2.11 Фильтрование

2.11.1 Общая характеристика процесса

Фильтрованием называют процесс разделения суспензий, дымовых газов и пылей путем пропуска их через пористую перегородку, способную задерживать взвешенные частицы и пропускать фильтрат или очищенный газ. Фильтрование обеспечивает почти полное освобождение жидкости или газа от взвешенных частиц и поэтому имеет значительные преимущества перед осаждением.

В качестве фильтрующих перегородок применяют ткани хлопчато-бумажные, синтетические и шерстяные, а также плетеные и штампованные металлические сетки, песок, гравий и пористые керамические материалы.. Роль фильтрующей перегородки выполняет слой осадка, который при фильтровании образуется на перегородке, причем его фильтрующие свойства часто более высокие, чем фильтрующие свойства перегородки.

В качестве вспомогательных материалов при фильтровании применяют измельченный асбест, костяной и древесный активированные угли. Их используют при непосредственном вводе в суспензию или путем предварительного намыва слоем на рабочую поверхность фильтра. Накапливаясь вместе с осадком на фильтрующей перегородке, они значительно повышают пористость осадка и понижают его гидролитическое сопротивление, что в свою очередь способствует увеличению скорости фильтрования. Кроме того, применяемые при этом активированные угли, обладая адсорбционными свойствами, избирательно поглощают из жидкости не только мельчайшие частицы, но и красящие вещества, что широко используется при осветлении жиров, масел, сахарных сиропов, пива и т.д.

Выделяемые при фильтровании частицы могут отлагаться в виде слоя осадка на фильтрующем материале или в самом фильтрующем материале, забивая его поры. В соответствии с этим различают фильтрование с образованием осадка и фильтрование с забивкой пор фильтрующего материала. Наибольшее распространение получило фильтрование с образованием слоя осадка, осуществляемое при постоянном перепаде давлений, так как этот режим (по сравнению проведением процесса при постоянной скорости) прост и удобен. Для поддержания необходимой скорости фильтрования слой осадка на ткани по мере протекания процесса приходится удалять.

Получаемые при фильтровании осадки делят на сжимаемые, частицы которых с повышением давления деформируются, и размер капилляров уменьшается, и несжимаемые, размер и форма частиц которых практически не меняются с увеличением давления при фильтровании.

Движущей силой процесса фильтрования является разность между давлениями под фильтрующей перегородкой и под ней или величина центробежной силы, создающей давление жидкости на фильтрующую перегородку. Соответственно этому различают фильтрование под действием перепада давлений, или просто фильтрование, и центробежное фильтрование, называемое центрифугирование.

2.11.2 Теория процесса фильтрования под действием перепада давлений.

Основными величинами, характеризующими процесс фильтрования, являются скорость и продолжительность фильтрования, зависящие от величины движущей силы процесса, вязкости фильтрата и сопротивлений слоя осадка и фильтрующей перегородки.

Скоростью фильтрования называют количество фильтрата, получаемого с единицы площади фильтрата в единицу времени

(1)

Скорость фильтрования прямо пропорциональна перепаду давлений и обратно пропорциональна вязкости фильтрата и общему гидравлическому сопротивлению слоя осадка R_ос и фильтрующей перегородки R_пер

, (2)

где - элементарная удельная производительность фильтра.

Сопротивление слоя осадка зависит от его удельного сопротивления r и толщины слоя , то есть

(3)

Удельным сопротивлением осадка называют сопротивление слоя осадка высотой 1 м с площадью основания 1 м². Величину r находят в справочной литературе или определяют опытным путем.

Если в уравнении (2) V выражено в м³, F в м², в с, в Па с и в Па, то R_oc и R_пер выражаются в м^-1. Тогда величина r в уравнении (3) выражается в м^-2.

Если на площади F фильтра отложился слой осадка толщиной , то его объем равен

(4)

С другой стороны, обозначив через х – количество осадка, приходящегося на 1 м³ фильтрата, получим

(5)

Приравняв правые части уравнений (4) и (5), найдем толщину слоя осадка

Подставив значение в уравнение (3), получим

, (6)

тогда уравнение (6) запишется в виде

, (7)

Откуда

Интегрируя это выражение в пределах от 0 до и от 0 до , найдем продолжительность фильтрования

(8)

Скорость промывки осадка определяется по уравнению, аналогичному уравнению (7)

, (9)

где - перепад давлений при промывке, Па;

r_пр – удельное сопротивление осадка при промывке;

(10)

Обозначив через L расход воды на 1 м³ влажного осадка, объем промоя V_пр, получаемого с единицы фильтрующей поверхности фильтра, можно определить по формуле

Продолжительность промывки при этом будет равна

Из уравнений видно, что скорость фильтрования и производительность фильтра выше при меньшем сливе осадка на фильтрующей перегородке, поэтому для повышения производительности фильтров непрерывного действия необходимо стремиться к тому, чтобы слой осадка на ткани был небольшим и по возможности регулярно удалялся с нее.