивления (общее и отнесенное к единице вязкости суспензии сопротивление движению фильтруемой жидкости через слой осадка и ФП).

Для преодоления гидравлич. сопротивления необходимо создание перепада давления (вакуума под ФП или избыточного давления над ней). На практике встречаются след. режимы Ф.: 1) при = const (разделение под вакуумом, под давлением, при подаче суспензии центробежным насосом, производительность к-рого значительно превышает производительность фильтра); 2) при v = const (подача суспензии объемным насосом); 3) при непрерывно изменяющихся и v (подача центробежным насосом).

При Ф. сопротивление R непрерывно возрастает. Зависимость его от уд. объема фильтрата описывается т. наз. обобщенным ур-нием Ф.:

где Ки n - константы. Для фиксированных значений nразличают 5 видов Ф.: с образованием осадка (n = 0), с закупориванием пор образующегося осадка (0,5), промежуточное (1,0), с постепенным закупориванием пор ФП (1,5), с полным закупориванием пор ФП (2,0). Константы ур-ния (2) и значения начального сопротивления 0 > (при начальной скорости разделения v₀) находят по спец. графикам зависимости скорости Ф. от объема фильтрата при = const.

Для часто применяемого режима Ф. при = const и ~ 0 ур-ние (2) после преобразований принимает вид:

Наиб. распространенным в хим. технологии видом разделения суспензий является Ф. с образованием осадка, описываемое т. наз. основным ур-нием: или после преобразований:

(4)

где - соотв. удельное объемное сопротивление осадка (сопротивление единицы объема осадка высотой 1 м, отложенного на ФП площадью 1 м ²) и толщина его слоя (в м); - соотношение объемов осадка и фильтрата; A = 2 (при = const) и А= 1 (при v = const). Параметр - ф-ция пористости , диаметра (d)и уд. пов-сти (Sч )твердых частиц, их концентрации (с) в суспензии и : , где s и s'-константы. Иногда вместо используют др. параметр - массовое уд. сопротивление осадка: , где q= m/V.

Ур-ние (4) при 0 >= 0 является частным случаем ур-ния (3). Последнее в форме V'= с достаточной для техн. расчетов точностью описывает кинетику Ф. и позволяет в определенных пределах экстраполировать эксперим. данные; показатель степени bот 0,3 до 1,0. При условии, что концентрация твердой фазы в суспензии не изменяется (c₁ = const), справедливы также модификации ур-ния (3) для толщины слоя и массы осадка: и т' _ос =, где V'₀,и т ⁰ _ос - уд. объем фильтрата, толщина слоя и уд. масса осадка (m _ос/S), полученные за единицу времени.

Ф. можно интенсифицировать путем повышения т-ры суспензии, давления (ограничения - сжимаемость осадка, конструктивные возможности фильтра, прочность ФП), уменьшения толщины слоя осадка (ограничение - условия его съема), рационального подбора ФП и способа ее регенерации, а также снижением уд. сопротивления осадка. Последнее наиб. эффективно, т. к. обратно пропорционально квадрату диаметра твердой частицы и достигается применением коагулянтов и флокулянтов и рациональным приготовлением суспензии. Продолжительность Ф. находят из ур-ния:

или из ур-ния (3) и его аналогов:

Промывка осадка - замена фильтрата в порах осадка чистым р-рителем; сопровождается гидродинамич. процессами поршневого вытеснения и смешения двух жидкостей, а также диффузионными и др. процессами. График зависимости отношения концентраций вымываемых в-в в вытекающей промывной жидкости (с) и фильтрате (с ₀) от отношения объемов промывной жидкости и пор осадка (V _пр/V _пор) наз. кривой промывки (рис. 1).

Для режима идеального вытеснения скорость течения промывной жидкости V _пр определяют по скорости промывки в конце Ф. с корректировкой на изменение вязкости. В этом случае при V _пр/V _пор= 1 должно вытесняться 100% фильтрата (примесей). В действительности в осадке последовательно происходят процессы вытеснения, смешения и диффузии, вследствие чего удаляются 35-90% примесей. Для извлечения 90-99% примесей в хим. произ-вах соотношение V_np/V_nop обычно поддерживается в пределах 2,5-5,0. Продолжительность промывки (V' _пр - конечный объем промывной жидкости) определяют, как правило, экспериментально.

Рис. 1. Кривые промывки осадков: 1 - идеальное вытеснение; 2 - реальный процесс.

Процесс диффузии, движущей силой к-рого является разность указанных выше концентраций , может лимитировать как так и кол-во вымываемого в-ва. Время диффузии находят по ф-ле: , где D - коэф. диффузии;- толщина диффузионного пограничного слоя; S' -площадь пов-сти раздела фаз. При обработке агрегированных и высокодисперсных осадков в них за счет физ.-хим. процессов образуются трещины, что существенно увеличивает расход жидкости и снижает эффективность промывки. Последнюю интенсифицируют, ре-пульпируя осадок в промывной жидкости; при этом ускоряется диффузия, а фильтрат извлекается из тупиковых и межагрегатных пор. Перспективны многократное взмучивание при противотоке твердой фазы и промывной жидкости, а также дробная промывка с использованием фильтрата от предыдущих операций.

Обезвоживание осадка - удаление жидкой фазы (фильтрата или промывной жидкости) из пор осадка независимо от того, состоит эта фаза из воды или др. жидкости. Осадок обезвоживают продувкой сжатым газом или паром, а также путем мех. отжима. Продувкой удаляют избыточную (свободную) и часть капиллярной влаги. Ее кол-во зависит от давления газа, к-рое должно превышать капиллярное давление. Для осадков крупнокристаллических и средней дисперсности связь между параметрами процесса описывается зависимостью: , где w - влажность продутого осадка; w₁ - влажность слоя осадка толщиной = 1 см при его просушке в течение 1 с под давлением 0,1 МПа; - эмпирич. константа. При продувке газом высокодисперсных осадков их структура изменяется по закономерностям, близким к отжиму.

Механический отжим производят валками, вибрационными устройствами, ФП, эластичными мембранами (диафрагмами) и обычно применяют для обезвоживания структурированных осадков. При этом агрегаты разрушаются, твердые частицы перемещаются относительно друг друга, а иногда и деформируются; толщина слоя осадка уменьшается. Кинетика процесса (зависимость объема жидкости V _д от продолжительности отжима диафрагмой ) описывается ур-нием: , где n и m - константы. Очевидно, что при (предельный объем жидкости). Отношение V _Д/V _Д,,П = Е _Д наз. степенью обезвоживания. В зависимости от Е _д продолжительность процесса описывается ур-нием: =E _д(n/m)(1 - Е _д). При = const влажность осадка зависит от давления Ф. (р)и давления отжима (р _д): w = w₁ р ^-а + B _д( р Ч р _д), где w₁ - влажность осадка, отжатого при р = р _д=1; аи В _д - константы. Обычно р _д>r, что способствует снижению w. Для предотвращения "капсюлиро-вания" (образования на границах слоя очень плотного, практически непроницаемого осадка) увеличивать р _д рекомендуется постепенно.

Фильтровальные перегородки

ФП должны обладать хорошей задерживающей способностью, незначит. гидравлич. сопротивлением, физ.-мех. прочностью, хим. стойкостью, большой пористостью и равномерным распределением пор по размерам, сохранять проницаемость при многократном Ф., легко регенерироваться, а при

Ф. с закупориванием пор - быть достаточно "грязеемкими". Осн. фильтрационные характеристики: вид материала, водопроницаемость, воздухопроводность, пористость, прочность, рабочее давление, масса 1 м ², линейные размеры.

Гибкие ФП - тканые, трикотажные, сетчатые, нетканые и др. Тканые ФП изготавливают из натуральных (хлопок, шерсть, шелк), искусственных (ацетаты целлюлозы, вискоза), синтетических (полиакрилонитрил, полиамиды, поливинил-хлорид, полиэфиры и др.), силикатных (асбест, стекло) и металлических (W, Mo, сплавы и т. д.) волокон и нитей.

Различают полотняные, саржевые и атласные (сатиновые) ткани. Полотняные ткани характеризуются высокой задерживающей способностью, равномерным распределением пор, большой прочностью, незначит. деформацией при растяжении. Саржевые ткани обладают большей проницаемостью и грязеемкостью, но меньшей прочностью, чем полотняные ткани, и хорошей задерживающей способностью. Сатиновые ткани по последним двум показателям уступают саржевым. Ворсование и каландрование повышают задерживающую способность и соотв. ухудшают или улучшают условия съема осадка.

Трикотажные ФП по эксплуатац. характеристикам близки к атласным тканям, но имеют меньшую задерживающую способность и сопротивление, а также сильно деформируются при растяжении. Перспективны бесшовные рукава для патронных фильтров.

Сетки фильтровые изготавливают из полимерных мононитей и металлов аналогично полотняным и саржевым тканям и используют для Ф., а также в качестве опоры для более плотных ФП с целью увеличения производительности фильтров. Нетканые ФП вырабатывают из тех же волокон (или их смесей), что и тканые перегородки, иглопробивным либо клеевым методами или формованием из расплавов. Нетканые ФП превосходят тканые по грязеемкости, пористости, задерживающей способности (за счет извилистости пор), проницаемости, но существенно уступают им по мех. прочности, регенерируемости и условиям съема осадка. К нетканым ФП близки по св-вам перегородки одноразового пользования - фильтровальные бумаги (непроклеенные бумаги из хл.-бум. волокна, зольность к-рых не превышает 0,8) и картон, отличающиеся дешевизной и доступностью. Подробнее о св-вах, получении, отделке и применении волокон см., напр., Волокна природные, Волокна химические.

Негибкие ФП м. б. жесткими и нежесткими. Жесткие ФП (керамика и металлокерамика, пористые пластмассы и металлы и др.) выпускаются в виде цилиндров (патронов), плит, листов толщиной 0,2-50 мм и тончайших нитей (ме-таллич. войлок) и отличаются постоянством структуры при изменении давления, хорошей задерживающей способностью, грязеемкостью (от незначительной - керамика, до повышенной - пластмассовые патроны), эффективностью регенерации 70-100% (за исключением трудно регенерируемой керамики и нерегенерируемых патронов одноразового пользования).

Нежесткие ФП бывают намывными (наиб. распространены) и насыпными (слои из песка, гравия, кокса, каменного угля и т. п. с толщиной загрузки до 1 м; регенерируются обратным током фильтрата).

Намывные ФП - инертные тонкозернистые или волокнистые слои фильтровальных вспомогат. в-в (ФВВ), образующих при осветлительном Ф. малоконцентрир. суспензий пористый осадок. ФВВ добавляют в суспензию, предварительно наносят на ФП или комбинируют оба способа. Материалами для ФВВ служат, как правило, подвергнутые термообработке, размолу и классификации по сортам диатомит, перлит, угли, целлюлоза, а также древесная мука, отбеливающие земли (глины), глинозем, отходы произ-в волокнистых материалов.

Слой ФВВ обладает хорошими проницаемостью и задерживающей способностью, может предотвращать забивку пор ФП, обеспечивает получение качеств. фильтрата в начале Ф. Слой намывают путем многократной циркуляции через фильтр суспензии ФВВ в чистом фильтрате или близкой по св-вам жидкости. Св-ва слоя можно регулировать изменением концентрации ФВВ: чем она ниже, тем меньше пористость и выше задерживающая способность. Эффективно также смешение разл. ФВВ и их разных сортов.

Намывные слои бывают одноразовыми и обновляемыми (см. ниже). В последнем случае, если при Ф. происходят интенсивное закупоривание пор намывного слоя и образование на нем слоя осадка, ФВВ добавляют в суспензию. В результате увеличиваются пористость и проницаемость, а также улучшаются реологич. св-ва осадка. При этом дисперсность и кол-во ФВВ выбирают близкими соответствующим параметрам мех. примесей. Правильность выбора дозы ФВВ оценивают по значению в ур-нии (3) показателя степени b(0,55-0,75): меньшие значения свидетельствуют о Ф. с закупориванием пор, большие - о передозировке.

Промышленные фильтры По способу создания разности давлений пром. фильтры подразделяются на фильтры, работающие под вакуумом (вакуум-фильтры, = 0,06 - 0,08 МПа), и фильтры, работающие под давлением (= 0,3 - 0,5 МПа); по способу функционирования - на фильтры периодич. и непрерывного действия. В последних ФП обычно перемещается, процесс (подача суспензии и получение продуктов разделения) осуществляется непрерывно, а все операции проводятся последовательно. В данном разделе рассмотрены осн. типы фильтров, применяемых в хим. произ-вах.

Вакуумные фильтры непрерывного действия. Барабанные вакуум-фильтры (БВФ, рис. 2) с наружной фильтрующей поверхностью более распространены и используются для разделения среднефильтрующихся суспензий с незначит. (до 18 мм/с) скоростью осаждения грубой фракции твердой фазы; степени обезвоживания осадка и его отмывки ограничены. БВФ - покрытый фильтровальной тканью (сеткой), полый перфорированный барабан, вращающийся с частотой от 0,01-0,03 до 0,9 мин ^-1; барабан погружен под углом 50-200° в емкость (корыто) с суспензией. Между барабаном и днищем емкости размещена качающаяся мешалка для предотвращения осаждения твердых частиц в корыте. Пространство под ФП, часто разделенное на секции, через распределит. устройство сообщается при вращении барабана с источниками вакуума и сжатого воздуха. При этом образуются зоны Ф., промывки, просушки и продувки осадка, отдувки и регенерации ФП. Отфильтрованный и промытый осадок снимается обычно ножом, реже шнурами или полированным валиком. БВФ может снабжаться устройством для заглаживания трещин и отжима осадка, состоящим из бесконечной ленты неплотной ткани и системы направляющих роликов.

БВФ со сходящей тканью отличаются от описанных тем, что бесконечная тканая лента в зоне Ф. и просушки осадка свободно огибает барабан, затем отделяется от него, перемещается между разгрузочным, промывочным и направляющим роликами, где происходят ножевой съем осадка и ее регенерация, и возвращается в зону Ф. Эти фильтры позволяют удалять осадки толщиной до 1 мм и качественно регенерировать ФП. Другая разновидность БВФ - безъячейковые фильтры с намывным слоем ФВВ и устройством для микроподачи ножа. Слой ФВВ толщиной = 50-100 мм, намываемый на сетку, служит для осветлительного Ф. с образованием осадка. Последний вместе с тонким слоем ФВВ срезается передвижным ножом со скоростью 0,05-0,25 мм