Лекция №5 Аппаратура для фильтрации. Общие сведения

Фильтрация — это процесс отделения твердой фазы от раствора при помощи пористой перегородки. Эту опера­цию осуществляют на специальном аппарате, называемом фильт­ром (сосудом, разделенным пористой фильтровальной перегород­кой). В разделенных частях фильтра создается разность давлений, под влиянием которой жидкость проходит через пары фильтроваль­ной перегородки, а твердые частицы задерживаются этой перегородкой. Таким образом суспензия (пульпа) разделяется на чистый - фильтрат и влажный осадок. Сопротивление процессу фильтрации слагается из сопротивления фильтровальной перегородки и слоя осадка.

Фильтры обычно подразделяют на периодически и непрерывно действующие. В первых фильтровальная перегородка неподвиж­на, во вторых она непрерывно перемещается по замкнутому пути. В фильтрах периодического действия на всей площади перегород­ки осуществляются одни и те же процессы (например, поступление пульпы, образование осадка, его промывание или удаление). В фильтрах непрерывного действия на различных частях перегород­ки происходят разные процессы в зависимости от того, на каком участке замкнутого пути находится в данный момент рассматри­ваемая часть (элемент) перегородки (например, на один участок перегородки поступает пульпа, а на других в это время образуется, промывается и удаляется образовавшийся осадок).

Фильтровальная перегородка имеет сквозные поры, способные пропускать жидкость, но задерживать твердые частицы пульпы, размер которых не только больше, но и меньше размера попереч­ного сечения пор в их самых узких частях. Фильтровальные пере­городки изготовляют из различных материалов (зернистых слоев минеральных материалов, хлопчатобумажных и шерстяных тканей, металлических нитей и синтетических материалов). Средний раз­мер и форма пор также бывают весьма разнообразными и опреде­ляются размерами и формой элементов, из которых они изготов­лены.

Для некоторых фильтровальных перегородок (например, для тканей и в особенности для волокнистых слоев) характерна сжи­маемость под действием разности давлений, создаваемой при филь­трации. Перегородки в виде керамических плиток или из спечен­ного стеклянного или металлического порошка лишены этой спо­собности. При сжатии фильтровальной перегородки существеннее всего изменяются ее поры, что увеличивает сопротивление перего­родки. Существенно влияет на средний размер и форму пор, на уменьшение и увеличение сопротивления перегородки проникнове­ние твердых частиц разделяемой пульпы в поры фильтровальной перегородки. В некоторых случаях аналогичное действие вызывает набухание волокон органического происхождения. Увеличение со­противления фильтровальной перегородки при ее работе может быть очень значительным, причем промыванием почти никогда не удается восстановить первоначальное сопротивление. В некоторых случаях периодическое промывание предотвращает дальнейшее увеличение сопротивления.

Отделение твердых частиц пульпы от жидкости при помощи фильтровальной перегородки — процесс сложный. Особенно су­щественно то, что для такого отделения нет необходимости приме­нять перегородку с порами, средний размер которых меньше сред­него размера частиц. Твердые частицы задерживаются фильтро­вальными перегородками с порами, средний размер которых значительно превышает средний размер отделяемых твердых частиц. Твердые частицы, увлекаемые потоком жидкости к фильтроваль­ной перегородке, попадают в различные условия. Наиболее про­стой случай, когда твердая частица задерживается на поверхности фильтровальной перегородки и не проникает в пору вследствие того, что размер последней в начальном сечении меньше размера твердой частицы.

Если размер твердой частицы меньше размера поры в самом узком ее сечении, частица может пройти через перегородку вместе с фильтратом. Однако она может и задержаться внутри перего­родки в результате адсорбции на стенках поры или механического торможения на том участке поры, который имеет неправильную форму. Такая застрявшая частица уменьшает эффективное сече­ние поры и вероятность задерживания в ней последующих частиц увеличивается; возможны и полное забивание поры, и прекраще­ние прохождения через нее жидкости. Наконец, небольшая по срав­нению с порами твердая частица может тем не менее войти в пору и остаться на поверхности фильтровальной перегородки. Это про­исходит тогда, когда над входом в пору на поверхности фильтро­вальной перегородки образуется свод из нескольких относительно небольших твердых частиц, который пропускает жидкость и за­держивает другие твердые частицы.

Мутность фильтрата в начале процесса объясняется проникно­вением твердых частиц через поры фильтровальной перегородки. Фильтрат становится прозрачным, когда перегородка приобретает достаточную задерживающую способность. Это достигается ли­бо за счет уменьшения сечения пор при проникновении в них твер­дых частиц, либо за счет образования сводов над входами в поры. Взаимодействие между фильтровальной перегородкой и твердыми частицами пульпы очень существенно и в значительной степени определяет закономерности фильтрации.

Уменьшение эффективного сечения пор при проникновении в них твердых частиц (фильтрация с забиванием пор) на практике встречается реже, чем фильтрация с образованием осадка, когда осадок накапливается на поверхности фильтрующей перегородки. После достижения осадком установленной толщины его снимают с фильтровальной перегородки различными механическими уст­ройствами или обратным потоком промывной воды.

Структура образующегося осадка и, следовательно, его сопро­тивление потоку жидкости зависят от гидродинамических свойств твердых частиц и жидкой фазы пульпы, а также от условий фильт­рации. Структура осадка определяется его пористостью, размера­ми составляющих его частиц и удельной поверхностью или сте­пенью сферичности этих частиц. Кроме того, физико-химические свойства осадка зависят и от таких факторов, как степень коагу­ляции или пептизации твердых частиц пульпы, содержание в ней смолистых и коллоидных примесей, забивающих поры, электроки­нетический потенциал на границе раздела твердой и жидкой фаз, наличие сольватной оболочки на твердых частицах. Совместное влияние гидродинамических и физико-химических факторов край­не осложняет изучение структуры и сопротивления осадка, и вы­числение величины сопротивления как функции всех этих факторов практически невозможно. Влияние физико-химических факторов, тесно связанное с поверхностными явлениями на границе раздела твердой и жидкой фаз, особенно проявляется при небольших раз­мерах твердых частиц пульпы (10—20 мкм). По мере увеличения размера твердых частиц усиливается относительное влияние гид­родинамических факторов.

На ход фильтрации в значительной мере влияют разность дав­лений по обеим сторонам фильтровальной перегородки и темпера­тура пульпы. Температура влияет на вязкость жидкой фазы пуль­пы и соответственно на способность этой фазы проходить через по­ры осадка и фильтровальной ткани. Кроме рассмотренных факто­ров, процесс фильтрации осложняют, например, неравномерность размера твердых частиц пульпы, способность этих частиц деформи­роваться под действием разности давлений и оседать под давле­нием силы тяжести.

В процессе фильтрации твердые частицы относительно неболь­шого размера могут увлекаться потоком жидкости и перемещаться из слоев осадка, удаленных от фильтровальной перегородки, в слои, близкие к перегородке, и даже в ее поры. В результате увеличи­вается сопротивление образовавшихся слоев осадка и возра­стает сопротивление фильтровальной перегородки. Осаждение твердых частиц под действием силы тяжести по-разному сказы­вается на скорости образования осадка в зависимости от взаимно­го расположения направлений силы тяжести и движения жидкости при фильтрации. Если эти направления совпадают, то скорость образования осадка будет увеличиваться по мере возрастания спо­собности твердых частиц к осаждению. Если указанные направ­ления противоположны (как, например, при фильтрации на обыч­ном вращающемся барабанном вакуум-фильтре), то образование осадка может замедляться по мере увеличения способности твер­дых частиц к осаждению,

Наконец, следует указать на огромное влияние на ход процесса фильтрации условий образования пульпы и ее предварительной обработки, а также добавления к пульпе коагулирующих и пептилизирующих веществ. Эти факторы могут во много раз изменить ₍сопротивление осадка, что вызывает изменение скорости фильт­рации.

Если концентрация твердых частиц в пульпе невелика, ее труд­но разделять на фильтрах непрерывного действия, где продолжи­тельность стадии образования осадка нужной толщины ограничена минимальной скоростью перемещения перегородки по замкнутому пути. Поэтому такие суспензии предварительно сгущают.

Разделение пульп не заканчивается образованием влажного осадка на фильтровальной перегородке и собиранием фильтрата и приемный резервуар. После фильтрации осадок часто промывают и продувают. Промывка необходима для более полного отделения фильтрата от осадка и в основном сводится к вытеснению жид­кости, оставшейся после фильтрации в порах осадка, другой про­мывной жидкостью, смешивающейся с первой. Назначение про­дувки — по возможности уменьшить количество жидкости, остав­шейся в осадке после фильтрации или промывки. Эта жидкость вытесняется из пор осадка воздухом. При продувке сквозь поры осадка проходит двухфазная смесь жидкости и газа, в результате возможно изменение структуры осадка, выражающееся в некото­ром уменьшении его толщины и образовании в нем трещин.

На практике фильтрация пульп нередко вызывает затруднения, обусловленные главным образом большим сопротивлением осадка и соответственно малой скоростью фильтрации. Поэтому возникает необходимость увеличить размеры фильтровального оборудования и интенсифицировать процесс фильтрации. Однако увеличение размеров фильтровального оборудования допустимо лишь до изве­стных пределов, обусловленных конструктивными особенностями и условиями эксплуатации фильтров. Интенсифицировать процесс фильтрации можно снижением сопротивления осадка за счет до­бавки вспомогательных веществ (флокулянтов, электролитов) или таким проведением предыдущих стадий технологического про­цесса, при котором уменьшается образование шламов и коллоид­ных примесей.

Очень большое разнообразие свойств разделяемых пульп и ко­ренные различия в конструкциях фильтров делают выбор средств фильтрации довольно сложным. Существует ряд общих рекомен­даций для такого выбора. Например, целесообразно использовать для полидисперсных пульп совпадение направлений действия силы тяжести и движения фильтрата. При этом на фильтровальной пе­регородке в первую очередь осаждаются наиболее крупные твер­дые частицы, предотвращающие закупоривание пор более мелкими. Неэффективно чрезмерно повышать разность давлений при филь­трации сильно сжимающихся осадков, так как в этом случае их удельное сопротивление резко возрастает.

При выборе средств фильтрации выполняют сравнительные рас­четы по удельной производительности различных фильтров. Для расчетов можно использовать основные уравнения фильтрации, предварительно определив экспериментально некоторые постоян­ные (в частности, удельное сопротивление осадка и фильтровальной перегородки). Существует большое число способов определе­ния постоянных по уравнениям фильтрации, некоторые из которых основаны на проведении опытов по фильтрации в условиях посто­янно увеличивающейся толщины слоя осадка. Можно проводить опыты по фильтрации чистой жидкости через слой заранее полу­ченного осадка постоянной толщины. Можно использовать эмпи­рические уравнения, в которых дана зависимость удельного сопро­тивления осадка от ряда его свойств (пористости, удельной по­верхности). Наконец, есть метод измерения пористости и проница­емости осадка в условиях прерывистого увеличения производимого на него давления. Наиболее надежным следует признать метод фильтрации в условиях постоянно увеличивающейся толщины осадка, поскольку он воспроизводит действительные условия раз­деления пульпы.

В настоящее время промышленность изготавливает большое число фильтрующих аппаратов разнообразной конструкции. Эти аппараты условно можно разделить на следующие группы: 1) филь­тры, работающие под гидростатическим давлением столба пульпы; 2) вакуум-фильтры; 3) фильтры, работающие под избыточным дав­лением фильтруемой пульпы.

Фильтры, работающие под гидростатическим давлением стол­ба пульпы - аппараты для обезвоживания, обычно применяемые для окончательного осветления растворов. Наиболее просты по конструкции обыкновенные чаны с фильтрующим днищем, анало­гичные чанам для выщелачивания просачиванием. На фильтрую­щее днище насыпают слой крупнозернистого, хорошо фильтрую­щего песка. По мере засорения слоя песка его периодически заме­няют свежим. Конструкция такого фильтра проста, но обслужива­ние его требует затрат рабочей силы на выгрузку, промывку и за­грузку песка.

Более совершенен по конструкции аппарат, совмещающий дре­нирующий чан с фильтрующим дном и скребковый механизм сгу­стителя. Последний, служит для удаления осевшего мутного слоя вместе с тонким слоем загрязненного песка. Этот продукт выгру­жается через специальную воронку в центре песчаного слоя. Ра­створ удаляется через фильтрующее днище под давлением столба жидкости.

Литература:1осн. [149-154], 4 осн. [287-302], 1 доп.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность фильтрации?

2. Чем отличаются фильтры периодического действия, от непрерывно действующих?

3. Каков механизм отделение твердых частиц от жидкости при помощи фильтровальной перегородки?

4. Какие фильтрующие аппараты изготавливает промышленность в настоящее время?

5. Какие аппараты обычно применяются для окончательного осветления растворов?

Дата добавления: 2014-01-11