3. Описання та обґрунтування вибраної конструкції
Фільтрацію застосовують в техніці для розділення різних суспензій і в деяких випадках для розділення колоїдних розчинів. Це один з найбільш поширених процесів на хімічних заводах. Суспензією називають рідину, що містить тверді частки в підвішеному стані. Фільтрація проводиться пропусканням суспензії через пористий матеріал - керамічні плитки, пісок, металеві сітки, найчастіше тканину [28].
Рідина (фільтрат) проходить через фільтр, тверді частинки залишаються у вигляді осаду. Осад матеріалу, що залишається на поверхні фільтрувальної перегородки, робить вирішальний вплив на продуктивність фільтру і на витрату енергії на проштовхування рідини через фільтр. Продуктивність характеризується швидкістю фільтрації кількістю фільтрату, що проходить через 1 м2 поверхні фільтруючої перегородки в одиницю часу. Швидкість фільтрації залежить від опору фільтруючого шару [28].
Для прискорення процесу збільшують висоту стовпа рідини над перегородкою, застосовують фільтрацію під тиском (фільтр преси), а також вакуумні фільтри. Вакуумні фільтри широко використовують в різних виробництвах і особливо в хімічній промисловості для фільтрації пульп з відносно крупними твердими частинками. При наявності погано фільтруючих аморфних осадів краща фільтрація на фільтр-пресах. Легко фільтруючі і особливо кристалічні речовини краще фільтрувати на вакуумних фільтрах [28].
Розрідження в вакуумному фільтрі створюється відкачуванням повітря з-під пористого фільтруючого шару вакуумним насосом. Суспензія перед фільтром знаходиться під атмосферним тиском. Завдяки різниця між атмосферним тиском, з одного боку, фільтрувальної перегородки і тиском нижче атмосферного, з іншого , рідина проштовхується крізь шар фільтруючого матеріалу. Тиск повітря за фільтром підтримується 60-260 мм рт. ст. Вакуумні фільтри можуть бути періодичної і безперервної дії [28].
Ємнісний фільтр застосовують для розділення невеликих кількостей суспензій. Він може працювати під вакуумом (нутч-фільтр) і під надлишковим тиском (Друк-фільтр). Корпус ємнісного фільтра буває відкритим або закритим. Фільтрувальна перегородка розташовується на перфорованому днище. У верхню частину корпусу подається розділювана суспензія. З нижньої частини відводиться фільтрат. У фільтрі з механізованої розвантаженням осад відаляється через відкидне днище, а у фільтрі з відкритим корпусом - перекиданням або вручну [30].
Вакуумні нутч-фільтри. Нутч-фільтри (Рисунок 3.1) періодичної дії з тканинної перегородкою мають фільтруючу поверхню порядку 1-6 м2 і більше, товщину шару осаду 50-400 мм, працюють при вакуумі 500-700 мм рт. ст. Вони прості за конструкцією, недорогі, легко доступні для спостереження і контролю, дозволяють відсмоктати з осаду максимальну кількість рідини [28].
Призначення. Нутч-фільтр призначений для проведення різних фізичних процесів: розчинення, відмивання, усереднення, фільтрації і вивантаження відфільтрованого продукту. Корпус фільтра обладнаний комбінованою рамно- стрічковою мішалкою, що виконує перемішування продукту в процесі його приготування і його вивантаження після відкриття вигрузочного отвора [31].
До горизонтальних елементів мішалки приварені дві вертикальні стрічкові спіралі, які забезпечують необхідну інтенсивність процесу перемішування в об’ємі реактора [31].
Нижня частина мішалки виконана таким чином, щоб продукт зміщувався від центральної осі корпусу до периферії, одночасно очищаючи фільтрувальну сітку від продукту, що знаходиться на ній [31].
Днище фільтра відокремлюване, еліптичного типу кріпиться до корпусу за допомогою фланцевого з'єднання з відкидними болтами [31].
У внутрішній частині днища вварена кільцева опора, на яку укладається підставу сітки [31].
Рисунок 3.2. Нутч-фільтр [12].
Фільтруюча сітка укладається на підставу і притискається до нього притискними планками [31].
Головними перевагами нутч-фільтрів є:
- можливість здійснювати фільтрацію в інертній атмосфері;
- організація процесу відповідно вимогам GMP і FDA;
- відсутність контакту зовнішнього середовища і оператора з речовиною - робота в стерильних умовах, з чутливими і токсичними речовинами;
- можливість обігріву або охолодження фільтруючої ємності;
- робота з світлочутливими речовинами за рахунок використання затемненого скла;
- здійснення процесу у вибухонебезпечних зонах, завдяки використанню матеріалів, що розсіюють електричний заряд;
- ефективне і швидке розділення твердої і рідкої фаз;
- простота конструкції, відсутність необхідності використання дорогого обладнання;
- довговічність при роботі з агресивними середовищами [29].
Рисунок 3.2. Нутч-фільтр [31].
Використання нутч-фільтрів, обладнаних зовнішньої сорочкою дозволяє здійснювати фільтрацію при різних температурних режимах у верхній камері. Охолодження камери використовують для пониження розчинності осаду при фільтруванні і промиванні. Нагрівання використовується для запобігання кристалізації речовин з гарячих маточних розчинів, в тих випадках, коли необхідно отримати фільтрат, що містить цільовий продукт [29].
Нутч-фільтри компаній Radleys і QVF прекрасно підходять для вирішення специфічних завдань в області тонкого органічного синтезу та фармацевтичного виробництва. При використанні вакууму під час процесу фільтрації рідка фаза засмоктується через фільтраційну пластину в приймальну ємність. Конструкція нутч-фільтрів QVF дозволяє здійснювати фільтрацію в атмосфері інертного газу, роблячи можливою роботу з чутливими до вологи і кисню повітря речовинами [29].
Рисунок 3.3. Нутч-фільтр [29].
Однак вони мають істотні недоліки: громіздкість, необхідність ручного вивантаження, засмічення приміщення цеху шкідливими речовинами, обмежені розміри поверхні, що фільтрує. На решітку накладається шар фільтруючого матеріалу, рідина, що стікає, ( фільтрат ) витікає через патрубок в приймальний резервуар. Продуктивність нутч-фільтра залежить від величини поверхні фільтруючої перегородки, товщини шару осаду і ступеня вакууму. Ефективність нутч-фільтрів підвищують головним чином шляхом механізації вивантаження відфільтрованого осаду. Для цього апарат обладнують відкидним днищем, або перекидаючим механізмом з ручним або гідравлічним приводом, або піднімаючою мішалкою зі шкребками. Ефективність підвищують також установкою декількох фільтрів для отримання постійної продуктивності станції фільтрації в цілому [28].
Незважаючи на істотні недоліки - велика площа виробничого приміщення і потреба в значній кількості обслуговуючого персоналу нутч-фільтри завдяки простоті інструкції ще застосовують на малих підприємствах або при обробці агресивних рідин.