ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Технологические расчеты фильтров периодического действия

Цель расчетов: определить основной размер и число стандартных фильтров, обеспечивающие заданную производительность. Тип фильтра выбирается с учетом свойств суспензии и осадка, требований к чистоте фильтрата и влажности осадка, экономических соображений.

Основным определяемым параметром технологического расчета является средняя скорость фильтрования за цикл обработки суспензии (с учетом промывки и осушки осадка, вспомогательных операций):

где р =______ Рт 'Рж_______ - плотность суспензии,

Р т Хм ■ (р т р ж )

рата,

хм - массовая концентрация твердой фазы в суспензии (доли единицы); W - заданная массовая влажность осадка (доли единицы);

Р т * Р ж

Р ж + W *(Р т - Р ж ) влажного осадка.

Если же производительность задана по влажному осадку (Оо), то

V G *(1 - W)

т

где х = Хм * Р ж * (l W) - т (1 - W - Хм)

родке после получения единицы объема (1 м3) фильтрата.

Методика определения средней скорости фильтрования wu зависит от режима фильтрования (при постоянном перепаде давления или постоянной скорости).

Фильтрование при постоянном перепаде давления. Выведем соотношения для определения составляющих времени цикла хц работы фильтра. Из уравнения (2.1) получим:

m* xo * ro 2 * Dp

Учитывая, что V/F = ко/хо и что на практике обычно пользуются не объемным удельным сопротивлением осадка Го, а его средним массовым удельным сопротив­лением Гт (м/кг), которые связаны соотношением Хо*Го = Хт*Гт, окончательно полу­чим:

Формулу (2.3) можно использовать для расчета продолжительности фильтро­вания при известной толщине слоя осадка ко, например, для рамных и камерных фильтрпрессов, где толщина осадка всегда равна половине глубины рамы или каме­ры. В случаях, когда значение ко заранее не известно, определяется время фильтро­вания, соответствующее максимальной производительности фильтра, цикл работы которого включает промывку и осушку осадка:

На практике проведение фильтрования в режиме максимальной производительности не всегда возможно, т. к. значение копт, может не отвечать условиям съема осадка или конструктивным возможностям фильтра. Например, в листовых фильтрах рас-

стояние между листами с набранным осадком должно быть не менее 20 мм, а во ФПАКМах максимально допустимая толщина осадка hmax должна быть на 5^7 мм меньше расстояния между раздвинутыми плитами. Поэтому в случаях h^ > hmax значение t определяют по формуле (2.3), где вместо ho используется hmax.

Для промывки осадка из основного уравнения имеем:

о

vnp *ро *хт *r *mnp

ДРпр

Время осушки осадка t определяется экспериментально. В расчетах его обыч­но принимают равным 1^3 мин. Время вспомогательных операций tE определяется нормативами в зависимости от конструкции фильтра и его размеров.

Фильтрование при постоянной скорости. В этом случае перепад давления на фильтре непрерывно растет. Максимально допустимое значение перепада давле­ния Дрд определяется либо свойствами осадка, либо конструкцией фильтра.

Величина скорости фильтрования в данном случае определяется производи­тельностью используемого насоса. Режиму оптимальной производительности для цикла, включающего промывку и осушку осадка, соответствует скорость фильтро-

ДРд У2 * Ь1 + Nnp * Хо _______

m*Rn^ + жпр * x0 + xT * rT ^/tc +tB=)

Предельная толщина осадка, которую можно получить при максимально допусти­мом перепаде давления Дрд и скорости фильтрования w = wопт равна

хо *(дРд - m*Ru *w)

m * хт * гт * w причем слой осадка такой толщины будет набран за время t1 = ^/(x^w).

Если толщина слоя осадка h не фиксирована, то фильтр работает только в ре­жиме постоянной скорости:

- при hi < hmax t = ti,

- в противном случае t = hmaJ(x„*w).

При фиксированной толщине осадка (фильтр-пресс) и h1 > h фильтр работает толь­ко в режиме постоянной скорости:

t = ^/^w).

Если же h1 < Но, в ситуации Dp = Дрд сработает предохранительный клапан, установ­ленный на подводящем трубопроводе, часть суспензии по байпасу будет возвра­щаться в напорную емкость и процесс пойдет при Дрд = const до получения осадка толщиной ha, т. е. время фильтрования будет складываться из t и времени получе­ния осадка толщиной h2 = h^- h при постоянном перепаде давления

где v1= h1/xо - удельный объем фильтрата, полученный в режиме постоянной скоро­сти (учитывает сопротивление слоя осадка толщиной h1).

Время промывки осадка рассчитывается по формуле (2.4), причем для фильтр­прессов берется удвоенная толщина осадка, т. к. промывается сразу вся рама или камера.

2.6 Конструкции и расчеты фильтров непрерывного действия

К числу наиболее распространенных фильт­ров непрерывного дейст­вия относятся барабанные, дисковые, ленточные. Са­мый распространенный - барабанный ячейковый вакуум-фильтр с наруж­ной фильтрующей поверх­ностью, см. рисунок 2.6, применяемый для разделе­ния суспензий, которые содержат не менее 5% твердой фазы при скорости ее осаждения не более 12 мм/с. Его рабочим органом является полый горизон­тально вращающийся ба­рабан, внутренняя цилинд­рическая поверхность ко­торого разделена на изоли­рованные друг от друга секции (ячейки). Снаружи ячейки закрыты перфори­рованными листами и по­крыты фильтровальной тканью, для закрепления которой в пазы между лис - 34

тами и боковыми стенками укладывают резиновый шнур. Поверх ткани барабан обвивают проволокой (0 1-3 мм).

Барабан опирается двумя цапфами на подшипники скольжения, смонтирован­ные на раме фильтра. Левая цапфа оканчивается червячным колесом привода бара­бана, которое вращается электродвигателем через вариатор, клиноременную пере­дачу и редуктор. Через правую цапфу пропущены дренажные трубки, соединяющие каждую ячейку барабана с одним отверстием в подвижном диске распределитель­ной головки. Ее неподвижный диск имеет секторные окна, соответствующие вы­полняемым опера­циям: окно фильт­рования, окно про­мывки и осушки осадка, соединенные с линией вакуума, и окно отдувки осадка, соединенное с лини­ей сжатого воздуха (в больших фильт­рах имеется также окно регенерации перегородки, соеди­ненное с линией сжатого воздуха или пара). При вращении барабана каждая ячейка последова­тельно проходит зоны фильтрования, первого обезвожи­вания, промывки осадка, второго обезвоживания, от - дувки и съема осад­ка, регенерации тка­ни, см. рисунок 2.7.

Диски распре­делительной головки прижаты друг к дру­гу пружиной и со­ставляют антифрикционную пару (сталь-чугун, сталь-бронза), перед установкой на фильтр их тщательно притирают.

В нижней части корыта, куда подается суспензия, помещается мешалка (качал­ка), получающая возвратно-поступательное движение от электродвигателя через
редуктор и кривошипно-шатунный механизм. Над барабаном расположено устрой­ство для промывки осадка, состоящее из коллектора и ряда форсунок, разбрызги­вающих промывную жидкость. Для предотвращения размыва осадка промывку осуществляют через полосу ткани, натянутой на ролики.

Способы удаления осадка с поверхности барабана:

- ножом, установленным по образующей барабана, (осадок плотный, мало­влажный, толщиной 8-10 мм);

- бесконечными шнура­ми, охватывающими барабан, (толщина осадка 2-4 мм);

- изменением направле­ния движения полотна фильт­ровальной ткани (толщина менее 2 мм) - рисунок 2.8а;

- съемным валиком (тонкие мажущие осадки) - рисунок 2.8б;

- острым ножом с мик­рометрическим устройством для его автоматического пе­ремещения на 0.01^0.05 мм за

один оборот барабана (при фильтровании с использованием намывного слоя).

Наиболее популярны фильтры общего назначения (БОУ, БОК, БОР) - для сус­пензий, при разделении которых толщина осадка достигает 5 мм за 4 минуты и ме­нее. Они имеют поверхность фильтрования от 1 до 100 м2. Барабан диаметром 1^4.2 м и длиной 0.35^7.5 м совершает от 0.1 до 3 об/мин.

Для разделения суспензий с тяжелыми, быстро осаждающимися частицами при­меняют барабанные фильтры с внутренней фильтрующей поверхностью.

Технологический расчет фильтра БО. К расчетным параметрам этих фильтров относятся продолжительность цикла обработки суспензии (одного оборота бараба­на) и частота вращения барабана, поверхность фильтрования и размеры зон фильт­рования, промывки осадка, его осушки и удаления, регенерации фильтровальной ткани. До расчета выбирается толщина слоя осадка Но (не более 1.5-2 рекомендуе­мой минимальной толщины).

Необходимая поверхность фильтрования определяется в два этапа:

1) расчет общей ориентировочной поверхности фильтрования и выбор необхо­димого числа стандартных фильтров фиксированной поверхности;

2) уточнение производительности выбранных фильтров и их необходимого ко­личества.

На первом этапе на основе анализа коррозионных, взрывопожароопасных и технологических свойств суспензии и осадка выбирается модификация фильтра и строится соответствующая схема распределения технологических зон на барабане (приводится в каталогах). На основе этой схемы предварительно определяют:

- число ячеек барабана z;

- угол сектора первого обезвоживания фс1;

- суммарный угол сектора съема осадка и мертвых зон

фі = фм2 + фо + фмз + фр + У, где угол y=1807z учитывает колебания границы зоны фильтрования по сравнению с ее положением в распределительной головке.

Ориентировочная частота вращения барабана, обеспечивающая набор осадка толщиной ha, его промывку и осушку

360° - фс1 - ф1

n =---------- - -----------------

360° -(т + тп • k + тс2)

где т, тп - продолжительность фильтрования и промывки осадка, определяемые по формулам (2.3), (2.4)

тс2 - время второго обезвоживания осадка, задаваемое на основе опытных дан­ных,

k = 1.05^1.2 - коэффициент увеличения поверхности промывки за счет расте­кания промывной жидкости.

Тогда время цикла тц=1/п, а требуемая общая поверхность фильтрования

Уф • - тц

К • K п

По найденному значению F^ из каталога выбирается стандартный фильтр по­верхностью F. Необходимое для обеспечения производительности Уф число фильт­ров равно F^/F, округленному до большего целого.

Второй этап (проверка возможности осуществления процесса на выбранном фильтре) включает сравнение расчетного ффр = п-т-360о и стандартного ффст углов фильтрования, а также проверку соответствия рассчитанного значения n диапазону допустимых угловых скоростей стандартного фильтра. Если ффст > ффр и значение п входит в диапазон, то производится уточненный расчет угловой скорости барабана

. І ф фст ф пр +ф с2 I

[ 360о - т 360о -(тпр +тС2 )J

и производительности стандартного фильтра. При п2 < п1 угол фильтрования в рас­пределительной головке уменьшается за счет увеличения фм4 (на ффст - п-т-360о). В противном случае необходимо изменить толщину осадка или выбрать фильтр дру­гой модификации.

Поверхность фильтрования дисковых вакуум-фильтров (рисунок 2.9а) обра­зована несколькими полыми дисками, собранными из отдельных секторов. При рав­ной поверхности они занимают меньший объем и имеют меньшую массу, чем бара­банные фильтры. Они предназначены для разделения суспензий с твердыми части­цами одинаковых размеров и скоростью осаждения до 8 мм/с. Концентрация твер­дой фазы и другие свойства суспензии должны обеспечивать получение осадка толщиной 8 мм не более чем за 3 минуты.

На торцах несущей рамы дискового фильтра установлены подшипники сколь­жения, в которых вращается полый литой вал. На валу установлены от 1 до 14 дис­ков, каждый из которых собран из 12, 16 или 18 полых секторов с перфорирован­ными стенками (рисунок 2.9б). Сектора скреплены между собой и с валом шпиль­ками и накладками, на каждый из них надевается трапецеидальный мешок из фильтровальной ткани, туго затянутый шнуром в узкой части. Вал разделен внутри на ячейки, число которых равно числу секторов в диске. Внутренняя полость каж­дого сектора сообщается с одной из ячеек вала. На одном торце вала установлено зубчатое колесо, которое вращается электродвигателем через вариатор и клиноре­менную передачу, к другому прижат неподвижный диск распределительной голов­ки, аналогичной используемой в барабанном фильтре. Если поверхность фильтра превосходит 34 м2, то распределительные головки устанавливают на обоих торцах, а вал делят пополам глухой перегородкой. Диски почти до половины погружены в корыто с суспензией, имеющее отдельные камеры (карманы) для каждого диска. Промежутки между карманами служат для удаления осадка с дисков. В нижней час­ти каждого кармана расположено перемешивающее устройство, предотвращающее отстаивание суспензии. Это двухопорный вал, пропущенный через все корыто, на котором закреплены лопастные мешалки.

Во время работы фильтра каждый сектор диска последовательно сообщается с камерами распределительной головки: на секторах, погруженных в суспензию, обра­зуется осадок, на непогруженных вначале производится его осушка, а затем отдувка импульсной подачей сжатого воздуха и удаление с поверхности диска ножом или ва­ликом. Для регенерации ткани во внутреннюю полость сектора подается сжатый воз­
дух или пар. Промывка осадка на вертикальной поверхности дисков затруднена и как правило не включается в рабочий цикл. Заметим, что угол фильтрования в дисковых фильтрах зависит от текущего радиуса диска. Его наименьшее значение соответствует внутреннему радиусу, где откладывается слой осадка наименьшей толщины.

Дисковые фильтры маркируют буквами ДУ и ДК (соприкасающиеся с обраба­тываемой средой элементы выполнены из углеродистой или коррозионностойкой стали). Площадь поверхности стандартных фильтров 0.3^250 м2, диаметр дисков 0.6^3.75 м, частота вращения дисков 0.13 ^2 1/мин.

Технологический расчет дисковых вакуум-фильтров. Аналогично фильтрам БО, вначале определяется ориентировочная поверхность фильтрования F^ =

Vj/WuB-Kn, исходя из величины скорости фильтрования за цикл по внутреннему ра­диусу диска

(2.6)

Время фильтрования тв, требуемое для набора на внутреннем радиусе Яв диска осадка заданной толщины Нв, определяется по формуле (2.3), а частота вращения диска n1= ффв/360°-тв, где угол фильтрования по внутреннему радиусу ффв принима­ется равным 105^118°. По найденным значениям F^ и n1 выбирается стандартный фильтр и определяется их необходимое количество.

По каталогу определяются значения технических характеристик выбранного фильтра:

- число дисков z,

- наружный радиус дисков Ян,

- поверхность фильтрования F,

- угол погружения диска в суспензию по наружному радиусу ун,

- угол фильтрования ффн и угол обезвоживания осадка фсн по наружному радиусу. Затем определяются:

- расстояние от центра диска до уровня суспензии в корыте h = R^cos^ /2);

й П F

- внутренний радиус диска r = R2 ;

в V н 2z

- действительный угол фильтрования по внутреннему радиусу ффн = arccoshRj,) + ффн - ун/2;

- действительное значение n1;

- частота вращения из условия обеспечения заданного времени обезвоживания осадка тс: n2= фсн /(360о-хс);

- частота вращения диска n=min{nbn2} (при щ > n2 на неподвижном диске рас­пределительной головки уменьшается угол фильтрования);

- время фильтрования на наружном радиусе тн= ффн /(360о-п);

- производительность фильтра Кф=(Ян ^в)-[2-л- (RH-Wm +RB•WцB)]•z•Kш где ско­рости фильтрования за цикл на внутреннем и наружном радиусах рассчитываются по формуле (2.6) c использованием значения n и тв, хн соответственно.

В ленточных вакуум-фильтрах (рисунок 2.10) направления фильтрования и отстаивания суспензии совпадают, поэтому они хорошо приспособлены для фильт­рования быстроосаждающихся суспензий с неоднородными по размерам частицами твердой фазы, тщательной промывки осадка. Г оризонтальная рабочая поверхность ленточного вакуум-фильтра общего назначения образована резиновой лентой с бор-

тами и прорезями. Лента натянута на приводной и натяжной барабаны и перемеща­ется над открытыми сверху вакуум-камерами, закрепленными на длинном столе и имеющими в нижней части патрубки для соединения с коллекторами фильтрата и промывной жидкости. Бесконечное полотно фильтрующей ткани уложено на рабо­чую ветвь ленты и удерживается системой роликов (натяжного, регулировочного, разгрузочного, винтового для расправления ткани и поддерживающих).

Рабочий цикл фильтра состоит из операций фильтрования, промывки и осушки осадка. Суспензия подается на ленту из лотка, промывная жидкость - из форсунок. На приводном барабане ткань отделяется от резиновой ленты и, огибая разгрузоч­ный ролик, освобождается от осадка. Регенерация полотна осуществляется ножом и подачей воды с внутренней стороны.

Стандартные ленточные фильтры имеют ширину ленты 0.5^1 м, площадь по­верхности фильтрования 1^10 м2 и изготавливаются из углеродистой и коррозион­но-стойкой стали. К их преимуществам, кроме возможности осаждения крупных частиц и удобства промывки осадка, относится отсутствие распределительной го­ловки и возможность работы с тонким слоем осадка. К недостаткам - сложность изготовления дренажной ленты, малая поверхность фильтрования при большой за­нимаемой производственной площади, необходимость организации равномерной подачи суспензии.

Технологический расчет ленточных вакуум-фильтров. По заданной толщине слоя осадка Но согласно (2.3), (2.4) определяются длительности фильтрования и промывки осадка, а затем - длительность цикла обработки суспензии тц = t + тпр + тс,

где tc - заданная продолжительность осушки осадка. По формуле (2.5) рассчитыва­ется необходимая поверхность фильтрования F^, а затем выбирается стандартный фильтр с рабочей шириной ленты b, общей длиной вакуум камеры L, диапазоном допустимых скоростей движения ленты w*+w. Рассчитывается необходимая ско­рость движения ленты w = L/Тц и если w*< w <w то определяется:

- необходимое число фильтров Щ = Fa5/(b-L);

- длина зоны фильтрования Lф = w-t;

- длина зоны промывки и осушки осадка Lw = w-(t^ + тс).

В противном случае необходимо изменить принятое значение ко или выбрать в каталоге другой стандартный фильтр.