МАШИНОСТРОЕНИЕ

ФИЛЬТРЫ

Жидкостные фильтры являются широко распространенными аппаратами в химической, нефтехимической и других отраслях промыш­ленности, а также при решении экологических проблем для обработки технологических и промышленных сточных вод [20, 58]. На про­мышленных фильтрах процесс фильтрования обеспечивает разделение жидких неоднород­ных систем (суспензий), при этом отделяемые взвешенные частицы задерживаются пористой средой.

Фильтрованием осуществляют следую­щие основные процессы:

Разделение суспензий - отделение содер­жащихся в них твердых частиц, задерживае­мых на фильтрующей перегородке, через кото­рую удаляется подавляющее количество жид­кости - фильтрата;

Сгущение суспензий - повышение в них концентрации твердой фазы путем удаления через фильтрующую перегородку части жид­кой фазы;

Осветление жидкостей - очистка от со­держащегося в них небольшого количества тонких взвесей;

Микро - и ультрафильтрацию - отделение тонких твердых и коллоидных частиц, бакте­рий или молекул высокополимеров при помо­щи полунепроницаемых мембран с порами размером 1..Д1 мкм для микрофильтрации и от 0,1 до 0,02 мкм - для ультрафильтрации.

В промышленных условиях на фильтрах осуществляется комплекс процессов: собст­венно фильтрование, промывка осадка и его обезвоживание, а также вспомогательные опе­рации - подача суспензии, съем и удаление осадка, регенерация фильтрующей перегород­ки.

Основные закономерности процессов фильтрования. Вследствие малого диаметра поровых каналов в фильтрующих перегородках и слое осадка фильтрование обычно происхо­дит при режиме ламинарного течения и очень редко - при переходном и турбулентном ре­жимах. Число Рейнольдса при движении жид­кости в пористой среде можно определить по формуле Павловского:

Dp ___________________ 1_____

V(0,75є + 0,23)'

Где v - скорость фильтрации, отнесенная ко всей поверхности, м3/(м2.с), м/с; de - эффек­тивный диаметр частиц, м; v - кинематиче­ская вязкость фильтрата, м2/с; є - порозность.

В этом случае критическое значение чис­ла Рейнольдса ReKp =7...9.

Скорость фильтрования жидкости через пористую перегородку и отложившийся на ней слой осадка определяют по формуле

Ар Ар |i(aF8 + P) цД'

Где Ар - перепад давлений в фильтрующей пе­регородке и слое осадка, Па; р - динамическая вязкость фильтрата, Пас; а у - сопротивле­ние единицы объема пористого осадка, 1/м2; 8 - толщина слоя осадка, м; (3 - сопротивление фильтрующей перегородки, отнесенное к еди­нице вязкости, 1/м; R - общее сопротивление фильтрования, отнесенное к единице вязкости, складывающееся из сопротивлений осадка и фильтрующей перегородки, 1/м.

Величину R иногда удобно выразить сле­дующим образом

^-аср<7т^' + Р >

Где qT - масса твердой фазы, отлагающейся на фильтре при получении единицы объема фильтрата, кг/м"5; V - объем фильтрата, полу­ченного с единицы фильтрующей поверхности, м3/м2; acp =ayb/qTV' - удельное сопротив­ление осадка (массовое) при данном перепаде давлений, м/кг.

При нарастающей толщине фильтрующе­го слоя скорость фильтрования непрерывно изменяется и ее среднее значение за период т выражается уравнением:

V' Ар * МЯср

Полное среднее сопротивление фильтра за данный отрезок времени, отнесенное к еди­нице вязкости,

Tfcp=^7 = 0,5acp<7TK' + p.

Удельное сопротивление сжимаемого осадка зависит от давления и в большинстве случаев выражается эмпирической формулой

-a'(Ap)s

1. Промежуточный процесс между фильт­рованием с образованием осадка и фильтрова­нием по, так называемому, стандартному зако­ну постепенного сужения свободного прохода капилляров фильтрующей перегородки. Для этого случая при Ар = const

Где а - коэффициент пропорциональности; s - показатель сжимаемости осадка; s = 0... 1. Для сильно сжимаемых осадков:

\ + ах(ДрУ

Или аср =а%а2(Лр)5,

1 L А;

Где к] - константа, характеризующая сопро­тивление потоку, 1/м, Vq - начальная мгно­венная скорость фильтрования, м/с.

Параметры к\ и Vq определяют экспе­риментально, исходя из линейной зависимости

Где а, а], а, а2, s - экспериментально

Определяемые параметры.

Мгновенная скорость фильтрования

Ар

DV' _

Dx ц(аср<7тК' + Р)'

Время фильтрования при постоянном пе­репаде давлений

Где Ь] =|agTac/(2A/?) - константа уравнения фильтрования при режиме постоянного давле­ния, с/м2; Kq =рД<?таср) ~~ объем фильтрата,

При получении которого с единицы поверхно­сти отлагается слой осадка с сопротивлением, равным сопротивлению фильтрующей перего­родки, м3/м2.

При постоянной скорости фильтрования т = Г'/а.

Вследствие непрерывного увеличения сопротивления фильтра поддержание v = const сопряжено с непрерывным возрастанием Ар во времени. При этом

Lg[WTa'(T + T0)i;2]

IgAР-

1-5

Осветлительное фильтрование суспензий, содержащих небольшое количество взвесей (менее 1 %) подчиняется иным закономерно­стям, чем фильтрование с образованием осад­ка. Известны три характерных случая осветли - тельного фильтрования [20].

2. Стандартный закон фильтрования. По мере прохождения жидкости через фильтрую­щую перегородку диаметр ее капиллярных ка­налов постепенно сужается вследствие прили­пания к их стенкам мельчайших взвесей. В этом случае при Ар = const

2V

Т =

"0 (2 - W)'

Для экспериментального определения па­раметров к] и Vq пользуются линейной зави­симостью

JL-_L к1

V'~v0+ 2Т'

Этот закон применим в большинстве слу­чаев, когда процесс не протекает по закону фильтрования с образованием осадка.

3. Закон фильтрования с уменьшением числа открытых фильтрующей перегородки (или с полной закупоркой пор). Предполагает­ся, что при попадании частицы в какую-либо из пор, последняя полностью закупоривается, так что число открытых пор по ходу процерса фильтрования непрерывно уменьшается. В рассматриваемом случае при Ар = const

T = - Lln "о „ к 2 ^о-к2У

Где А:2 =k\v0 ~ константа, характеризующая сопротивление фильтра по закону уменьшаю­щегося числа открытых пор, 1/с.

Параметры к\ и v$ определяют на ос­новании уравнения для мгновенной скорости фильтрования при Ар = const

\Gv = \gv0-к2т lge.

Все рассмотренные законы фильтрова­ния, в том числе с образованием осадка, могут быть представлены в общей форме, которая характеризует увеличение сопротивления про­цесса фильтрования в зависимости от прира­щения количества фильтрата

DR DV'~~

Где к - постоянная, характеризующая сопро­тивление потоку; п - показатель степени в об­щем уравнении.

Величина показателя степени п в боль­шинстве случаев изменяется от 0 до 2, в зави­симости от протекающего на фильтре процес­са:

При фильтровании с образованием осадка

П = 0;

При фильтровании по промежуточному закону п= 1;

При фильтровании по стандартному зако­ну п = 1,5;

При фильтровании с уменьшающимся числом открытых пор п - 2.

Основные уравнения различных процес­сов представлены в табл. 3.1.9.

Промывка осадка - замещение жидкой фазы, заполняющей поры осадка, промывной жидкостью, которое сопровождается гидроди­намическими процессами поршневого вытес­нения и смешения двух жидкостей, а также диффузионными процессами [34].

При промывке осадка на фильтрах можно выделить три стадии (рис. 3.1.10): I - вытесне­ние основного фильтрата из пор осадка про­мывной жидкостью (характеризуется постоян­ной концентрацией растворимого вещества в получаемом промывном фильтрате); II и III - непрерывное уменьшение концентрации рас­творимого вещества (стадия II определяется в большей степени гидродинамическими про­цессами движения и перемешивания жидко­стей в порах осадка, а стадия III - диффузион­ными процессами).

В общем виде уравнение для процесса промывки

Рис. 3.1.10. Периоды промывки осадка на фильтре

= /

М

Мос

Для первой стадии М

Мг

Для второй стадии

~ + dr,

V

\ 'ос

Для третьей стадии

М

- = 1-------------------------

^ос ^п. ж/^ос

Где ап, Ьп, сп, dn, еп - эмпирические по­стоянные, зависящие от свойств получаемого на фильтре осадка и промывной жидкости; М- масса растворенного вещества в промывной жидкости, кг/м3; Мос - масса растворенного вещества в фильтрате, кг/м3.

Просушка (обезвоживание) - удаление жидкой фазы из пор отфильтрованного осадка, осуществляемое на фильтре пропусканием че­рез него газа, пара или нагрева.

Для кристаллических осадков, не рас­трескивающихся при обезвоживании, с крупно - и среднедисперсных частиц твердой фазы

Влажность осадка выражается зависимостью

„, ""С-»)"

ДрсИтс)

Где 50С - толщина просушиваемого осадка, м; Дрс - перепад давлений при просушке, Н/м2;

Тс - время просушки осадка, с; РГ',Г|,/?,Д- постоянные для данного осадка, определяемые экспериментально.

Тонкодисперсные осадки на фильтре мо­гут быть обезвожены механическим отжимом с помощью валков, вибрационных устройств, эластичных диафрагм, а также добавлением в суспензию поверхностно-активных веществ.

Классификация фильтров (табл. 3.1.10). Основными признаками классификации фильтров являются:

Характер работы фильтра - непрерывный или периодический;

Способ создания движущейся силы про­цесса фильтрования - вакуумный, когда пере­пад давлений создается в результате разреже­ния под фильтрующей перегородкой; избыточ­ное давление (более высокое, по сравнению с атмосферным); гравитационное давление - под действием гидростатического столба жидкости разделяемой суспензии;

Конструктивное исполнение - форма и расположение фильтрующего элемента, способ съема осадка.

Фильтры непрерывного действия [81]. Барабанные вакуум-фильтры с наружной фильтрующей поверхностью. Из фильтров этого типа наибольшее распространение полу­чили барабанные ячейковые вакуум-фильтры (рис. 3.1.11), состоящие из горизонтального барабана 7, разделенного на отдельные ячейки. Фильтрующая перегородка (ткань, сетка, кера­мическая плитка и др.) расположена по внеш­ней цилиндрической поверхности, образован­ной ситами, решетками или проволочными ковриками. Барабан частично погружен в ко­рыто 3, заполненное суспензией. В нижней части корыта располагается качающаяся или вращающаяся мешалка 4 для поддержания час­тиц твердого вещества во взвешенном состоя­нии. Фильтрат от каждой ячейки отводится по каналу, выходящему на торцовую поверхность полой цапфы барабана. При вращении бараба­на ячейки сообщаются с камерами неподвиж­ной распределительной головки 2 и проходят последовательно зоны фильтрации, предвари­тельной просушки, промывки, удаления осадка и регенерации фильтрующего основания. В за­висимости от свойств осадка удаление его с фильтрующей поверхности может осуществ­ляться ножом, резиновыми валиками или шну­рами.

В ряде случаев при обработке суспензий, образующих осадки толщиной 1...3 мм, для лучшей регенерации фильтрующей перегород­ки применяют фильтры со сходящим полотном (рис. 3.1.12). На этом фильтре при огибании тканью или сеткой разгрузочного ролика про­исходит отделение осадка от поверхности фильтрующей ленты.

В барабанном безъячейковом вакуум - фильтре (рис. 3.1.13) вращающийся горизон­тальный барабан 1 с отверстиями покрыт сна­ружи фильтровальной перегородкой. Внутри барабана установлен неподвижный вал 2, со­единенный с трубой 3 для вывода основного фильтрата, и камерой 4 для сбора и отвода промывного фильтрата. Отдувка получаемого осадка и регенерация фильтровальной перего­родки осуществляются сжатым воздухом, по­даваемым через устройство 5, также установ­ленном на неподвижном валу 2.

Сжатый воздух, поступающий внутрь устройства, выходит под давлением через про­дольные щели в колодке 6 и воздействует на фильтрующую перегородку, отделяя от по­верхности осадок и регенерируя ткань. Внут­ренняя поверхность барабана специально об­работана и при соприкосновении с колодкой 6 образует отдельную от зон фильтрования и промывки осадка герметичную зону.

Конструкция безъячейкового фильтра по­зволяет осуществлять раздельный отвод ос­новного и промывного фильтрата, смешение которых возможно на барабанных вакуум - фильтрах ячейкового типа.

Барабанные вакуум-фильтры ячейковые и безъячейковые с предварительно нанесенным слоем вспомогательного фильтрующего веще­ства (диатомита, перлита, древесной муки, ак­тивного угля и др.) применяют для разделения суспензий, содержащих тонкодисперсные и липкие осадки, способные быстро забивать по­ры фильтрующей перегородки. Образующийся при фильтровании через намывной слой осадок постепенно срезается ножом с микрометриче­ской подачей вместе с некоторым количеством вспомогательного вещества. Длительность не­прерывной работы аппарата без возобновления вспомогательного слоя достигает 48 ч.

4

Барабанные герметизированные вакуум - фильтры предназначены для обработки взры­воопасных суспензий. Особенностью конст­рукций является герметизация пространства, окружающего барабан, для чего последний за­ключают в закрытый корпус. В нижней части корпуса находится подлежащая разделению суспензия, в верхнюю подается циркулирую­щий инертный газ под небольшим избыточным давлением, около 5 кПа. Газ, частично отсасы­ваемый через фильтрующую поверхность ба­рабана и вакуумную систему, отделяется и снова подается компрессором в корпус бараба­на. Для удаления осадка из корпуса аппарата используется нож, под которым помещен шнек, транспортирующий осадок к штуцеру для выгрузки в герметизированную приемную емкость.

Барабанный вакуум-фильтр с внутренней фильтрующей поверхностью предназначен для разделения суспензий с твердыми частицами средней крупности, скорость осаждения кото­рых не менее 6 мм/с, главным образом в гор­норудной, угольной и металлургической про­мышленности, где не требуется эффективная промывка и высокая степень обезвоживания осадка. Фильтр состоит из горизонтального вращающегося барабана 7, установленного на вращающихся роликах 2 (рис. 3.1.14). Барабан
с одной стороны закрыт глухой плоской стен­кой, а с другой - стенкой с большим централь­ным отверстием, образующей кольцевой борт 3. Фильтрующая поверхность 5 расположена на внутренней стороне барабана, разделенного на отдельные ячейки 4, соединенные трубками 7 с распределительной головкой 6.

Суспензия заливается внутрь барабана до уровня кольцевого борта. Осадок отделяется от ткани отдувкой сжатым воздухом и выводится наружу через бункер 8 ленточным конвейером 9 или шнеком.

Дисковые вакуум-фильтры предназначе­ны для разделения суспензий с относительно однородными и медленно осаждающимися частицами твердой фазы. Эти фильтры обла­дают развитой фильтрующей поверхностью и состоят из горизонтально расположенного по­лого секционного вала, на котором укреплены диски, частично погруженные в корыто 2 с разделяемой суспензией (рис. 3.1.15). Каждый диск состоит из обтянутых фильтровальной тканью полых секторов У, имеющих с обеих сторон перфорированную или рифленую по­верхность. Полость каждого сектора сообщает­ся со своим отводящим каналом, выведенным к распределительной головке 3. Для предотвра­щения осаждения твердых частиц суспензии в корыте устанавливаются мешалки или произ­водится барботаж подачей сжатого воздуха.

Тарельчатые вакуум-фильтры предна­значены для отделения, обезвоживания и про­мывки тяжелых крупнозернистых осадков толщиной не менее 12 мм. Фильтр состоит из горизонтальной, разделенной на отдельные ячейки вращающейся тарелки У, на верхней

Плоскости которой уложены опорные дренаж­ные решетки (рис. 3.1.16). Фильтрующим ос­нованием 2 служит ткань, сетка или щелевые сита. Фильтрующая поверхность ограничена неподвижным наружным 4 и внутренним бор­том 5. Каждая ячейка тарелки соединена отво­дящими трубками с распределительной голов­кой 7. Фильтр снабжен устройствами для пода­чи суспензии, распределения промывной жид­кости, удаления осадка.

Карусельные вакуум-фильтры применя­ют при обработке суспензий, образующих осадки, не подверженные сильному растрески­ванию и требующие тщательной промывки. Фильтр состоит из отдельных ковшей У, распо­ложенных по кругу и установленных на под­вижной раме 2 (рис. 3.1.17). Каждый ковш имеет дренирующую поверхность и соединен

Гибким шлангом с распределительной голов­кой 5. Аппарат допускает эффективную много­ступенчатую промывку.

При разгрузке ковш опрокидывается с помощью специальных направляющих. Окон­чательная очистка фильтрующей поверхности производится смыванием ее направленными струями воды. Рабочая поверхность карусель­ных вакуум-фильтров может достигать 100 м2 и более.

Ленточные вакуум-фильтры предназна­чены для разделения суспензий с неоднород­ным по крупности, тяжелым и требующим тщательной промывки осадком. На столе 7 вмонтированы вакуум-камеры, соединяющиеся с ресиверами для основного и промывных фильтратов (рис. 3.1.18). По поверхности стола скользит натянутая на двух барабанах рифле­ная резиновая лента 2 с продолговатыми выре­зами посредине, сообщающимися с отверстия­ми вакуум-камер. Поверх ленты проходит фильтровальная ткань в виде бесконечного по­лотна. Удаление осадка с фильтра осуществля­ется с помощью ножа 8\ в случае липких и ма­жущихся осадков устанавливают специальный барабан с отдувкой.

Барабанные и дисковые фильтры под давлением предназначены для обработки сус­пензий с эффективной промывкой и просуш­кой получаемых осадков. Дисковый или бара­банный фильтр установлен в корпусе 7, давле­ние в котором создается сжатым воздухом, га­зом или паром (рис. 3.1.19). При работе фильт­ра на фильтрующей перегородке создается пе­репад давлений до 0,6 МПа, что позволяет ин­тенсифицировать процессы фильтрования и последующего обезвоживания осадка. Выгруз­ка осадка из корпуса осуществляется через шлюзовые камеры 5 специальной конструкции.

Барабанный фильтр камерного типа Фест позволяет использовать комбинирован­ный способ создания разности давлений. При помощи распределительного устройства в ка­мерах для фильтрования, промывки и просуш­ки можно поддерживать вакуум или создавать избыточное давление, подавая в фильтр сус­пензию, промывную жидкость или обезвожи­вающий газ под избыточным давлением.

Фильтр состоит из неподвижного цилин­дрического корпуса и вращающегося барабана. Внешняя поверхность барабана разделена на отдельные ячейки, по образующим которых имеются разделительные перегородки, ограни­чивающие ячейки, внутри которых образуется осадок. На корпусе установлены уплотнения, разделяющие зоны фильтра, которые выполне­ны в виде подвижных колодок, прижимаемых к разделительным перегородкам на барабане фильтра сжатым воздухом или пружинами. Та­ким образом, в кольцевом пространстве между барабанами и корпусом образуются камеры, соответствующие проводимым процессам: фильтрованию, промывки и просушки осадка. Выгрузка осадка из ячеек осуществляется в от­крытую камеру с помощью ножа или отдувки сжатым воздухом. Конструкция фильтра дос­таточно сложная и трудоемкая в изготовлении, в связи с чем аппараты такого типа выпуска­ются с поверхностью не более 10 м2.

Динамические фильтры используются для разделения или сгущения труднофильт - руемых суспензий в протоке. Фильтры рабо­тают под давлением в режиме непрерывного смыва образующегося осадка с фильтрующей поверхности путем перемешивания суспензии турбинными мешалками или скоростного по­тока, движущегося в корпусе между непод­вижными 2 и вращающимися 3 дисками (рис. 3.1.20).

По мере движения по зигзагообразной траектории фильтрат отводится через фильт­рующие перегородки во внутренние полости подвижных и неподвижных дисков. Из вра­щающихся дисков он отводится в полый вал 5, а из неподвижных - в отверстия, расположен­ные по их периферии, и затем в общий коллек­тор. По мере движения суспензии к выходному отверстию концентрация твердой фазы в ней возрастает и благодаря определенному гради­енту скорости между дисками поддерживается в текучем состоянии до момента выгрузки. Ко­нечное влагосодержание получаемых сгущен­ных осадков определяется их реологическими свойствами.

Ленточные фильтр-прессы предназначе­ны для обработки предварительно флокулли - рованных суспензий под действием гидроста­тического столба жидкости в питающей камере небольшого вакуума и в камере сбора полу­чаемого фильтрата. Образующийся осадок подвергается механическому отжиму первона­чально в клиновом зазоре между двумя сетча­тыми лентами, а затем на отжимном барабане и отжимных роликах, при огибании которых влага дополнительно удаляется из пор осадка за счет сдвиговых усилий. Осадок снимается с поверхности фильтрующей ленты ножом на разгрузочном барабане после расхождения лент, которые регенерируются водой, подавае­мой под давлением из форсунок.

Фильтры периодического действия [81]. Листовые фильтры применяют главным образом для осветления растворов и разделе­ния суспензии, содержащих не более 5 % (по объему) твердой фазы. На таких фильтрах можно производить просушку и промывку

Осадка. Листовые фильтры мало пригодны для разделения суспензий с быстроосаждающейся твердой фазой, а также суспензий, осадки ко­торых при просушке растрескиваются. Листо­вые фильтры подразделяют на горизонтальные и вертикальные, а также на работающие под избыточным давлением, под вакуумом и под напором столба фильтруемой жидкости (гид­ростатические).

Листовой фильтр состоит из корпуса У, внутри которого установлены плоские фильт­рующие элементы 3 круглой, прямоугольной или иной формы, обтянутые фильтровальной тканью пли сеткой. Фильтрующие элементы соединены с коллектором 4 для отвода фильт­рата (рис. 3.1.21).

Суспензия подается в корпус фильтра. Слой осадка оптимальной толщины может быть промыт после удаления из корпуса остат­ка суспензии и подачи в корпус промывной жидкости.

На листовых фильтрах, работающих под давлением, отфильтрованный осадок просуши­вают подачей в корпус сжатого воздуха, а за­тем выгружают. В зависимости от требований технологического процесса выгрузка осадка может быть мокрой (струями воды) или сухой. При сухой выгрузке осадок сбрасывается с листов при помощи вибрационного устройства или отдувкой сжатым воздухом.

Фильтр-прессы предназначены для раз­деления труднофильтруемых суспензий, со­держащих тонкодисперсные, а в ряде случаев и коллоидные частицы. Вследствие большой

^V /Промывная

/ \ / ЖидКость

Суспензия

\ / Сус

Размытый осадок

Рис. 3.1.21. Схема листового вертикального фильтра:

1 - корпус; 2 - откидная крышка; 3 - фильтрующие элементы; 4 - отводящий коллектор для фильтрата; 5 - труба с соплами для смывной жидкости; 6 - приспособление для подъема крышки; 7 - привод для смывной трубы

Трудоемкости их применяют лишь в случаях, когда они не могут быть заменены механизи­рованными фильтрами. Фильтр-прессы под­разделяют на рамные и камерные.

Рамный фильтр-пресс состоит из набора чередующихся плит 2 и рам 7, образующих в собранном аппарате пространство для приема суспензии (рис. 3.1.22). Плиты с рифлеными или ситовыми боковыми поверхностями слу­жат дренирующим основанием и опорой для фильтрующей перегородки 3. Рамы и плиты прижимаются зажимом, причем фильтрующая перегородка служит одновременно уплотнени­ем.

Камерный фильтр-пресс отличается от рамного меньшим объемом пространства для образования осадка и рассчитан на более высо­кое давление. Он состоит из плит, дренирую­щая поверхность которых несколько углубле­на. При сборке между плитами образуются ка­меры для приема суспензии. На привалочных поверхностях плит лежат два слоя фильтрую­щей ткани, которая одновременно служит уп­лотняющим материалом. В плитах имеются от­верстия для подачи разделяемой суспензии. Фильтрат отводится из фильтр-пресса по спе­циальному каналу. Осадок в камерах может быть промыт и обезвожен при помощи сжатого воздуха. Промывная жидкость и сжатый воздух подаются по тем же каналам, что и разделяемая суспензия.

Автоматический камерный фильтр- пресс применяют для разделения тонкодис­персных суспензий при температуре до 60 °С. Фильтр-пресс состоит из горизонтально распо­ложенных фильтрующих плит (рис. 3.1.23). Верхняя 2 и нижняя 3 плиты связаны между собой вертикальными стержнями. Между пли­тами при помощи системы направляющих ро­ликов в виде бесконечной ленты протянута фильтровальная лента 4. При сжатии плит ме­жду ними образуются камеры для подачи сус­пензии. Зажим плит и их перемещение осуще­ствляется при помощи электромеханических устройства. В верхней части каждой плиты ус­тановлено щелевое сито, которое служит дре­нирующим основанием.

При периодических перемещениях фильтрующей ленты отфильтрованный осадок снимается с помощью ножей 5, установленных около роликов. Окончательная очистка и про­мывка ткани производится во время протяги­вания ее через специальное устройство 6.

Фильтры такого типа применяют на угле­обогатительных фабриках, в производстве син­тетического каучука, в анилокрасочной, кера­мической и других отраслях промышленности. Работа фильтра полностью автоматизирована.

Патронные фильтры применяют для ос - ветлительной фильтрации. Они обычно рабо­тают под давлением и в ряде случаев с предва­рительно нанесенным слоем вспомогательных фильтрующих веществ. Патронный фильтр со­стоит из цилиндрического корпуса 7 с крыш-

Кой 2 и днищем (рис. 3.1.24). Между корпусом и крышкой находится решетка 3, на которой закреплены фильтрующие патроны 4. Поверх­ность патронов имеет отверстия и обтянута фильтрующим материалом. Патроны могут быть изготовлены также из пористой керамики или порошкового материала, образованы про­волочной спиралью или собраны из тонких круглых колец, сжатых в осевом направлении. Удаление осадка с фильтрующей поверхности может быть произведено отдувкой сжатым воздухом, пневмогидравлическим ударом или с помощью вибрационных устройств.

Емкостные фильтры с ложным фильт­рующим днищем применяют для обработки не­больших количеств суспензий. Емкостные фильтры могут работать под вакуумом (нутч - фильтры), под избыточным давлением (друк - фильтры) или давлением гидростатического столба фильтруемой жидкости (гравитацион­ные фильтры). Корпус емкостного фильтра может быть открытым или закрытым. Фильт­рующая перегородка укладывается на ложное днище 2 (рис. 3.1.25). В верхнюю часть сосуда подается подлежащая разделению суспензия. Фильтрат отводится из нижней части аппарата. В аппаратах с механизированной выгрузкой осадок удаляется посредством откидного дни­ща, а в фильтрах с открытым корпусом - опро­кидыванием его специальным механизмом.

Фильтры-сгустители применяют для удаления части жидкой фазы из суспензии с целью увеличения концентрации твердой фазы, а также для окончательного отделения осадка

На фильтрах непрерывного действия. Они мо­гут работать под вакуумом или под давлением. Наибольшее распространение получили диско­вые фильтры-сгустители, обладающие разви­той фильтрующей поверхностью, и патронные фильтры-сгустители.

Дисковый фильтр-сгуститель непрерыв­ного действия по конструкции аналогичен дис­ковому вакуум-фильтру (см. рис. 3.1.15), но фильтрующие диски описываемого фильтра целиком погружены в сгущенную суспензию. Очистка фильтрующей поверхности произво­дится в нижней части аппарата.

Патронные фильтры-сгустители непре­рывного действия по конструкции аналогичны патронному фильтру (см. рис. 3.1.24), но, в от­личие от него, снабжены распределительной головкой, мешалкой в нижней части резервуа­ра и отверстием для выпуска сгущенной сус­пензии. Сброс накопившегося на поверхности патронов осадка производится обратным пото­ком фильтрата посекционно в конце каждого рабочего цикла.

Фильтрующие перегородки (ФП) явля­ются существенной частью промышленного фильтра и от их правильного выбора во многом зависят процессы, осуществляемые на фильтре [20, 34]. Фильтрующие перегородки должны обладать следующими основными свойствами: требуемой задерживающей способно­стью;

Небольшим гидравлическим сопротивле­нием;

Химической стойкостью к разделяемым продуктам и промывным жидкостям; механической прочностью; теплостойкостью при температуре прово­димых на фильтре процессов:

Легко регенерироваться и сохранять про­ницаемость при многократном фильтровании;

Легко отделяться от осадка при его уда­лении с фильтрующей поверхности.

По структуре фильтрующие перегородки обычно разделяют на гибкие и негибкие.

Гибкие фильтрующие перегородки могут быть ткаными и неткаными. Гибкие тканые пе­регородки получили наибольшее распростра­нение в различных отраслях промышленности и могут изготовляться из натуральных (хлопка, шерсти, шелка), синтетических (капрона, лав­сана, полипропилена и др.), искусственных (вискозы, ацетата целлюлозы), силикатных (асбеста стекла), а также металлических воло­кон и нитей.

Одним из главных параметров строения ткани является переплетение нитей. Для фильтрования в основном применяют три вида переплетений: полотняное, саржевое и атлас­ное (сатиновое).

Полотняные ткани, благодаря равномер­ному сечению пор и их расположению по по­верхности. имеют высокую задерживающую способность и механическую прочность. Обычно ткани этого вида применяют на фильтрах со сходящим полотном.

Ткани саржевого плетения могут обла­дать более высокой проницаемостью и грязе - емкостью, однако механическая прочность их меньше, чем полотняных. Однако благодаря повышенной плотности достигается высокая прочность этих тканей и объемность структу­ры.

Трикотажные ткани, обладая свойствами к растяжению, находят применение при созда­нии регенерируемых фильтрующих перегоро­док. Разработаны многослойные трикотажные перегородки с высокой задерживающей спо­собностью, бесшовные рукава для патронных фильтров.

Фильтровые сетки изготовляют из поли­мерных мононитей или металлической прово­локи аналогично полотняным и саржевым тка­ням и применяют непосредственно для фильт­рования или в качестве дренажной основы для более плотных фильтрующих перегородок и материалов.

Нетканые фильтрующие перегородки из­готовляют из синтетических и натуральных во­локон в чистом виде или в виде смеси с раз­личным содержанием того или иного волокна. Нетканые материалы получают иглопробив­ным способом, клеевым методом или форми­рованием из расплавов. Они имеют большую удельную производительность и высокую за­держивающую способность, однако уступают фильтровальным тканям по механической прочности и регенерируемости. К нетканым фильтрующим материалам по свойствам близ­ки фильтровальная бумага и картон.

Негибкие фильтрующие перегородки мо­гут быть жесткими и нежесткими.

Жесткие фильтрующие перегородки из­готовляют из пористой керамики, порошкового материала и пористых пластмасс, а также из металлических волокон (металлического вой­лока).

Фильтрующие элементы из этих материа­лов выпускаются в виде цилиндров (патронов,
свечей), плит, листов и секторов. Такие мате­риалы сохраняют пористую структуру при больших перепадах давлений и высоких тем­пературах, а также отличаются химической стойкостью в агрессивных средах. В последние годы широкое применение находят мембран­ные керамические элементы.

Нежесткие фильтрующие перегородки могут быть насыпными или намывными.

Насыпные фильтрующие перегородки образуются из слоев песка, гравия, кокса, по­лимерных материалов. В ряде случаев исполь­зуются слои из этих материалов с переменной пористостью или их смеси.

Намывные фильтрующие перегородки образуются из вспомогательных фильтрующих веществ, которые являются тонкодисперсны­ми, проницаемыми для жидкости материалами, задерживающими тонкодисперсные твердые частицы суспензии. Такие вещества наносят в виде слоя на фильтрующую перегородку, что предотвращает ее быструю забивку, или до­бавляют в обрабатываемую суспензию перед ее разделением, что способствует улучшению структуры образующегося осадка, снижению его удельного сопротивления и повышению производительности. В ряде случаев сочетают оба этих способа.

В качестве вспомогательных фильтрую­щих веществ применяют разнообразные пред­варительно обработанные материалы: диато­мит, перлит, асбест, целлюлозу, древесную му­ку, древесный уголь, селикагель, бентонит, от­ходы производств волокнистых материалов.

Технологический расчет фильтров. Его проводят на основании уравнений процесса фильтрования, параметры которых определяют экспериментально или эмпирическими мето­дами. При расчете фильтров периодического действия находят оптимальную длительность рабочего цикла, при которых достигается наи­большая производительность. Наличие экстре­мума объясняется тем, что время тв выгрузки

Осадка и очистки фильтрующей поверхности (вспомогательных операций) не зависит от об­щей продолжительности рабочего цикла. Оп­тимальная продолжительность рабочего цикла при Ар = const

Son =Jb[^2-B1,

V ai

Где аТ0П=ТЦ0П-ТВ " оптимальное время фильтрования, с; и - отно­шение объема отфильтрованного осадка к объ­ему полученного фильтрата.

Необходимая площадь поверхности фильтрования, м2, при оптимальной продолжи­тельности рабочего цикла

Ат

Цоп

^оп _

2+Ьп - Р

Где a = Q^b[ ; Р = V'yfbi - требуемая произ­водительность по фильтрату, м3/с.

Средняя скорость фильтрования за время рабочего цикла

YU=5/(MTu)-

Оптимальное время фильтрования при необходимости последующей промывки осадка

7

B]+Nnu<

Где т в — время выполнения вспомогательных операций, включая промывку осадка, с; 7Vn =LpQос ср<7т|дср п ДД/?и) - постоянная в

Уравнении для заданных условий проведения промывки, с/м2; L - необходимый объем про­мывной жидкости единицу массы влажного осадка, м3/кг; pg - плотность влажного осад­ка, кг/м-5; jLicp п - средняя динамическая вяз­кость промывного фильтрата, Па с; Арп - пе­репад давления при промывке осадка, Па.

Время промывки осадка, полученного при оптимальном времени фильтрования,

Ьх-уЦіу^)2

Известны также графические методы оп­ределения продолжительности рабочего цикла фильтров периодического действия. По опыт­ным данным строят кривую V-f(x) (рис.

3.1.26): ОВ - период фильтрования при посто­янной скорости; участок вправо от точки В - период фильтрования при постоянном давле­нии. На оси абсцисс влево от начала координат откладывают отрезок, соответствующий в при­нятом масштабе времени выполнения вспомо­гательных операций. Из полученной точки А

Проводят касательную к кривой V -/(т).

Опустив из точки касания С перпендикуляр на ось абсцисс, находят точку А положение кото­рой определяет искомое время. Этот способ применим для расчета фильтров без промывки и с промывкой отфильтрованного осадка, если принять ее длительность независимой от тол­щины 5.

Технологический расчет барабанных фильтров с наружной фильтрующей поверхно­стью производится на основании уравнений фильтрования или по эмпирическим формулам. В последнем случае производительность про­мышленного барабанного фильтра по сухому осадку

Тт <$SnK

360т

Где rrij - масса твердой фазы, отложившейся

На фильтровальной воронке при получении осадка желаемой толщины; т - время образо­вания осадка; *Sn - площадь поверхности фильтровальной воронки; ф - угол сектора зоны фильтрования на промышленном бара­банном фильтре; 5П - полная площадь по­верхности промышленного барабанного фильтра; K3!Lq = 0,6...0,8 - коэффициент, учи­тывающий снижение производительности в ре­зультате постепенной шбивки фильтрующей перегородки.

Время одного оборога барабана промыш­ленного фильтра, или полная длительность ра­бочего цикла Гц=т360/ф.

Расчет мощности привода вакуум - фильтров. Мощность привода при работе ва - куум-фильтров барабанного и дискового типа расходуется на преодоление следующих мо­ментов сопротивления:

1. Момент от сил трения в распредели­тельных головках для обоих типов фильтров

/тЯ<Г •

Где и - средние радиусы трения коль­цевых поверхностей головки, мм: R3 - сред­ний радиус трения ребер шайбы, мм: Ь\ - ши­рина кольцевых поверхностей трения, мм;

- средняя ширина ребра, мм; /р - количе­ство ребер ячейковой шайбы, одновременно контактирующих с перемычками распредели­тельной шайбы; h — высота ребра, мм; fj — коэффициент трения; q - давление от прижатия шайб головки. Па; /г - число распределитель­ных головок.

2. Момент сопротивления от неуравно­вешенности слоя осадка при вращении бараба­на или дисков М2. После операции отдувки на фильтрах барабанного и дискового типа фильтрующая поверхность остается покрытой на 75 %, что создает неуравновешенность, ко­торую необходимо учитывать при расчете:

М2 =0,5MH4rsina,

Где МИЦ =5'і^осрос - масса неуравновешен­ной части осадка; S\ - площадь поверхности фильтра, покрытая неуравновешенной частью осадка: 50С - толщина слоя осадка; рос - плотность влажного осадка; г - расстояние от

Центра тяжести неуравновешенной части осад­ка; а - угол сектора неуравновешенной части осадка на барабане или дисках. Для барабанного фильтра

Sx =nDl/4,

Где D - диаметр барабана, м; / - длина бара­бана, м;

R=(D+80C)/2.

Учитывая, что обычно угол а = 90°, для барабанного фильтра

A/1=^Ј>,60C(D+50C)/2sin45e.

Для дискового фильтра площадь поверх­ности, покрытая неуравновешенной частью

Осадка,

Si =iSH4 ,

Где S'm = - d2 j - фильтрующая пло­

Щадь поверхности одного диска, покрытая не­уравновешенной частью осадка, м2; і - число дисков; D - наружный диаметр диска, м; d - внутренний диаметр диска по фильтрующей поверхности, м;

Г =0,3-

D2 - d1

Для дискового фильтра момент сопро­тивления

M2 =0,0825/poc5oc(D3-</3).

3. Момент сопротивления от трения в подшипниках вала

М3=0,5/тМвс/ц,

Где Мв - масса вала с барабанами или диска­ми и осадка; /т - коэффициент трения цапф вала в подшипниках; dn - диаметр цапфы, м.

Мощность на валу электродвигателя оп­ределяется при максимальной скорости:

Мкуп

974 ц

Мкр=М\+М2+М3; Л=ЛіЛ2-

Где Мкр - общий момент 01 всех сил, дейст­вующих на валу фильтра; Г| х - КПД открытой передачи; г\2 - КПД редуктора.

Мощность привода при работе ленточ­ного вакуум-фильтра расходуется на преодо­ление следующих сопротивлений.

1.Сила сопротивления от трения дренаж­ной резиновой ленты о направляющую

F\ = fnBKlK*P>

Где /л - коэффициент трения дренажной лен­ты о направляющие камеры; Вк - ширина ка­меры; LK - длина трущейся поверхности ка­меры; Ар - давление (вакуум), создаваемое в камере.

2. Сила сопротивления трения цапфы в подшипниках приводного и натяжного бараба­нов

F2=2fPndu/D6 ,

Где/- коэффициент трения; - диаметр ба­рабана; dn - диаметр цапфы; Рп =

= ^Мр +4S2 В2 - нагрузка на подшипники; М р - масса барабана; S - линейное натяжение

3. Сила сопротивления срезу осадка но-

F3=fckB8oc,

Где к - удельное сопротивление срезу осадка; /с - коэффициент трения.

Мощность электродвигателя определяет­ся при максимальной скорости движения лен­ты

N = 1,15 7 л, 60 102 л

Где vn - скорость движения ленты, м/мин; Г| - КПД привода.