Lab.rab_.__Issled._proc._filtrovaniya

УДК 66.067.1 (075)

Рецензент

канд. техн. наук доцент В. А. Козловцев

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

Исследование процесса фильтрования на элементе вакуумфильтра : метод. указания / сост. В. А. Балашов, А. Б. Голованчиков,

Л.В. Кетат, Д. С. Мурзенков; ВолгГТУ. – Волгоград, 2012. – 16 с.

Вметодических указаниях приводятся основные зависимости для расчета процесса разделения суспензий с помощью фильтрования при постоянном перепаде давления. Дается описание экспериментальной установки и излагается методика определения констант фильтрования, удельного сопротивления осадка и сопротивления фильтровальной перегородки.

Предназначены для студентов очной формы обучения по направлениям 150400.62 «Технологические машины и оборудование», 240100.62 «Химическая технология и биотехнология».

Волгоградский государственный технический университет, 2012

2

Содержание

Введение………………………………………………………….…. 4 1 Теоретическая часть………………………………………………… 5

2Цель лабораторной работы…………………………………………. 9

5Обработка экспериментальных данных и оформление

отчета………………………………………………………………… 11

6Контрольные вопросы………………………………………………. 15 Список рекомендуемой литературы……………………………….. 15

3

Введение

Фильтрованием называют процессы разделения неоднородных систем при помощи пористых перегородок, которые задерживают одни фазы этих систем и пропускают другие. В промышленности фильтрованием разделяют суспензии и очищают газы от взвешенных в них твердых частиц. Аппараты, на которых осуществляется процесс фильтрования, называют фильтрами. Фильтры отличаются большим разнообразием конструктивного исполнения.

На практике при расчете процесса фильтрования может возникнуть необходимость определения объема фильтрата, который можно получить за определенный промежуток времени фильтрования или определить время, необходимое для проведения процесса при известном объеме фильтрата. А для этого необходимо знать значения констант фильтрования. В данной лабораторной работе рассмотрено определение констант процесса фильтрования, сопротивления слоя осадка и фильтровальной перегородки, скорости фильтрования в начале и конце процесса и расчет производительности фильтра по фильтрату и влажному осадку.

4

1.Теоретическая часть

Впростейшем случае фильтр для разделения суспензии представляет собой сосуд, разделенный пористой фильтровальной перегородкой на две полости: А и Б (рис. 1). Суспензия помешается в полость А, и между полостями А и Б создается разность давлений, под действием которой жидкость проходит через поры фильтровальной перегородки, а твердые частицы задерживаются на ней и суспензия разделяется на влажный осадок и чистый фильтрат. Такой процесс разделения суспензии называется фильтрованием с образованием осадка. Иногда твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживаются там, не образуя, осадка. Такой процесс фильтрования называется фильтрованием с закупориванием пор. Возможен и промежуточный вид фильтрования, когда твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и одновременно образуют на ней слой осадка. Разность давлений между полостями фильтра А и Б можно создавать за счет сообщения полости А с источником сжатого газа (при этом суспензия в полость А подается периодически), путем непрерывной подачи суспензии в полость А с помощью насоса или путем создания вакуума в полости Б. Рассмотрим некоторые закономерности фильтрования с образованием осадка. Осадок и фильтровальную перегородку можно рассматривать как пористые среды, оказывающие сопротивление движущемуся через них ламинарному потоку жидкости.

Рис. 1. Схема устройства фильтра

Скорость фильтрования и факторы, влияющие на ее величину при образовании слоя несжимаемого осадка на фильтровальной перегородке

Объем фильтрата, получаемый за малый промежуток времени с единицы поверхности фильтра, прямо пропорционален разности давлений и обратно пропорционален вязкости фильтрата и общему

5

сопротивлению осадка и перегородки:

V – общий объем полученного фильтрата, [м3]; S – поверхность фильтрования, [м 2];

q = V – объем фильтрата, полученный с 1 [м2] фильтровальной по-

S

верхности, [м3/м2]; τ – продолжительность фильтрования, [сек];

P– разность давления, [Н/м2];

– коэффициент динамической вязкости фильтра [Н сек/м2 ];

Rос – сопротивление слоя осадка, [1/м];

Rфп – сопротивление фильтровальной перегородки, [1/м].

Уравнение (1) является основным уравнением фильтрования. Чтобы проинтегрировать это уравнение, необходимо установить зависимость между сопротивлением слоя осадка и общим объемом полученного фильтрата. Учитывая пропорциональность объемов

hос – толщина слоя осадка, [м];

xо – объем осадка, получаемого при прохождении 1 [м3] фильтрата, [м3/м3].

Толщина равномерного слоя осадка на фильтровальной перегородке на основании зависимости (2) определяется как:

где rо – удельное сопротивление осадка, [1/м2].

Подставив (4) в (1), получаем основное уравнение фильтрования с образованием несжимаемого осадка на несжимаемой перегородке:

Если сопротивление фильтровальной перегородки мало и им можно пренебречь (Rфп=0), то, решая уравнение (5) относительно rо,

6

получим:

При =1 [Н сек/м2], hос = 1[м] и vф= 1[м/сек] величина rо численно

равна P . Таким образом, удельное сопротивление осадка численно равно разности давлений, необходимой для того, чтобы жидкая фаза с вязко-

стью 1 [Н сек/м2] фильтровалась со скоростью 1 [м/сек] сквозь слой осадка толщиной 1 м.

Удельное сопротивление осадка является важнейшей и самой сложной физической величиной в теории фильтрования. Действие различных факторов на процесс фильтрования всегда может быть сведено к изменению величины удельного сопротивления осадка под действием этих факторов. Все факторы, влияющие на процесс фильтрования суспензии, в общем случае, можно подразделить на гидродинамические и физикохимические. Гидродинамические факторы – это пористость осадка, размер частиц, их удельная поверхность, сферичность частиц и равномерность их укладки. Физико-химические факторы – это степень коагуляции и пептизации твердых частиц суспензии; содержание в суспензии смолистых и коллоидных примесей, закупоривающих поры осадка; влияние электрокинетического потенциала, возникающего на границе раздела твердой и жидкой фаз и уменьшающего сечение пор; наличие сольватной оболочки на частицах осадка. Вследствие совместного проявления гидродинамических и физико-химических факторов невозможно вычислить аналитически величину удельного сопротивления осадка как функцию всех указанных выше факторов, поэтому величину удельного сопротивления осадка в настоящее время определяют опытным путем. Возможны два способа проведения процесса фильтрования: при постоянном перепаде давлений и при постоянной скорости процесса.

Уравнение фильтрования при постоянной разности давлений

Рассмотрим некоторые закономерности фильтрования при постоянной разности давления с образованием несжимаемого осадка на несжимаемой фильтровальной перегородке. Выражая в уравнении (5) скорость

фильтрования согласно υф = 1 dV = dq , разделяя переменные (удельный

S dτ dτ

объем фильтрата и время) и интегрируя полученное дифференциальное уравнение в пределах от 0 до q и от 0 до τ , получим следующее расчетное уравнение фильтрования, известное как уравнение Рутса:

где С и К – размерные комплексы, составленные из постоянных для про-

7

цесса фильтрования величин. Эти комплексы называют константами фильтрования, и их значения равны:

В выражения (7) и (8) входят удельное сопротивление осадка rо и сопротивление фильтровальной перегородки Rфп. Величину удельного сопротивления осадка, как было указано ранее, не удается определить расчетным путем и ее находят экспериментально, не удается рассчитать и сопротивление фильтровальной перегородки, поэтому значения констант фильтрования определяют экспериментально. Процессы фильтрования, которые при прочих равных условиях отличаются только значениями перепада давления, будут характеризоваться равными значениями константы К. Переменными величинами в уравнении (6) являются время

процесса фильтрования τ и удельный объем фильтрования q = VF . Решив

это уравнение относительно удельного объема, можно для заданной продолжительности процесса фильтрования определить объем полученного фильтрата как V = q F . Уравнение (6) позволяет решить и обратную задачу: при известном удельном объеме фильтрата рассчитать продолжительность процесса фильтрования.

Уравнение фильтрования при постоянной скорости процесса

При фильтровании с постоянной скоростью объем фильтрата, полученного на фильтре за время τ , можно определить, как V = υф F τ и то-

гда удельный объем фильтрата определится как q = V = υф τ .

F

Подставив это значение удельного объема фильтрата в уравнение (5) и решив его относительно P , получим расчетное уравнение для определения перепада давления в фильтре к моменту времени фильтрования τ .

Если P задано, то на основании этого уравнения можно определить время, в течение которого будет достигнута эта разность давления при фильтровании с постоянной скоростью. Для выполнения расчетов с помощью уравнения (9) необходимо знать значения удельного сопротивления осадка и сопротивление фильтровальной перегородки.

Определение констант фильтрования, удельного сопротивления осадка и сопротивления фильтровальной перегородки

Поделив левую и правую части уравнения (6) на q K , получим:

8

Так как значения величин µ,r0 , x0 , Rфп , P в процессе фильтрования при постоянной разности давления остаются неизменными, то уравнение (10) в координатах τ / q и q является уравнением прямой линии, наклонен-

ной к оси абсцисс под углом, тангенс которого равен K1 , и отсекающей на

оси ординат (при q = 0) отрезок, равный 2 C .

K

Для определения констант фильтрования проводят опыт по разделению суспензии с помощью фильтра при постоянной разности давления. В течение опыта замеряют ряд соответствующих друг другу значений q и τ . По данным опыта в координатах τ /q – q наносят точки, через которые наилучшим образом проводят прямую линию, для которой определяют тангенс угла наклона α и отрезок А, отсекаемый ею на оси ординат. По этим данным рассчитывают значения констант как:

Зная константы фильтрования, можно на основании выражений (7) и

(8) определить удельное сопротивление осадка и сопротивление фильтровальной перегородки как:

Определив удельное сопротивление осадка и зная х0, можно рассчитать величину константы К для фильтрования при других значениях разности давления.

2. Цель лабораторной работы

Определение констант процесса фильтрования, сопротивления слоя осадка и фильтровальной перегородки, скорости фильтрования в начале и конце процесса и расчет производительности фильтра по фильтрату и влажному осадку.

3. Описание экспериментальной установки

Установка для проведения лабораторных исследований процесса фильтрования (рис. 2) состоит из погружного элемента вакуум-фильтра 1, емкости для суспензии 2 с мешалкой 3, ресивера 9, вакуум-насоса 10, при-

9

емника фильтрата 7 и измерительных приборов: термометра 4, вакуумметра 6 и секундомера.

Элемент вакуум-фильтра – разборный, он состоит из воронки со съемной решеткой (дырчатым диском) и нажимной крышкой. На воронку с установленной решеткой накладывается фильтровальная ткань и прижимается крышкой.

Отдельные части установки соединены между собой вакуумными резиновыми трубками, как показано на рис. 2. На трубках установлены кран 8, с помощью которого при работающем вакуум-насосе регулируют величину вакуума, и кран 5. Последний открывают после подготовки всей установки к работе на заданном режиме.

Рис. 2. Схема установки:

1 – элемент вакуум-фильтра; 2 – емкость; 3 – мешалка; 4 – термометр; 5,8,11,12 – краны; 6 – вакуумметр;7 – приемник фильтрата;

9 – ресивер; 10 – вакуум-насос

4.Методика проведения лабораторной работы

Вемкость 2 заливают суспензию и включают мешалку. Перемешивание суспензии предотвращает осаждение твердых частиц и образование осадка на дне емкости. Погружают элемент вакуум-фильтра в емкость с суспензией, как это показано на рис. 2, закрывают краны 5 и 8 и включают вакуум-насос. Медленно открывая кран 8, устанавливают заданный преподавателем вакуум, контролируя его величину по вакуумметру 6. Убедив-

10