ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Основные закономерности процесса фильтрования

Основной характеристикой процесса является скорость фильтрования - объем фильтрата, получаемый за единицу времени с единицы поверхности фильтра. Ско­рость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений (Dp), обратно про­порциональна вязкости фильтрата (m) и сопротивлению фильтрующей среды, т. е. сумме сопротивлений слоя осадка (Яо) и фильтрующей перегородки (Яп). В боль­шинстве случаев значение Яо существенно больше Яп. Толщина осадка ко, а следо­вательно и его сопротивление в процессе фильтрования увеличивается, в том числе и за счет его сжатия под действием Dp и закупорки каналов мелкими частицами. Сопротивление перегородки также изменяется вследствие забивки ее пор и сжатия, поэтому основное уравнение фильтрования записывается в дифференциальной форме:

dV = F Dp( t) ,

dx m-R0( t)+яп (t)]

где V - объем фильтрата,

F - поверхность фильтрования, t - продолжительность фильтрования.

На величину сопротивления осадка и перегородки воздействуют две группы факторов гидродинамические и физико-химические.

К числу гидродинамических относятся:

- размеры и форма пор перегородки,

- форма, размеры и удельная поверхность частиц осадка.

Физико-химические факторы - это:

- степень коагуляции частиц осадка,

- наличие на частицах твердой фазы сольватной оболочки,

- содержание в суспензии смолистых и коллоидных примесей,

- набухание материала перегородки,

- изменение поверхностного натяжения жидкости в порах осадка и перегородки,

- образование у стенок пор неподвижного слоя жидкости,

- электростатические поля, возникающие на границе раздела фаз при наличии ионов в суспензии.

С уменьшением размеров частиц осадка и пор перегородки влияние физико­химических факторов увеличивается.

Будем считать, что осадок и перегородка несжимаемы, т. е. их пористость и удельное сопротивление потоку жидкости постоянны в течение всего процесса. Не будем также учитывать возможное увеличение значений Яо и Яп за счет влияния физико-химических факторов. Тогда Яп будет постоянной величиной, а Яо можно записать в виде: Яо = го- ко, где го - удельное объемное сопротивление осадка (сопро­тивление потоку фильтрата равномерного слоя осадка толщиной 1 м). Обозначив отношение объемов осадка и фильтрата через хо, запишем:

к 0=VJF=V-VJ(V-F) = xa(VIF), т. е. Я= r0-x0-(VIF).

Тогда основное уравнение фильтрования с образованием несжимаемого осадка на несжимаемой перегородке примет вид:

V=F AP.

dt rn-k • xo ■(vIf )+Яп ]

Это уравнение используется для расчета производительности фильтра заданной по­верхности или наоборот - необходимой поверхности по заданной производительно­сти. Значения величин го и Яп определяются экспериментально.

На практике используются два основных режима фильтрования - при постоян­ном перепаде давления и постоянной скорости фильтрования. Режим постоянного перепада давления (Dp = const) обеспечивается присоединением фильтра к линии вакуума или сжатого газа. После разделения переменных и интегрирования от 0 до V и от 0 до t основное уравнение фильтрования примет вид:

Гк_£о. V’ +яп у = . (2.1)

2-f п m

Режим постоянной скорости (dVIdt = const) обеспечивается подачей суспензии в фильтр насосами объемного типа (поршневым, шестеренчатым). Заменяя в основ­ном уравнении фильтрования dVIdt на VIt, получим:

rolIo-V’ +Яп-V =F-LAp. (2.2)

f п m

Сравнив уравнения (2.1) и (2.2), можно сделать вывод, что при прочих равных условиях для получения одного и того же объема фильтрата в режиме постоянной скорости требуется большее время, чем в режиме постоянного перепада давления (при Яп » 0 - вдвое больше). Величина Dp для любого типа фильтра ограничена

сверху (Dp < Ард ), поэтому при достижении в режиме постоянной скорости перепа­да давления Дрд срабатывает предохранительный клапан, часть суспензии байпаси - руется и фильтрование продолжается в режиме постоянного перепада давления.

Замечание: в случае использования для подачи суспензии в фильтр центробеж­ного насоса перепад давления и скорость фильтрования являются переменными, поэтому для решения основного уравнения фильтрования необходимо предвари­тельно определить вид функциональной зависимости Др(х).

В рабочий цикл фильтра, кроме собственно фильтрования, входит промывка осадка, его осушка, выгрузка и подготовка фильтра к следующему циклу. Промывку осадка можно рассматривать как фильтрование при постоянной толщине слоя осад­ка, перепаде давления и скорости, т. е. основное уравнение фильтрования для случая промывки будет иметь вид:

При заданной вязкости промывной жидкости цпр из этого уравнения можно найти необходимый объем промывной жидкости Упр, требуемое время промывки хпр или перепад давления Дрпр. Время осушки осадка сжатым воздухом или газом от остатков фильтрата или промывной жидкости (хс) определяется экспериментально.

Общая продолжительность рабочего цикла фильтра

хц х + хпр + хс + ^

где хв - время вспомогательных операций (загрузка, выгрузка, подготовка к новому циклу). Это соотношение является основополагающим при определении режима работы фильтров периодического действия и скорости перемещения рабочего орга­на фильтра непрерывного действия.