Константы фильтрования. Способы их определения. Физический смысл удельного сопротивления осадка

Одним из способов разделения суспензий является фильтрование. Фильтрованием называется процесс разделения суспензий с использованием пористых перегородок, которые задерживают твердую фазу суспензии и пропускают ее жидкую фазу.

Фильтрование производят при помощи фильтра, который в простейшем виде является сосудом, разделенным на две части фильтрующей перегородкой.

Выбор конструкций фильтра зависит от структуры осадка. Плохо фильтруются аморфные, сжимаемые осадки, хорошо фильтруются кристаллические, несжимаемые осадки. Для кристаллических, несжимаемых осадков главным образом применяют вакуум-фильтры непрерывного действия. Для аморфных, сжимаемых осадков часто применяют разные фильтрпрессы. Эти фильтры позволяют вести разделение плохо фильтрующихся суспензий, благодаря применению больших перепадов давления (ΔР = 3÷12 ат), чем при вакуум-фильтрации (ΔР = 0,6÷0,9 ат).

Процесс фильтрации основан на задерживании твердых взвешенных частиц, находящихся в суспензии, пористыми перегородками, способными пропускать жидкость и задерживать частицы твердой фазы. Хорошая работа фильтра зависит не только от выбранной конструкции, но и от качества фильтрующей перегородки. Фильтрующие перегородки изготовляют из различных хлопчатобумажных тканей (бельтинг, бязь, миткаль, диагональ и др.), шерстяных тканей (сукно, байка, войлок), тканей из синтетических волокон (полихлорвиниловые, перхлорфиниловые, полиамидные, виньон, саран, лавсан и др.), тканей из волокон минерального происхождения (асбестовые и стеклянные) и др. В настоящее время все шире начинают применять пористые металлические, керамические и металлокерамические перегородки.

Скоростью фильтрации называют объем фильтрата, получаемый в единицу времени с единицы поверхности фильтра:

, (1)

где, V - объем фильтрата, ;

F - поверхность фильтрования, ;

- продолжительность фильтрования, с.

С кинетической точки зрения скорость любого процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению:

, (2)

где, - разность давлений, Па;

- вязкость жидкой фазы суспензии, ;

- сопротивление слоя осадка, ;

- сопротивление фильтровальной перегородки, .

Приравнивая правые части уравнений (1) и (2) и проведя преобразования, получим основное уравнение фильтрации:

, (3)

где, - удельное объемное сопротивление слоя осадка, ;

- объем осадка, образующийся при получении 1 фильтрата, / .

Задание граничных и начальных условий при интегрировании уравнения (3) зависит от способа проведения процесса фильтрации.

Уравнение фильтрации при постоянной разности давлений:

. (4)

Уравнение фильтрации при постоянной скорости процесса:

. (5)

Из уравнений (4) и (5), задаваясь толщиной слоя осадка, можно определить все величины, характеризующие процесс фильтрации, т.е. время фильтрации, удельную производительность, поверхность фильтрования. Однако мы не можем воспользоваться этими уравнениями, т.к. в них входят величины и , которые не являются физическими константами и не поддаются аналитическому определению.

Предложено несколько различных методов расчета процесса фильтрации, но все они предусматривают экспериментальное определение тех или иных величин. Наибольшее распространение получил метод определения и с помощью констант фильтрации. Для этого преобразуем уравнение (4) к виду:

. (6)

В координатах уравнение (6) является уравнением прямой и имеет вид:

, (6 а)

где, - константа фильтрации, характеризующая удельное сопротивление слоя осадка,

/ : ;

- константа фильтрации, характеризующая сопротивление фильтровальной перегородки,

/ : .

Рис. 1. Зависимость ∆ τ/ ∆ν от ν.

Константы и находят по графику , построенному по экспериментальным точкам, равна тангенсу угла наклона этой прямой, а - отрезку, отсекаемому этой прямой на оси ординат.

По найденным значениям и определяем удельное сопротивление слоя осадка и сопротивление фильтровальной перегородки:

(7)

(8)

· Сопротивление фильтрующей перегородки равно перепаду давления, который необходимо создать для фильтрования жидкости вязкостью 1 Па·с со скоростью 1м/с через перегородку.

· Удельное объёмное сопротивление осадка равно перепаду давления, который необходимо создать для того, чтобы через слой осадка высотой 1 м проходил фильтрат вязкостью 1 Па·с со скоростью 1 м/с.

28. Центрофугирование. Схема процесса. Виды центрифугирования.

Центрифугирование – это процесс разделения неоднородных систем (суспензий, эмульсий) под действием центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок.

Процессы разделения под действием центробежных сил происходят в аппаратах – центрифугах. Центрифуга в простейшем виде представляет собой барабан (ротор), который вращается на вертикальном валу. Барабан защищен соосным цилиндрическим кожухом (корпусом) с крышкой.

Фугат (фильтрат)

Исходная суспензия

осадок

щ

Схема процесса центрифугирования

1. Стенка ротора 2. Сгущенная фаза (осадок) 3. Осветленная фаза (фугат или фильтрат) 4. Вал

Разделение неоднородных систем в центрифугах происходит либо по принципу отстаивания, либо фильтрования.

В 1-м случае: барабан (ротор) изготавливается со сплошными стенками (отстойное центрифугирование).

Во 2-м: с перфорированными, покрытыми металлической сеткой или фильтровальной тканью (фильтровальное центрифугирование).

При отстойном центрифугировании действие силы тяжести заменится центробежной силой.

При фильтровальном центрифугировании процесс разделения происходит также под действием центробежной силы, которое заменяет разность давлений ∆Р в процессе фильтрования, т. е. движущую силу.

Распространенным методом разделения неоднородных систем является отстойное центрифугирование. Для разделения суспензий используют методы центробежного осветления и центробежного отстаивания. В центробежном осветление – твердая фаза в незначительных количествах. В центробежном отстаивании – в значительных.

Центрифуги, служащие для разделения эмульсий называются сепараторами.

Центрифуги могут быть периодического и непрерывного действия. А также по способу выгрузки осадка:

- с ручной выгрузкой;

- со шлековой? выгрузкой;

- с выгрузкой осадка с помощью ножей и скребков;

- другие способы (например: автоматической выгрузкой осадка, т. е.

современные конструкции).

В фильтрующих центрифугах процесс фильтрования происходит из трех основных стадий:

1. образование осадка;

2. уплотнение осадка;

3. обезвоживание осадка.

Длительность каждой стадии зависит от свойств и концентрации суспензии, от параметров работы самой центрифуги.

29. Центробежная сила и фактор разделения.

При вращательном движении дисперсной системы на взвешенные частицы дисперсной системы действует центробежная сила:

Сц = m = m / r, где (1)

m – масса взвешенной частицы; [кг]

– центробежное ускорение; [м/сІ]

– окружная скорость вращения; [м/с]

r – радиус вращения частицы; [м]

Так как = r, где – угловая скорость вращения частицы, то

(1a)

Как видно из (1а), центробежная сила, несмотря на незначительную массу частицы, может достигать больших значений, т. к. пропорциональна квадрату угловой скорости и радиусу вращения.

Окружную скорость вращения н можно выразить:

(2)

– угловая скорость вращения, [рад/с]

n – число оборотов в минуту.

Центробежную силу можно выразить следующим образом; т. е. учитывая (2) и заменяя m на G/g, где G – вес вращающейся жидкости [н]; запишем:

G G 2 n r G r n²

Сц = ——— = —— (————)² ≈ ———— (3)

g r g r 60 900

Уравнение (3) – является одним из основных уравнений для расчета центрифуг.

Проанализировав уравнение (3) можно сделать вывод, что увеличить центробежную силу гораздо эффективнее за счет увеличения числа оборотов n, чем за счет увеличения радиуса барабана.

Для характеристики степени разделения неоднородных систем в центрифуге вводится понятие фактора разделения – отношения ускорения центробежной силы к ускорению силы тяжести:

r r n²

Ф = —— = —— = ——, где (4)

g g r 900

Ф – фактор разделения.

Выражение (4) получено из сопоставление уравнений (1), (2), (3) при условие, что G = 1н.

Каждая отдельная центрифуга характеризуется определенной величиной фактора разделения; т. е. различают: нормальные центрифуги с Ф < 3500; и сверхцентрифуги с Ф > 3500.

Скорость осаждения в отстойных центрифугах может быть рассчитана по тем же зависимостям, что и скорость осаждения в поле сил тяжести, но при этом в уравнение расчета вводится фактор разделения; например вместо критерия Архимеда Аr вводится произведение Аr Ф (расчетные формулы см. в лекции по осаждению).

Дата добавления: 2015-05-09