учебник по ОПОВ

2.12Фильтры

Фильтрация (фильтрование) – это процесс разделения суспензий при помощи пористой перегородки, пропускающей жидкость и задерживающей взвешенные в ней твердые частицы. Твердые частицы образуют осадок, а очищенная жидкость – фильтрат – проходит через перегородку.

Различают следующие виды фильтрации:

фильтрование с образованием слоя осадка на фильтровальной перегородке;

сгущение – отделение твердой фазы от жидкой не в виде осадка, а в виде высококонцентрированной (сгущенной) суспензии;

осветление – фильтрование жидкостей с незначительным содержанием твердой фазы.

Наиболее широко применяется фильтрация с образованием осадка.

Пористая перегородка и образующийся слой осадка состоят из множества мелких каналов или капиллярных трубок. Скорость фильтрования определяется перепадом давления до фильтрующей перегородки и после неё. Перепад давления является движущей силой процесса фильтрации. Перепад давления может возникать в результате повышения давления перед фильтрующей перегородкой или путем создания вакуума за перегородкой.

Материал фильтрующих перегородок выбирают в зависимости от размера твердых частиц и агрессивности разделяемых сред. Это могут быть волокнистые материалы: хлопчатобумажные, шелковые, шерстяные ткани, стекловата; ткани из искусственных и синтетических волокон; металлические сетки из коррозионностойкой стали или бронзы. Кроме этого, в качестве фильтрующих перегородок используют мелкозернистые материалы (песок, гравий), пористые керамические тела (плитки, цилиндры, кольца). Например, тканевые перегородки из хлопчатобумажных тканей (бязь, бельтинг) используют для фильтрации слабокислых, слабощелочных и нейтральных жидкостей; из шерсти (сукно) – для фильтрования кислых жидкостей при температуре фильтрования < 40 °C; из металлических тканей (сетки из стали, никеля) – для фильтрования сильнощелочных жидкостей. Один из распространенных приемов фильтрования

– использование самого осадка в качестве фильтрующей перегородки.

Осадки, которые образуются на поверхности фильтрующей перегородки, подразделяются на сжимаемые и несжимаемые осадки. Частицы сжимаемых осадков деформируются, размер их пор уменьшается с повышением давления. Размер и форма частиц несжимаемых осадков не изменяется с повышением давления. Характер осадка и его толщина являются основными факторами, определяющими производительность фильтра. Главную роль в процессе фильтрации играет не сопротивление перегородки (фильтровальной ткани), а сопротивление самого осадка. В начале процесса фильтрующая перегородка обладает низкой задерживающей способностью, и первые порции фильтрата

260

могут быть мутными. По мере накопления осадка задерживающая способность возрастает, и фильтрат получается более качественным. В процессе фильтрования толщина осадка возрастает. Поры фильтрующей перегородки забиваются. Сопротивление возрастает, скорость фильтрации снижается. Процесс прекращают, когда сопротивление возрастет настолько, что проведение процесса становится нецелесообразным. Для полного удаления фильтрата из осадка его промывают на фильтре.

Различают кристаллические и аморфные осадки. Кристаллические осадки хорошо фильтруются, так как между кристаллами остаются поры, по которым проходит жидкость. Аморфные липкие осадки фильтруются плохо. Некоторые осадки при повышении давления могут сжиматься, дополнительно увеличивая свое сопротивление. С учетом природы осадка выбирают перепад давления. Те осадки, которые фильтруются хорошо, не требуют высокого давления. Для них достаточно часто гидростатического давления небольшого слоя жидкости. Процесс фильтрования в промышленности состоит из следующих стадий:

подача суспензии на фильтр;

собственно фильтрование;

отвод фильтрата и выгрузка осадка;

регенерация фильтровальной перегородки (очистка, промывка, сушка).

Все стадии могут быть проведены как периодически, так и непрерывно. Фильтры периодического действия менее производительны, разгрузка осадка в них затруднена. Однако простота их устройства обусловливает их применение в различных отраслях промышленности.

Рис.2.12.1. Классификация фильтров

261

2.12.1 Фильтры периодического действия

Наиболее распространенными фильтрами периодического действия являются нутч- и друк-фильтры.

Нутч-фильтр, работающий под вакуумом представляет собой открытый цилиндрический резервуар с плоским дном, на которое укладывается фильтрующий материал. Суспензию заливают в полость аппарата на поверхность фильтрующей перегородки. Из нижней полости корпуса вакуумнасосом отсасывают воздух, создавая вакуум, который и является движущей силой процесса. Фильтрат самотеком вытекает из аппарата (рис.2.12.2, а). Основным недостатком таких фильтров является ручная выгрузка осадка. В некоторых конструкциях нутч-фильтров предусмотрены мешалки для механизированной выгрузки осадка.

Друк-фильтры отличаются от нутч-фильтров тем, что они работают под давлением. Такие фильтры представляют собой герметичные сосуды со съемной верхней частью. Движущей силой процесса фильтрования в них служит давление газа на поверхности суспензии. В закрытую полость аппарата компрессором нагнетают воздух. Под давлением воздуха фильтрат проходит через фильтрующую перегородку. Осадок накапливается на фильтрующем материале и удаляется после завершения работы фильтра вручную (рис. 2.12.2, б).

Рис. 2.12.2. Устройство нутч-фильтра (а) и друк-фильтра (б):

1- корпус; 2- фильтрующая перегородка; 3 - люк для выгрузки осадка; 4- крышка; С- суспензия; О - осадок; В - воздух; Ф - фильтрат

Достоинства: простота работы; долговечность; возможность равномерной и полной промывки осадка, т.к. промывную жидкость; можно распределить по всей поверхности осадка.

Недостатки: полезная поверхность фильтрования невелика; при их эксплуатации невозможно избежать использования ручного труда; применяют для разделения небольших объемов суспензии.

262

Значительно большую производительность обеспечивают рамные фильтрпрессы. Фильтр-прессы предназначены для обезвоживания осадка сточных вод разделения суспензий, обезвоживания шлама. Данный тип фильтров распространен в промышленности благодаря большой фильтрующей поверхности, относительно низкой материалоемкости, возможности получения хорошо отжатых осадков, влажность которых не превышает 75%. Основные типы фильтр-прессов – рамные и камерные.

Фильтр-прессы рамные различных конструкций (рис.2.12.3.) состоят из пакета фильтровальных плит - элементов, которые зажимаются между неподвижной опорной и подвижными полипропиленовыми плитами с надетым на них фильтровальным материалом. Фильтрационные элементы опираются кронштейнами на опорные балки фильтр-пресса. Фильтровальные плиты изготавливают, как правило, квадратной формы 400*400 мм, 630*630 мм и 800*800 мм. Все плиты имеют на поверхности рифления для отвода фильтрата и углубления для сбора осадка.

С целью подачи и удаления осадка в плитах предусмотрены сквозные отверстия. При сборке фильтровальных плит в пакет сквозные отверстия образуют каналы для подачи суспензии, отвода фильтрата и просушки обезвоженного осадка сжатым воздухом для дополнительного снижения влажности. На неподвижной зажимной плите из нержавеющей стали находятся отверстия, соответствующие каналам и штуцера для подсоединения трубопроводов. Между плитами располагаются полотна фильтровальной ткани, в которых также находятся аналогичные отверстия.

Суспензию под давлением 6 -7 бар подают по каналам в камеры фильтр-пресса до заполнения свободного пространства осадком. Осадок при необходимости промывают, подавая воду по каналу, через который движется поток суспензии. Затем его обезвоживают продувкой сжатым воздухом под давления 6 -7 бар.

Выгрузка осадка производится при разборе пресс-фильтра путем поочередного отодвигания фильтровальных плит. Большинство фильтр - прессов работает автоматически.

Рис.2.12.3. Фильтр-пресс

263

Автоматизированный камерный фильтр-пресс башенного типа представлен на рис. 2.12.4.

Такие фильтры предназначены для фильтрования под избыточным давлением тонкодисперсных жидкотекучих суспензий, содержащих от 50 до 2000 кг/м3 взвешенных частиц с плотностью твердой фазы до 5000 кг/м3.

Камерный фильтр-пресс состоит из горизонтальных щелевых сит, установленных друг над другом. По поверхности сита может перемещаться лента из фильтровальной ткани, которая приводится в движение и направляется барабанами аналогично ленточным транспортерам. При прохождении такого фильтра после загрузки суспензии осадок последовательно отжимается, промывается, продувается воздухом (высушивается) и разгружается. Разгрузка осадка может происходить путем срезания его ножами с транспортерной ленты.

Рис.2.12.4. Автоматический камерный фильтр-пресс

2.12.2 Фильтры непрерывного действия

Фильтры непрерывного действия имеют более высокую производительность. Разгрузка осадка в них механизирована. Фильтры непрерывного действия обычно работают под вакуумом. Однако есть и фильтры, работающие под давлением. Из различных типов фильтров непрерывного действия наиболее распространенными являются барабанные, дисковые и ленточные фильтры.

Барабанные фильтры непрерывного действия

Основным элементом барабанного вакуум-фильтра является вращающийся барабан, покрытый фильтровальной тканью, внутри которого вакуум-насосом создается разрежение (рис.2.12.5.). Барабан погружен в корыто с суспензией. Внутренняя полость барабана разделена на секции. Каждая внутренняя секция соединена с распределительными головками, которые автоматически соединяют

264

секцию с вакуум-насосом или компрессором. При вращении барабана каждая секция последовательно проходит все фазы непрерывного процесса: 1 - фильтрацию (всасывание раствора из корыта); 2 – промывку осадка; 3 – сушку осадка; 4 – съем осадка; 5 – продувку фильтра.

Рис. 2.12.5. Барабанный вакуум-фильтр непрерывного действия: 1 — барабан; 2 — перегородки; 3 — распределительная головка (золотниковый механизм); 4 — корыто; 5 — нож для срезания осадка; 6 — распределитель воды для промывания

Первая и вторая фазы осуществляются под вакуумом, четвертая и пятая фазы – под давлением. Важной деталью таких фильтров является распределительная головка, при помощи которой производится чередование циклов фильтрации. Головка обычно состоит из двух тщательно пришлифованных дисков: вращающегося и неподвижного. Отверстия подвижного диска, связанные с соответствующими секциями барабана, при вращении последовательно соединяются с отверстиями неподвижного диска. В процессе фильтрации под фильтрующей поверхностью создается разрежение. В результате перепада давлений жидкость через фильтрующую ткань проходит во внутреннюю полость барабана, а осадок остается на его наружной поверхности. Во время движения вверх осадок промывается, затем продувается воздухом и срезается ножом.

Недостатком барабанного вакуум-фильтра является то, что суспензия при фильтровании движется снизу вверх, в то время как осаждение суспензии под действием силы тяжести направлено в противоположную сторону. Для предотвращения осаждения крупных частиц в корыте устанавливают качающуюся мешалку. Такой недостаток отсутствует у фильтров с внутренней поверхностью фильтрации. В таком фильтре секции с отводящими трубками расположены на наружной поверхности барабана, а фильтрующая ткань находится внутри него. Суспензия поступает внутрь барабана и в нижнюю его часть. Смена циклов работы такая же, как и в барабанном фильтре с наружной поверхностью фильтрации. Осадок, срезаемый ножом, падает в бункер, расположенный внутри барабана. Выгружается с помощью шнека через открытую торцевую сторону барабана.

265

Промышленные варианты барабанных фильтров приведены на рис 2.12.6

Рис.2.12.6.Барабанные фильтры тонкой очистки промышленного исполнения.

Дисковый фильтр (рис.2.12.7.) состоит из ряда дисков, насаженных на пустотелый вал. Каждый диск состоит из профильного каркаса, на который натянута сетка и фильтрующая ткань, а также имеет патрубок для отвода фильтрата. Вал с дисками медленно вращается в корыте с суспензией. Суспензию подают по трубе. Фильтрат проходит через ткань внутрь диска и отводится через отводные трубы в общий коллектор. После того, как будет достигнута предельная толщина осадка, фильтрацию прекращают, и осадок промывают. После промывки оставшуюся жидкость выдавливают сжатым воздухом. Осадок просушивают воздухом. Нижнюю половину корпуса открывают и извлекают осадок вручную – срезают ножами с поверхностей дисков. Схема циклов работы такая же, как и у барабанного фильтра. По сравнению с барабанными фильтрами дисковые фильтры имеют более развитую поверхность.

Рис.2.12.7. Дисковые фильтры

Ленточный фильтр (рис.2.12.8.) состоит из металлической станины, на которой укреплены два барабана: приводной и натяжной. Между барабанами натянута резиновая лента специального профиля с рифленой поверхностью. К ленте плотно прилегает фильтрующая ткань. По краям ленты ткань закрепляется в специальных пазах. Вдоль оси ленты расположены сквозные отверстия, через которые выводится фильтрат.

266

Рис.2.12.8. Схема устройства ленточного фильтра

Суспензия подается в начало ленты. Примерно в средней части на ленту подается промывная жидкость. Через отверстия в ленте фильтрат проходит в расположенный под лентой специальный отсек вакуумной камеры. Образовавшийся осадок промывают. Промывные воды отводят в следующие отделы вакуум-камеры. Выгружают осадок на последнем барабане. Промышленные варианты ленточных фильтров показаны на рис.2.12.9.

Рис.2.12.9. Ленточные пресс-фильтры

2.12.3 Контрольные вопросы по теме «Фильтры»

Из каких операций складывается рабочий цикл барабанного фильтра?

Какие преимущества имеет барабанный вакуум-фильтр с внутренней фильтрующей поверхностью по сравнению с фильтрами с наружной фильтрующей поверхностью?

Чем определяется выбор материалов для фильтрующих перегородок? Приведите примеры таких материалов для различных условий фильтрования.

Каковы функции осадка при фильтровании?

Что является движущей силой процесса фильтрования, и какими способами её создают?

Как устроены нутч-фильтры и рамные фильтр-прессы?

Назовите известные конструкции механизированных фильтров.

Как действует автоматический камерный фильтр-пресс?

267

2.13Пылеочистители

2.13.1 Пылеулавливание

Очистка газовых неоднородных систем в химической технологии осуществляется с целью защиты атмосферного воздуха от вредных примесей, предупреждения загрязнения основного продукта, засорения технологической аппаратуры. Выбор метода разделения газовых неоднородных систем обуславливается, главным образом, размерами взвешенных частиц дисперсной фазы, разностью плотностей дисперсной и сплошной фаз, а также вязкостью сплошной фазы.

ВЭстонии можно выделить следующие антропогенные источники пыли:

Горнодобывающая промышленность (добыча сланца, фосфоритов, песка

вкарьерах, известняка);

Химическая промышленность (производство твердых удобрений – склады, отделы гранулирования);

Сланцехимическая промышленность;

Процессы сжигания твердых топлив (в частности сланца);

Промышленность стройматериалов (производство цемента, строительных блоков);

Химико-фармацевтическая промышленность (производство порошкообразных лекарственных препаратов);

Резинотехническая промышленность;

Деревообработка (производство мебели, пиломатериалов);

Текстильная промышленность.

Пыли – это взвешенные в газах мелкодисперсные твердые частицы, относящиеся к аэрозолям.

Физико-химические свойства пылей

Эффективность систем газоочистки во многом зависит от физико-химических свойств пыли и от основных параметров газовых потоков.

Плотность кг/м3 - это важный физический параметр пыли, от которого зависит эффективность работы пылеуловителей. Чем больше диаметр пыли, тем более эффективно происходит ее удаление под действием сил тяжести, инерции и центробежных сил. Принято рассматривать истинную, насыпную и кажущуюся плотности.

268

Истинная плотность частицы представляет собой отношение массы монолитной частицы к занимаемому ею объему.

Кажущаяся плотность частиц представляет собой отношение массы частиц к занимаемому ими объему, включая поры, пустоты, неровности.

Насыпная плотность пыли, в отличие от истинной, учитывает наличие воздушных зазоров между частицами свеженасыпанной пыли. Насыпной плотностью пользуются для определения объема, который занимает пыль в бункерах в первое время до начала ее слеживания. Насыпная плотность слежавшейся пыли обычно в 1,2−1,5 раза больше, чем у свеженасыпанной.

Дисперсность (фракционный состав). Характеризуется диаметр для всех сферических частиц или эквивалентный диаметр для частиц произвольной формы.

Адгезионные свойства пыли. Учитывается склонность пыли к слипаемости. Слипаемость пыли особенно мелкодисперсной повышается с повышением влажности.

По слипаемости пыль делится на следующие группы:

неслипаемые пыли (кварцевая пыль, сухая глина),

слабослипающиеся (коксовая пыль),

среднеслипающаяся (сухой цемент, мучная пыль, сажа),

сильнослипающаяся (цементная пыль во влажном газе, хлопковая пыль, асбестовая пыль).

Повышенная слипаемость пыли приводит к забиванию бункеров, газоходов и самих пылеуловителей пылью.

Сыпучесть. Связана со слипаемостью, чем больше слипаемость, тем меньше сыпучесть.

Абразивность пыли. Способность истирать металлы. Абразивность характеризуется износом металлического корпуса аппарата от трения частиц пыли.

Гигроскопичность. Способность поглощать влагу из воздуха. Для сухих способов очистки является отрицательным фактором, так как происходит налипание пыли в аппарате, при мокром способе очистки является положительным.

Смачиваемость. Влияет на работу мокрых пылеуловителей. По характеру смачиваемости выделяют три группы пыли:

269