Устройство и расчёт электрофильтров

Рисунок 5.18 – Схема трубчатого электрофильтра: 1 – камера; 2 – осадительный электрод; 3 – коронирующий электрод; 4, 6 – рамы; 5 – изолятор; 7 – входной газоход; 8 – распределительная решетка; 9 – выходной газоход.

Аппараты, в которых осуществляют электрическую очистку газов, получили название электрофильтров. Для создания неоднородного электрического поля в них коронирующие электроды выполняют в виде проволоки круглого или звездообразного сечения, а осадительные – в виде пластин специального профиля либо трубы круглого или шестиугольного сечения. По виду осадительного электрода промышленные электрофильтры подразделяются на трубчатые и пластинчатые. Помимо этого, они делятся на сухие (для очистки сухих газов) и мокрые – для очистки газов, увлажненных в результате конденсации паров (которые в них содержатся), а также для осаждения капель из тумана.

Трубчатый электрофильтр (рис. 5.18) представляет собой камеру 1 с осадительными электродами 2 в виде труб диаметром 150–300 мм и длиной 3–4 м. Внутри каждого трубчатого элемента точно по центру подвешивается выполненный из коррозийно-стойкого материала коронирующий электрод 3 в виде проволоки диаметром 1,5–2 мм. Коронирующие электроды подвешены к раме 4, опирающейся на изоляторы 5. Для жесткости конструкции электроды снизу соединены рамой 6. Для удаления пыли и очистки коронирующего электрода электрофильтр имеет встряхивающее устройство. Загрязненный газ через газоход 7 попадает под решетку 8 и равномерно распределяется между трубчатыми элементами, где происходит ионизация. Частицы пыли получают электрический заряд и направляются к осадительному трубчатому элементу. На заземленном трубчатом элементе частицы теряют заряд и оседают, а затем ссыпаются в нижний бункер аппарата и удаляются из него через пылевые затворы. Очищенный газ выходит через газоход 9.

Преимущество трубчатых электрофильтров – возможность использования большего напряжения электрического поля и достижения, следовательно, более высокой удельной производительности. К недостаткам их следует отнести значительную металлоемкость, сложность монтажа, трудность очистки труб от пыли.

Рисунок 5.19 – Схема пластинчатого электрофильтра: 1 – камера; 2 – осадительный электрод; 3 – коронирующий электрод; 4, 6 – рамы; 5 – изолятор; 7 – входной газоход; 8 – распределительная решетка; 9 – выходной газоход

Пластинчатые электрофильтры отличаются от трубчатых тем, что осадительными электродами являются не трубы, а вертикальные пластины, выполненные из проволочной сетки (рис. 5.19). Между пластинами пропущены коронирующие электроды в виде проволоки, подвешенной на раме.

Пластинчатые электрофильтры менее металлоемки по сравнению с трубчатыми, более компактны, проще в монтаже и доступнее для очистки от пыли.

В некоторых случаях электрофильтры секционируют, и газ пропускают через ряд последовательно соединенных друг с другом секций.

Направление газового потока, параллельного коронирующим электродам, не является обязательным. В пластинчатых электрофильтрах газовый поток может быть направлен перпендикулярно коронирующим электродам.

Фильтрование

Рисунок 5.20 – Схема процесса фильтрования: 1 – сосуд для фильтрования; 2 – осадок; 3 – фильтровальная перегородка; 4 – ложное (перфорированное) днище

Фильтрование – процесс разделения неоднородных смесей с помощью пористых перегородок, задерживающих дисперсную и пропускающих сплошную фазу. Аппараты, используемые для этого процесса, носят название фильтров. В простейшем случае фильтр представляет сосуд 1 (рис. 5.20), в котором имеется ложное (перфорированное) днище 4. На ложное днище уложена фильтровальная перегородка 3. Под действием разности давлений по обе стороны фильтрующей перегородки сплошная фаза (фильтрат) проходит через ее поры, а взвешенные частицы задерживаются на ней, образуя слой осадка 2.

Необходимую разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки создают с помощью вакуума под перегородкой или избыточного давления над перегородкой.

По мере накопления осадка на фильтровальной перегородке возникает дополнительное сопротивление прохождению фильтрата. Если перепад давления по обе стороны перегородки поддерживается постоянным, то количество фильтрата уменьшается, и скорость фильтрования падает. Скорость фильтрования можно поддерживать постоянной, если по мере накопления осадка над фильтрующей перегородкой увеличивать перепад давления. Практически, во избежание излишнего уплотнения осадка и увеличения его сопротивления, предпочитают работать при постоянном перепаде давления, создавая для этой цели под фильтровальной перегородкой вакуум.

Теоретические основы процессов фильтрования жидких и газовых неоднородных смесей идентичны, различно их аппаратурное оформление.

Процесс фильтрования неоднородных смесей в зависимости от размеров и концентрации частиц дисперсной фазы, а также величины пор фильтровальной перегородки может протекать по различным механизмам. Если размеры взвешенных частиц превышают размеры пор перегородки, то частицы не проникают внутрь нее, а образуют осадок, толщина слоя которого возрастает по мере увеличения количества профильтрованной смеси. Если размер частиц меньше размера пор перегородки, то они проникают внутрь и либо удаляются с фильтратом, либо задерживаются внутри капилляров фильтровальной перегородки вследствие механического взаимодействия или действия сил притяжения. За счет проникновения частиц внутрь пор размер их уменьшается, и перегородка обретает способность задерживать мелкие частицы, образующие осадок. Такой процесс определяют как фильтрование с частичным закупориванием пор и образованием осадка. Частицы малых размеров способны проникать в поры до практически полного их закупоривания. Этот процесс называют фильтрованием с закупориванием пор. Он наблюдается обычно при фильтровании смесей с малым содержанием тонкодисперсных частиц. Закупоривание пор приводит к увеличению гидравлического сопротивления перегородки и уменьшению скорости фильтрования. Кроме того, уменьшается срок службы перегородки. Поэтому процесс фильтрования стремятся организовать так, чтобы он протекал с образованием осадка и, по возможности, исключалась закупорка пор фильтровальной перегородки. С этой целью используют специальные вспомогательные вещества, образующие на фильтровальной перегородке осадок, улавливающий мелкие частицы.

В качестве вспомогательных фильтрующих веществ используют высокопористые порошкообразные материалы – диатомит, перлит, уголь, а также волокнистые материалы – асбест, целлюлозу, древесную муку и другие. Иногда применяют смесь двух или более различных вспомогательных веществ, например, диатомита, перлита и асбеста. Размер частиц вспомогательного материала находится в пределах 10–50 мкм. Для повышения эффективности вспомогательных веществ их классифицируют, стремясь получить фракции с возможно более равномерным распределением частиц по размерам. Используют вспомогательные вещества двояким способом – добавляют к исходной смеси или предварительно наносят толстый слой на фильтровальную перегородку, а затем по мере закупоривания пор наружного слоя вспомогательного вещества его постепенно срезают. Второй способ обычно применяют при фильтровании с использованием аппаратов непрерывного действия. Выбор вспомогательного вещества производится экспериментально, при этом руководствуются двумя основными положениями: 1) вспомогательное вещество, задерживая взвешенные частицы, должно обеспечивать проведение процесса фильтрования с образованием несжимаемого осадка; 2) чем меньше размер частиц в разделяемой смеси, тем мельче должны быть частицы вспомогательного вещества. При определении количества добавляемого вспомогательного вещества следует учитывать, что, с одной стороны, с его увеличением возрастает пористость осадка и вследствие этого повышается скорость фильтрования, а с другой стороны – возрастает толщина слоя осадка, что уменьшает скорость фильтрации.

Большую роль в процессе фильтрования играют природа и структура осадка и фильтровальной перегородки. По физико-механическим свойствам их делят на несжимаемые и сжимаемые. Несжимаемые осадки и перегородки характеризуются тем, что порозность их, а следовательно, и сопротивление потоку жидкости в процессе фильтрования остаются постоянными.

Практически совершенно несжимаемых осадков нет, но к этой группе обычно относят осадки веществ минерального происхождения (песок, мел, сода и другие) с размером частиц меньше 100 мкм, сопротивление слоя которых движущемуся потоку незначительно зависит от перепада давлений или скорости осаждения. К несжимаемым перегородкам относятся пористые керамические или стеклянные, а также металлические фильтрующие перегородки.

Сжимаемые осадки характеризуются уменьшением порозности в результате образования более плотного осадка и повышением сопротивления при увеличении перепада давления. Такими свойствами обладают мелкодисперсные осадки неорганических веществ и большинства органических веществ, а также волокнистые и высокопористые материалы.

В производственных условиях под фильтрованием понимают не только процесс разделения смеси на фильтрат и осадок, но и сопутствующие ему операции – промывку, продувку и сушку осадка на фильтре.

Промывку осадка производят с целью удаления сплошной фазы из него. Для этого обычно используется растворитель, являющийся основным компонентом сплошной фазы. Так, если сплошная фаза – водный раствор, для промывки используют воду.

Продувка осадка производится с целью вытеснения из его пор оставшейся промывной жидкости. Для продувки используют воздух, а также инертные газы (азот, двуокись углерода). Однако продувкой удаляется лишь часть жидкости из пор осадка до достижения равновесной влажности.

Сушку осадка на фильтре проводят, чтобы получить на фильтре осадок с конечной влажностью меньше равновесной. Для сушки применяют нагретый или предварительно осушенный воздух.

Скорость фильтрования

Общая теория фильтрования основывается на эмпирическом законе Дарси, согласно которому объем фильтрата V, проходящего через единицу поверхности F за единицу времени t, прямо пропорционален разности давлений Dр и обратно пропорционален общему сопротивлению осадка R₀ и фильтрующей перегородки R_п. Поскольку в общем случае в процессе фильтрования значения разности давлений и гидравлического сопротивления слоя осадка с течением времени изменяются, то эта зависимость может быть представлена следующим образом:

, (5.65)

где V – объем фильтрата, прошедшего через фильтр с поверхностью F за время τ.

Если объем фильтрата отнести к единице поверхности фильтра, то уравнение (5.65) может быть записано в виде

. (5.66)

Сопротивление слоя осадка R_o зависит от количества фильтрата V, прошедшего через фильтр, т.е.

, (5.67)

где k – коэффициент пропорциональности, определяемый физическими свойствами осадка и фильтрата.

Сопротивление фильтрующей перегородки R_п можно выразить через эквивалентное сопротивление слоя осадка, для образования которого потребуется пропустить через 1 м² фильтра объем фильтрата, равный С, т.е.

.

Таким образом, величина С является константой для данного фильтра, так же как и k является константой лишь для данной разделяемой смеси.

Тогда уравнение (5.66) примет вид

. (5.68)

Последнее уравнение выражает общую зависимость скорости фильтрования от перепада давления и сопротивления, независимо от режима фильтрования. Путем его интегрирования определяется связь между объемом получающегося фильтрата и продолжительностью процесса. При этом может быть три случая:

1) фильтрование при постоянной разности давлений (Δp = const);

2) фильтрование при постоянной скорости процесса (dV/dτ = const);

3) фильтрование при постоянных разности давлений и скорости (Δp = const; dV/dτ = const).

Фильтрование при постоянной разности давлений. При этом режиме фильтрования Δp = const и k = const. Заменив эти константы одной: Δp/k = = const, получим уравнение (5.68) в виде

(5.69)

После интегрирования последнего выражения в пределах от 0 до (V + C) и (τ + τ_о):

,

имеем (5.70)

где τ_о – продолжительность образования слоя осадка с сопротивлением, равным сопротивлению фильтрующей перегородки.

Поскольку 2 = const, то, обозначив через , получим закон фильтрования при Δp = const:

(5.71)

В начальный момент процесса при τ = 0 и V = 0 уравнение (5.71) принимает вид

(5.72)

Решая совместно уравнения (5.71) и (5.72), находим выражение для расчета производительности фильтра или продолжительности фильтрования при Δp = const:

(5.73)

Необходимые для расчетов константы фильтрования и С определяют опытным путем. Для этого замеряют объемы фильтрата V и время τ, в течение которого собраны эти объемы, затем уравнение, связывающее скорость фильтрования dV/dτ и время фильтрования τ, представляют в виде уравнения прямой линии и графически определяют константы.

Например, выражение (5.73) после дифференцирования можно записать таким образом:

либо

– скорость фильтрования в данный момент, откуда

(5.74)

В координатах dτ/dV–V либо Δτ/ΔV–V уравнение (5.74) представляет собой прямую линию (рис. 5.21) с тангенсом угла наклона, равным tgα = 2/K.

Второе слагаемое в (5.74) представляет собой отрезок, отсекаемый от оси ординат:

Рисунок 5.21 – График для определения констант фильтрования K и С при Δp = const

Для графического определения констант K и С на оси ординат откладывают величину, обратную скорости фильтрования , а по оси абсцисс – объемы собранного фильтрата V. Экстраполируя построенную по опытным точкам прямую до пересечения с абсциссой, находят значение константы С, а по тангенсу угла наклона прямой – значение K.

Если есть опытные значения объемов фильтрата V₁ и V₂, полученные за время и , константы K и С могут быть вычислены при решении системы уравнений:

. (5.75)

Фильтрование при постоянной скорости процесса. В этом случае систему (5.75) используют для определения давления, необходимого для обеспечения заданной скорости фильтрования.

Поскольку , то (5.68) преобразовывают до вида:

(5.76)

Выражение (5.76) показывает, что при V/τ = const разность давлений возрастает по мере увеличения продолжительности фильтрования.

Рисунок 5.22 – График для определения констант фильтрования k и С при wф = const.

Константы k и С по аналогии с предыдущим случаем (когда фильтрование протекало при Δp = const) могут быть также определены графически, если уравнение (5.76) представить в виде прямой линии в координатах Δр–τ (рис. 5.22), а объем фильтрата V выразить через скорость фильтрования (V = w_ф∙τ):

(5.77)

В данном случае тангенс угла наклона прямой равен k, а отрезок, отсекаемый от оси ординат,

При заданной скорости фильтрования w_ф, пользуясь формулой (5.77), можно рассчитать давление, которое необходимо обеспечить к моменту времени τ, чтобы скорость фильтрования оставалась в заданных пределах.

Фильтрование при постоянных разности давлений и скорости. Такой вид фильтрования имеет место, когда чистая жидкость фильтруется через слой осадка постоянной высоты и при постоянной разности давлений (промывка осадка, например).

Если уравнение (5.74) решить относительно τ при то получим:

(5.78)

где τ – время, за которое чистая жидкость (промывная вода) объемом V прошла через фильтр и неизменяющийся по высоте слой осадка.

Так рассчитывают время промывки осадка либо скорость промывки:

Константы фильтрования K и С определяются так же, как и в случае фильтрования при постоянном давлении.

На большинство фильтров, работающих под давлением, суспензия на фильтрование подается центробежным насосом, вследствие чего фильтры редко работают только при постоянном давлении или при постоянной скорости процесса. В соответствии с рабочей характеристикой насоса процесс фильтрования обычно протекает при постоянной скорости в начальный период, а в дальнейшем – при постоянном давлении. Насосы с крутой характеристикой «напор – производительность» в течение любого периода цикла не поддерживают постоянную скорость или постоянное давление. Фильтрование в этом случае протекает при возрастающем давлении и уменьшающейся скорости. Поэтому предпочтителен выбор насоса с нормальной характеристикой . Уравнения (5.69)–(5.78) выражают связь между скоростью фильтрования, движущей силой и сопротивлением при различных режимах фильтрования, но они не отражают влияния физических свойств фильтруемой смеси и фильтрующей перегородки.

Зависимость скорости фильтрования от физических свойств фильтруемой смеси и фильтрующей перегородки. При фильтровании жидкость (фильтрат) перемещается через пористый слой осадка в пространстве между частицами. Это пространство можно рассматривать как систему сообщающихся пор переменного сечения. Поскольку частицы обычно малы, поры имеют небольшие размеры и движение жидкости в них ламинарное. Длина и форма пор определяется размерами и формой частиц. Простейшая модель движения жидкости через слой осадка может быть получена, если представить этот слой в виде системы пор одинакового диаметра. Тогда сопротивление слоя осадка можно записать в соответствии с уравнением Дарси–Вейсбаха (1.59):

где h_о – высота слоя осадка; d_экв – эквивалентный диаметр пор; w_п – скорость движения жидкости в порах; ρ – плотность жидкости.

Коэффициент трения λ при ламинарном режиме движения жидкости обратно пропорционален критерию Рейнольдса:

Сопротивление слоя осадка высотой h₀ = l м:

(5.79)

Скорость жидкости в порах w_п можно выразить через скорость w, отнесенную ко всему сечению слоя: w = ε∙w_п (ε – порозность слоя осадка).

Эквивалентный диаметр пор d_экв связан с объемом пор V_п и их поверхностью F_п соотношением

, (5.80)

где F – суммарная площадь сечения пор; П – смоченный периметр всех пор в слое.

Объем пор в единице объема слоя , а поверхность пор (d –диаметр частиц, n – число частиц в единице объема слоя). Число частиц п равно отношению объема частиц в слое (1 – ε) к объему одной частицы, равной (pd³)/6, поэтому , а .

Следовательно,

(5.81)

Для несферических частиц вводится поправка в виде коэффициента формы , тогда

Если в (5.79) подставить полученное выражение для d_экв, то:

(5.82)

Последнее уравнение показывает, что скорость фильтрования при прочих равных условиях прямо пропорциональна квадрату диаметра частиц, составляющих слой осадка, и обратно пропорциональна вязкости жидкости:

Константа k в формуле (5.82) по данным разных авторов принимает значения в пределах 150÷200.

Сопоставление уравнений (5.79) и (5.82) приводит к выражению, связывающему сопротивление осадка r с его характеристиками:

либо (5.83)

где r_о – удельное сопротивление осадка.

Поэтому уравнение, описывающее кинетику фильтрования, представляют обычно в виде:

(5.84)

где F – поверхность фильтра; dV – объем фильтрата, полученного за время dτ. Высота слоя осадка на фильтре h_о зависит от объема, прошедшего через него фильтрата и от содержания твердой фазы в разделяемой смеси. Эта связь выражается соотношением:

или

(x₀ – отношение объема осадка к объему фильтрата).

С учетом этого (5.84) приобретет вид

(5.86)

Равенство (5.86) является основным уравнением фильтрования. Путем его интегрирования определяют связь между объемом образующегося фильтрата и продолжительностью процесса, учитывая основные характеристики суспензии (μ, r_о, х_о) и фильтра (F, R_п), а также условия проведения процесса (Δр).

Если пренебречь сопротивлением фильтрующей перегородки R_п = 0, то из уравнения (5.86) удельное сопротивление осадка r_о таково:

(5.87)

При μ = l Па∙с; h_о = l м и w = l м/с величина r_о = Δр.

Таким образом, удельное сопротивление осадка численно равно разности давлений, необходимой для того, чтобы жидкость с вязкостью 1 Па∙с фильтровалась со скоростью 1 м/с через слой осадка толщиной 1 м. Для сжимаемых осадков эта величина может достигать значений порядка 10¹² м^–2 и более.

В начальный момент фильтрования, когда слой осадка на фильтре еще не образовался, V = 0. Решение уравнения (5.86) при этих условиях дает зависимость

. (5.88)

При μ = 1 Па∙с и w = l м/с величина R_п = Δp – сопротивление фильтрующей перегородки численно равно разности давлений, необходимой для того, чтобы жидкость с вязкостью 1 Па∙с проходила через фильтрующую перегородку со скоростью 1 м/с. Для ряда фильтровальных перегородок эта величина имеет порядок 10¹⁰ м^–1.

Интегрирование равенства (5.86) для различных режимов фильтрования позволяет получить уравнения, аналогичные (5.73), (5.76) и (5.78).

Так, при Δp = const интегрирование (5.86) в пределах от 0 до V и от 0 до τ приводит к выражению

. (5.89)

Согласно полученного уравнения при постоянном перепаде давления продолжительность фильтрования пропорциональна квадрату объема получаемого фильтрата.

При Δp = const для фильтра данной конструкции и данной фильтровальной перегородки все входящие в уравнение (5.89) величины, кроме V и τ, постоянны, поэтому его можно представить в виде

где , а .

Константы С и К определяют по опытным данным, построив прямую в координатах (см. рис. 5.21). В данном случае тангенс угла наклона прямой будет соответствовать , а отрезок, отсекаемый от оси ординат

По определенным из графика значениям tgα и А вычисляют r_о и R_п (x_o находят непосредственно из опыта, замерив объем осадка и фильтрата).

Интегрируя уравнение (5.86) при постоянной скорости фильтрования (dV/dτ = const), получим:

(5.90)

С учетом того, что , (5.90) можно переписать:

. (5.91)

В координатах уравнение (5.91) выражает прямую, поэтому константы определяются также, как и в предыдущих случаях.

Если и , уравнение (5.86) переписывается в виде

.

Заменив в последнем выражении эквивалентной величиной h₀, получим:

(5.92)

Опытные наблюдения и полученные уравнения показывают, что скорость фильтрования при любом режиме процесса обратно пропорциональна вязкости фильтрата. Вязкость же большинства жидкостей заметно понижается с увеличением температуры. Поэтому повышение температуры даёт возможность вести процесс при более высоких скоростях. Так, если фильтратом является вода, то повышение температуры от 20 до 60 °С увеличивает скорость фильтрования вдвое. Вязкость фильтрата можно также уменьшить, разбавляя исходную суспензию растворителями с небольшой вязкостью.

Даже небольшие изменения размеров частиц разделяемой смеси влияют на значение скорости фильтрования. Уменьшение размера частиц приводит к понижению скорости и увеличению содержания влаги в осадке. Для обеспечения заданного размера частиц следует избегать их изменения при перемешивании и транспортировке насосом. С целью флокуляции тонкодисперсных частиц и образования более крупных англомератов, дающих осадок с меньшим сопротивлением, смесь предварительно подвергают химической или термической обработке. Иногда таким образом можно перевести неразделяемую суспензию в разделяемую (например, шлам сточных вод коагулируется квасцами или хлористым железом).

Если пренебречь сопротивлением фильтрующей перегородки, то скорость фильтрования обратно пропорциональна отношению количества твердых частиц количеству фильтрата, а скорость накопления осадка прямо пропорциональна этому отношению (см. уравнение). Если суспензия перед фильтрованием сгущается, то время, необходимое для ее разделения на данной поверхности фильтрования, будет уменьшаться пропорционально уменьшению отношения количества фильтрата к количеству твердой фазы.

Важным фактором, определяющим скорость фильтрования, является толщина слоя осадка. Средняя скорость фильтрования обратно пропорциональна количеству отложившегося осадка. Максимальная скорость процесса достигается при толщине слоя осадка, приближающейся к нулю. Однако, учитывая трудность съема тонкого слоя осадка и затрату времени на чистку фильтра, процесс фильтрования ведут при значительной толщине слоя. Если сопротивление осадка невелико по сравнению с сопротивлением фильтрующей перегородки, то оптимальная толщина слоя осадка при фильтровании возрастает.

Скорость фильтрования во многом зависит от пористости фильтрующей перегородки, ее способности к закупориванию. Размер пор фильтра должен быть настолько большим, насколько это возможно для уменьшения быстрого закупоривания, и настолько мал, насколько это необходимо для предотвращения прохождения через фильтр тонкодисперсных твердых частиц. Толстые жесткие фильтры склонны к закупориванию в большей степени, чем тонкие гибкие.

Полученные кинетические закономерности процесса фильтрования справедливы для несжимающихся осадков. В слое несжимающегося осадка давление изменяется линейно от его значения на фильтрующей перегородке до значения на наружной стороне осадка. В результате, наибольшие усилия сжатия испытывают слои осадка, непосредственно прилегающие к фильтру. Если осадок сжимаем, то в наибольшей степени деформируются ближайшие к фильтровальной перегородке слои. За счет сжатия уменьшается пористость осадка и возрастает его удельное сопротивление. Следовательно, удельное сопротивление сжимаемого осадка возрастает по направлению от его наружной поверхности к перегородке. За счет этого изменение давления в слое отклоняется от линейной зависимости. Изменение давления, а следовательно, пористости и удельного сопротивления по толщине слоя осадка зависит от его свойств. Экспериментально определять изменения свойств осадка по его толщине очень сложно. Поэтому при расчете процессов фильтрования с образованием сжимаемого осадка используют уравнения, описывающие кинетику процессов фильтрования с образованием несжимаемых осадков, и средние значения удельного сопротивления осадка и сопротивления фильтрующей перегородки. Возникающая при этом погрешность относительно невелика (»10 %). Она тем ниже, чем меньше сопротивление фильтрующей перегородки по сравнению с сопротивлением осадка. Удельное сопротивление сжимаемого осадка выражают обычно в виде степенной функции от разности давлений Δр:

или , (5.93)

где r_х – удельное сопротивление осадка при любом перепаде давления; r_о – удельное сопротивление осадка при перепаде давления в опыте; Δр_х – отношение рабочего перепада давления к перепаду давления в опыте; а, m, n – коэффициенты, определяемые опытным путем.

Фильтровальные перегородки

Фильтровальные перегородки – основной элемент фильтра. От выбора фильтровальной перегородки зависят производительность фильтра и чистота фильтрата. Подбор фильтровальной перегородки выполняется эмпирически. Правильно выбранная перегородка имеет поры по возможности большего размера для уменьшения ее гидравлического сопротивления. В то же время размер пор должен обеспечить высокую чистоту фильтрата. В общем случае фильтровальная перегородка должна обладать следующими свойствами:

1) способностью хорошо задерживать твердые частицы;

2) небольшим гидравлическим сопротивлением;

3) стойкостью к химическому воздействию разделяемой смеси;

4) достаточной механической прочностью;

5) теплостойкостью при температуре фильтрования;

6) невысокой стоимостью.

В качестве фильтровальных перегородок применяют самые разнообразные материалы, обладающие проницаемостью для потока фильтрата и способные задерживать твердую фазу: несвязные или зернистые; тканевые; жесткие, неподвижные.

Наибольшее распространение получили перегородки, изготавливаемые из тканей. Используются асбестовые, стеклянные, хлопчатобумажные и шерстяные ткани, а также ткани из синтетических волокон. Хлопчатобумажные ткани благодаря низкой стоимости и разнообразию используют наиболее часто. Однако следует учитывать, что они разрушаются всеми минеральными и многими органическими кислотами, крепкими щелочами, кислыми солями. Температура процесса фильтрования при их использовании не должна превышать 90 °С. При высокой плотности ткани оказывают повышенное гидравлическое сопротивление потоку фильтрата и быстро закупориваются твердыми частицами. Шерстяные ткани иногда применяют для фильтрования разбавленных кислых растворов и разделения густых суспензий. Они склонны к закупориванию и быстро разрушаются щелочами. Фильтровальные перегородки из синтетических тканей (поливинилхлоридные, перхлорвиниловые, лавсановые, полиамидные, полипропиленовые и др.) по своим свойствам во многих отношениях превосходят хлопчатобумажные и шерстяные фильтровальные перегородки. Они сочетают высокую механическую прочность с химической и термической, а также устойчивы к действию микроорганизмов.

Слои зернистых материалов (песок, древесный и каменный уголь и др.) широко применяются для фильтрования воды и химических растворов (для очистки и разрыхления слоя таких материалов используется обратная промывка). Хлопчатобумажная вата используется для фильтрования смесей с высокой вязкостью фильтрата (краски, прядильные растворы), для извлечения загрязнений из молока и др. Фильтровальную бумагу и целлюлозу применяют для отделения очень мелких взвешенных частиц и для очистки смесей с небольшим содержанием дисперсной фазы. Эти материалы имеют различную проницаемость, толщину и прочность, иногда стойки к воздействию сильных кислот и щелочей.

В качестве жестких фильтровальных перегородок чаще всего используют перфорированные листы и сетки, изготовленные из стали, никеля, меди, латуни, бронзы алюминия. Их применяют в основном для разделения суспензий, содержащих крупные кристаллические частицы. Но чаще такие перегородки служат опорными для фильтровальных тканей и бумаги. Жесткие перегородки выполняют также в виде дисков, плиток, патронов из пористых твердых материалов. Пористые твердые материалы получают из порошкообразных металлов, керамики, стекла, угля, диатомита путем их спекания в присутствии связующего вещества. Пластины и трубы из спекшихся частиц нержавеющей стали или других металлов используются в осветлительных фильтрах (в двигателях самолетов), а также в качестве основы в фильтрах с предварительно нанесенным слоем вспомогательного фильтровального вещества.

Выбор фильтровальной перегородки определяется также типом фильтровального оборудования. Например, для тарельчатых фильтров главное значение имеют износ, сопротивление истиранию и качество уплотнения фильтрующей перегородки. При ножевом съеме осадка необходимо выбирать ткань со способностью легко освобождаться от осадка.

Для вакуумных барабанных фильтров необходимы прочные ткани, способные оказывать сопротивление разрывным и деформирующим усилиям во время подсушки и др. В тех случаях, когда производится шнуровой съем осадка с отдувкой, важно, чтобы гибкий шнур мог сопротивляться переменным нагрузкам, вызывающим усталость материала.

Непрерывнодействующие ленточные вакуумные фильтры нуждаются в фильтрующих материалах, имеющих высокую объемную устойчивость, а также достаточное сопротивление разрыву и жесткость, так как лента должна поддерживать значительные количества твердой фазы.

Вакуумные дисковые фильтры с отдувкой осадка или скребками требуют применения тканей с хорошей объемной устойчивостью и высоким сопротивлением истиранию.