12.5.2. Фильтрование

Фильтрование — это процесс разделения неодно­родных систем: взвесей и аэрозолей с помощью по­ристых перегородок (фильтров). В данном разделе рассматриваются только закономерности процесса раз­деления взвесей. Жидкость контактирует с поверхно­стью фильтра и под действием разности давлений жидкая среда проходит через поры и собирается в виде фильтрата, а твердые частицы задерживаются. В зависимости от свойств перегородки и взвесей раз­личают задерживание частиц в глубине или на поверх­ности фильтрующего материала.

255

Процесс задерживания частиц в глубине сопровож­дается механическим задерживанием твердых частиц суспензии в толще капиллярно-пористого материала перегородки, а также за счет адсорбции и электро­кинетического взаимодействия, что постепенно приво­дит к закупориванию пор. Этот способ целесообразно применять для малоконцентрированных взвесей (ме-нее 1%).

Задерживание частиц на поверхности. Процесс происходит с образованием осадка на поверхности перегородки, который является дополнительным филь­трующим слоем и постепенно увеличивает общее гид­равлическое сопротивление продвижению жидкости. Роль перегородки в этом случае состоит в механиче­ском задерживании частиц. Используется для филь­трования взвесей с содержанием твердой фазы бо­лее 1 %.

С целью увеличения поверхности адсорбции и электрокинетического взаимодействия при фильтрова­нии добавляют вспомогательные вещества в количест­ве 0,1—0,5, а иногда и до 2 %. В качестве таких материалов используют кизельгур, уголь активиро­ванный, порошок целлюлозы, перлит, глину белую, кристаллы кальция сульфата.

Фильтрующие перегородки должны отвечать сле­дующим требованиям: задерживать частицы требуе­мых размеров; обладать химической устойчивостью; иметь достаточную механическую прочность; обеспечи­вать минимальное гидродинамическое сопротивление; не изменять физико-химических свойств фильтрата; обеспечивать возможность регенерации; быть доступ­ными и дешевыми. Их выбор обусловливается хими­ческими свойствами фильтруемой взвеси — растворяю­щей способностью жидкой фазы, летучестью, вязко­стью, значением рН среды; концентрацией и диспер­сностью твердой фазы; требованиями к качеству фильтрата; масштабами производства и т. д.

По структуре фильтрующие перегородки делят на две группы: 1) сжимающиеся и гибкие (перего­родки), поры которых могут изменять размеры и форму. Это в основном тканевые фильтры. Для уменьшения деформации их обычно укладывают на прочные перегородки, используя несколько слоев пред-фильтров. На деформацию пор и капилляров сущест­венное влияние оказывают пульсация давления, созда-256

ваемая насосами, или изменяющаяся толщина слоя фильтруемой жидкости. Поэтому в условиях с сжи­маемыми фильтрами стремятся уменьшить пульса­ции ресивером или монтежю; 2) несжимающие­ся перегородки изготавливают в виде плит, дис­ков, пластин, патронов, цилиндрических пучков тру­бок. Получают их методом спекания или отжига одно­родных зерен силикатной смеси стеклянных, фарфо­ровых порошков с добавками связующих веществ и пластификаторов. В эту группу входят металлокера-мические и керамические фильтры, фильтры из пори­стой нержавеющей стали.

В зависимости от структуры и свойств материалы, из которых делают фильтры, делят на следующие группы: ткани из натурального хлопчатобумажного волокна, состоящего на 95 % из целлюлозы; бельтинг, полотно, холст, саржа, марля и др. Они устойчивы к нейтральным, слабокислым (до 1,5% растворов кис­лот) и слабощелочным растворам (до 10% растворов щелочей), выдерживают температуру до 100 °С, об­разуют фильтры с размерами пор от 2,9 до 55 мкм. Шерстяные ткани — различные виды сукна. Они устой­чивы в 15—20% растворах кислот, но легко разру­шаются щелочами. Синтетические ткани из полихлор­винилового, полиамидного, лавсанового и тефлоного волокна. Ткани из неорганического волокна — стекло­волокно, пропитанное смолами или клеем БФ-2, БФ-6, асбестовые и металлические. Нетканные фильтры — фильтровальная бумага марки АФБ-1к с порами от 8 до 12 мкм, АФБ-5 с порами от 5 до 7 мкм, БФМ — с порами от 5 до 10 мкм. Они выдерживают темпера­туру до 150 °С. В эту группу входят также фильтры из перхлорвинила ФПП-20С, из фторсодержащих во­локон Ф-42, фильтры из пористой нержавеющей стали марки ПНС-5 в виде ленты с порами от 7 до 13 мкм, нержавеющей стали марки ФНС с размерами пор 3—8 мкм. Используются в качестве фильтров намыв­ные или наносные слои из кизельгура № 1 (мелкий) и № 2 (крупнозернистый), порошок фильтроперлита, целлюлозы, бумаги, асбеста, глины белой, угля акти­вированного и др.

257

Фильтрующие материалы перед употреблением не­обходимо обязательно промыть для полного удаления растворимых веществ, твердых частиц или волокон. Для установления общих закономерностей процес-

9—942

са фильтрования приводится основное уравнение фильтрования.

dV TdV

АР

oc + /?_ф.„)

dV

где -^ скорость фильтрования, м/с; V — объем

F— поверхность фильтрования, м²; разность давлений,

фильтрата, м , _г

,

²;

т — время фильтрования, с; АР _г„^..„^..„ «uu^nm Н/м²; ц — вязкость жидкой фазы суспензии, Нс/м , Roc — сопротивление слоя осадка, м~'; R$._a— сопро­тивление фильтровальной перегородки, м~'.

Как видно из уравнения, скорость фильтрования в каждый данный момент при ламинарном потоке про­порциональна перепаду давлений и обратно пропор­циональна вязкости жидкости и гидравлическому со­противлению перегородки и осадка. При режиме фильтрования на несжимаемой перегородке с образо­ванием несжимаемого осадка сопротивление его слоя и скорость фильтрования с течением времени умень­шаются постоянно по мере увеличения толщины слоя осадка. При закупоривании пор интенсивно возрастает сопротивление фильтра и быстро и значительно пони­жается скорость фильтрования. Если для закупорива­ния одной поры требуется несколько частиц, скорость фильтрования понижается постепенно.

Зная эти закономерности, можно сохранить задан­ную скорость процесса уменьшением толщины слоя осадка своевременным проведением регенерации или заменой фильтрующей перегородки, повышением пере­пада давлений. Качество фильтрата повышают повтор­ным фильтрованием через тот же фильтр с осадком или процесс ведут дополнительно через слой вспомо­гательных веществ.

Таким образом, фильтрование может проходить

при постоянном или переменном давлении и скорости.

Различают фильтры, работаюшие под давлением

столба жидкости, а также работающие под вакуумом,

и фильтры, работающие под давлением.

Фильтры, работающие под давлением столба жид­кости, могут работать в двух режимах:. 1) давление создается жидкостью, которая непосредственно нахо­дится на фильтрующей перегородке. Это — фильтрую­щие воронки, стеклянные фильтры, фильтры-мешки. Их производительность невелика, высота слоя жид-258

Рис. 12.4. Устройство установки для фильтрования с помощью нутч-фильтра.

Нутч-фильтр

_и

Рис. 12.5. Устройство установки для фильтрования с помощью друк-фильтра и монтежю.

кости постоянно меняется; 2) фильтруемая жидкость подается из напорного бака в регулятор ее уровня, высота которого поддерживается постоянной.

Фильтры, работающие под вакуумом — нутч-фильт- ры (рис. 12.4), состоят из толстостенного цилиндри­ ческого сосуда из фаянса или керамики, внутренняя часть которого разделена перфорированной перегород- °* 259

кой, с укрепленной на ней несколькими слоями фильтровальной бумаги и бельтинга. В верхнюю часть фильтра заливается взвесь, фильтрат собирает­ся на дне нижней части. Вакуум создается под пере­городкой, за счет вакуумной линии, соединенной через ресивер с вакуумным насосом. Назначение ре­сивера — сглаживать пульсации насоса и предупреж­дать переброс в него капельной фазы.

Фильтры, работающие под давлением — друк-фильтры (рис. 12.5), представляют цилиндрическую емкость с перфорированной перегородкой в нижней части (с укрепленным на ней фильтрующим мате­риалом), на которую подается взвесь под давлением сверху с помощью сжатого воздуха или инертного газа. Для подачи жидкости на фильтр используется монтежю. Это вертикальный резервуар из химически стойкого материала, в который заливается раствор самотеком или с помощью вакуума, а затем продав­ливается сжатым воздухом. Монтежю снабжается мановакуумметром, имеет трубу для заполнения и продавливания жидкости и краны для подключения вакуумной линии. Перепад давлений здесь значитель­но выше, чем на нутч-фильтрах и может составлять от 2 до 12 атм. Фильтры просты по устройству, имеют высокую производительность, позволяют фильтровать вязкие, легколетучие и с большим удельным сопротив­лением осадка жидкости. Недостатком является то, что для выгрузки осадка необходимо снимать верх­нюю часть фильтра и собирать его вручную.

Рамный фильтр-пресс (рис. 12.6) состоит из ряда чередующихся рам и плит, между которыми помеща­ются пластины фильтрующего материала. Герметиза­ция между ними обеспечивается резиновыми проклад­ками. Плиты выполняют роль подпорки для фильтрую­щей ткани и имеют дренажные каналы для слива фильтрата. Рамы и плиты имеют отверстия, которые рас­соложены так, что при сборке фильтра они образуют каналы для подачи раствора на каждую перегородку, слива фильтрата, подачи и отвода промывной жид­кости с целью регенерации фильтра. Это достигается удалением осадка потоком промывной жидкости, по­даваемым с противоположной стороны фильтрующей перегородки. Применяются при фильтровании раство­ров с небольшим количеством осадка, таких как экст­ракционные препараты, растворы и др. Кроме прису-260

Фильтрующий материал

_I

Плита

Промывная плита в разрезе

Ф ильтровальная плита в разрезе

-ф- -е- -ф-m Л| |Т]

Рама Рис. 12.6. Устройство рамы и плиты фильтр-пресса.

щих друк-фильтрам преимуществ, они отличаются высокой производительностью за счет разности дав­лений от 2 до 15 атм, большой поверхностью фильтро­вания, простотой и удобством эксплуатации.