1.4. Розділення фільтруванням

1.4.1. Загальні відомості

Фільтруванням називають процес розділення суспензій за допомогою фільтрувальних пористих перегородок, які пропускають рідину, але затриму­ють тверді частинки. Фільтрування здійснюють у спеціальних апаратах – фільтрах. Схему фільтра показано на рис. 1.9. Він являє собою посудину 1, розділену на дві частини фільтрувальною перегородкою 2. Суспензія подається у верхню частину фільтра. По обидва боки фільтрувальної перегородки створюється різниця тисків, під дією якої рідина проходить через перегородку, а тверді частинки затримуються на її поверхні. Отже, суспензія розділяється на чистий фільтрат і вологий осад.

У разі необхідності осад промивається водою або іншою рідиною, після чого продувається повітрям з метою його висушування. Тверді частинки дуже в’язких і слабкоконцентрованих тонкодисперсних суспензій можуть проникати в пори фільтрувальної перегородки і затримуватися там, не утворюючи осаду. Такий процес називають фільтруванням із закупорюванням пор. Можливий також проміжний вид фільтрування, коли тверді частинки проникають у пори фільтрувальної перегородки і утворюють на її поверхні шар осаду. Для запобігання або уповільнення закупорювання пор використовують допоміжні речовини (діатоміт, перліт, азбест, целюлозу тощо), які додають у суспензію (приблизно 1 % від маси суспензії), або наносять на фільтрувальну перегородку завтовшки до 50 мм. Принцип дії таких матеріалів полягає в тому, що вони над порами утворюють невеликі склепіння, які пропускають рідину і затримують інші тверді частинки. Допоміжні речовини природного походження попередньо спеціально обробляють (нагрівають, подрібнюють, класифікують тощо)

Рис. 1.9. Схема процесу фільтрування:

1 – ємність; 2 – фільтрувальна перегородка; 3 – суспензія; 4 – фільтрат; 5 – осад

.

Рухові рідини під час руху через шар осаду і фільтрувальну перегородку перешкоджає гідравлічний опір, для подолання якого необхідно створити пере­пад тисків. Різницю тисків по обидва боки фільтрувальної перегородки створю­ють різними способами, внаслідок чого здійснюються різні процеси фільтрування.

Якщо простір над суспензією з’єднують із джерелом стиснутого газу (зазвичай, повітря) або простір під фільтрувальною перегородкою під’єднують до джерела вакууму, то процес фільтрування здійснюють за постійної різниці тисків, оскільки тиск у ресиверах підтримують постійним. У цьому разі швид­кість фільтрування зменшується внаслідок збільшення гідравлічного опору шару осаду із зростанням його висоти.

Якщо суспензію подають поршневим насосом, продуктивність якого пос­тійна за певної кількості обертів електродвигуна приводу, процес фільтрування здійснюється за постійної швидкості, незважаючи на те, що гідравлічний опір шару осаду зростає.

У разі подавання суспензії на фільтр відцентровим насосом, продуктив­ність якого у разі заданої кількості обертів електродвигуна приводу зменшу­ється із зростанням опору осаду, а відповідно зростає і перепад тисків до і після фільтрувальної перегородки, процес фільтрування здійснюється за змінних різниці тисків і швидкості.

У промисловості фільтрування зазвичай здійснюють за такої різниці тисків:

– під вакуумом – Па;

– під тиском стиснутого повітря не більшим ніж Па;

– під час подавання поршневим або

відцентровим насосом до Па і більшим;

– за гідростатичного тиску шару суспензії до Па.

Найбажаніше фільтрування з утворенням осаду, коли закупорювання пор фільтрувальної перегородки майже не відбувається і, відповідно, не зростає її гідравлічний опір. Такий вид фільтрування спостерігають за достатньо високої концентрації твердої фази у суспензії (більше 1 об’єм. %).

Найменше бажане фільтрування із закупорюванням пор фільтрувальної перегородки, що виникає за концентрації твердих частинок у суспензії меншої ніж 0,1 %. Такий вид фільтрування іноді називають проясненням.

Осади, які отримують під час фільтрування, поділяють на нестисливі та стисливі. Нестисливі – це осади (наприклад, частинки піску, кристали карбо­нату кальцію), порізність яких, тобто відношення об’єму пор до об’єму осаду, не зменшується із збільшенням різниці тисків. Порізність стисливих осадів (наприклад, гідроксидів металів – алюмінію, заліза, міді) зменшується, а опір потоку рідкої фази зростає із збільшенням різниці тисків.

Для запобігання стиснення осадів у тонкодисперсні суспензії додають різні коагулянти й флокулянти, які сприяють агрегатуванню дрібних частинок і збільшенню пористості осаду, внаслідок чого зменшується гідравлічний опір осаду і зростає швидкість фільтрування.

У промисловості в разі необхідності процес фільтрування супроводжу­ється додатковими операціями – промиванням, продуванням і висушуванням осаду на фільтрі.

Промивання осаду здійснюють способами витиснення й розбавлення.

Спосіб витиснення полягає в тому, що промивну рідину подають на поверхню осаду у вигляді шару або в диспергованому стані з розбризкуючих пристроїв. Під дією різниці тисків у фільтрі промивна рідина проходить через пори осаду, витискує з нього рідку фазу і змішується з нею.

Якщо осад погано промивається, його знімають з фільтрувальної перего­родки і перемішують у посудині з промивною рідиною, після чого утворену суспензію розділяють на фільтрі.

Якщо після промивання рідка фаза містить цінні речовини, їх вилучають із розбавленої суспензії кристалізацією, випарюванням або ректифікацією. Тому бажано, щоб витрати промивної рідини під час промивання були невели­кими, а концентрація розчинених у ній цінних речовин була за можливістю більшою.

Продування осаду здійснюють з метою витіснення з його пор залишків промивної рідини. Для продування здебільшого використовують повітря або інертні гази (азот, двоокис вуглецю тощо), якщо в осаді присутні речовини, що утворюють із повітрям вибухові суміші. Сушіння осаду на фільтрі, коли необхідно отримати осад із кінцевою вологістю меншою від рівноважної, здійс­нюють гарячим повітрям.