Загальні відомості про фільтрування

Фільтруванням називається процес розділення неоднорідних систем з твердою дисперсною фазою (суспензій, димових газів, пилі) за допомогою пористих перегородок, пропускаючих суцільну фазу (рідину, газ) і затримуючих тверді частини. Осівший на перегородці шар твердих частин називають осадом, а пройшовшу через неї рідину - фільтратом. Фільтрування забезпечує майже повну очистку рідин і газів від взважених частин; найбільш практичне значення має фільтрування суспензій.

Фільтрування води через сітку - одна з основних операцій процесу формування деревноволокнистого килима; з допомогою пористих перегородок очищують від зважених частин і забруднень синтетичні смоли, масла, лакофарбові та інщі матеріали, які використовуються в виробництві деревинних плит і пластиків.

В якості фільтруючих перегородок приміняють бавовняно-паперові, шерстяні і синтетичні тканини, плетені і штамповані металічні сітки, пористу кераміку, пісок, гравій і інші матеріали. Роль фільтруючої перегородки виконує і сам осад, наприклад шар волокнистої маси на сітці; іноді на поверхні перегородки для надання їй необхідних фільтруючих властивостей наносять спеціальні допоміжні речовини (азбест, діатомід, деревну муку, активованне вугілля та ін.). Ці речовини можуть вводитись і в суспензію; накоплюючись на фільтрі, вони здатні затримувати мілкі частини (діаметром 1 мкм і менші).

Отриманні при фільтруванні осади діляться на стискаємі і нестискаємі. З підвищенням тиску частини стискаємих осадів деформуються, розмір капілярів осаду зменшується, а гідравлічний опір виростає. Розмір і форма частин нестискаємих осадів практично не міняється при збільшенні тиску, гідравлічний опір їх також залишається незмінним. До стискаємих осадів відносяться деревноволокнисті сузпензії.

В залежності від концентрації зважених частин в вихідній суспензії і осаді, який утворюється, а також від призначення процесу, розрізняють слідуючі види фільтрування:

1) фільтрування з утворенням шару високо концентрованного шару твердого осаду на фільтрувальній перегородці;

2) згущення - збільшення концентрації суспензії в невеликих межах;

3) освітлення - фільтрування рідин з незначним (менше 0,1%) утриманням твердої фази;

4) промивання - повне або часткове видалення (витіснення) фільтрату із пор осаду за допомогою іншої (промиваючої) рідини.

При фільтруванні тверді частини можуть відложуватися у вигляді шару осаду на фільтрувальній перегородці або проникати в її пори і затримуватись там, не утворюючи такого шару. У відповідності з цим розрізняють фільтрування з утворенням осаду і фільтрування з закупорюванням пор фільтруючого матеріалу. Фільтрування з закупорюванням пор небажано, так як регенерація фільтрувальної перегородки часто ускладнюється або взагалі неможлива внаслідок трудностей видалення твердих частин із пор. Можливий також проміжний вид фільтрування, коли тверді частини проникають в пори фільтрувальної перегородки і утворюють на ній шар осаду.

Рухомою силою процесу фільтрування являється різниця тисків, яка утворюється по обидві сторони фільтрувальної перегородки. В залежності від способу утворення рухомої сили розрізняють фільтрування під дією сили тяжіння (гідростатичне), під тиском, під вакуумом та центрифугування - фільтрування під дією центробіжної сили (рис.1)

Процес фільтрування в часі може проводитись при постійному перепаді тиску, при постійній швидкості (тиск збільшується) або при часовій різниці тиску і швидкості. Осад на фільтрі звичайно промивається способом витіснення при постійній різниці тисків і швидкості фільтрування.

2. Розрахунок процесів фільтрування.

Основні величини, які характеризують процес фільтрування, - швидкість і термін фільтрування. Швидкістю фільтрування називають кількість фільтрату, отриманого з одиниці площі фільтру за одиницю часу. Швидкість фільтрування прямо пропорційна перепаду тиску і обернено пропорційна в’зкості фільтрату і загальному гідравлічному опору шару осаду і фільтрувальної перегородки. Так як у загальному випадку в процесі фільтрування значення різниці тисків і гідравлічного опору шару осаду з часом змінюється, то змінну швидкість фільтрування виражають в диференціальній формі. В відповідності з вище наведеним, миттєва швидкість фільтрування визначається по рівнянню

ω = = . (1)

де ω - швидкість фільтрування, м/с; - об’єм отриманого фільтрату, м³; - площа фільтрування, м²; - термін фільтрування, с; - різниця тисків, Па;

вязкість фільтрату, Па·с; - опір шару осаду; - опір фільтрувальної перегородки.

Рис.1. Принципова схема фільтрів по способу утворення рухомої сили:

а) - гідростатичний; б) - під тиском; в) - вакуумний; г) - центробіжний;

1- суспензія; 2- осад; 3- фільтрувальна перегородка; 4- фільтрат.

Розмірність гідравлічного опору та , як слідує із рівняння (1), метр в мінус першій степені - (). Опір фільтрувальної перегородки визначається її конструкцією і звичайно не міняється в ході процесу фільтрування. Опір шару осаду пропорційний його товщині

= 𝑟 , (2)

де 𝑟 - коефіцієнт пропорційності або питомий опір шару осаду, .

Питомим опором осаду називають опір шару осаду висотою 1м і площиною основи 1м²; питомий опір залежить від властивостей осаду і визначається дослідним шляхом; для осаду відомої структури величину 𝑟 находять в довідковій літературі.

Об’єм осаду = 𝑆 = ; = . (3)

Підставивши значення в рівняння (1), отримаєм

. (4)

З врахуванням значення рівняння (1) прийме вигляд

ω = = . (5)

Це рівняння використовують для розрахунку процесу фільтрування, для визначення питомої продуктивності фільтру і терміну фільтрування .

При і незмінній температурі для фільтру даної конструкції всі величини, які входять в рівняння (5), за виключенням 𝑉 і τ, постійні. Проінтегруєм це рівняння в межах від 0 до 𝑉 та від 0 до τ:

= ;

μ =

+ - = 0 (6)

Вирішуючи отримане квадратне рівняння відносно знаходим питому продуктивність фільтра:

= - . (7)

Якщо опором фільтруючої перегородки можна знехтувати порівнюючи з опором шару осаду ( ), то рівняння (7) спрощується:

= . (8)

Вирішуючи рівняння (7) відносно , знаходим термін фільтрування

= + / (9)

Рівняння (8) і (9) примінимі до стискуючих і нестискуючих осадів, так як при величини також постійні.

Швидкість промивання осаду визначають по рівнянню (5):

= , (10)

де - перепад тиску при промивці, Па; - питомий опір осаду при промивці,

Величина визначається по рівнянню

= / , (11)

де - в’язкості фільтрату і промивочної рідини, Па·с.

Із двох останніх рівнянь слідує, що для збільшення швидкості промивання в’язкість промиваючоїї рідини повинна бути по можливості менша в’язкості фільтрату. Швидкість промивання постійна, так як висота і опір осаду не змінюється.

Термін промивання осаду рівний:

= = = ,

де - обֹєм промиваючої рідини, м².

Поиск по сайту: