АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Уравнения фильтрации

Производительность фильтров зависит от многочисленных факто­ров, часть которых трудно поддается точному учету.

Отдельными исследователями были предложены различные уравне­ния фильтрации. Однако использовать эти уравнения для расчета и про­ектирования промышленных фильтров без предварительного определения некоторых констант в большинстве случаев не удается.

На основе многочисленных экспериментальных работ по фильтра­ции можно считать установленным, что при протекании филь­труемой жидкости через поры осадка и через поры фильтрующей перегородки движение жид­кости носит ламинарный характер. Следовательно, оно подчиняется закону движения жидкостей в капиллярных каналах и может быть выражено уравнением (1—55а)

Где г—радиус капилляра в м;

Р—разность давлений на концах капилляра в кгс/м2; т—время в сек.; |х—вязкость в кгс ■ сек/м2; I—длина капилляра в м. Использование этого выражения для расчета процесса фильтрации осно­вано на предположении, что течение жидкости сквозь слой осадка и филь­трующую перегородку можно представить совершающимся через большое число круглых капилляров равного радиуса и равной длины. Если число капилляров на І м2 поверхности фильтра равно п и действительная дли­на капилляров

I — ah 8[iah

Где h—толщина слоя осадка;

А—поправочный коэффициент, учитывающий криволинейность ка­пилляров, причем а>1; Fq—общая поверхность фильтра в м2. Скорость фильтрации, отнесенная к 1 м2 сечения фильтра, будет равна

DV Пкг*Р о. 9 .. Or.„ .

М /м • сек (1—220а)

С

Fn Dz

Опытным путем было установлено, что скорость фильтрации про­порциональна некоторой степени давления, что можно рассматривать как

Следствие сжатия каналов осадка под влиянием повышенного давления.

Позднейшими исследованиями было подтверждено, что в течение все­го времени фильтрации, для любых фильтруемых материалов, расход филь - Фильтрующая трата пропорционален величине давле­ния в первой степени. Вместе с4 тем при фильтрации движение жидкости через поры осадка настолько услож­няется побочными факторами, что ука­занная пропорциональность может не­посредственно и не обнаружиться. Та­кими побочными факторами являются в первую очередь сжимаемость и неоднородность осадков.

Рассмотрим схему процесса фильтрации (рис. 126), приняв, что hx—толщина фильтрующей перегородки в ж и h—толщина слоя осадка на фильтре в м. Обозначим:

F0—общая поверхность фильтра в м2;

V—производительность фильтра в м3 фильтрата за время т сек.; т—продолжительность фильтрации в сек.; Р1%—падение давления при прохождении жидкости через филь­трующую перегородку в кгс/м2\ Р—падение давления при прохождении жидкости через слой осадка в кгс/м2\

Р0=Р1+Р—общая потеря давления (напора) при фильтрации в кгс/м2; х—объем осадка на фильтре в м3 на 1 м3 фильтрата.

Исходя из уравнения (1—220), скорость жидкости, проходящей че­рез единицу поверхности фильтрующей перегородки и единицу поверх­ности несжимаемого осадка на фильтре, можно представить следующими уравнениями:

Для фильтрующей перегородки

DV П&г\Рг ТГ, = -з т— м3 м2Сек

F0Dx 8(J.A ЛПг

Для слоя осадка

В этих уравнениях: гх и г—радиус каналов (пор) фильтрующей перегородки и осадка в м; hx и h—толщина фильтрующей перегородки и слоя осадка в м\ (j.—вязкость жид кости и (фильтрата) в кг-сек/м2. Обозначив

8а,

Pi = — Т

ПіТСГ j

8а

Rntr4

Получим:

Для фильтрующей перегородки

Переписав уравнения (1—221) и (1—222) в виде

DV

Dx

-dx Wh=FoP

И сложив левые и правые части, получим dV

Dx <W>A + 14*)= Ъ (РГ + Р) =

FoPo

У (pib-i + РH)

Сопротивление фильтрующей перегородки исчезающе мало по сравнению с сопротивлением слоя осадка. Поэтому в целях упрощения дальнейших выводов этим сопротивлением следует пренебречь. В этом случае скорость фильтрации без большой погрешности может быть выра­жена уравнением

В этом уравнении р—удельное сопротивление осадка. Решая урав­нение (1—224) относительно р, получим

Ро

Р =—Ж~

VА

Кгс-сек м? м*

М2 ж2- сек

При [а= 1, h= 1 и С— 1 величина р численно равна падению давле­ния Р, т. е.

Р = Р кгс/м2

Следовательно, удельное сопротивление р представляет собой потерю напора в кгс/м2 при прохождении жидкости вязкостью 1 кгс-сек/м2 через слой осадка толщиной 1 ж п р и скорости фильтрации 1 м3/м2-сек.

Величина удельного сопротивления р слоя осадка учитывает все обычно неизвестные структурные характеристики осадка: диаметр и дей­ствительную длину капилляров; величины, характеризующие их из­вилистость и форму поперечного сечения; количество капилляров, прихо­дящихся на единицу площади поперечного сечения слоя осадка, и др. Поэтому расчет промышленного фильтра можно выполнить при предва­рительном проведении опытов по определению удельного сопротивления осадка. Наиболее удачным для определения удельного сопротивления осадка, по нашему мнению, является метод, разработанный В. В. Кафа - ровым и Т. А. Малиновской1. Этот метод мы и принимаем за основу для вывода расчетного уравнения фильтрации.

В общем виде потеря напора при прохождении жидкости через поры осадка на фильтре может быть выражена, так же как и при протека­нии жидкости по трубопроводам, уравнением

Wjrfh

Р = К ------------- кгс/м2 (1 —225)

*

Где Р—потеря давления при фильтрации в кгс/м2',

W0—истинная скорость жидкости в капиллярах осадка в м/сек; у—удельный вес жидкости (фильтрата) в кгс/м3; h—толщина слоя осадка на фильтре в м\ g—ускорение силы тяжести в м/сек2-, ^экв-—эквивалентный диаметр капилляров в м.

Выразим истинную скорость жидкости в капиллярах слоя осадка через скорость w, отнесенную к полному сечению фильтра, и пористость слоя в:

W0 = — м/сек (1—226)

Где w—скорость жидкости, отнесенная к полному сечению фильтра, в м3/м2-секш, є—пористость слоя.

ХВ. В! Кафаров, Т. А. Малиновская, О возможности модели­рования процесса фильтрации на основе анализа структуры осадка, Химпром, № 8 (1956).

Обозначим: \'т—объем твердой фазы осадка в м3\ ^сл.—объем слоя в момент проникания его в жидкость в м3\ GT—вес сухой твердой фазы в слое осадка в кгс\ Тт—удельный вес твердой фазы слоя в кгс/м3-,

Тн—«насыпной вес» слоя, представляющий собой частное от деления веса высушенного осадка на объем, который занимал слой в момент измерения скорости проникания при данном перепаде давления, в кгс/м3.

Тогда пористость можно выразить следующим отношением:

Бт бт

£ ___ Усл. Ут __ ^JH__ Тт __ Тт Тн /1 _ 227)

Усл. Yt

Yh

Эквивалентный диаметр по предыдущему можно выразить как

= ЖГ=Гё) М (1-228)

Де 5—удельная поверхность частиц осадка, т. е. поверхность частиц, приходящаяся на единицу твердых частиц слоя, в м2/м3.

Очевидно, что пористость s и удельная поверхность 5 несжимаемого осадка не зависят от перепада давления Р0 в слое. Поэтому в случае несжимаемого осадка величины в и 5, найденные опытным путем для какого-либо одного перепада давления, могут быть приняты и для других перепадов давления.

При фильтрации через сжимаемые осадки с ростом перепада дав­ления будет увеличиваться «насыпной вес» слоя и соответственно уменьшаться пористость е. Но так как большая пористость многих осад­ков связана с образованием агломератов частиц, то при сжатии осадка уменьшение пористости будет происходить как за счет более плотной укладки агломератов, так и за счет деформации и разрушения последних.

При деформации и разрушении агломератов удельная поверхность их, очевидно, будет расти, приближаясь в пределе к величине удельной поверхности, найденной исходя из размеров отдельных частиц. Поскольку сжатие осадка прямо пропорционально изменению его «насыпного веса» ун, можно в первом приближении предположить, что удельная поверх­ность изменяется также прямо пропорционально первой степени изме­нения ун. Если принять это допущение, то представляется возможным связать величину удельной поверхности 50, вычисленную из опыта при перепаде давления Р0, с величиной ее S в любом другом опыте при другом перепаде давления. Если обозначить насыпные веса в опытах при перепа­дах давления Р0 и Р соответственно через Тно и ун, то можно написать следующее равенство:

S = J*hі - (1—229)

Тн о

И тогда из уравнений (1—227) и (1—229) будем иметь:

5 = — £> (1—230)

Yh о

Коэффициент трения X, входящий в уравнение (1—225), является функцией критерия Рейнольдса

^ = F(Re)

ИЛИ

Re

Где

(1— 231)

Из многочисленных опытных данных известно, что для условий про­текания жидкости через слой осадка при фильтрации имеет место зави­симость

(1-232)

Подставляя в уравнение (1—225) это значение X, значение w0 из уравнения (1—226), значение d3KB. из уравнения (1—228), значение 5 из уравнения (1—230) и Re из уравнения (1—231) и решая полученное урав­нение относительно скорости фильтрации, отнесенной к общему сечению фильтра, получаем:

DV єЗ / ут \2 Р

— ZSD —

R^Di 5(1 — Ј)45Q \їно/ V-H

Сравнивая полученное уравнение с уравнением (1—224), видим, что удельное сопротивление слоя осадка может быть выражено равенством

5(1 _Ј)4S2 2

; (1—233)

EV 'но

Если 1 м3 фильтрата, получающийся в результате фильтрования, оставляет на фильтре х м3 осадка, то можно написать равенство

Vx=HF0

Откуда высота слоя осадка на фильтре

, Vx *

H = -F-

ГО

Подставляя это значение h в уравнение скорости фильтрации, имеем

DV = P0F0 Fndz NpxV

Или

VdV=—^----------------------------------------- (1—234)

Интегрируя последнее уравнение в пределах от 0 до V и от 0 до т, получаем уравнение фильтрации:

У2 = —мз (1—234а)

[Ipx V '

Или

9 р -

0" М3/м* (1—2346)

{Ipx

Где q производительность фильтра, отнесенная к одному квадрат­но

Ному метру площади его сечения за время т сек.

Производительность фильтра непрерывного действия! может быть выражена равенством

3600 qF. b

V4 =--------- м3/час (1 —234в)

Где ^ф—поверхность фильтра, фактически участвующая в собственно процессе фильтрации, в м2. В барабанных фильтрах непрерывного действия эта поверхность составляет 30—35% от общей поверхности фильтра.

Производительность фильтра периодического действия определяется с учетом длительности всего цикла фильтрации. Обозначим:

Тпр.—Длительность промывки осадка в сек.;

—длительность разгрузки и подготовки фильтра к фильтрации в сек.; Ет=т+тпр.+тр—полная длительность одного цикла фильтрации веек. Тогда часовая производительность фильтра периодического действия определится как

V4 = ^. м3/час (1-235)

Или

V4 = м3/час (1-236)

Длительность промывки осадка на фильтре. Промывка осадка на фильтре проводится при постоянной высоте слоя осад­ка и, следовательно, при постоянной скорости фильтрации = const.

'о" тпр.

Поэтому из уравнения (1—234а) получается

Г/2 Poffcnp- , о

Упр. = ------------- М6

Р М-пр. Р*

Откуда длительность промывки определяется как

,2

^^ сек. (1-237)

Wnp - — р F2 ми о

Где 1/пр.—количество промывных ВОД В MS.

Обозначая отношение количества промывных вод к количеству основного фильтрата

П/—

Можно выразить длительность промывки равенством

= J^.pxiCq)* сек ■ (1 —238)

"о

При расчете промышленных фильтров необходимо предварительно опытным путем определить числовое значение удельного сопротивления осадка, для чего на лабораторном фильтре с фильтрующей перегородкой, обладающей минимальным сопротивлением, определяют ун, є и S при двух различных давлениях. Затем по двум найденным значениям вычисля­ют комплекс и полученные величины наносят на логарифмический

И Р. Если промышленный фильтр пред-

(1—Є)4

Лагается эксплуатировать на каком-либо другом давлении, отличном от давлений, при которых проводились опыты, то по графику находят

РЗ

Соответствующее значение комплекса

(1-е)4'

Как следует из графика рис, 127, в логарифмической анаморфозе получается линейная зависимость общего вида

- ЛРп

(1-0*

Где постоянная п (тангенс угла на­клона прямой) характеризует сжи­маемость данного осадка, а постоян­ная А характеризует структуру не­сжатого осадка.

Поскольку каждый осадок име­ет свою вполне определенную струк­туру, ему присуще свое значение посто­янной А, что и отражается графиком, где для каждого осадка будет своя отдельная прямая; наклон ее опреде­ляется изменением пористости данного осадка в зависимости от изменения давления, т. е. его сжимаемостью.

42. Фильтры периодического действия

Классификация фильтров. Аппараты, в которых осуществляют про­цесс фильтрации, называются фильтрами.

В зависимости от способа действия различают фильтры периоди­ческого и непрерывного действия.

В зависимости от вида давления, которым создается движущи^ напор, необходимый для проталкивания жидкости через поры фильтрую­щей перегородки, различают:

1) фильтры, работающие под действием гидростатиче­ского давления столба фильтруемой жидкости;

2) в а к у у м-ф и л ь т р ы, работающие при разрежении, создавае­мом вакуум-насосами;

3) фильтрпрессы, работающие под давлением, создавае­мым при помощи насосов или компрессоров.

В зависимости от типа фильтрующей перегородки все фильтры можно разделить на несколько групп:

1) фильтры с несвязанной или зернистой перегородкой;

2) фильтры с тканевой перегородкой;

3) фильтры с неподвижной жесткой перегородкой.

Выбор той или иной фильтрующей перегородки обусловливается рядом факторов; наиболее существенны химические свойства фильтруе­мой жидкости, рабочее давление, при котором ведется фильтрация, сте­пень раздробленности твердых частиц фильтруемой смеси и, наконец, требуемая производительность.

Фильтры с несвязанной или ' зернистой перегородкой. Простейшим фильтром мо­жет служить. сосуд, снабженный решетчатым дном, в котором фильтрующей средой является слой осадка, оседающего на дно, а давление создается за счет гидростатиче­ского давления столба фильтруемой жидкости.

Такой фильтр является как бы дальнейшим развитием отстойника; в нем можно более полно, чем в отстойнике, удалить жидкость из отстоявшегося осадка. Однако всю жидкость удалить не удается, так как твердые частицы всегда удерживают в порах и на поверхности (под действием сил поверхностного сцепления) некоторое количество жидкости; кроме того, жидкость под влиянием капиллярных сил остается в свободном объеме между твердыми частицами.

О величине капиллярных сил в зерни­стых фильтрующих перегородках можно су­дить по данным табл. 8.

Если, например, на решетчатом дне фильтра будет находиться слой песка средней крупности, то при высоте слоя 60 см можно достичь стекания капиллярной жидкости толь­ко из верхних 20 см высоты слоя.

Величина поверхностного сцепления за­висит от вязкости и будет тем меньше, чем меньшей вязкостью обладает жидкость. Поэто­му полезно для лучшего стекания жидкости проводить фильтрацию при повышенной темпе­ратуре.

Если нежелательно оставлять в осадке маточный фильтрат, удерживаемый между

Частицами, то фильтрат может быть удален путем промывки осадка другой жидкостью. Промывная жидкость пропускается в том же направлении, в котором происходит сток фильтрата. При этом необходимо, чтобы в промываемом слое осадка не было трещин и разрывов, иначе промывная жидкость пройдет через них, не промыв равномерно осадка.

В качестве зернистой фильтрующей перегородки обычно применяют тонкий квар­цевый песок, дробленый мрамор или чистый известняк, уголь, кокс, шлак, руду, ас­бест и т. д.

Размеры зерен фильтрую­щей перегородки зависят от вели­чины отфильтровываемых твердых частиц; чем тоньше раздроблены последние, тем мельче должны быть и зерна фильтрующих пере­городок.

Выбор зернистого материала зависит от вида суспензии, под­лежащей фильтрации. Для боль­шинства кислот и растворов солей применяют тонкий кварцевый пе­сок, так как он практически не­растворим и не реагирует с соля­ми и кислотами. Для щелочных жидкостей применяют чаще всего дробленый мрамор или чистый известняк. Жидкости, содержа­щие смолы, хорошо отфильтровы­ваются через крупно измельчен­ный древесный уголь. В послед­нем случае очистка жидкости от смол обусловливается также яв­лениями адсорбции.

Как правило, фильтр загру­жают зернистым фильтрующим материалом так, чтобы внизу рас­полагались наиболее грубые зер­на, а выше—все более мелкие.

В процессе работы зерни­стые фильтры загрязняются и их пропускная способность умень­шается. Зернистый слой очищают,

Пропуская через него воду в направлении, обратном току фильтрата, т. е. снизу вверх.

Осадок на фильтрах иногда, помимо промывки водой, продувают воздухом или перемешивают при помощи механических мешалок.

Наиболее распространенными аппаратами с зернистой фильтрующей перегород­кой являются так называемые Песочные фильтры, служащие преимущественно для очистки воды. Они представляют собой резервуары с несколькими слоями гравия
и кварцевого песка. Такие фильтры бывают: открытые, работающие только под дейст­вием гидростатического давления столба фильтруемой жидкости высотой 1 —1,5 м, и закрытые, работающие под некоторым напором (1,5—2 кгс/см2), создаваемым обычно насосами.

Песочный фильтр закрытого типа (рис. 128) представляет собой вертикальный резервуар 1, заполненный песком. В резервуаре установлен коллектор 2, от которого в две стороны ответвляются бронзовые трубки с отверстиями.

Специальное приспособление 3 (типа струйного насоса) в нижней части кониче­ского днища резервуара служит для промывки песка. Песок из нижней части аппарата увлекается струей воды по трубе 4 кверху и при этом промывается. Промывная вода удаляется по трубопроводу 5. Вода, поступающая на фильтрацию, подается под неко­торым давлением по трубопроводу 6, проходит через слой песка и собирается через труб­ки в коллектор 2, из которого удаляется по трубопроводу 7.

Песочные фильтры иногда снабжают механическими мешалками, при помощи которых песок взмучивается, что способствует лучшей его очистке. Мешалка во время фильтрации не работает, а пускается в ход только при очистке песка обратным током чистой воды.

Скорость фильтрации воды (протекания ее через слой песка) можно вычислить по формуле

H

To = 3600 Cd2 —(0T 7 -F 0#03г) м/час (1—239)

Где с—коэффициент, равный —40, D—диаметр песчинок в м; H—потеря напора в м вод. ст., I—толщина слоя в м\ <

T—температура воды в °С. ,

Зная скорость протекания, можно подсчитать приблизительный расход жидкости, т. е. производительность фильтра, исходя из пористости песчаного слоя.

Фильтры с тканевой перегородкой. Зернистые фильтры применяют главным образом при очистке жидкостей, у которых относительное со­держание твердой фазы ничтожно мало по сравнению с жидкой и осадок не представляет ценности. Если же количество твердой фазы в суспензии велико или необходимо использовать твердую фазу, отделяемую на фильтре, или, наконец, необходимо более полно использовать жидкую фазу, фильтруют на тканевых перегородках.

Такие перегородки изготовляются из волокнистых материалов жи­вотного, растительного и минерального происхождения или из металли­ческих сеток. Основным фактором, обусловливающим выбор материала ткани, является его химическая стойкость в фильтруемой жидкости.

Ткани из волокон животного происхождения—шерстяные (глав­ным образом грубошерстные сукна)—сравнительно хорошо противо­стоят действию кислых жидкостей при температуре их не выше 40—50°.

Хлопчатобумажные ткани (бязь, бельтинг и др.) применяют при фильтрации жидкостей слабокислых, слабощелочных и нейтральных.

Ткани из волокон минерального происхождения, главным образом из асбестового волокна, хорошо противостоят действию сильнокислых холодных и нагретых жидкостей, вследствие чего ими пользуются при фильтрации крепких минеральных кислот.

Металлические ткани (сетки) из стали или никеля чаще всего при­меняют для фильтрации сильнощелочных жидкостей.

Для фильтрации применяют также металлические сетки, изгото­вленные из нержавеющих и кислотоупорных сталей, алюминия и его сплавов, никеля, латуни, бронзы и т. п.

За последние годы находят применение тканевые фильтрующие перегородки из различных синтетических материалов—хлорвиниловые и другие, стойкие против кислот.

Тканевые фильтрующие перегородки (кроме металлических) в боль­шинстве случаев обладают незначительной механической прочностью,
поэтому их обычно укладывают на деревянные или металлические ре­шетки.

Наиболее распространенными фильтрами периодического действия с тканевой перегородкой являются: нутч-фильтры, листовые или мешоч­ные фильтры и фильтрпрессы.

Нутч-фильтры. Простейшими фильтрами с тканевой перего­родкой являются нутч-фильтры (или просто нутчи), работающие под. вакуумом.

Нутч-фильтр (рис. 129) пред­ставляет собой резервуар 1 с двой­ным дном, причем верхнее ложное дно или решетка 2 служит для удер­живания слоя фильтрующего мате­риала и допускает свободное проте­кание жидкости в нижнюю часть фильтра. Осадок остается на филь­трующей перегородке, а жидкость (фильтрат) из нижней части аппа­рата под действием разрежения, со­здаваемого вакуум-насосом, выходит через патрубок 3 и направляется в приемный резервуар. Из резервуара

Жидкость перекачивается насосом или передается сжатым воздухом на дальнейшую обработку, а также на повторную фильтрацию, если филь­трат получается мутным. Схема фильтрации на нутч-фильтре показана на рис. 130.

Производительность нутча зависит от поверхности фильтрующей перегородки, толщины слоя осадка и степени вакуума. В имеющихся

Мутный фильтрат

Установках размеры фильтрую­щей поверхности нутча состав­ляют 1—6 м2, толщина слоя осадка—в пределах 50—400 лш. Практически достигается ваку­ум 500—700 мм рт. ст.

Преимуществом нутч-

Статыйвоздух Фильтров является то, что из. с • осадка можно отсосать боль­

Шую часть жидкости; вслед­ствие этого при последующих промывках осадка жидкость сильно не разбавляется промыв­ными водами. Кроме того, нут­чи очень просты по конструкции и в эксплуатации легко доступ­ны для наблюдения и контроля.

Недостатками нутч-филь- тров являются громоздкость конструкции, ручная выгрузка и сравнительно ограниченные размеры фильтрующей поверхности. Наи­большая разность давлений при фильтрации на нутче ограничена 1 am, вследствие чего скорость фильтрации в большинстве случаев незначительна.

Для ускорения и упрощения разгрузки осадка изготовляют опро­кидывающиеся нутчи. Корпус такого нутча установлен на гори - аонтальных подшипниках и поворачивается вокруг горизонтальной оси. Опрокидывание нутча производят после промывки и отсасывания осадка.

Фильтрацию жидкостей, выделяющих вредные или легко воспламе­няющиеся пары, проводят под давлением сжатого воздуха или инертных газов в нутчах закрытого типа.

Основным недостатком такого нутча является трудность выгрузки осадка. Для облегчения выгрузки нижнее днище нутча делают откидным на шарнире; днище снабжается противовесом и закрепляется на откид­ных болтах. Ложное дно укреплено на нижнем днище и откидывается вместе с ним. Нижнюю часть нутча соединяют со сборником фильтрата гибкими трубами. В тех случаях, когда осадок должен подвергаться даль­нейшей обработке в жидкой среде, нутчи для облегчения выгрузки снаб­жают мешалками. Во время фильтрации мешалку приподнимают над уровнем фильтруемой массы, а по окончании процесса опускают после

Нией ваку> ма или сжатого ввздуха; 3—резервуар для /—трубчатая рама; 2—отводная тр>бка для

Фильтрации; 4—резервуар для промывки осадка: 5—ре - фильтра; 3—коллектор; 4—фильтрующая зервуар для снятия осадка; б— разгрузочный шнек; ткань 7—тельфер.

Добавления в промытый осадок некоторого количества жидкости. Мешал - * ку опускают не сразу, а постепенно, срезая при вращении сравнительно тонкие слои осадка и взмучивая его в жидкости. Взмученный осадок перекачивается при помощи насоса или спускается по трубопроводу - самотеком. Устройство нутча с поднимающейся мешалкой позволяет из­бежать ручной разгрузки осадка.

Листовые фильтры. Для фильтрации жидкостей, содержа­щих незначительное количество твердой фазы (до 3%), применяют листовые (или мешочные) фильтры.

Фильтрующими элементами такого аппарата являются тканевые мешки, которые целиком погружаются в жидкость; фильтрат отсасы­вается изнутри с тем, чтобы осадок отлагался на наружной поверхности мешка.

Для того чтобы при отсасывании фильтрата стенки мешка не сближались, мешок надевают на раму с сетчатой или волнистой поверх­ностью. При таком устройстве внутри фильтра образуется постоянный свободный объем, необходимый для передвижения жидкости к сборным выпускным отверстиям.

Листовые фильтры обладают весьма развитой рабочей поверх­ностью; фильтрация на них проходит обычно под вакуумом (иногда под небольшим избыточным давлением, не превышающим 1 ати).

Листовой фильтр (рис. 131) составляется из большого числа филь­трующих элементов (до 30 и более), укрепленных на одной раме в один

Блок, который поднимается и перемещается при помощишстгм^^Ш^ или тельфера. ^МШШ*

Отдельный элемент фильтра (рис. 132) представлю тую тканью трубчатую раму 1 с отверстиями в боковой поверхности, жидкость проходит внутрь рамы и отводится по трубке 2 к коллектору 3, присоединенному к вакуум-насосу.

Фильтр работает следующим образом. Фильтрующие элементы погружают в резервуар и создают в них опреде­ленный вакуум. При этом жидкость проходит внутрь эле­ментов, а осадок остается на их поверхности. Когда тол­щина слоя осадка достигает необходимой величины (обыч­но 5—35 мм), то, продолжая поддерживать вакуум для удержания осадка на фильтре, переносят фильтрующие элементы в другой резервуар для промывки осадка водой или каким-либо раствором. После окончания промывки осадок подсушивают просасыванием воздуха и затем в третьем резервуаре удаляют обратным током воды, воздуха или пара. Чтобы предупредить отстаивание жидкости, ре­зервуар иногда снабжают приспособлениями для перемеши­вания.

Листов ые фильтры, работающие под давлением. Для фильтрации больших количеств жид­кости под некоторым избыточным давлением применяют листо­вые фильтры, состоящие из набора плоских прямоугольных фильтрующих элементов. Элемент (рис. 133) представляет, собой полую раму 1, в которой находится проволочная сетка 2.. Рама и сетка обтянуты фильтрующей тканью 3, закрепляемой при помощи колпачка 4. Рамы укреплены на крышке фильтра и вместе с ней могут выдвигаться из ре­зервуара на специальной тележке. На каждом фильтрую­щем элементе имеется выведенная наружу и снабженная краном трубка для отвода фильтрата.

Работа фильтра заключается в следующем. В закрытый цилиндри­ческий резервуар 1 (рис. 134) нагнетают насосом или сжатым воздухом

Суспензию через патрубок 2\ вытесняемый при этом воздух выходит че­рез патрубок 3 и воздушный клапан. После заполнения резервуара воз­душный клапан автоматически закрывается и в резервуаре образуется давление, под действием которого жидкость проталкивается через филь­трующие элементы 4. Фильтрат вытекает через отводные трубы 5.

После образования слоя осадка достаточной толщины суспензию вытесняют сжатым воздухом из резервуара. Затем, поддерживая давле­ние, чтобы удержать осадок на фильтре, заполняют резервуар промывной жидкостью и промывают осадок. Промывную жидкость удаляют сжатым

Воздухом, затем проду­вают и просушивают слой осадка.

В дальнейшем вы­катывают крышку вме­сте с фильтрующими элементами из резер­вуара и выгружают осадок обратным током воды, воздуха или пара.

Общий вид листо­вого фильтра в момент его разгрузки показан на рис. 135. Фильтры такого типа имеют фильтрующую поверх­ность площадью от 40 до 112 м2. Фильтрация протекает в них со зна­чительной скоростью, при небольшом расходе жидкости на промывку. На рис. 136 изображен листовой фильтр несколько иной конструк­ции, также работающий под давлением. Литой корпус фильтра состоит из двух полуцилиндров. Верхняя половина 1 корпуса жестко укреплена

Рис. 136. Листовой фильтр с круглыми фильтрующими элементами, работающий под дав­лением:

/—верхняя половина корпуса: 2—нижняя половина корпуса; 3—откидные болты; 4—фильтрующие элемен­ты; 5— отводные трубки для-фильтрата; 6—коллектор для фильтрата.

На двух стойках, а нижняя 2 шарнирно подвешена на верхней половине и уравновешена грузом так, что легко поворачивается вокруг шарнира. Во время работы фильтра обе половины корпуса плотно соединяются друг с другом на откидных болтах 3.

Фильтрацию производят через фильтрующие элементы 4—круглые мешки из ткани, натянутые на жесткие, круглые ситчатые каркасы с

Отводными трубками 5. Элементы подвешены к верхней половине кор­пуса фильтра. Фильтрат выводится по отводным трубкам 5 в общий кол­лектор 6.

Циклы работы фильтра—фильтрация, промывка осадка и раз­грузка—осуществляются так же, как и в листовом фильтре, описанном выше, причем разгрузка производится с помощью сжатого воздуха, пара или воды при открытой нижней половине корпуса фильтра.

Фильтрпрессы рамные и к'а мерные. В химической промышленности широко распространены фильтрпрессы, процесс работы которых ускоряется проталкиванием жидкости под давлением 3—4 am.

Фильтрпресс состоит из некоторого числа разделенных жесткими перегородками (плитами) камер, между которыми помещена фильтрую­щая ткань. Плиты имеют каналы для распределения фильтруемой суспен­зии, стока фильтрата, притока и стока промывной жидкости и т. д.

Фильтрат

/ В Рис. 137. Схема работы рамного фильтрпресса:

/—стадия фильтрации; И—стадия промывки, /—рабочие плиты (таблицы); 2—задняя плита; 3—рама; 4—фильтрующая ткань (салфетки).

Фильтруемая суспензия подводится в камеры под некоторым дав­лением; жидкость протекает через ткань и стекает в корыто, а осадок плотно пристает к полотну, образуя спрессованную тестообразную ле - 'пешку.

Если фильтрация должна проводиться с нагревом или охлаждением, фильтрпресс изготавливается со специальными каналами для подвода пара, воды или холодильного рассола.

Различают фильтрпрессы рамные и камерные.

Рамный фильтрпресс (рис. 137) состоит из чередующихся прямо­угольных рам и плит («таблиц»), между которыми зажата фильтрующая ткань. Каждые две соседние плиты с заключенной между ними рамой образуют самостоятельно работающую фильтровальную камеру. Плиты рамного фильтрпресса снабжены дренажными приспособлениями (канав­ками) для отвода фильтрата в сборные каналы и обслуживают одновре­менно две примыкающие камеры. Стенки плит и рам имеют толщину достаточную, чтобы выдерживать давление в несколько атмосфер. Совпа­дающие по оси отверстия в верхней части плит и рам образуют один общий канал для подачи фильтруемой жидкости в камеры. Стекает фильтрат через краники в нижней части плит.

Процесс фильтрации в рамном фияьтрпрессе протекает следующим образом (см. рис. 137,/). Фильтруемая жидкость нагнетается в централь­ный канал и из него через отверстия в верхних стенках рам поступает во

15 А. Г. Касаткин.

Внутреннее пространство камер; жидкость проходит через фильтрующие ткани («салфетки»), стекает по канавкам в плитах в нижний сборный канал и через краник удаляется наружу, осадок же остается на фильтрующей перегородке внутри камер. После того как камеры бу­дут заполнены осадком, что можно заметить по прекращению стека­ния фильтрата из краников, начинают, если это требуется, промывку осадка.

Для промывки осадка фильтрпресс снабжается одним или двумя самостоятельными каналами, которые также проходят в верхней части плит и рам и сообщаются с пространством камер. Промывная вода по­ступает с обратной стороны фильтрующей перегородки (рис. 137, II). проходит через весь слой осадка в камере и собирается в канале сосед­ней плиты. Для осуществления такого способа промывки необходимо, чтобы краники были открыты не у всех плит, а только по одному у каж­дой пары плит. Таким образом, при фильтрации следует открывать все краники без исключения, в то время как при промывке краники всех

Четных плит, считая от места поступления суспен­зии, должны быть откры­ты, а всех нечетных—за­крыты. После окончания промывки для осушки осад­ка через фильтрпресс продувают сжатый вбз - дух, после чего выгру­жают осадок.

Рамы и плиты рам-

Ных фильтрпрессов выпол­няют чугунными (для ще­лочных и нейтральных жидкостей) или деревян­ными (для кислых жидко­стей). Толщина рам ко-

Леблется в пределах 20—50 мм. Число рам составляет от 10 до 60, соот­ветственно производительности и количеству осадка.

Рамы и плиты устанавливаются на горизонтальных направляющих (укрепленных в чугунной массивной станине) и могут свободно по ним пе­ремещаться. Плиты и рамы прижаты друг к другу при помощи ручного винтового или гидравлического затвора. Первый способ применим при не­большом числе рам, так как при большом их числе винтовой затвор не обеспечивает необходимой плотности между рамами.

Для создания гидравлического затвора используют гидравлические на­сосы высокого давления, снабженные аккумуляторами давления, или руч­ные насосы, применяемые обычно для гидравлического испытания сосудов.

На рис. 138 показан фильтрпресс с гидравлическим затвором; ручной гидравлический насос помещен непосредственно на станине пресса.

Преимуществом фильтрпрессов рамного типа является простота креп­ления фильтрующей ткани на рамах. Это выполняют следующим образом. Отрезают полосу ткани длиной несколько больше двойной высоты рамы, вырезают по шаблону в соответствующих местах отверстия и натягивают на плиту эту полосу концами книзу

Из рамных фильтрпрессов легко выгружается осадок. Пресс раздви­гают и, отодвигая плиты и рамы, ссыпают осадок в корыто или сборник, находящиеся под прессом.

При продувке осадка расходуется примерно 2,5 мг1час сжатого воз­духа на одну раму.

Камерный фильтрпресс состоит из одних фильтровальных плит с выступами по краям. Прижатые друг к другу плиты (рис. 139) создают попарно отдельные камеры. Центральные отверстия в плитах образуют соединительный канал для всех камер пресса; через канал в камеры нагнетается суспензия.

Плотная ткань, сшитая обычно в виде мешка, натягивается на плиту, а края вырезов против централь­ного канала плотно прижимаются к плите пробками с фланцами.

Фильтрат проходит через ткань и стекает по стен­кам плит в каналы, имеющиеся в нижней части плит.

Промывку осадка в камерных фильтрпрессах произ­водят так же, как и в рамных.

Камерные прессы менее распространены, чем рам­ные, так как заправка фильтрующих тканей (салфеток) в них более сложна, а объем ПОЛучаеМОГО осадка меньше, /—плита; 2—филь - Камерные фильтрпрессы Применяют ДЛЯ фильтрации Т^кЗГЯТ3-ка(нал таких суспензий, которые забивают узкие каналы И ДЛЯ стока фильтрата, поэтому не фильтруются через рамные фильтрпрессы. В отличие от рамных, камерные фильтрпрессы изготовляют только чу­гунными.

Для правильной работы фильтрпресса весьма важно, чтобы по мере нарастания слоя осадка в камерах подача суспензии велась с возрастаю­щим давлением. Поэтому более целесо­образно нагнетать жидкость не насо­сами, а сжатым воздухом при помощи монтежю. Хотя такая подача жидкости требует больших расходов, но зато легко регулируется давление и исклю­чается возможность возникновения ги­дравлических ударов и пульсации жид­кости; кроме того, при подаче сжатым воздухом не требуется постоянного надзора за фильтрпрессами. Фильтр­прессы обеспечивают хорошее качест­во фильтрации большинства суспен­зий при довольно высокой производи­тельности.

К числу достоинств фильтрпрес­сов следует отнести большую филь­трующую поверхность и возможность применения давлений до 12 ати (что позволяет проводить фильтрацию са­мых разнообразных и трудно фильтруе­мых материалов), простоту контроля фильтрации и промывки, возмож­ность защиты от коррозии и малую стоимость. Основными недостатками фильтрпрессов являются: высокая трудоемкость фильтрации, тяжелые условия труда и быстрый износ фильтрующей ткани из-за работы ткани под большим давлением и частой разборки фильтра.

Фильтрпрессы широко применяют для фильтрации различных (в том числе химически активных и трудно фильтруемых) материалов в производствах относительно небольшого масштаба, где установка слож­ных непрерывно действующих фильтров нецелесообразна. 15*

Схема фильтрации на фильтрпрессах, с промывкой и продувкой осад­ка сжатым воздухом, показана на рис. 140. В связи с возможностью про­рыва ткани и проскакивания при этом осадка в фильтрат сборник фильтра­та соединен с насосом, которым жидкость может быть подана обратно в чан для суспензии, а затем повторно на фильтр.

Фильтры-сгустители. Фильтры с тканевой перегородкой приме­няют также для частичного удаления жидкой фазы, т. е. для сгущения суспензий.

Наиболее распространены патронные фильтры-сгустители (рис. 141). Суспензия подается в резервуар 7, в который погружены

Металлические патроньг 2 с перфорированной боковой поверхностью, по - * крытой фильтрующей тканью. При создании разрежения внутри патро­нов суспензия фильтруется через них. Патроны соединены трубопрово­дами' с распределительной головкой 3, которая служит для переключения с вакуума на давление и для огдувки слоя осадка с поверхности ткани. Осадок удаляется шнековой мешалкой 4 через патрубок 6.

Изготовляются также патронные фильтры-сгустители с коническим днищем и гребками, как у отстойника на рис. 123. Поверхность фильтра­ции таких аппаратов равна 35—214 м2.

Помимо сгустителей с вертикальными патронами, применяют также фильтры-сгустители, работающие аналогично дисковым вакуум-фильтрам (стр. 285) и рамным фильтрнрессам.

Фильтры с неподвижной жесткой перегородкой Для фильтрации широко применяют перегородки из различных керамических материалов, обладающих высокой механической прочностью.

Чаще всего фильтры с пористыми фильтрующими плитками изго­товляют в виде вакуумнутч-фильтров и реже в виде нутч-фильтров, рабо­тающих под давлением.

На рис. 142 показан вакуумнутч-фильтр, футерованный кислото­упорными плитками и снабженный фильтрующей перегородкой из пори­стых керамических плит.

Плитки ставят на специальной химически стойкой замазке. Поверх­ность фильтрации таких фильтров достигает 12—14 м2.

Для тонкой фильтрации служат фильтры фарфоровые или из спе­циальных сортов керамики, например поролитовые. Последние

Отличаются высокой устойчивостью к щелочам и кислотам, а также тер­мической стойкостью до 700°.

Применяются также патронные фильтры с фильтрующими элемен­тами в виде вертикальных пористых цилиндров-патронов, изготовленных из кварца, стекла, кизельгура, ^

Угля, керамики или других хими - "ffp^T//

Чески стойких материалов. ^

Фильтровальный патрон (рис. 143) состоит из пористого ци­линдра 1 с глухим днищем, наде­ваемого на ребристую стальную трубу 2, с отверстиями 3 для отвода фильтрата (рис. 143).

Рис. 143. Фильтровальный патрон: Рис. 144. Патронный фильтр.

/—пористый цилиндр; 2—ребристая сталь - 1—корпус; 2—днище; 3—крышка; 4, 11—патрубки: пая трубка; 3—отверстия для отвода филь - 5—фильтровальные патроны; б—отверстия в патроне; трата; 4—канал для фильтрата. 7, 5—каналы; 8—чугунная плита; 10—распределитель­

Ная решетка.

Фильтры этого типа работают следующим образом (рис. 144). Пред­варительно перемешанную суспензию подают насосом в корпус 1 фильтра

Через патрубок 4 под давлением до 8 am. Фильтрат проходит через по­ристые стенки патронов 5 и удаляется через отверстия 6 и горизонталь­ные каналы 7 в чугунной плите 8, на которой подвешены патроны.

Суспензия подается для заполнения всего корпуса фильтра; избы­ток ее проходит в вертикальные каналы 9 чугунной плиты и через па­трубок 11 сливается в сборник суспензии. Циркуляцию суспензии регу­лируют вентилем. По достижении определенной толщины слоя осадка на наружных стенках патронов подачу суспензии прекращают и остав­шуюся в корпусе фильтра жидкость выдавливают сжатым воздухом обрат-» но в хранилище суспензии через патрубок 4.

Осадок промывают водой, которая подается через патрубок 4 и удаляется так же, как и фильтрат. После промывки осадок подсушивают воздухом или газом, которые подаются через распределительную ре­шетку 10 и уходят в каналы 7.

Подсушенный осадок удаляют сжатым воздухом. Для этого при помощи ручного механизма откидывают днище 2, а сжатый воздух подают периодически черег каналы 7. Этим осадок сбрасывается со стенок патронов и падает вниз на соответствующее транспортное при­способление.

В некоторых случаях осадок удаляют в виде суспензии; при этом днище не открывают, а до подачи сжатого воздуха корпус фильтра за­полняют жидкостью.

Периодически производят очистку пор фильтрующих элементов, . промывая их соответствующим растворителем или продувая сжатым воз­духом.

Для повышения экономичности работы патронного фильтра жела­тельно поддерживать постоянство состава суспензии, поступающей на фильтрацию, путем перемешивания ее в сборнике до подачи на фильтр.

Патронные фильтры такой конструкции с общей фильтрующей по­верхностью 0,01—52 м2 имеют 1—64 патрона; толщина слоя осадка на патронах достигает 60 мм.

Достоинствами патронных фильтров являются: компактность, воз­можность автоматизации процесса, удобство промывки фильтрующей перегородки, а также хорошее осветление.