ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЛЬТРОВАНИЯ

Г. ФИЛЬТРОВАНИЕ

Виды фильтрующих перегородок и осадков

Теоретические основы фильтрования

Режимы ф ильтрования

Аппаратура для фильтрования

Расчет фильтровального оборудования

Фильтрованием называется процесс разделения суспензий и аэрозолей с использованием пористых перегородок, на поверхности которых задерживаются взвешенные в жидкости или газе твердые частицы, образующие на перегородке слой осадка. Жидкость, отделенная от осадка, называется фильтратом.

В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности фильтрование применяется в процессах депарафинизации масел, производства парафина, церезина, пластичных смазок, при очистке нефтепродуктов и контактной очистке масел, для улавливания технического углерода, отделения химических реактивов и особо чистых химических веществ и других ценных продуктов от газов, отходящих от технологических установок распиливающего типа и печей кипящего слоя. Движение жидкости через пористые перегородки и слой осадка создают за счет разности давления в аппарате, являющейся движущей силой процесса.

Перепад давления может создаваться: 1) столбом жидкости над фильтрующей перегородкой (гидростатическое фильтрование); 2) избыточным давлением жидкости, например, при подаче ее насосом (фильтрование под давлением); 3) путем создания разрежения под фильтрующей перегородкой при помощи вакуум-насоса (фильтрование под вакуумом), фильтрующие центрифуги.

На рисунке 1 даны принципиальные схемы фильтров.

Рис. 1 Принципиальные схемы фильтров по способу создания движущей силы: а — гидростатический; б — под давлением; в — вакуумный; г — центробежный; 1 — суспензия; 2 — осадок; 3 — фильтровальная перегородка; 4 — фильтрат.

Разделение суспензий на фильтрах обычно состоит не только из основной операции по фильтрованию суспензий, но в ряде случаев и из вспомогательных операций, таких как промывка осадка (при которой с помощью специальной жидкости фильтрат выдавливается из пор осадка), его продувка и сушка воздухом или инертным газом.

Эффективность разделения и производительность фильтра зависят от свойств обрабатываемой суспензии, правильного выбора типа фильтра,- его оснащения и режима работы.

ВИДЫ ФИЛЬТРУЮЩИХ ПЕРЕГОРОДОК И ОСАДКОВ

Для фильтрования применяются следующие виды перегородок:

насыпные, состоящие из слоя мелкозернистых материалов (гравий, песок и др.), обладающие высокой полнотой разделения суспензий, но отличающиеся большим сопротивлением, поскольку осадок проникает внутрь фильтрующего слоя и требуются специальные приемы для его отделения. Такие фильтровальные перегородки применяют для суспензий с малой концентрацией осадка;

набивные, состоящие из слоя волокнистых материалов (вата хлопчатобумажная, шерстяная, шлаковая, стеклянная, асбестовое волокно и т.д.); характеристика та же, что и для насыпных перегородок;

керамические , состоящие из плоских пористых кислотоупорных плиток, применяющиеся для фильтрования кислых сред; характеристика та же, что и для насыпных перегородок;

тканевые, обладающие относительно малым сопротивлением и удобные в конструктивном отношении;

плетеные, представляющие собой сетки из тонкой проволоки, выполненные из цветных металлов и сплавов; отличаются пониженной задерживающей способностью и поэтому в начале фильтрования пропускают в фильтрат мелкие частицы. Однако осадок, который откладывается в последующем, обеспечивает высокую фильтровальную способность. Плетеные перегородки часто применяют для фильтрования при повышенной температуре, причем первые порции мутного фильтрата возвращаются на повторное фильтрование.

В ряде случаев фильтровальная перегородка не обладает достаточной задерживающей способностью и для придания ей необходимых фильтрующих свойств на ее поверхность намывают слой вспомогательного фильтрующего вещества (кизельгура, диатомита, перлита и т.п.). Слой осадка из вспомогательного вещества служит фильтровальной перегородкой, которая и задерживает мелкие частицы суспензии (менее 1 мкм).

Важной характеристикой осадка является его пористость, влияющая на проницаемость жидкости и обусловливающая величину сопротивления, оказываемого потоку фильтрата. Осадок, который при фильтровании независимо от давления имеет одну и ту же пористость, называется несжимаемым и состоит обычно из твердых кристаллических частиц, размеры которых варьируются в широком интервале.

Большая часть осадков состоит из мягких частиц, которые с повышением давления уплотняются, вследствие чего их проницаемость уменьшается. Такие осадки называются сжимаемыми.

Существуют суспензии, содержащие очень мелкие илистые частицы, которые при прохождении через фильтрующую перегородку образуют на ней непроницаемый для жидкости осадок. Чтобы сделать возможным фильтрование для таких суспензий, в них добавляют мелкие частицы другого материала (например, песок, кварц и др.), которые придают осадку жесткую пространственную структуру с мелкими порами, и в этом случае осадок становится проницаемым. Осадки, структура которых различна в отдельных частях их объема, называются неоднородными.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЛЬТРОВАНИЯ

Рис. 2. Схема процесса фильтрования: 1 – фильтр; 2 - фильтровальная перегородка; 3 – суспензия; 4 – фильтрат; 5 – осадок.

Движение жидкости (фильтрата) через каналы неправильной формы, образующиеся между частицами осадка и элементами фильтрующей перегородки, подчиняется общим закономерностям гидравлики и, как отмечалось ранее, связано с преодолением сопротивления как слоя осадка, так и фильтровальной перегородки (рис. 2). В связи с малыми размерами каналов и небольшой скоростью движения жидкости процесс фильтрования обычно протекает в ламинарном режиме и перепад давления линейно зависит от вязкости среды. Одним из основных показателей процесса является скорость фильтрования С, определяемая как объем фильтрата dV, проходящий через поверхность фильтра F за промежуток времени dτ, т.е. С= dV / F * dτ

Скорость фильтрования пропорциональна перепаду давления Δр в слое осадка и фильтрующей перегородке и обратно пропорциональна их сопротивлению R, т.е. С= dV / F * dτ = Δр/ R (2)

где перепад давления Δр измеряется в Па, а сопротивление R — в (Па^.с)/м.

Сопротивление R — величина переменная, так как фильтрование идет с постоянным увеличением высоты слоя осадка, а следовательно, и его сопротивления. В уравнении (2) общее сопротивление R целесообразно представить в виде суммы меняющегося сопротивления осадка R_ос и практически постоянного сопротивления фильтрующей перегородки R_ф:

R = R_ос + R_ф.

В свою очередь R_ос пропорционально толщине осадка h, т.е.

Roc = r·h.

Обозначим отношение объема образующегося осадка к объему фильтрата через х = V_ос/V; тогда для любого момента фильтрования получим

V_ос = V ·х

В то же время из геометрии следует, что Vос= Fh, откуда

Fh = V ·х; h = V ·х/F

После подстановки полученного в уравнение (2) основное дифференциальное уравнение фильтрования принимает вид

С= dV / F * dτ =Δр/(R_ос + R_ф)= Δр/ (r ·V ·х/F +R_ф ) (3)

Удельное сопротивление r = R_ос/h измеряется в (Па * с)/м².

РЕЖИМЫ ФИЛЬТРОВАНИЯ

В промышленной практике наибольшее распространение получили два режима фильтрования - режим при постоянном перепаде давления и режим при постоянной скорости.

Режим при постоянном перепаде давления Δр – это вакуумное фильтрование, гидростатическое фильтрование с постоянным столбом жидкости над фильтрующей перегородкой, подача суспензии центробежным насосом при постоянном избыточном давлении на выкиде насоса. При этом режиме скорость фильтрования в связи с постоянным увеличением высоты слоя осадка и ростом его сопротивления с течением времени уменьшается.

При ΔP = const и неизменной температуре для фильтра данной конструкции и выбранной фильтровальной перегородки все входящие в уравнение (3) величины, за исключением V и τ, постоянны. Проинтегрировав это уравнение получим:

(4)

Из уравнения (4) следует, что при ΔP=const, по мере протекания процесса, а следовательно, увеличения объёма фильтрата, скорость фильтрования уменьшается. Такое фильтрование называется нестационарным.

Режим при постоянной скорости С – это подача суспензии на фильтр поршневым или плунжерным насосом постоянной производительности). При режиме с постоянной скоростью фильтрования слой осадка и его сопротивление постоянно увеличиваются, вследствие чего должно непрерывно расти давление поступающей суспензии, а следовательно, и перепад давления Δр.

Для получения уравнения процесса для данного случая производную уравнения (31) dV/dτ заменяем равным отношением конечных величин V/τ и принимаем во внимание, что скорость фильтрования С= V / F * τ постоянная. При этом умножив и разделив первое слагаемое правой части этого уравнения на τ, получим уравнение фильтрования при постоянной скорости процесса, решая его относительно ΔР получим:

Δр= r * х* С²* τ + R _ф (5)

Уравнение (5) показывает, что при С=const разность давлений возрастает по мере увеличения продолжительности фильтрования. Такое фильтрование называется стационарным.

АППАРАТУРА ДЛЯ ФИЛЬТРОВАНИЯ

По способу создания разности давлений промышленные фильтры подразделяются на фильтры, работающие под вакуумом (вакуум-фильтры, = 0,06 - 0,08 МПа), и фильтры, работающие под давлением ( = 0,3 - 0,5 МПа); по способу функционирования - на фильтры периодического и непрерывного действия..

В фильтрах периодического действия осадок удаляется после прекращения процесса фильтрования, в фильтрах непрерывного действия — по мере необходимости без остановки процесса. В последних фильтрующая перегородка обычно перемещается, процесс (подача суспензии и получение продуктов разделения) осуществляется непрерывно, а все операции проводятся последовательно

При разработке новых видов фильтровального оборудования следует ориентироваться на создание компактных аппаратов с развитой фильтровальной поверхностью, позволяющих проводить ее регенерацию без остановки технологического процесса.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 187; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!