книги из ГПНТБ / Романков, П. Г. Гидромеханические процессы химической технологии

Промывка осадков

После фильтрования проводят промывку к обезвоживание осадка. Процесс промывки можно представить аналогичным про­ цессу фильтрования при постоянной толщине осадка, образовав­ шегося на фильтре. Если промывная жидкость подается на фильтр тем же путем, которым поступала суспензия и при том же самом давлении, то скорость промывки обычно принимается равной ско­ рости фильтрования в последний момент. Это справедливо, если

_ Плита_______

промываемая

Рис. 5-13. Схема движения промывной жидкости.

физические свойства промывной жидкости незначительно отли­ чаются от свойств фильтрата. Например, в том случае, когда вяз­ кость промывной жидкости меньше вязкости фильтрата, скорость промывки может быть увеличена.

Если можно принять скорость промывки постоянной в течение

где цф — вязкость фильтрата.

При расчете промывки необходимо учитывать схему движения промывной жидкости (рис. 5-13). Так, например, на рамном фильтрпрессе скорость промывки должна быть в четыре раза мень­ ше скорости фильтрования в последний момент, так как в период

1Ѳ7

из фильтра, закрыта), а путь, который должна пройти промывная жидкость, в два раза больше (промывная вода проходит через весь слой осадка, а не через его половину, как фильтрат).

При промывке осадка в некоторых случаях наблюдается каналообразование, в результате осадок не промывается полностью, так как поток жидкости направляется в неравномерно распреде­ ленные по объему осадка каналы, размеры которых постепенно увеличиваются. Каналообразование отмечается большей частью при образовании на фильтрующей перегородке сжимаемых осад­ ков. Это нежелательное явление можно уменьшить, если проводить промывку при более низких, чем при фильтровании значениях Др.

Промывка представляет собой сложный, недостаточно изучен­ ный процесс взаимодействия двух различных фаз — промывной жидкости и фильтрата с пористой средой, структура которой под­ вергается изменению.

При промывке обычно наблюдают две стадии процесса: 1) вы­ теснение фильтрата промывной жидкостью из пор осадка и 2) диф­ фузионное вымывание фильтрата из малодоступных участков порового пространства осадка и из внутренних пор зерен.

В первой стадии удаляется до 90% фильтрата из пор осад­ ка [16].

Вытеснение фильтрата промывной жидкостью из пор осадка происходит при перемешивании этих жидкостей. Обычно расчет данной стадии промывки проводят с использованием двух предель­

где ВПр — объем промывной жидкости; h oc — толщина слоя осадка; С0 — начальная концентрация растворенного вещества в фильтра­ те; С — концентрация растворенного вещества в промывной жид­ кости в данный момент; п — время от начала промывки до начала второй стадии промывки; А — постоянный коэффициент, завися­ щий от физических свойств осадка, фильтрата и промывной жид­ кости.

Если структура осадка при диффузионном вымывании филь­ трата из тупиковых пор не нарушается, то процесс извлечения ха­ рактеризуется вторым законом Фика:

где D — коэффициент молекулярной диффузии; С — концентрация фильтрата в осадке; т — продолжительность вымывания; х — рас­ стояние в направлении диффузионного потока.

198

В действительности процесс промывки идет сложнее и, если представить его в виде зависимости т/т0 — f(Vuѵ/Ѵ0) (рис. 5-14), то необходимо рассматривать не два, а по меньшей мере три пе­ риода. По данным Комаровского [18], в первом периоде

растворенного вещества в промывной жидкости и в фильтрате, находящемся в порах осадка, соответственно; VПр и Ко — объем промывной жидкости и фильтрата перед про­ мывкой соответственно; а, Ь, с, i, k —

опытные коэффициенты, зависящие от физических свойств осадка, фильтрата и промывной жидкости.

После промывки для удаления про­ мывной жидкости из пор осадка (а так­ же остаточного количества фильтрата, не вытесненного при промывке) через слой осадка пропускают воздух. Скорость про­ дувки воздухом обычно определяется экспериментально [19].

Долю свободного объема осадка (рав­ ную е) назовем общей насыщенностью S (или смачиваемостью). Жидкость в сво­

бодном объеме и газ (воздух), вытесняющий жидкость, находятся во взаимодействии. Соотношение между общей насыщенностью S и связанной насыщенностью SCB (обусловлена неподвижной жидко­ стью) показано на рис. 5-15 (для заданного Ар). При снижении скорости течения потока, жидкости уменьшается общая насыщен­ ность, а связанная насыщенность возрастает, так как с увеличе­ нием скорости жидкости большая часть жидкости выхватывается из застойных зон. Когда скорость жидкости падает до нуля, свя­ занная насыщенность S CB достигает максимального значения S0CT (остаточная насыщенность).

Остаточная насыщенность зависит от физических свойств уда­ ляемой промывной жидкости и может быть определена по уравне­ нию [19]:

Здесь Кк — критерий капиллярности, характеризующий соот­ ношение сил вязкости и поверхностных сил; k — коэффициент,

199

зависящий от Толщины слоя осадка. Для осадков на фильтре тол­ щиной до 50 мм значение k ~ 40. Критерий капиллярности:

где (.1— вязкость газа (воздуха); Wo — средняя скорость потока (рассчитанная на пустое сечение фильтра); о — межфазное натя­

жение.

Остаточная насыщенность связана с так называемой эффектив­ ной насыщенностью 5Эфф, которая представляет собой отношение

Рис. 5-15. Распределение потоков в слое осадка.

объема, занимаемого потоком жидкости ( S — 5 СВ), к объему, заня­ тому газом и жидкостью (т. е. двухфазным потоком):

Фиктивная скорость жидкости связана с эффективной насы­ щенностью и гидравлическим сопротивлением слоя (см. стр. 173) осадка:

200

что форма пустот влажного осадка отличается от пустот сухого осадка и, следовательно, порозность евл. ос < е.

Эмпирические методы расчета евл. ос широко применяются при исследовании механизма движения потоков в насадочных колоннах.

На фильтрах непрерывного действия (например, барабанных или ленточных вакуум-фильтрах) условия промывки осадков от­ личаются большей эффективностью вследствие малых толщин осадка и больших скоростей промывки чистой промывной жид­ костью [16, 18, 19].

Эффективность промывки Е (выражающаяся отношением коли­ чества отмытого вещества ко всему количеству вещества, содержа­ щемуся в остаточной жидкости начального осадка) может быть представлена зависимостью:

£ = ! _ ( [ - е У

где Е\ — эффективность промывки при удельном расходе промыв­ ной жидкости или так называемом модуле промывки d = 1; d — модуль промывки, определяемый отношением количества промыв­ ной жидкости к количеству остаточной жидкости, содержащейся в осадке.

Значение Е\ для осадков различной структуры колеблется в пределах от 0,35 до 0,86. Для обычных осадков средней плотности рекомендуется принимать Е\ = 0,7.

Фильтрование газов

Фильтрование газов описывается теми же общими зависимо­ стями, что и фильтрование суспензий.

Известно большое число моделей процесса, из которых в по­ следнее время все больше внимания уделяется статистическим мо­ делям, позволяющим оценить состояние важнейших проблем филь­ трования: 1) влияние фильтрующей перегородки на геометрические характеристики слоя осадка; 2) влияние концентрации твердой фазы и скорости ее осаждения на структуру осадка; 3) влияние давления на структуру осадка.

Большой интерес представляют работы [12] по определению механизма захвата выделяемых из потока твердых частиц (см., например, табл. 5-1) по аналогии с глубинными фильтрами для разделения суспензий. При этом рассматривается действие как гидродинамических сил (в частности, трения), так и сил поля (тя­ жести, центробежного, акустического, электрического и др.) при условии, что твердые частицы, извлекаемые из потока газа, имеют меньший размер, чем размер пор или отверстий в фильтрующей перегородке. Так, например, при выделении твердых частиц

801

гии с процессом просеивания и применять для расчета механизм ситового анализа (этот метод обычно используют при расчете рукавных фильтров) [21]. Обычно в качестве модели механизма фильтрования газа используют обтекание одиночного цилиндра потоком газа при низких значениях числа Рейнольдса (близких к нулю). Захват частиц волокном фильтрующей перегородки мо­ жет быть импульсным (при непосредственном ударе частицы, имеющей достаточную массу и, следовательно, инерцию, чтобы

ционного и диффузионного ме­ ханизмов захвата отделяемых от газа пылинок очень важен для частиц размером 0,1-— 1 мкм.

Влияние различия свойств среды на гидродинамическую и диф­ фузионную обстановку в процессе фильтрования показано на рис. 5-17.

Фильтрование на цилиндрических фильтрующих перегородках

Поскольку общие закономерности процессов фильтрования сус­ пензии и газов аналогичны, представляет интерес рассмотрение

202

процесса разделения аэрозолей с использованием методов, разра­ ботанных для разделения суспензий [23].

Для определения скорости фильтрования потока газа через не­ сжимаемую фильтрующую перегородку цилиндрической формы

(например, керамические фильтры) примем, что процесс идет при dV/dx = const и возраста­

ющем Ар.

Через слой фильтрую­ щей перегородки толщи­ ной dr^.u пройдет газа:

По аналогии гидравлическое сопротивление слоя осадка

Если выразить объем осадка через объем газа, который необ­ ходимо пропустить через фильтр для образования данного коли­ чества осадка, то можно получить зависимость для определения гидравлического сопротивления фильтра при условии образования слоя несжимаемого осадка:

203

Для сжимаемых осадков уравнение (5-109) может быть выра­ жено в более общем виде [12]:

где s — коэффициент сжимаемости осадка.

На рис. 5-18 представлена зависимость гидравлического сопро­ тивления осадка от продолжительности фильтрования пылегазо­ вого потока для конкретных условий (а = 1 ,3 2 - ІО8; s = 0,1; dV/dx = 4,15-IO-2 м/с). По рисунку видно также влияние формы фильтрующей поверхности на скорость фильтрования.

Аналогичные исследования проводились в НИИХиммаше при разделении суспензий на патронных фильтрах с небольшим радиу­ сом кривизны фильтрующих элементов. Установлено, что про­ изводительность таких фильтров выше, чем фильтров с плоской поверхностью, работающих в тех же условиях. Повышение произ­ водительности объясняется увеличением поверхности осадка в про­ цессе фильтрования. Скорость фильтрования может быть рассчи­ тана в этом случае по уравнению:

d V _________________Др_______________

(5-112)

где qTB— количество твердой фазы, отлагающейся при получении единицы объема фильтрата.

Левая часть выражения в скобках представляет собой безраз­

определяет влияние формы фильтрующей поверхности на кинетику процесса.

Эффективность фильтрования

Эффективность процесса фильтрования при соответствующем аппаратурном оформлении представляет собой сложную проблему, оптимальное решение которой еще не найдено. В первую очередь необходимо иметь стандартную методику испытаний, позволяющую определять эффективность не только нового, но и многократно использованного фильтра, и учитывающую такие свойства осадков, как распределение частиц по размерам, норозность или сжимае­ мость и другие. Большое значение для повышения эффективности работы фильтра имеют также следующие факторы: 1) предвари­ тельная подготовка суспензии; 2) фильтрующая перегородка.

Подготовка суспензии проводится обычно после качественного выяснения ее устойчивости. Работы Дерягина [24] в области устой­ чивости суспензий относятся к исследованию условий равновесия между электрическими силами отталкивания и вандерваальсовыми силами притяжения. Так, существование труднофильтрующихся

204

шламов может быть обусловлено тем, что твердые частицы, распо­ ложенные близко друг к другу, оказываются в «потенциальной яме», соответствующей минимальной энергии (рис. 5-19). При этих

принимают [26]. Способность воды в течение длительного времени сохранять измененные свойства используется при уменьшении устойчивости некоторых суспензий, например, магнитной обработ­

металлов), улавливающих мелкие частицы; 3) создание «мостиков» между мелкими частицами (с помощью добавок высокомолеку­ лярных поверхностно-активных веществ). При выборе флокулянта учитывают его химическую природу и возможность загрязнения ко­ нечного продукта (табл. 5-2). В отдельных случаях разделение не­ однородных систем жидкость — твердое более эффективно осуще­ ствляется при диспергированном состоянии твердой фазы, чем при агрегированном.

С целью разрушения агрегатов вводят добавки, которые наво­ дят заряды на частицах, препятствующие их сближению. Иногда нужный эффект достигается при простом изменении pH среды. Та­ кой способ изменения устойчивости суспензии называют дефлоку­ ляцией.

Фильтруемость суспензии можно улучшить также с помощью ее предварительной классификации (в гидроциклонах либо кони­ ческих классификаторах) или флотации мелких фракций с по­ мощью пузырьков воздуха.

Условия проведения процесса фильтрования могут быть улуч­ шены с помощью повышения температуры, уменьшающей вязкость и плотность суспензии.

2 0 5

Т а б л и ц а 5- 2

Фильтрующие перегородки

Подбор фильтрующих перегородок пока производится эмпири­ чески. Применяют самые разнообразные материалы, обладающие проницаемостью для потока фильтрата и способные задерживать твердую фазу: 1) несвязанные или зернистые; 2) тканевые; 3) жесткие, неподвижные.

Характеристики фильтрующих перегородок (форма и размер пор, химическая активность материала, из которого они изгото­ влены, и др.) оказывают большое влияние на ход процесса филь­ трования, на его эффективность. Кроме того, те или иные харак­ теристики перегородки приобретают большее или меньшее значе­ ние в зависимости от типа фильтровального оборудования. Так, например, для тарельчатых фильтров первостепенное значение имеют износ, сопротивление истиранию и качество уплотнения

206