2. ФІльтрИ

Робота фільтрів заснована на процесі розділення неоднорідних сумішей за допомогою пористих проникних перегородок, що затримують тверду, і пропускають рідку і газову фази. Для здійснення цього процесу необхідно створити різницю тиску по обидві сторони від перегородки, яка виконує роль початкового опору для протікання процесу. Осад, що з'являється при цьому, створює додатковий опір. Тому швидкість процесу фільтрування прямо пропорційна різниці тиску і обернено пропорційна опору пористої перегородки і осаду.

Додатковий опір зростає при збільшенні товщини осаду або закупорюванні частками пористої фільтруючої перегородки. Осад створює основну долю опору протіканню процесу. Цей опір залежить від товщини осаду і від структури осаду: якщо частки дрібні, вони укладаються щільніше і створюють більший опір, і навпаки.

Якщо розглянути осад у перетині, то біля самої перегородки осідають найдрібніші частки, які проникають в її пори. Потім осідають крупніші частки, але між ними розташовуються і дрібніші, закупорюючи простір між крупними частками. Цим створюється нерівномірність опору осаду по його товщині.

Вважається, що на протікання процесу фільтрування впливають дві групи факторів: макрофактори і мікрофактори.

До макрофакторів відносяться:

• структура фільтрувальної перегородки і шару осаду;

• геометрія фільтрувальної перегородки і шару осаду;

• в’язкість фільтрату;

• різниця тиску по сторонам фільтра.

До мікрофакторів відносяться:

• розмір і форма пор.

Якщо чинники першої групи піддаються безпосередньому виміру, то чинники другої групи можна оцінити лише побічно.

Фільтрування суспензій зазвичай закінчується промиванням і просушуванням осаду. Ці процеси характеризуються гідродинамічними, а також масообмінними і дифузійними впливами.

Виходячи з вищесказаного, фільтрувальні апарати за принципом дії розподіляють на дві основні групи:

• фільтри періодичної дії;

• фільтри безперервної дії.

У свою чергу, фільтри кожної групи підрозділяються на:

1. фільтри, які працюють під вакуумом або і під тиском;

2. фільтри з криволінійними і плоскими фільтруючими перегородками;

3. фільтри з тканинних, жорстких та напівпроникних фільтруючих перегородок.

Вибір матеріалу фільтруючої перегородки обумовлений ступенем агресивності фільтрованої суспензії і дисперсністю її твердої фази. Фільтруючі перегородки виготовляють з текстильних і волокнистих матеріалів: бязі, парусини, тику, сукна, шовку, азбесту, шлакової і скляної вати, паперу і картону. Для підвищення кислотостійкості бавовняної тканини її піддають нітрації. Шерстяні тканини стійкі до кислот, але руйнуються лугами. Найбільш стійкі фільтруючі перегородки з азбесту, шлакової і скляної вати, а також металеві сітки з бронзи і корозійної сталі.

Для зернистих або волокнистих перегородок застосовують пісок, кокс, вугілля, целюлозу та ін. Такі перегородки використовують в тих випадках, коли кількість твердої фази незначна.

В якості жорстких фільтруючих перегородок застосовують керамічні фільтрувальні камені, плитки, свічки і кільця, стійкі до дії кислот і лугів, які дозволяють отримати чистий фільтрат. Колоїдні плівки або матеріали виготовляють з нітроцелюлози, пергаментного паперу та ін. Ці фільтруючі перегородки мають дуже дрібні пори (1 – 3 мкм) і можуть затримувати колоїдні частки.

ФІЛЬТРИ ПЕРІОДИЧНОЇ ДІЇ

До них відносяться:

• нутч-фільтри;

• листові фільтри;

• фільтрпреси;

• патронні згущувачі.

У хімічній і інших галузях промисловості широко застосовується автоматичний камерний з механічним затиском плит фільтрпрес, представлений на рисунку 7.

Він призначений для фільтрування тонкодисперсних суспензій, що містять від 5 до 500 кг/м³ твердих часток, розмірами не більше 3 мм при температурі суспензій від 5 до 90⁰ С.

Переваги фільтру:

• розвинена фільтруюча поверхня при незначній площадці під виробництво;

• фільтрація і віджимання осаду в оптимальному шарі під гідравлічним тиском до 15 атм через гнучкі діафрагми, що різко знижує витрати стислого повітря на просушування осаду;

• незначний час (1 – 2 хвил.) на допоміжні операції (розкриття плит, вивантаження осаду, закриття пресу і т.і.);

• гарна регенерація фільтрувальної тканини.

Фільтр повністю механізований і автоматизований, що дозволяє швидко налаштовувати його на оптимальний технологічний режим.

Рис. 7 – Автоматичний фільтрпрес

а – схема (1 – фільтрувальні плити; 2 – стяжка; 3, 11 – плити верхня та нижня;

4, 5 – колектор відповідно фільтрату і суспензії; 6 – натягач; 7 – фільтрувальна

тканина; 8 - привід пересування тканини; 9 – жолоб; 10 – транспортер;

12 - електромеханічний затяжний пристрій; 13 – ролики; 14 - ножі знімання осаду;

15 – натискна плита)

б – схема роботи фільтрувальних плит (I – фільтрація; II - просушування осаду;

III – вивантаження осаду; А – відведення фільтрату; В – подача суспензії;

С – подача води на діафрагму; 1 – плита; 2 – рама; 3 – секція колектора;

4 – діафрагма; 5 – спіралі; 6 – перфорований лист)

Фільтр працює таким чином.

Фільтрувальні плити при опусканні утворюють зазор шириною 45 мм. Фільтрувальна тканина при цьому рухається від барабана 8 з притискним роликом, проходить через жолоб (камеру регенерації) 9 і через натяжний пристрій входить у простір між плитами.

При стислих плитах суспензія поступає з колектора подачі (рис. 7,б) в камери фільтрування. Рідка фаза проходить через фільтрувальну тканину і перфороване сито в камеру і колектор фільтрату 3. Тверда фаза затримується на поверхні тканини у вигляді осаду з максимальною товщиною до 35 мм. Потім осад промивається відповідною рідиною і віджимається гумовою діафрагмою.

При розвантаженні під час руху фільтрувальної тканини осад знімається ножами 14 (рис. 7, а) і одночасно вивантажується на транспортери 10 з обох боків плит. При вивантаженні осаду автоматично включається система подачі води (або іншої миючої рідини) в камеру регенерації, де тканина промивається струменями рідини і очищається скребками або щітками.

ФІЛЬТРИ БЕЗПЕРЕРВНОЇ ДІЇ

На відміну від фільтрів періодичної дії, у фільтрах безперервної дії автоматично чергуються операції фільтрації, сушки, промивання, розвантаження і регенерації фільтруючої тканини. Ці операції проходять безперервно і незалежно одна від одної – кожна в своїй зоні. Цим досягається безперервність в роботі фільтру.

Фільтри безперервної дії розрізняють за формою фільтруючої перегородки і підрозділяють на барабанні, дискові і стрічкові. При цьому всі вони можуть працювати як під тиском, так під розрідженням.

Основні переваги фільтрів безперервної дії:

• безперервність і автоматизація усіх операцій, що проводяться;

• висока продуктивність;

• зручність промивання осаду;

• зменшення витрат фільтруючої тканини;

• легкість обслуговування;

• економія робочої сили.

Недоліки: підвищена в порівнянні з фільтрами періодичної дії складність, а значить вартість і необхідність спеціального обслуговування.

Барабанні фільтри. Вони найширше застосовуються в хімічній промисловості. Найчастіше вони працюють під розрідженням – так звані барабанні вакуум-фільтри.

По конструкції ці фільтри підрозділяють на апарати із зовнішньою, і апарати з внутрішньою фільтруючою поверхнею.

Рис. 8 – Барабанний вакуум-фільтр

Як видно з рисунка, при обертанні барабанного фільтру відбувається чергування операцій. Проходячи зону фільтрації у ванні, наповненій фільтратом, на поверхні барабана утворюється шар осаду. Вийшовши з камери ванни, починається операція просушування осаду. Потім, якщо потрібне, операція промивання і знову просушування осаду. Далі барабан потрапляє в зону зняття осаду ножами, і, якщо потрібне, стислим повітрям. Після цього знаходиться зона регенерації тканини, тобто фільтруючої поверхні.

Барабан повільно обертається, і при цьому кожен його сектор послідовно проходить всі вище перелічені робочі зони.

Стандартні барабанні вакуум-фільтри з поверхнею фільтрації від 1 до 40 м² мають барабан діаметром 1 – 3 м, завдовжки 0,35 – 4 м. Барабан повільно обертається, здійснюючи від 0,1 до 3 обертів на хвилину. При цьому число обертів може регулюватися.

Спосіб видалення осаду залежить від його властивостей і товщини. Щільний осад з невеликою вологістю завтовшки 8-10 мм знімають за допомогою ножа. Для видалення тонких (2–4 мм) шарів осаду застосовують нескінченні шнури, що охоплюють барабан. Тонкий осад, що мастить, видаляють змінним валиком. Дуже тонкий шар осаду завтовшки близько 1 мм знімають за допомогою нескінченого полотна фільтруючої перегородки.

Для додаткового видалення вологи з осаду застосовують віджимні валики і спеціальні вібратори.

Залежно від виду суспензії, барабан занурюється у рідину на різну глибину: для висококонцентрованих суспензій з важкою твердою фазою застосовують вакуум-фільтри з неглибоким зануренням барабана у рідину. Ці фільтри дозволяють знімати тонкий шар осаду, оскільки їх фільтруюча поверхня легко очищається.

Для фільтрації рідини з важкими зваженими частками застосовують барабанні вакуум-фільтри з внутрішньою фільтруючою поверхнею.

Рідина подається всередину фільтруючого барабана, оснащеного бортом; на його фільтруючій перегородці завдяки первинному відкладенню крупних часток утворюється осад пористої структури, що підвищує продуктивність апарату.

Проте ці фільтри мають складнішу конструкцію і при однакових розмірах меншу поверхню фільтрації порівняно з фільтрами із зовнішньою фільтруючою поверхнею. У цих фільтрах важко здійснювати промивання осаду.

Дискові фільтри.

Ці апарати мають більш розвинену фільтруючу поверхню у порівнянні з барабанними фільтрами. Поверхня фільтрації стандартних фільтрів становить від 1 до 85 м², діаметр дисків коливається від 0,9 до 2,5 м, число дисків – від 1 до 10, частота обертання фільтруючих дисків 0,13- 2,0 об/хв. (рис. 9 а)

Рис. 9 – Вакуум-фільтри:

а – дисковий фільтр (1 – полий вал; 2 – диски; 3 – ванна; 4 – розподільна головка)

б – тарілчастий фільтр (1 – горизонтальний порожнистий диск;

2 – трубки для зливання фільтрату; 3 – розподільна головка;

4 – фільтруюча тканина; 5 – ніж)

Диски фільтру виготовляють з окремих секторів. Для полегшення відділення осаду і зменшення зношення фільтруючої перегородки застосовують опуклі сектори.

Для знімання осаду з поверхні дисків застосовують стисле повітря (для віддувки) і ножі або валки (для відриву і направлення осаду).

В порівнянні з іншими апаратами, дискові фільтри відрізняються найбільшою фільтруючою поверхнею на одиницю площі, можливістю незалежного ремонту окремих дисків, малою витратою фільтруючої тканини і незначною витратою енергії. Проте в цих апаратах погано здійснюється промивання осаду. Дискові фільтри, так само як і барабанні, виготовляють для роботи під тиском. Побудовані такі фільтри аналогічно дисковим вакуум-фільтрам. Вал з дисками розміщений у закритому корпусі, в якому подачею стислого повітря створюється тиск до 7 атм. Осад знімається з поверхні фільтру ножами і виводиться з апарату шнековим пристроєм.

Для фільтрації суспензій, осад яких складається з важких і грубозернистих матеріалів і його необхідно ретельно промивати, застосовують тарілчастий фільтр, або план-фільтр (рис. 9,б).

Суспензія поступає на горизонтальний диск з низькими бортами, обтягнутий фільтруючою тканиною. Осад видаляється ножами після повного обороту диска; фільтрат проходить через тканину, потрапляє у вічка диска, а звідти видаляється через канали у вертикальному валу.

Переваги план-фільтрів: прискорення процесу фільтрації завдяки співпаданню направлення тиску суспензії з направленням природного осадження часток твердої фази, зручність промивання, можливість фільтрації суспензії з неоднорідними по розміру частками. Недоліками цього апарату є громіздкість установки, мала фільтруюча поверхня, складності із зніманням осаду і регенерації тканини.

Стрічкові фільтри.

Стандартний стрічковий вакуум-фільтр (рис. 10) складається із столу, в якому є вакуум-камери для відведення фільтрату і промивної рідини. Фільтруюча тканина покриває прогумовану перфоровану стрічку, натягнуту на крайніх барабанах столу. По краях її встановлені високі борти і обгороджування. Посередині стрічка забезпечена поперечними ребрами, що розділяють фільтр на ряд секцій.

Рис. 10 - Стрічкові фільтри

а – стандартний фільтр (1 – валик для збирання осаду; 2 – привідний барабан;

3 – стіл з вакуум-камерою; 4 – труба з форсунками для промивання;

5 – лоток для подавання суспензії; 6 – натяжний барабан; 7 – перфорована стрічка; 8 – колектор фільтрату)

б – фільтр, який працює під тиском (1 – патрубок для подавання суспензії;

2 – трубопровід стислого повітря; 3 – перфорована стрічка; 4 – камера фільтрату; 5 – збірник осаду із шнеком для видалення осаду; 6 – патрубок для видалення фільтрату)

в – капілярний фільтр (1 – фільтруюча стрічка; 2 – лоток; 3 – всмоктуючи стрічки; 4 – віджимні вальці; 5 – несуча решітка; 6 – стрічка для знімання осаду;

7 – ніж; 8 – форсунки для промивання)

Для поліпшення видалення осаду від поверхні фільтруючої перегородки вал для скидання осаду виготовляють перфорованим; у внутрішню камеру валу подається стисле повітря або пара для віддувки осаду.

Стрічкові фільтри виготовляють із стрічки завширшки 0,5 – 1,0 м і площею фільтрації 3,2 – 4,8 м².

Переваги стрічкових фільтрів: відсутність розподільної голівки, можливість осадження крупних часток під дією сили тяжіння (завдяки чому фільтрація прискорюється), зручність промивання, можливість роботи з тонким шаром осаду.

Недоліки: мала поверхня фільтрації, малий коефіцієнт використання фільтруючої тканини, потрібна рівномірна подача суспензії. Крім того, в цих апаратах виходить каламутний фільтрат і охолоджується фільтрована суспензія.

Вдосконаленою конструкцією є стрічковий фільтр безперервної дії, який працює під тиском (рис. 10,б); але апарат витримує невеликий тиск, оскільки корпус виконаний з плоскими стінками.

У стрічкових капілярних фільтрах (рис. 10 в) рідка фаза суспензії всмоктується капілярами повстяної стрічки 3, а тверда фаза залишається на стрічці 1. Промитий осад зневоднюється такими ж стрічками. Ці фільтри застосовують для фільтрації суспензій з невеликим вмістом рідкої фази.

Переваги фільтрів: простота конструкції, відсутність допоміжних пристроїв для створення розрідження або тиску, досить значна продуктивність.