Лекция 4 Фильтрование

Фильтрование — процесс процеживания суспензии через пористый материал, задерживающий твердые примеси и пропускающий воду. Выделяют следующие типы фильтрования:

1.  Поверхностное (осадочное или опорное) ‑ размеры частиц больше размеров пор фильтрующей загрузки, частицы останутся на поверхности загрузки. Этот тип фильтрования называется. Несколько условно можно считать, что с поверхностным фильтрованием мы встречаемся при обезвоживании осадков (например, с вакуум-фильтрованием).

2. Объемное фильтрование (фильтрование в объеме) ‑ частицы проходят внутрь материала загрузки. Например, фильтрование при очистке природных и доочистке сточных вод

Движение потока жидкости через пористую среду подчиняется закону Дарси, по которому скорость фильтрования  пропорциональна потерям напора р, коэффициент пропорциональности К зависит от динамической вязкости  и величины, определяющей сопротивление среды R:

(7)

Поверхностное фильтрование. При обезвоживании концентрированных суспензий (осадков) на вакуум-фильтрах и фильтр-прессах фильтрующей средой является фильтровальная ткань и слой осадка, образующийся на ткани в процессе обезвоживания. Сопротивление фильтрованию жидкости оказывают и ткань, и осадок, при этом соотношение величин сопротивления каждой из этих сред меняется в течение цикла работы аппарата.

Каждый вид осадка имеет особое значение величины, называемой удельным сопротивлением. Удельное сопротивление r определяет как собственно сопротивление фильтрованию, так и фильтруемость, т. е. влагоотдачу осадков. Определение производится по формуле:

(8)

где p – давление (вакуум), при котором происходит фильтрование;

S – площадь фильтрующей поверхности;

 ‑ вязкость фильтрата;

C – масса твердой фазы кека, отлагающегося на фильтре;

b=/V² – параметр, полученный опытным путем ( ‑ время фильтрования, V – объем выделяемого фильтрата).

Величину удельного сопротивления определяют в лабораторных условиях на установке, основными частями которой являются воронка Бюхнера, мерный цилиндр, вакуум-насос и таймер. После создания требуемого разрежения и установления постоянного режима фильтрования определяют зависимость /V =f (V), вычисляют по графику величину b как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс, а затем по формуле (8) подсчитывают удельное сопротивление r. Зависимость /V от V должна быть прямолинейной. Отклонения от прямой в начале цикла фильтрования могут быть связаны с колебаниями вакуума, а в конце — с окончанием отделения свободной влаги и растрескивания осадка.

Зная величину r, можно рассчитать ожидаемую производительность фильтровальных аппаратов и определить необходимое их число для очистной станции заданной пропускной способности.

Объемное фильтрование. При фильтровании воды со взвешенными веществами через слой песка или другие зернистые материалы, т. е. при объемном фильтровании, наблюдаются следующие процессы:

1) отложение примесей в виде тонкого слоя на поверхности фильтрующего слоя (пленочное фильтрование). Пленочное фильтрование наблюдается на фильтрах с малыми скоростями движения воды, на так называемых медленных фильтрах Образующийся дополнительный тонкопористый фильтрующий слой способен удерживать очень тонкодисперсные взвешенные вещества из воды и обеспечивать таким образом глубокую очистку воды.

2) отложение примесей в порах загрузочного материала;

3) отложение части примесей на поверхности фильтрующего слоя, а остальных примесей в его порах.

Для характеристики работы фильтров наиболее существенное значение имеют два показателя — продолжительность фильтроцикла Т_ф и потери напора Н.

Потеря напора H‑ разность давлений воды до слоя и после него. Начальная потеря напора незагрязненного фильтрующего слоя определяется скоростью фильтрования воды, ее вязкостью, размерами и формой пор фильтрующего слоя, его высоты. В процессе фильтрования при загрязнении фильтрующего материала потеря напора возрастает. Вследствие увеличения потерь напора скорость фильтрования снижается и фильтр останавливают на очистку для восстановления его фильтрующей способности.

Продолжительность фильтроцикла Т_ф ‑ длительность работы фильтра до его остановки на очистку.

Для пленочного фильтрования и несжимаемых взвешенных веществ, т. е. таких, пористость которых не меняется c увеличением перепада давлений, продолжительность фильтроцикла может быть рассчитана по формуле:

где Н_кон и Н₀ — потери напора соответственно в конце и начале фильтроцикла;  ‑ удельное сопротивление осадка;  ‑ динамический коэффициент вязкости фильтруемой воды; М_т – концентрация взвешенных частиц;  ‑ скорость фильтрования, м/ч.

Для сжимаемой взвеси удельное сопротивление осадка  возрастает с увеличением толщины пленки и потери напора в ней:

,

где n – показатель сжимаемости осадка (n1).

При этом продолжительность фильтроцикла составит:

Если учитывается постепенное загрязнение фильтрующего слоя, то в расчетные формулы фильтров вводится ряд коэффициентов, определяемых экспериментально, поскольку их численные значения меняются не только в зависимости от вида суспензии, но и от условий опыта.

Приведем расчетную формулу для определения продолжительности фильтроцикла при осветлении вод с прочными взвешенными веществами. Прочные взвешенные вещества – вещества, взвесь которых не проскакивает в фильтрат. Фильтр при этом выходит на промывку не по проскоку взвеси в фильтрат, а по достижении предельной потери напора.

,

где f(A) = (h/t)b/ (aL₀) (здесь h/t — темп прироста потерь напора, h=H_пр‑H₀; а и b — параметры фильтрования, характеризующие прочность взвешенных веществ и их способность к прилипанию к поверхности данного фильтрующего материала; L₀ — гидравлический уклон в чистой фильтрующей загрузке); х— толщина фильтрующего слоя.

В этом случае фильтр выводят на промывку по достижении предельно допустимой потери напора Н_пр.

На практике очень часто вместо расчетов по формулам вследствие трудности учета разнохарактерных факторов ограничиваются рекомендациями численных значений пределов скоростей и продолжительности фильтрования до тех или иных суспензий, обеспечивающих требуемый эффект очистки воды.

Разновидностью объемного (глубинного) фильтрования является микрофильтрование, когда в качестве фильтрующего материала применяются синтетические мембраны, способные задерживать примеси диаметром менее 5 мкм.

Закон Дарси: (Анри Дарси, 1856) — закон фильтрации жидкостей и газов в пористой среде. Получен экспериментально. Выражает зависимость скорости фильтрации флюида от градиента напора:

где:  — скорость фильтрации, K — коэффициент фильтрации,  — градиент напора.