Фильтры для разделения суспензий

Для осуществления фильтрования необходимо создать разность давлений по обе стороны от перегородки, которая выполняет роль начального сопротивления для протекания процесса, поэтому скорость процесса фильтрования прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна сопротивлению пористой перегородки и осадка. Дополнительное сопротивление на фильтрующей перегородке возрастает при увеличении толщины осадка или закупоривании его частицами пористой фильтрующей перегородки, а также при одновременном увеличении толщины осадка и закупоривании пор его и перегородки. Наличие давления также приводит к увеличению сопротивления за счет сжатия осадка и пористой перегородки вследствие уменьшения в них пор для прохождения фильтрата и изменения их формы (из-за сжатия и сдвига).

Пористая перегородка создает при фильтровании первоначальное сопротивление, обусловлен вое вязкостью жидкой фазы (фильтрата), диаметром, формой поперечного сечения и извилистостью каналов пор. Это сопротивление может изменяться из-за набухания материала перегородки, изменения поверхностного натяжения системы жидкость - твердая перегородка, адсорбции жидкости на стенках, возникновения неподвижного слоя жидкости у стенок пор и электроосмотического потока жидкости, а также от частичного или полного перекрывания пор твердыми частицами суспензий.

Осадок создает обычно основную долю сопротивления протеканию процесса. Это сопротивление зависит в основном от структур и толщины осадка, на него влияют также физико-химические факторы системы жид- кость - твердое тело.

Структура осадков по крупности частиц изменяется, начиная от фильтрующей перегородки, где осаждаются самые мелкие частицы, проникающие в ее поры. Затем осаждаются более крупные частицы, но между ними располагаются и более мелкие, закупоривающие пространство между крупными частицами.

На протекание процесса фильтрования влияют две группы факторов: микрофакторы и макрофакторы. К макрофакторам относятся структура и геометрия фильтровальной перегородки и слоя осадка, вязкость фильтрата, разность давлений по сторонам фильтра; к микрофакторам -размеры и форма пор, по которым движется жидкость в осадке к фильтровальной перегородке.

Фильтрование суспензий обычно заканчивается промывкой и просушкой осадков. Эти процессы характеризуются гидродинамическими, а также массообменными и диффузионными явлениями.

Современная теория фильтрования базируется на законах капиллярной гидравлики, которые выражаются законами Дарси и Навье-Стокса. Для их применения процесс фильтрования подразделен на следующие виды: 1) процесс фильтрования образованием осадка; 2) процесс фильтрования закупориванием пор образующегося осадка; 3) процесс фильтрования промежуточного вида; 4) процесс фильтрования с постепенным закупориванием пор фильтрующей перегородки; 5) процесс фильтрования с полным закупориванием пор фильтрующей перегородки и уменьшением их числа.

Несмотря на различия между этими видами процессов фильтрования, их гидродинамику можно описать общим уравнением для гидравлического сопротивления К движению жидкости через фильтр (фильтровальную перегородку и осадок):

, (3.1)

где

, (3.2)

В этих выражениях V-объем фильтрата за время , = .(или , , , ) - коэффициенты, характеризующие каждый вид фильтрования; =0 2 - показатель степени для каждого вида фильтрования, чередующийся через 0,5 соответственно ряду перечисленных выше видов; - текущая скорость фильтрования.

Это уравнение может быть преобразовано к виду:

, (3.3)

откуда время фильтрования:

, (3.4)

где - начальная скорость фильтрования.

Для значений = 0; 0,5; 1,0; 1,5, соответственно первым четырем из указанных видов фильтрования, уравнение (3.4) можно проинтегрировать в общем виде и определить время фильтрования:

, (3.5)

При = 2 (фильтрование с полным закупориванием пор) интегрированием уравнения (3.4) находим:

, (3.6)

Материал фильтрующей перегородки. Выбор материала фильтрующей перегородки обусловлен степенью агрессивности фильтруемой суспензии и дисперстностью ее твердой фазы. Фильтрующие перегородки изготовляют из текстильных и волокнистых материалов: бязи, парусины, тика, сукна, шелка, асбеста, шлаковой и стеклянной ваты, бумаги и картона.

Для повышения кислотостойкости хлопчатобумажной ткани ее подвергают нитрованию. Шерстяные ткани устойчивы к кислотам, но разрушаются щелочами. Наиболее устойчивы фильтрующие перегородки из асбеста, шлаковой и стеклянной ваты, а также металлические сетки из бронзы и коррозионностойкой стали.

В качестве материала для зернистых или волокнистых перегородок применяют песок, инфузорную землю, кокс, уголь, целлюлозу и др. Такие перегородки используют в случаях, когда твердая фаза суспензии имеется в малом количестве и не используется после фильтрования.

В качестве жестких фильтрующих перегородок применяют керами-ческие фильтровальные камни, плитки, свечи и кольца, стойкие к действию кислот и щелочей и позволяющие получить чистый фильтрат. Коллоидные пленки или материалы изготовляют из нитроцеллюлозы, пергаментной бумаги и др. Эти фильтрующие перегородки имеют очень мелкие поры (13 мкм) и могут задерживать коллоидные частицы.

Классификация фильтров

Промышленные фильтры разделяются по режиму работы на фильтры периодического и непрерывного действия, а по величине рабочего давления на вакуумфильтры и фильтры, работающие под давлением.

Вакуумные
Периодического действия	Непрерывного действия
Нутч-фильтры открытые	Ленточные	Барабаные	Дисковые	Карусельные	Ленточные

 

Фильтры, работающие под давлением
Периодического действия	Непрерывного действия
Фильтрпрессы	Нутч-фильтры закрытые	Мешочные	Патронные	Барабанные	Дисковые

Типовые конструкции

3.2.1 Фильтры периодического действия.

Фильтрами периодического действия являются нутчфильтры, листовые фильтры, фильтрпрессы и патронные сгустители.

 

Автоматический камерный с механическим зажимом плит фильтрпрес

Он предназначен для фильтрования тонкодисперсных суспензий, содержащих от 5 до 500 кг/м твердых частиц, размерами не более 3 мм при температуре суспензий от 5 до 90 °С. Фильтр можно применять в химической, нефтяной, угольной, пищевой,.горнорудной и других отраслях промышленности.

Преимущества фильтра: развитая фильтрующая поверхность при незначительной занимаемой производственной площади; фильтрация и отжиме осадка в оптимальном слое под гидравлическим давлением до-15МПа. через гибкие диафрагмы, что резко снижает затраты сжатого воздуха на просушку осадка; незначительное время 1-2 мин - на вспомогательные операции (раскрытие плит, выгрузка осадка, закрытие пресса и др.), причем достигается хорошая регенерация фильтровальной ткани.

Фильтр полностью автоматизирован и механизирован, что позволяет быстро настраивать его на оптимальный технологический режим. Металлоемкость фильтрпресса ФПАКМ, отнесенная к единице производительности по фильтруемой суспензии в 2-3 раза меньше, чем у рамных прессов, а металлоемкость, отнесенная к 1м2 фильтрующей поверхности, ниже, чем у барабанных фильтров непрерывного действия.

Применение ФПАКМ позволяет увеличить производительность труда в 4-10 раз по сравнению с рамными фильтрпрессами периодического действия (один оператор может обслуживать до 10 фильтрпрессов) и резко сократить расход фильтровальной ткани.

Детали и узлы ФПАКМ изготовляют из углеродистых сталей при работе с щелочными и нейтральными средами и из стали Х18Н10Т и титана при работе о кислыми средами.

Автоматический фильтрпресс типа ФПАКМ (рисунок 37) состоит из набора горизонтально расположенных одна над другой фильтрующих рам 1, между которыми зигзагообразно протянута бесконечная лента фильтровальной ткани 2, приводимой в движение механизмом 10.

Рамы располагаются с зазором между верхней упорной 5 и нижней нажимной 7 плитами и могут быть сжаты механизмом зажима 8. Усилие зажима воспринимают стойки 6. Уплотнение между плитами, и рамами осуществляется резиновой прокладкой. Для натяжения ленты предназначено устройство 4.

1 - фильтрующие рамы; 2 - фильтровальная ткань: 3 - ножки: 4 - затяжное устройство; 5 - упорная плита; 6•- стойка: 7 - нижняя нажимная плита: 8 - механизм зажима; 9 - камера регенерации; 10 - механизм передвижения ткани.

Рисунок 37 - Автоматический фильтр-пресс ФПАКМ.

Съем осадка при движении ленты выполняют ножи 3 по обе стороны фильтрпресса, после снятия осадка лента проходит камеру регенерации 9. Фильтрующая рама (рисунок 38) состоит из двух частей - нижней со спиралями и отверстием для отвода фильтра и верхней, которая служит камерой для суспензии и осадка. Рамы имеют бобышки, образующие при их сжатии коллектор подачи и коллектор отвода.

1 - коллектор: 2 - фильтровальная ткан: 3 - нижняя плита; 4 - верхняя плита: 5 -диафрагма: 6 - спирали: 7 - коллектор подачи; 8,9,10 - блоки клапанов соответственно подачи, отвезла и сброса: 11 - клапаны коллектора давления.

Рисунок 38 - Конструкция и схема работа блока фильтрующих плит.

 

Между верхней и нижней частями фильтровальной рамы установлена резиновая диафрагма, которая вытесняет жидкую фазу и спрессовывает осадок.

Цикл работы фильтра включает стадии фильтрации промывки и отжима или просушки и выгрузки осадка.

При сжатых рамах суспензия под давлением поступает в пространство над фильтровальной тканью. Жидкая фаза проходит фильтровальную ткань, твердая фаза задерживается, образуя слои осадка. При достижении нужной толщины стоя осадка подачу суспензии прекращают и оставшуюся в полости рамы суспензию вытесняют резиновой диафрагмой, мой. подавая к ней под давлением воду. В случае необходимости осадок промывают и затем прессуют диафрагмой или продувают сжатым газом. После этого плиты разжимаются, включается механизм передвижения ткани и осадок удаляется.

Управление фильтрпрессом автоматическое.

Листовые (пластинчатые) фильтры представляют собой резервуар, в котором размещают фильтрующие элементы - листы, состоящие из рамки с натянутой на нее тканью, суспензия подается под давлением в резервуар, а фильтрат выводится по трубкам из внутренней полости каждого элемента. Осадок отжимается от фильтрующей поверхности элементов воздухом или паром, и поверхность очищают в ручную либо, если это доступно по технологическим условиям, осадок вымывают другой жидкостью, не открывая фильтра. Листовые фильтры различают по форме и расположению резервуара и фильтрующих элементов.

На рисунке 39 показан распространенный листовой горизонтальный фильтр-пресс с круглыми элементами. Эти фильтр-прессы применяют в процессах очистки масел. Цилиндрический корпус состоит из двух частей 1 и 2. Нижняя половина закреплена на оси 3 и прижимается к верхней откидными болтами 4. Герметичное прижатие осуществляет эксцентриковый вал 5, поворотом которого одновременно подтягивают все откидные болты. Вал приводится во вращение через цилиндрическую передачу. Для подъема и опускания нижней половины корпуса предусмотрено специальное гидравлическое устройство.

1,2 - части корпуса; 3 - ось; 4 - откидные болты; 5 - эксцентриковый вал; 6 - штуцер ввода суспензии; 7 - распределительная решетка; 8 - фильтрующий элемент; 9 - коллектор.

Рисунок 39 - Листовой фильтр.

Фильтрующий элемент представляет собой металлическую рамку, на которую натянута каркасная четка. Поверх каркасной сетки уложены один или несколько слоев более мелкой сетки, затем фильтрующая ткань, закрепленная шнуром. Суспензия поступает в резервуар через штуцер 6 под распредели тельную решетку 7. Фильтрат выводят от каждого элемента 8 через стеклянную трубку 9 и общий коллектор 10. Стеклянная трубка позволяет контролировать работу элемента. Трубку устанавливают между двумя кранами, при помощи которых элемент отключают в случае его неудовлетворительной работы.

3.2.2 Фильтры непрерывного действия.

В фильтрах непрерывного действия одновременно проводятся операции: фильтрация, сушка, промывка, разгрузка и регенерация фильтровальной ткани. Эти операции проходят непрерывно и независимо одна от другой в каждой зоне фильтра, поэтому процесс работы фильтра протекает непрерывно.

Фильтры непрерывного действия различают по форме фильтрующей перегородки и подразделяют на барабанные, дисковые и ленточные, и по рабочему давлению на аппараты, работающие под разряжением и под давленим.

К недостаткам этих фильтров относятся их относительная сложность, высокая стоимость, необходимость установки вспомогательного оборудования и большой расход энергии главным образом на вакуум насосы и воздуходувки.

Барабанные фильтры

Наиболее широкое в химической промышленности распространение получили барабанные фильтры, работающие под разрежением (барабанные вакуум-фильтры). По конструкции эти фильтры подразделяют на аппараты с внешней фильтрующей поверхностью и внутренней.

Чередование операций в барабанных фильтрах происходит с помощью распределительной головки или специальных клапанов.

Внутри барабана расположена система распределительных труб, связывающих поверхность обечайки барабана с вращающимся диском, который приварен к торцу правой цапфы (рисунок 40). Барабан опирается двумя цапфами на подшипники скольжения, установленные вне корпуса фильтра. В местах выхода цапф из корпуса предусмотрены сальниковые уплотнения. Левая цапфа оканчивается червячным колесом привода барабана. На правой цапфе установлена распределительная головка барабана.

1 - барабан; 2 - нижнее полукорыто; 3 - крышка; 4 - распределительная головка; 5 - система распределительных труб; 6 - устройство для промывки осадка; 7 - привод барабана.

Рисунок 40 - Барабанный вакуум-фильтр.

В верхней части корпуса над барабаном расположен ряд труб, по которым к поверхности барабана подастся растворитель для промывки осадка. На образующей барабана установлен нож для съема осадка, который попадает затем в шнек и выводится через штуцер.

Часть нижней поверхности барабана погружена в суспензию. В барабане имеется несколько рабочих зон: фильтрации, промывки осадка растворителем, просушки, просушки, отдувки и съема осадка.

При помощи распределительной головки фильтра (рисунок 41) с поверхности барабана отводят фильтат и растворитель (промывочную жидкость) а также инертный газ для отдувки осадка.

1 - подвижный диск; 2 - неподвижный диск; I - зона фильтрации; II - зона просушки; III - зона промывки и просушки осадка; IV - зона отдувки осадка; V - зона оситки ткани.

Рисунок 41 - Схема устройства распределительной головки.

В головке имеются прикрепленные к барабану подвижный диск 1 и неподвижный диск 2. Отверстия в подвижном диске сообщаются с камерами барабана, а отверстия в неподвижном диске - с соответствующими трубопроводами.

Стандартные барабанные вакуум-фильтры с поверхностью фильтрации от 1 до 40 м имеют барабан диаметром 1 - 3 мм, длиной от.35 - 4,0 м. Барабан совершает от 0,1 до 3 оборотов в минуту, необходимая мощность двигателей фильтра от 0.1 - 4.5 кВт.

Способ удаления осадка зависит от его свойств и толщины. Так, плотный, маловажный осадок толщиной 8 - 10мм снимают с помощью ножа. Для удаления тонких (2 - 4мм) слоев осадка применяют бесконечные шнуры, охватывающие барабан, тонкие мажущие осадки удаляются съемным валиком, очень тонкий (толщиной около 1 мм) осадок снимаю с помощью бесконечного полотна фильтрующей перегородки. Для предохранения осадка от растрескивания (во избежании уменьшения вакуума) применяют приспособления для затирания трещин и промывки осадка через холст. Для дополнительного удаления влаги из осадка используют отжимные валики и специальные вибраторы. Наиболее распространенным является угол, соответствующий части барабана фильтра, погруженной в жидкость, обычно составляет около 170^o, однако, имеются вакуум-фильтры с большей или меньшей глубиной погружения.

Для разделения высококонцентрированных суспензий с тяжелой твердой фазой имеются вакуум-фильтры с неглубоким погружением барабана в жидкость. Эти фильтры позволяют снимать тонкий слой осадка, так как его фильтрующая поверхность легко очищается. Благодаря расположению съемного ножа. ниже центра барабана осадок под действием силы тяжести легко очищается от поверхности барабана, и отдувка не требуется. Фильтры этой конструкции нашли применение для обезвоживания флотационных концентратов и промывки цианистых шламов.

Для фильтрации коллоидных и легких веществ служат вакуум-фильтры барабанного типа с намывной, зернистой или волокнистой фильтрующей поверхностью. Для нанесения этого слоя ванну фильтра предварительно заполняют жидкостью, содержащей определенное количество вспомогательного фильтрующего вещества. При включении фильтра в работу на его поверхность в течении 0.5 - 1 часа наносится фильтрующий слой толщиной 25 - 50мм. Для удаления осадка служит передвижной нож с острым лезвием, который снимает вместе с осадком очень тонкий слой намытого слоя фильтрующей перегородки. Нож имеет микрометрическое устройство для автоматического перемещения на 0.01 - 0.05 мм за один оборот барабана. Иногда фильтр снабжают двумя ножами, один из которых удаляет осадок, а другой фильтрующую перегородку.

Для фильтрации жидкости с тяжелыми взвешенными частицами применяют также барабанные вакуум-фильтры с внутренней фильтрующей поверхностью.

Дисковые фильтры

Эти аппараты имеют более развитую фильтрующую поверхность, чем барабанные. Поверхность фильтрации стандартных фильтров (рисунок 42а) от 1 до 85 м диаметр диска от 0,9 до 2.5 м, число дисков от 1 до 10, частота вращения фильтрующих дисков 0,13 - 2об/мин, мощность электродвигателя 0,2 - 5 кВт, большие фильтры имею две распределительные головки.

Диски фильтра изготовляют из отдельных секторов. Для облегчения отделения осадка и уменьшения износа фильтрующей перегородки применяют выпуклые секторы.

Для съема осадка с поверхности дисков применяют сжатый воздух (для отдувки) и ножи или валки (для отрыва направления осадка). Направляющими для отделенного осадка служат также наклонные пластины, закрепленные на шарнирах, и ролики, катящиеся но поверхности диска. Ролики прижимаются к диску противовесами.

По сравнению с другими аппаратами дисковые фильтры отличаются наибольшей фильтрующей поверхностью на единицу занимаемой площади, возможностью независимого ремонта отдельных дисков, малым расходом фильтрующей ткани и небольшим расходом энергии. Однако, в, этих аппаратах плохо осуществляется промывка осадка, при которой разбавляется суспензия в ванне фильтра. Дисковые фильтры, так же, как и барабанные, изготовляют для работы под давлением. Фильтрующая поверхность этих фильтров составляет 2,3 - 74,3 м . По устройству такие фильтры аналогичны дисковым вакуум-фильтрам. Вал с дисками помещен в закрытом корпусе, в котором подачей свежего воздуха или инертного газа создастся давление до 0,7 МПа. Мутный и чистый фильтрат выходит отдельно через концы дискового вала. Осадок снимается с поверхности диска ножами и выводится из аппарата шнековым устройством с пружинным клапаном. Иногда дисковые фильтры под давлением применяют только для сгущения суспензий, тогда их конструкция упрощается.

 

Тарельчатый фильтр

Для фильтрации суспензий, осадок которых состоит из тяжелых и крупнозернистых материалов и его необходимо тщательно промывать, применяю тарельчатый фильтр, или планфильтр (рисунок 42б). Суспензия поступает на горизонтальный диск с низкими бортами, обтянутый фильтрующей тканью. Осадок удаляется ножами после полного оборота диска, фильтрат проходит через ткань, попадает в ячейки диска, а оттуда удаляется через каналы в вертикальном валу. Некоторые план фильтры имеют опрокидывающие секторы, что позволяет лучше очищать ткань.

а) дисковые: 1- полый вал; 2- диски; 3- ванна; 4-распределительная головка; б) тарельчатый фильтр; 1- горизонтальный пустотелый диск; 2- трубки для слива фильтрата; 3- распределительная головка; 4- фильтрующая ткань; 5-нож.

Рисунок 6 - Вакуум-фильтры.

Достоинства планфильтров: ускорение процесса фильтрации, благодаря совпадению направления давления суспензии с направлением естественного осаждения частиц твердой фазы, удобство промывки, возможность фильтрации суспензии с неоднородными по величине частицами.

Недостатками этого аппарата являются громоздкость установки малая фильтрующая поверхность, затруднение съема осадка и регенерации ткани.

Ленточный вакуумфильтр

На длинном столе закреплены открытые сверху вакуум-камеры 3, имеющие в нижней части патрубки для соединения с коллекторами фильтрата 8 или промывающей жидкости 10. К верхней части вакуум-камер прижимается бесконечная резиновая лента 4 с бортами, натянутая на приводной барабан 1 и натяжной барабан 6. Фильтрующая ткань 9 в виде бесконечною полотна прижимается к резиновой ленте при натяжении ее роликами 7. Суспензия подается на ленту из лотка 5. При прохождении ленты с суспензией над вакуум-камерами происходит фильтрование и отложение на ткани осадка. Промывающая жидкость подается через форсунки 2. На приводном барабане фильтрующая ткань отделяется от резиновой ленты и огибает валик 11, при 'лом осадок отделяется от ткани и падает в бункер 12. При прохождении между роликами 7 ткань просушивается и очищается.

1 - приводной барабан; 2 - форсунки; 3 - вакуум-камеры; 4 - бесконечная резиновая лента: 5 - лоток для подачи суспензии; 6 - натяжной барабан; 7 - натяжные ролики: 8 - коллектор фильтрата; 9 - фильтрующая ткань: 10 - коллектор промывающей жидкости; 11 - валик для съема осадка; 12-бункер для осадка.

Рисунок 43 - Схема ленточного вакуум-фильтра.

Ленточные фильтры изготовляют с шириной ленты 0,5- 1,0 м и площадью фильтрации 3,2 - 4,3 м .

Преимущества ленточных фильтров: отсутствие распределительной головни, возможность осаждения крупных частиц под действием силы тяжести (благодаря чему фильтрация ускоряется), удобство промывки, возможность работы с тонким слоем осадка. Однако, ленточные фильтры обладают малой поверхностью фильтрации, малым коэффициентом использования фильтрующей ткани, требуют равномерной подачи суспензии, кроме того, в этих аппаратах получается мутный фильтрат и охлаждается фильтруемая суспензия.

Усовершенствованной моделью является непрерывно действующий ленточный фильтр, работающий под давлением, однако, он может работать только над незначительным давлением, так как корпус выполнен с плоскими стенками.

В ленточных капиллярных фильтрах жидкая фаза суспензии всасывается капиллярами войлочной ленты, а твердая фата остается на ленте. Промытый осадок обезвоживается такими же лентами. Эти фильтры применяют для фильтрации суспензий с небольшим содержанием жидкой фазы.

Достоинства этих фильтров: простота конструкции, отсутствие вспомогательных устройств для создания разрежения или давления, довольно значительная производительность.

Нутч-фильтры предназначены для фильтрации растворов при пониженном давлении. Основным материалом для их изготовления является борсиликатное стекло и фторопласт, что позволяет фильтровать практически любые агрессивные растворы. Кроме того не требуется дорогостоящего оборудования для создания избыточного давления как в случае с друк-фильтрами, а достаточно лишь обычного вакуумного насоса.

Компания QVF разработала нутч-фильтры из боросиликатного стекла при тесном сотрудничестве с клиентами и учетом их пожеланий, а также при использовании новейших технических достижений.

· Нутч-фильтр с рубашкой для нагрева

· Коррозионностойкий нутч-фильтр DN 600

· Нутч-фильтр для чувствительных к свету продуктов

· Нутч-фильтр для использования в зонах ATEX

· Нутч-фильтр с пневматическим устройством поднятия крышки