АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Фильтрация

В тех случаях, когда при разделении суспензий недопустимы потери жидкости с осадком или взвешенные твердые частицы весьма плохо осе­дают, или же необходимо выделить твердую фазу в виде осадка с некото­рым минимальным содержанием влаги, метод отстаивания и декантации неприменим. В этих случаях суспензии разделяют при помощи ф и л ь - т рации.

Процесс фильтрации основан на задержании твердых взвешенных частиц пористыми перегородками, способными пропускать только жид­кость и задерживать частицы твердой фазы. В результате непосредствен­ного контакта суспензии с поверхностью пористой перегородки и разного давления до и после перегородки жидкая фаза проходит через поры пе­регородки и собирается в виде освобожденного от твердых частиц филь­трата, а твердые частицы задерживаются на поверхности перегородки, образуя слой осадка, который затем удаляется.

Фильтрация находит в настоящее время широкое применение в тех­нике как универсальный метод разделения суспензий, начиная от самых грубых и кончая тонкими мутями, и используется даже для разделения некоторых коллоидных растворов; в последнем случае необходим соот­ветствующий фильтрующий материал.

При фильтрации жидкая фаза должна преодолеть гидравлическое сопротивление, оказываемое фильтрующей перегородкой току жидкости. Однако величина пор фильтрующей перегородки и ее сопротивление имеют значение только в начальный момент процесса, так как в даль­нейшем на поверхности фильтрующей перегородки постепенно отлагается осадок. Этот увеличивающийся по мере протекания процесса слой осадка обычно используют как фильтрующую среду и стремятся уменьшить его гидравлическое сопротивление, что достигается путем периодического или непрерывного удаления большей части осадка с фильтрующей пере­городки, иногда с последующей промывкой поверхности перегородки растворителями.

Характер и толщина слоя осадка, отлагающегося на поверхности фильтрующей перегородки, являются в большинстве случаев важней­шими факторами, определяющими эффективность фильтрации—произ­водительность фильтра и расход энергии на проталкивание жидкости через фильтр. Большинство фильтрующих перегородок в начале процесса фильтрации обладает низкой задерживающей способностью, и при филь­трации тонких суспензий первые порции фильтрата почти всегда содер­жат некоторое количество суспендированных частиц, прошедших через поры перегородки вместе с жидкостью.

Такое явление будет наблюдаться до тех пор, пока на поверхности перегородки не возникнет слой осадка, имеющий поры значительно мень­ших размеров, чем поры перегородки. Этот слой и будет задерживать почти полностью все твердые частицы.

Степень полноты разделения в значительной мере зависит от давле­ния, при котором протекает процесс фильтрации. Фильтрат получается более чистым, если фильтрацию начинают при низком давлении, а затем повышают его по мере увеличения осадка.

Существенное значение имеет также равномерность давления; при непрерывном и равномерном давлении может быть достигнута полнота, разделения, если же давление неравномерно и передается толчками (на­пример, при подаче суспензии на фильтрпрессы при помощи поршневых насосов), из-за возникающих при этом гидравлических ударов в фильтрат могут попасть наиболее тонко раздробленные частицы.

Полнота разделения находится в обратной зависимости от произ­водительности фильтра; чем выше производительность данного фильтра, тем ниже полнота разделения, и наоборот.

Скорость фильтрации. В количественном отношении производитель­ность фильтра характеризуется скоростью фильтрации, т. е. количеством фильтрата, проходящего через 1 м2 поверхности фильтрующей перегородки в единицу времени.

Обозначим: V—объем фильтрата в м3;

F0—поверхность фильтрации в м2; і—длительность процесса фильтрации в сек.

Тогда скорость фильтрации может быть выражена уравнением

Q__ (і__________________________________ 220>

F0di м2- сек ^ '

Скорость фильтрации можно рассматривать как кажущуюся линей­ную скорость прохождения фильтрата сквозь фильтрующую перегородку, так как ее размерность:

Скорость фильтрации зависит от следующих основных факторов: давления, действующего на суспензию, толщины слоя осадка на фильтре, структуры или характера осадка, состава суспензии и температуры Жид­кости.

Влияние давления на скорость фильтрации тесно связано с видом осадка. Различают два типа осадков:

А) осадки из недеформирующихся частиц, главным образом кри­сталлические—н есжимаемые осадки;

Б) осадки из деформирующихся частиц, главным образом аморф­ные—с жимаемые осадки.

В несжимаемых осадках взаимное расположение частиц, а следова­тельно, и размеры пор, через которые протекает жидкость, не изменяются с изменением давления. Опытные данные показывают, что при изменении давления в процессе фильтрации от 0,7 до 4 кгс/см2 содержание филь­трата (воды) в несжимаемом осадке не зависит от давления и соответ­ствует объему пор; кроме того, в несжимаемых осадках содержание филь­трата остается постоянным не только с изменением давления, но и с изменением толщины осадка.

Изменение процентного содержания взвешенных частиц в филь­труемой суспензии также не оказывает заметного влияния на содержание фильтрата в осадке. Скорость фильтрования суспензий, образующих несжимаемые осадки, растет с увеличением давления на жидкость, а при одном и том же давлении зависит лишь от толщины слоя осадка.

Если фильтрация проводится при переменном постепенно увеличи­вающемся давлении, то объем сжимаемого осадка по мере увеличения давления, вследствие сужения капиллярных каналов, уменьшается, что в свою очередь вызывает непропорциональное росту давления изменение скорости фильтрации. При образовании сжимаемых осадков увеличение скорости фильтрации отстает от роста давления, и может наступить такой момент, когда дальнейшее повышение давления является невыгодным.

Скорость фильтрации зависит также от вязкости жидкости, причем с возрастанием вязкости скорость фильтрации уменьшается. Следова­тельно, для повышения производительности фильтра желательно филь­тровать жидкости в подогретом состоянии. Однако необходимо учиты­вать, что вязкость жидкостей уменьшается с повышением температуры вначале быстро, а затем медленней, и при дальнейшем нагревании после достижения некоторой температуры вязкость практически не изменяется; кроме того, повышение температуры не всегда возможно, так как этим может быть вызвано растворение фильтруемого осадка. Повышение тем­пературы нередко приводит также к усилению химического воздействия фильтруемой жидкости на материал фильтра.!

Поэтому в каждом отдельном случае необходимо устанавливать оптимальную температуру для данной фильтруемой жидкости.

Промывка осадка. В большинстве случаев для того, чтобы полу­чить твердый осадок более чистым или возможно полнее выделить филь­трат, осадок на фильтре промывают водой или другой жидкостью.

При промывке фильтрат разбавляется, что приводит к увеличению расхода пара на его выпаривание, если фильтрат должен быть получен концентрированным. Разбавление фильтрата можно значительно умень­шить систематическим промыванием. В этом случае промывку проводят несколвко раз растворами убывающих концентраций и лишь оконча­тельно—чистой водой. Растворы для промывки являются фильтратами от предшествующих операций промывки. Наиболее концентрированный раствор периодически отделяют и присоединяют к основному фильтрату.

[1] А. Г. Касаткин.

[2] ГОСТ № 7664—55. Механические единицы.

[3] См., например, К - Ф. Павлов, П. Г. Р о м а н к о в, А. А. Носков, Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, 1959, табл. 7 и 8.

[4] Выражения критериев Прандтля и Грасгофа см. стр. 306.

[5] См., например, В. П. Преображенский, Теплотехнические измерения и приборы.

[6] А. А. - А к о п я н, А. Г. Касаткин, Гидродинамика слоя зернистого ма­териала, ЖХП, № 2, 30 (1948).

[7] См. Н. 3. Френкель, Гидравлика, Госэнергойздат, 1947, стр. 231.

[8] = iifh

И1