Методичні вказівки до самостійної роботи №3

3.3 Поділ рідких неоднорідних систем

Фільтрування під дією перепаду тисків.

З фільтрів періодичної дії широко застосовують пісочні, патронні, дискові, листові, тарілчасті, камерні та ін. Пісочний фільтр (мал. 3.17) застосовують для фільтрування води, водок і інших рідин з незначним змістом твердих і пластівчастих домішок, що утворюють осад, який не представляє цінності.

У циліндричному корпусі 1 пісочного фільтру між металевими сітками 2 і 3 знаходяться два шари піску (великого вгорі і дрібного внизу), розділених тканинним прокладенням 4, Тканину поміщають також на нижню сітку, щоб пісок не потрапляв у фільтрат, і на верхню сітку для відвертання швидкого забруднення піску. Фільтрування проводять під тиском близько 0,05 МПа. У міру забруднення піску його промивають водою, що подається від низу до верху.

Патронні фільтри (мал. 3.18) застосовують у виробництві безалкогольних напоїв для звільнення води від зважених часток і мікроорганізмів, очищення цукрових і інших розчинів, а також газів.

Елементи такого фільтру виготовляють у вигляді патрона з пористої кераміки, пресованого діатоміту або стальных перфорованих трубок, на поверхню яких навивається нержавіючий дріт так, щоб між витками її утворився проміжок близько 0,1 мм, через який і відбувається фільтрування після попереднього намивання шару діатоміту на поверхню патрона.

Патрони 2 закріплюють в отворах грат 3, встановленою в корпусі 1. Рідина, що розділяється, під тиском 0,2...0,4 МПа подається у бічну частину

Малюнок 3.17 Пісочний фільтр Малюнок 3.18 Патронний фільтр

корпуси, фільтрується через стінки патронів всередину їх, а потім фільтрат виливається у верхню камеру 4 фільтри і відводиться за межі його.

Для фільтрування тонких суспензій і газів представляють інтерес металокерамічні фільтри, патрони яких діаметром близько 60 мм, завдовжки 700 мм і завтовшки стінки до 3 мм отримують спіканням сталевих, титанових або мідних гранул розміром від 60 мкм до 0,5 мм. Пористість стінок патронів до 40% розмірі пір близько 6 мкм. Затримуюча здатність такого фільтру біля 99%. Регенерируют патронні фільтри зазвичай стислим повітрям.

Дисковий фільтр – що застосовується замість рамного фильтр-пресса, листовий саморозвантажний фільтр – широко застосовується замість відстійників для згущування цукрових соків, тарілчастий фільтр з відцентровим вивантаженням осаду – вживаний у виробництві рослинних олій, бурякоцукровому і інших виробництвах, вітчизняний фильтр-пресс автоматичний камерний (ФПАК) – широко вживаний для фільтрування суспензій в нашій країні і за кордоном

Багато фільтрів періодичної дії є високоефективними пристроями, проте на періодично виконувані операції по видаленню осаду, перезарядку і інші в них непродуктивно витрачається багато часу, а іноді і праці. Цих недоліків позбавлені фільтри безперервної дії, в яких осад віддаляється безперервно у міру його накопичення.

Барабанний вакуум-фільтр безперервної дії (рис; 3.19, а, б) широко застосовують у бурякоцукровому і дріжджовому виробництвах для фільтрування суспензій з концентрацією твердої фази не менше 16…18%, что дуже важливе для швидкого утворення шару осаду на фільтрувальній перегородці і отримання фільтрату високої якості.

Основною частиною цього фільтру є барабан 1, встановлений за допомогою порожнистих цапф в підшипниках 2 над коритом 3 з суспензією так, що приблизно на 35% поверхню занурена у фільтровану суспензію. Для відвертання осадження твердих часток корито обладнане мішалкою, що коливається, 4. Барабан фільтру складається з двох циліндрів – внутрішнього 5 суцільного і зовнішнього 6 перфорованого, обтягнутого фільтрувальною тканиною 7 за допомогою дроту з нержавіючої сталі. Частота обертання барабана 0,13...0,2 об/хв.

Кільцевий простір між циліндрами розділений подовжніми перегородками 8 на секції 9. Від кожної секції до шайби 10, полою цапфи, що знаходиться в торцевій частині, відходять труби 11, які закріплюються в шайбі урівень, утворюючи рухливу частину розподільної голівки. До рухливої частини голівки примикає нерухома частина 12, на робочій поверхні якої (див. мал. 3.19, в) розташовані вікна у вигляді дуг. Причому ці вікна розташовані проти отворів труб в частині голівки, що обертається. Рухлива і нерухома частині голівки в місці їх зіткнення ретельно пришабрены одна до іншої, що дуже важливо для підтримки потрібного розрідження в зонах фільтрування і промивання, а також тиску стислого повітря в зоні отдувки.

Малюнок 3.19. Барабанний вакуум-фільтр:

а – схема фільтра; б – розподільна головка

На зовнішній поверхні нерухомої частини голівки є патрубки для відведення фільтрату, промивних вод, приєднання до вакуумної лінії і для подання стислого повітря в зону отдувки. При обертанні барабана кожен отвір рухливої частини голівки послідовно сполучається з вікнами нерухомій частині голівки. Тому в кожній секції за один оборот барабана здійснюються усі стадії процесу: в зоні І відбувається фільтрування через тканину на барабані з одночасним відкладенням осаду на ній завдяки вакууму, що створюється в секції, пов'язаній трубами 11 через розподільну голівку з вакуумною лінією; у зоні ІІ – просушування осаду завдяки тому, що засмоктуваний, в секцію повітря ззовні захоплює з собою вологу з осаду; у зоні ІІІ – промивання осаду шляхом зрошування його водою з форсунок 13 і в зоні IV – отдувка і розпушування осаду за рахунок стислого повітря, що поступає всередину секції.

Потім робиться зняття осаду ножем 14, після чого робота фільтру повторюється з дотриманням безперервності процесу.

В той же час у вакуум-фільтрах з ножовим зніманням осаду помітно зменшується продуктивність з пониженням концентрації початкової суспензії, а із-за малоефективної регенерації тканини втрати витягуваних цінних речовин з осадом, що йде, залишаються значними. Цих недоліків позбавлений вакуум-фільтр з тканиною (мал. 3.20), що сходить, на якому фільтрують суспензії без попереднього їх згущування. У них не потрібно розпушування осаду стислим повітрям в зоні отдувки і подальшого зняття його ножем.

Надіта на барабан 1 фільтрувальна тканина 2 після зони промивання осаду проходить по валах 3, 4, 5 і 6. Вал 3 служить для підтримки тканини і надлому осаду. Вал 4 є розвантажувальним; на нім фільтрувальна тканина повністю звільняється від осаду, який звалюється у бункер 10 і відводиться шнеком 11. Вал 5 під дією своєї маси натягує тканину, а на валу 6 відбувається розрівнювання її. Між валами встановлені форсунки 7, 8 і 9, через які подається вода для промивання тканини, а у разі потреби і розбавлений розчин НСl для регенерації її.

Малюнок 3.20. Схема барабанного вакуум-фільтра з фільтрувальною тканиною, що сходить

Продуктивність вакуум-фільтра, обладнаного таким пристроєм, збільшується в 1,5…2 разу завдяки кращій регенерації тканини, збільшується її термін служби, скорочуються втрати цінних речовин з осадом, виключається необхідність подання стислого повітря в зону отдувки.

Розрахунок фільтрів. Розрахунок фільтрів зводиться до визначення необхідної площі фільтрування. При розрахунку періодично діючих фільтрів потрібно знати тривалість робочого періоду циклу. Кожен цикл процесу фільтрування складається з власне фільтрування, промивання осаду і допоміжних операцій (вивантаження осаду, заміна тканини та ін.).

Тривалість Т (в с) циклу фільтрування

Т = τ + τ_пр + τ_в (3.35)

де τ, τ_пр и τ_в – відповідно тривалість властиво фільтрування, промивання осаду й допоміжних операцій.

Якщо позначити через F (в м²) площу фільтрування й через υ (в м³/м²), питому продуктивність фільтра, то кількість фільтрату, отриманого за один цикл; складе υF (в м³), а годинна продуктивність фільтра V (в м³/ч)

Методичні вказівки 1

та завдання для самостійної роботи студентів 1

Методичні вказівки 3

та завдання для самостійної роботи студентів 3

Пристрій і принцип дії поршневих насосів. 23

Основні поняття, що застосовуються в теорії насосів 24

п = 60 / Т. (3.39)

Фільтрування під дією відцентрової сили

Теория процесу. Відцентрове фільтрування суспензій здійснюється в центрифугах з перфорованими барабанами, що обертаються, з вмонтованою усередині фільтрувальною перегородкою.

Повний цикл центрифугування, наприклад, стосовно розділення цукрового утфеля, складається з наступних чотирьох послідовних періодів:

1. власне фільтрування з інтенсивним виділенням фільтрату (оттека) з одночасним утворенням шару цукру на фільтрувальній перегородці;

2. ущільнення шару цукру і видалення залишку фільтрату з міжкристального простору;

3. промивання цукру водою або парою, що супроводжується видаленням залишків меляси з поверхні кристалів і з капілярів в шарі цукру;

4. механічної, що підсушила цукру і подальшого вивантаження його з барабана центрифуги.

Тиск р_ц (в Па), що діє на стінку барабана,

p_ц = ω² ρ (r₂² – r₁²) / 2 (3.40)

Тоді стосовно до відцентрового фільтрування, що протікає при Δр = const, основне рівняння (15.2) для швидкості відцентрового фільтрування запишеться так:

w = dV / (F d τ) = p_ц / [(µ (R_oc + R_пер)] (3.41)

Будова й принцип дії центрифуг. По режиму роботи напівавтоматичні й автоматичні фільтруючі центрифуги розділяються на: періодичної й безперервної дії з фактором поділу до 3000. По розташуванню вала: вертикальні й горизонтальні. Вал барабана вертикальної центрифуги: має опору внизу або підвішується до вала електродвигуна. По способу вивантаження осаду: центрифуги з ручним вивантаженням, саморозвантажні, лопатеві, з видаленням осаду за допомогою ножів поршня, що пульсує, або під дією відцентрової сили.

Зворотний осмос і ультрафильтрование*

Методи зворотного осмосу і ультрафильтрования полягають у фільтруванні розчинів під тиском через напівпроникні мембрани, що вибірково пропускають розчинник і повністю або частково затримуючі молекули розчинених в них речовин. У основі цих способів лежить явище осмосу – мимовільного переходу розчинника (води) в розчин через, напівпроникну мембрану 1 (мал. 3.21, а). Тиск π в розчині, що примушує розчинник переходити через мембрану, називають осмотичним.

Створивши над розчином тиск р₁ рівне осмотичному (мал. 3.21, б), осмос припиняється і настає стан рівноваги. Якщо ж над розчином створити надмірний тиск р₂, що перевищує осмотичний тиск π на величину Δр (мал. 3.21, в), то перехід розчинника здійснюватиметься у зворотному напрямі і тоді процес називають зворотним осмосом.

Згідно простої теорії механізм фільтрування через пористу мембрану пояснюється тим, що пори такої мембрани досить великі для того, щоб пропускати

Осмос Рівновага Зворотна осмос

Малюнок 3.21 Зображення осмотических процесів

молекули розчинника, але занадто малі, щоб пропускати молекули розчинених речовин.

За іншими уявленнями цей механізм набагато складніше і виборча здатність мембран, очевидно, обумовлюється електричними силами, що виникають в мембрані, відмінністю коефіцієнтів дифузії компонентів розчину, формою і розмірами молекул, та ін. Зворотний осмос і ультрафильтрование мають принципова відмінність від звичайного фільтрування.

Якщо при звичайному фільтруванні осідань відкладається на фільтрувальній перегородці, то при зворотному осмосі і ультрафильтровании утворюються два розчини, один з яких збагачений розчиненою речовиною. У цих процесах накопичення речовини у вигляді осаду на поверхні мембрани неприпустимо, оскільки це призводить до різкого погіршення її роботи.

_________________

* Іноді в спеціальній літературі зворотний осмос і ультрафильтрование об'єднують під загальною назвою «гіперфільтрування» – процес фільтрування розчинів через напівпроникні мембрани з порами розміром менш 0,5 мкм.

В той же час зворотний осмос і ультрафильтрование мають багато спільного: для їх здійснення використовуються мембрани, виготовлені з одного і того ж матеріалу, але різні розміри пір, що мають. В процесі ультрафильтрования мембраною затримуються речовини з молекулярною масою 500 і більше, а низькомолекулярні речовини і розчинник вільно проходять через пори. При зворотному осмосі мембраною затримуються як високомолекулярні речовини, так і велика частина низькомолекулярних, а проходить через неї майже чистий розчинник.

Таким чином, ультрафильтрование є способом концентрації високомолекулярних речовин з одночасним очищенням їх від низькомолекулярних речовин, а зворотний осмос – способом концентрації усіх речовин, що знаходяться в цьому розчині, або способом виділення чистого розчинника з розчину.

Величина осмотичного тиску π (у Па) для розчинів визначається по рівнянню Вант-Гоффа

π = i R Т х / М, (3.42)

де i = 1 + α – коефіцієнт Вант-Гоффа;

α – міра дисоціації розчиненої речовини;

R – газова постійна;

Т – абсолютна температура розчину, К;

х – концентрація розчиненої речовини, г/л;

М – молекулярна маса розчиненої речовини, г/моль.

З рівняння (3.42) виходить, що осмотичний тиск розчинів прямо пропорціонально їх температурі і концентрації і обернено пропорційно до молекулярної маси розчиненої речовини.

Для розчинів сахарози концентрацією від 5 до 35 мас. % інтервалі температур від 0 до 60°С осмотичний тиск (в кПа) можна розрахувати по формулі

π = 41,2 х^1,32, (3. 43)

де х – концентрація сахарози в розчині, мас. %.

Для виготовлення таких мембран застосовують полімерні плівки, пористе скло, металокераміку і інші матеріали. Для практичного застосування мембрани, що виготовляються, повинні відповідати наступним основним вимогам:

мати високу розділяючу здатність (селективність);

вибірково пропускати одні речовини і не пропускати інші;

мати високу питому продуктивність(проникність);

бути стійкими до дії середовища, що розділяється, і мікроорганізмів;

мати достатню механічну міцність і постійність технічних характеристик в процесі експлуатації мембрани;

не містити токсичних речовин;

мати невисоку вартість.

Завдяки простоті мембранних установок, проведенню процесів при звичайній температурі і економічності методи ультрафильтрования і зворотного осмосу застосовують для згущування фруктових соків, молока і сирної сироватки, цукрових розчинів, ферментних препаратів, опріснення морських і солоних вод, очищення виноматериалов, пива і інших продуктів.

Розрізняють апарати, в яких фільтрувальні елементи виконані у вигляді плоских камер, труб і у вигляді спіралі.

У апараті з плоскими камерами (мал. 3.22, а) фільтрувальний елемент складається з двох мембран 1, укладених по обидві сторони плоского пористого матеріалу - дренажу 2. Дренажні листи розташовані на деякій відстані один від одного, утворюючи простір для потоку розчину, що розділяється. Пакет фільтрувальних елементів затискається двома фланцями 3, які стягуються між собою болтами.

Розчин, що розділяється, послідовно проходить через усі фільтрувальні елементи, концентрується при цьому і йде з апарату, а який пройшов через мембрану фільтрат відводиться з дренажних шарів у збірку.

Трубчастий фільтрувальний елемент (мал. 3.22, б) складається з мембрани 3 і дренажного каркаса. Дренажний каркас виконаний з перфорованої труби 1, що забезпечує міцність елементу і відведення фільтрату, і пористої підкладки 2,

Малюнок 3.22. Схема роботи мембранних фільтрувальних елементів

мембрани, що запобігає втискуванню, в дренажні отвори труби під дією робочого тиску. Такі елементи збирають в циліндричний кожух подібно до труб в кожухотрубному теплообміннику.

Основними регульованими параметрами процесу фільтрування є якість отримуваних фракцій і продуктивність пристрою по основному продукту. Ці показники залежать від питомого навантаження пристрою по початковій суміші, її температури, величини рушійної сили і опорів осаду і фільтрувальної перегородки.