Фильтрование


Дата добавления: 2014-07-19 | Просмотров: 1677


<== предыдущая страница | Следующая страница ==>

 

12.1. Разделение в поле сил давления

 

12.1.1. Общие положения

 

Фильтрованием называют процесс разделения суспензий с использованием пористых перегородок, которые задерживают твердую фазу суспензии и пропускают ее жидкую фазу.

Разделение суспензий производят при помощи фильтра (рис. 12.1), который в простейшем виде является сосудом, разделенным на две части фильтровальной перегородкой.

 

Рис. 12.1. Схема процесса фильтрования:

1 – фильтр; 2 – фильтровальная перегородка; 3 – суспензия;

4 – фильтрат; 5 – осадок

 

Суспензию помещают над фильтровальной перегородкой. Под действием силы тяжести (разности давлений) жидкая фаза проходит через фильтровальную перегородку. Твердая фаза в виде осадка задерживается на фильтровальной перегородке. Через некоторое время суспензия разделяется на фильтрат и влажный осадок.

Процесс фильтрования суспензий в зависимости от размеров и концентрации твердых частиц и размеров пор фильтровальной перегородки может протекать по различным механизмам.

 

а б в г

 

Рис. 12.2. Возможные варианты взаимодействия между

частицами и фильтровальной перегородкой:

а – твердая частица по размерам больше размеров пор;

б – твердая частица по размерам меньше размеров пор;

в – твердые частицы по размерам соизмеримы с размерами пор;

г – образование сводиков из нескольких частиц, по размерам меньших размеров пор

Если размеры частиц суспензии (рис. 12.2, а) превышают размеры пор перегородки, то частицы не проникают внутрь ее, а образуют осадок, толщина слоя которого возрастает по мере увеличения количества профильтрованной суспензии. Такой процесс называют фильтрованием с образованием осадка.

Если размер частиц (рис. 12.2, б) меньше размера пор перегородки, то они проникают внутрь ее и либо удаляются вместе с осветленной жидкостью (фильтратом), либо задерживаются внутри капилляров фильтровальной перегородки вследствие механического торможения или действия сил притяжения. За счет проникновения частиц внутрь пор размер их уменьшается и перегородка оказывается способной задерживать мелкие частицы, образующие осадок. Такой процесс определяют как фильтрование с частичным закупориванием пор и образованием осадка.

Частицы малых размеров, соизмеримые с размерами пор (рис. 12.2, в), способны проникать в поры до практически полного их закупоривания. Этот процесс называют фильтрованием с закупориванием пор. Он наблюдается обычно при фильтровании суспензии с малым содержанием тонкодисперсной твердой фазы. Закупоривание пор приводит к увеличению гидравлического сопротивления перегородки и уменьшению скорости процесса. Кроме того, уменьшается срок службы фильтровальной перегородки.

При относительно большом содержании дисперсной фазы в суспензии частицы размером меньше размеров пор могут образовать перед входом в них сводики из мелких частиц, препятствующие проникновению этих частиц внутрь пор.

Во всех случаях процесс фильтрования стремятся организовать так, чтобы он протекал с образованием осадка и, по возможности, исключалась закупорка пор фильтровальной перегородки. В связи с этим в последнее время широко используются специальные вспомогательные вещества, особенно для фильтрования разбавленных суспензий. Эти вещества образуют на перегородке осадок, улавливающий мелкие частицы. В качестве вспомогательных веществ, представляющих собой тонкодисперсные или тонковолокнистые материалы, используют диатомит, перлит, асбест, целлюлозу, активированный уголь, древесную муку.

Вспомогательные вещества предварительно наносят на фильтровальную перегородку в виде слоя толщиной не более 50 мм или в количестве около 1% от массы суспензии добавляют к ней перед разделением на фильтре.

В действительности, поскольку размер частиц по размерам в суспензии может изменяться в широких пределах, то процесс фильтрования может идти по всем механизмам.

Осадки, получаемые на фильтровальной перегородке при разделении суспензий, подразделяют на несжимаемые и сжимаемые. Под несжимаемыми понимают такие осадки, в которых пористость, т.е. отношение объема пор к объему осадка, не уменьшается, а их гидравлическое сопротивление потоку жидкой фазы возрастает с увеличением разности давлений. К числу несжимаемых можно отнести осадки, состоящие из частиц неорганических веществ размером более 100 мкм, например из частиц песка, кристаллов карбоната кальция и бикарбоната натрия. К сильно сжимаемым относятся осадки гидратов окисей металлов, например алюминия, железа, меди, а также осадки, состоящие из легко деформируемых агрегатов, которые образуются из первичных мелких кристаллов.

Для получения относительно трудно деформируемых агрегатов из тонкодисперсных первичных частиц суспензий к ней добавляют перед ее разделением на фильтре различные коагулянты и флокулянты. Объединение тонкодисперсных частиц в более крупные агрегаты приводит к увеличению размера пор в осадке, соответствующему уменьшению его гидравлического сопротивления и повышению скорости фильтрования.

Скорость фильтрования. Обычно ввиду небольшого размера пор в слое осадка и фильтровальной перегородки, а также малой скорости движения жидкой фазы в порах можно считать, что фильтрование протекает в ламинарной области. Как показывает опыт (рис. 12.3), при таком условии скорость фильтрования в каждый данный момент прямо пропорциональна разности давлений, но обратно пропорциональна вязкости жидкой фазы и общему гидравлическому сопротивлению слоя осадка и фильтровальной перегородки.

 

Рис. 12.3. К выводу уравнения фильтрования

 

Так как в общем случае в процессе фильтрования значения разности давлений и гидравлического сопротивления слоя осадка с течением времени изменяются, переменную скорость фильтрования (м/с) выражают в дифференциальной форме:

. (12.1)

В соответствии с изложенным выше, основное дифференциальное уравнение фильтрования имеет вид:

 

, (12.2)

где V – объем фильтрата, м3;

S – поверхность фильтрования , м2;

t – продолжительность фильтрования, с;

DР – разность давлений, Па;

m – вязкость жидкой фазы суспензии, Па *с;

Rос – сопротивление слоя осадка, м-1;

R фп – сопротивление фильтровальной перегородки, м-1.

 

Уравнение (12.2) является частным случаем более общего закона, в соответствии с которым скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению (например, закон Ома в электротехнике). В данном случае разность давлений представляет собой движущую силу, а общее сопротивление складывается из сопротивлений осадка (Rос) и сопротивлений фильтровальной перегородки (Rфп). Оба указанных сопротивления являются сложными функциями многих переменных. Так, величина Rос тем больше, чем меньше пористость осадка и больше удельная поверхность составляющих его твердых частиц; на величину Rос влияют также размер и форма частиц и высота слоя осадка hос.

В производственных условиях под фильтрованием понимают не только операцию разделения суспензии на фильтрат и осадок с помощью пористой перегородки, но и последующие операции промывки, продувки и сушки осадка на фильтре.

Промывку осадка выполняют способами вытеснения и разбавления.

Способ вытеснения состоит в том, что промывную жидкость заливают на поверхность осадка в виде слоя или подают в диспергированном состоянии из разбрызгивающих устройств, причем промывная жидкость под действием разности давлений проходит сквозь поры осадка, вытесняет из них жидкую фазу и смешивается с ней. Этот способ применяется, когда осадок промывается легко и не содержит пор, недоступных для промывной жидкости.

Способ разбавления характеризуется тем, что осадок снимается с фильтровальной перегородки и перемешивается с промывной жидкостью в сосуде, снабженном мешалкой, после чего образовавшаяся суспензия разделяется на фильтре. Такой способ применяют, если осадок промывается трудно.

В результате промывки получают достаточно разбавленную смесь жидкой фазы суспензии и промывной жидкости. Если жидкая фаза содержит ценные вещества, их извлекают из полученной смеси кристаллизацией, выпариванием или ректификацией. Поэтому желательно, чтобы расход промывной жидкости был по возможности невелик, а концентрация растворенных в ней ценных веществ была насколько возможно высока. При однократной (одноступенчатой) промывке объем промывной жидкости в 1,5 – 2 раза превышает объем жидкой фазы, оставшейся в порах осадка после разделения суспензии. При многократной (многоступенчатой) промывке, которую можно выполнять способами вытеснения и разбавления, осадок последовательно промывают, используя промывную жидкость со все возрастающей концентрацией растворенных в ней ценных веществ. При этом свежая промывная жидкость поступает на почти промытый осадок, а наиболее концентрированная – на еще не промывавшийся. Так осуществляют многоступенчатую противоточную промывку осадка.

Продувку осадка производят с целью вытеснения из его пор оставшейся промывной жидкости. Для продувки обычно используют воздух, а также инертные газы (азот, окись углерода), если в осадке присутствует вещество, дающее с воздухом взрывчатую смесь. Продувкой можно удалить только часть жидкости из пор осадка до достижения равновесной влажности.

Сушку осадка на фильтре нагретым или предварительно осушенным воздухом применяют, когда желательно получить на фильтре осадок с еще меньшей окончательной влажностью.

 


1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 |

При использовании материала ссылка на сайт Конспекта.Нет обязательна! (0.049 сек.)