8 Н. И, Гельпернн

225

Д. ФИЛЬТРОВАНИЕ

1. Общие сведения

Фильтрованием называется процесс разделения сус­пензий и газовзвесей при помощи пористых, или филь­тровальных, перегородок, задерживающих твердые частицы (дисперсную фазу), но пропускающие сплошную фазу (жидкость, газ). Осевший на перегородке слой твердых частиц с некоторым содержанием жидкости между ними называют осад­ком, а прошедшую через нее жидкость — фильтратом. На практике могут представлять ценность либо оба продукта фильтрования (осадок и фильтрат), либо один из них. Большим достоинством процесса фильтрования в сравнении с осаждением является возможность полного удаления из суспензий и газо­взвесей содержащихся в них твердых частиц.

В простейшем виде аппарат для фильтрования, называемый фильтром, представляет собой вертикальный цилиндриче­ский сосуд, разделенный горизонтальной фильтровальной пере­городкой на две части. В верхнюю часть подается суспензия, ко­торая опирается на перегородку; в нижнюю часть стекает филь­трат. Движущей силой процесса фильтрования является раз­ность давленийв обеих частях фильтра (по обе стороны фильтровальной перегородки), которая соответствует сопротивле­нию, встречаемому потоком фильтрата при его прохождении че­рез образующийся слой осадка и фильтровальную перегородку. Эта разность давлений Ар создается различными способами: мас­сой столба самой суспензии, нагнетанием жидкостными насосами (Ар 0,5 МПа), подачей сжатого газа (Ар 0,05—0,3 МПа), вакуумированием пространства под фильтровальной перегород­кой (Ар -> 0,05—0,09 МПа), при помощи центробежной силы.

Сопротивление, встречаемое потоком фильтрата, растет по мере накопления осадка, поэтому постоянство этого потока во времени (следовательно, и максимальная производительность фильтра) может быть обеспечено лишь при непрерывном увеличе­нии разности давлений. Такой рабочий режим осуществляется путем нагнетания суспензии поршневым насосом. При исполь­зовании сжатого газа и вакуумирования Ар = const, поэтому с ростом высоты слоя осадка поток фильтрата уменьшается, т. е. производительность фильтра падает. Наконец, если суспензия подается центробежным насосом, то в пределах его рабочей харак­теристики по мере нарастания слоя осадка происходит увеличе­ние Ар, которое сопровождается уменьшением потока фильтрата. Таким образом, практически возможны три режима фильтрования.

Важнейшей частью любого фильтра является фильтровальная перегородка, которая должна задерживать твердые частицы и легко отделяться от них, обладать достаточной механической проч­ностью, низким гидравлическим сопротивлением и химической 226 стойкостью. В зависимости от дисперсности твердой фазы, хими­ческой агрессивности и вязкости жидкой среды суспензий на прак­тике применяются фильтровальные перегородки из металлических сеток, металлических, асбестовых, стеклянных, хлопчатобумаж­ных, шерстяных и полимерных тканей, а также из нетканых ма­териалов (хлопчатобумажные, шерстяные, асбестовые и поли­мерные волокна). Длительным сроком службы отличаются пори­стые керамические, металлические и металлокерамические плитки, получаемые спеканием калиброванных частиц между собой или в присутствии связующих веществ. Единственным существенным недостатком этих перегородок является трудность удаления про­никших в поры мелких частиц. Выбор наиболее подходящей пере­городки из числа конкурирующих возможен только путем их не­посредственного испытания в лабораторных или полузаводских условиях на каждой конкретной суспензии.

Заметим, что мутность фильтрата в начале фильтрования не является достаточным показателем непригодности испытывае­мой перегородки. Дело в том, что перегородка приобретает свою предельную задерживающую способность после непродолжитель­ной работы в результате уменьшения эффективного размера пор осевшими в них мелкими частицами или в результате образования сводиков над входом в поры. В первом случае происходит филь­трование с закупориванием пор (все частицы задер­живаются в порах, и на поверхности фильтра отсутствует осадок), во втором случае (наиболее распространенном) — фильтрование собразованием осадка. В обоих случаях размер пор не обязательно должен быть меньше размера задерживаемых твер­дых частиц. Чтобы исключить появление мутного фильтрата в на­чале фильтрования, при снятии осадка оставляют его тонкий слой на перегородке или начинают процесс при низком перепаде дав­лений.

Большую роль в процессе фильтрования играют природа и структура осадка и фильтровальной перегородки. От этих факто­ров зависят их порозность, способность сохранять форму и раз­меры пор в процессе фильтрования. Под действием перепада дав­лений осадки, особенно состоящие из очень мелких частиц, ста­новятся сжимаемыми. Процесс еще больше осложняется при боль­шой степени полидисперсности твердой фазы суспензии вследствие отложения мелких частиц в просветах между более крупными. Разумеется, при способности твердых частиц деформироваться под действием давления входы в поры фильтровальной пере­городки могут оказаться полностью закупоренными. Заметим, на­конец, что несжимаемыми являются осадки монодисперсные и состоящие из не очень мелких частиц. Большинство реальных осадков обладает свойством сжимаемости, степень которой уве­личивается с уменьшением размера частиц. Сжимаемой может ока­заться и фильтровальная перегородка. В связи с этим при теоре­тическом анализе различают процессы фильтрования при наличии

н

К числу распространенных фильтров периодического действия, использу­емых для разделения разбавленных сус- , пензий, относится фильтр-пресс. г Последний (рис. V-9) состоит из ряда "f[ чередующихся плит и рам прямо- i угольной или круглой формы, опи-

есжимаемых и сжимаемых осадков и перегородок.

В случае тонкодисперсных суспензий, а также легко деформи­рующихся твердых частиц закупорку пор фильтровальной пере­городки и самого осадка часто можно предотвратить путем добав­ления к суспензии вспомогательных веществ или расположения слоя последних на перегородке. Эти вещества (диа­томит, перлит, асбест, древесный уголь, силикагель и др.) обра­зуют как бы каркас, препятствующий закупориванию пор. Если добавляемые вещества обладают адсорбционными свойствами (на­пример, силикагель, активированный уголь), то они часто спо­собны задерживать твердые частицы размером до 0,01 мкм или обесцвечивать жидкую фазу суспензии. Используемые вещества должны быть, разумеется, химически инертны по отношению к суспензии и нерастворимы в ее жидкой фазе, имея при этом уз­кий фракционный состав (частицы близких размеров). Выбор вспомогательных веществ и способа их использования производят опытным путем.

Заметим, наконец, что процесс фильтрования часто не закан­чивается разделением суспензии на фильтрат и осадок. Последний до его удаления с фильтровальной перегородки часто подвергается промывке другими жидкостями для удаления остатков фильтрата, а иногда продувке холодными или нагретыми газами с целью уменьшения его влажности.

2. Устройство и принцип действия аппаратов для фильтрования. Фильтры

Перепад давлений по обе стороны фильтровальной перегородки (см. выше) может быть создан массой столба самой суспензии, ва-куумированием, давлением газа и нагнетанием жидкостными на­сосами; используемые в этих случаях аппараты, как уже отме­чалось, называют фильтрами. Аппараты для фильтрования, где перепад давлений создается действием центробежной силы, назы­ваются фильтрующими центрифугами. Последние целе­сообразно применять в тех случаях, когда разделение суспензий в гравитационном поле практически невозможно. Для разделения таких суспензий в случае малой сжимаемости осадков также пред­почтительны фильтрующие центрифуги.

Существует множество конструкций фильтров и попыток их классификации по разным признакам. Мы ограничимся рассмотре­нием наиболее распространенных фильтров, подразделив их на аппараты периодического и непрерывного действия.

Простейшим аппаратом периодического действия является нутч-фильтр (рис. V-8), используемый обычно в производ­ствах малой мощности. Он представляет собой вертикальный ци­линдрический корпус, разделенный фильтровальной перегородкой на две неравные камеры. Суспензия загружается в верхнюю,

а фильтрат собирается в нижней камере. Необходимый перепад давлений создается либо вакуумированием нижней камеры (верх­няя сообщается с атмосферой), либо подачей сжатого газа в верх­нюю камеру (нижняя может быть сообщена с атмосферой). После промывки осадок выгружается, и цикл повторяется. Для облег­чения выгрузки осадка нижняя камера аппарата, включающая фильтровальную перегородку,делается

откидной; выгрузка осадка возможна также через боковые люки.

Рис. V-8. Нутч-фильтр:

/ — корпус; 2 — фильтровальная перегородка; 3 люк для выгрузки осадка.

рающихся боковыми лапами на два параллельных бруса станины. Между плитами и рамами прокладывают фильтровальные ткане­вые перегородки («салфетки»), после чего весь пакет стягивается гидравлическим механизмом между одной неподвижной концевой плитой и другой подвижной концевой плитой, перемещающейся на роликах. Края плит (рис. V-9, б) имеют гладкую поверхность, а средняя часть — рифленую, причем желобки сообщаются в ниж­ней части каждой плиты с каналом для отвода фильтрата. Вверху плиты имеют центральное отверстие для подачи суспензии и два крайних отверстия для подачи промывной жидкости. Рамы, также имеющие по три отверстия, образуют между каждыми двумя со­седними плитами камеры для осадка. При стягивании всего па­кета отверстия в плитах и рамах совпадают, образуя сквозные ка­налы для суспензии и промывной жидкости, а края салфеток играют роль уплотняющих прокладок. Каналы, сообщающиеся только с камерами между плитами, заканчиваются у концевой плиты.

Суспензия, нагнетаемая насосом, поступает в камеры фильтр-пресса, откуда жидкость (фильтрат), пройдя через обе салфетки каждой камеры, стекает по желобкам к выходным каналам (рис. V-9, в), а осадок накапливается внутри камер. После запол­нения последних подача суспензии прекращается, и по каналам, имеющимся только у половины плит (рис. V-9, в), нагнетается промывная жидкость. В это время половина сливных каналов пе­рекрывается кранами, поэтому промывная жидкость последова­тельно проходит через обе фильтровальных перегородки (сал­фетки) и слой осадка между ними. После промывки осадок часто

продувают воздухом (иногда перегретым паром) для удаления остатков фильтрата. Затем отодвигают подвижную плиту, разъеди­няют плиты и рамы, удаляют осадок и снова стягивают весь пакет. Плиты и рамы, изготовляемые из чугуна, стали и керамики, при необходимости снабжают специальными каналами для теплоноси­телей и хладоагентов. Поверхность фильтрования у фильтр-прес­сов достигает 140 м², рабочее давление — 1,5 МПа.

Все более широкое применение находят автоматизиро­ванные фильтр-прессы. Одна из конструкций, предназначен­ная для разделения суспензий с концентрацией до 500 кг/м³ твер­дых частиц размером до 3 мм, показана на рис. V-10. Здесь каждая фильтровальная плита (рис. V-10, а) вверху покрывается перфо­рированным листом, под которым имеется пространство для филь-

Р

ис. V-10. Автоматизированный фильтр-пресс с горизонтальными камерами: а — устройство пресса: / — верхняя часть пли­ты; 2 — перфорированный лист; 3 — прием фильтрата; 4 — нижняя часть плиты (в виде рамы); б — камера для суспензии и осадка; 6 — эластичная диафрагма; 7 — фильтроваль­ная ткаиь; 8 — подача суспензии, промывной жидкости и воздуха; 9, 10, 13 — каналы; // — отвод фильтрата, промывной жидкости и воз­духа; 12 — камера для воды; б — схема дей­ствия пресса: / — фильтровальные плиты; 2 — поддерживающие плиты; 3 — направляю­щие рамки; 4 — фильтровальная ткаиь.

трата. Плита опирается на раму, так что при сжатии пакета плит и рам образуются камеры для суспензии и осадка. Между плитами и рамами проложены водонепроницаемые эластичные диафрагмы, а на перфорированных листах размещается фильтровальная ткань. Последняя представляет собой бесконечное полотно (рис. V-10, б), проходящее между плитами и направляемое роликами, которое поддерживается в натянутом состоянии гидравлическим устрой­ством.

Рис. V-II. Листовой фильтр: а — устройство фильтра: / — резер­вуар; 2 — дно; 3 — крышка; 4 — фильтровальный элемент; 5 — опорная планка; 6 — коллектор; 7 — штуцер для подачи суспензии; 8 — штуцер для отвода фильтра; 9 —• штуцер для удаления осадка; 6 — рабочий элемент фильтра: / — рама; 2 — сетка; 3 — фильтровальная ткань; 4— осадок.

Весь пакет плит зажат между двумя поддерживающими пли­тами и в этом положении (А) по коллекторам и боковым каналам в каждую камеру последовательно поступают суспензия, промыв­ная жидкость и воздух для продувки образовавшегося осадка. Фильтрат, промывная жидкость и.воздух с уносимой им влагой удаляются через противоположно расположенные боковые ка­налы по своим коллекторам. После этого осадок отжима­ется диафрагмой, для чего в пространство над ней по­дается вода под давлением (положение Б на рис. V-10, а). По окончании этой операции плиты автомати­чески раздвигаются (положе­ние В на рис. V-10, а), на­чинается движение фильтро­вального полотна, с кото­рого осадок снимается но­жами и сбрасывается по обе поверхности элементов осадок отделяется потоком сжатого воз­духа или воды и выходит через нижний штуцер сосуда. Рабочая поверхность рассматриваемого фильтра достигает 150 м².

К числу аппаратов периодического действия относятся также патронные фильтры (рис. V-12). Они состоят из элементов в виде закрытых внизу труб с продольными ребрами и отверстиями

стороны фильтра на транспортеры. Затем фильтровальное полотно промывается струями жидкости и очищается щетками, его движе­ние прекращается, пакет плит снова стягивается, и начинается следующий рабочий цикл фильтрования. Достоинствами рас­сматриваемого фильтра, помимо автоматизации действия, явля­ются компактность, отжим осадка диафрагмами и незначитель­ные 'затраты времени (около 2 мин) на вспомогательные операции (раздвигание плит, их затяжка, выгрузка осадка).

Существует ряд конструкций листовых фильтров, одна из которых показана на рис. V-11, а. Фильтр состоит из элемен­тов, представляющих собой прямоугольные полые рамы, в которые вставлены крупные металлические сетки, обтянутые фильтроваль­ной тканью (рис. V-11, б). Каждая рама имеет штуцер для выхода фильтрата. Набор таких рам, штуцеры которых присоединены к общему коллектору, помещен в закрытом цилиндрическом со­суде (рис. V-11, а). Суспензия нагнетается внутрь сосуда, филь­трат под действием перепада давлений проникает в полости рам, откуда удаляется по коллектору. Образовавшийся на наружной в стенках. На эти трубы нанизаны пористые кольца из керамики, спрессованного диатомита, стекла (рис. V-12, а). Пучок таких патронов (рис. V-12, б) помещается в закрытый цилиндрический корпус с откидными крышками, где они плотно вставляются в гнезда толстой решетки с внутренними параллельными кана­лами. Последние сообщаются с полостями патронов и служат для отвода фильтрата, проникающего в эти полости через пористые фильтровальные элементы. Суспензия нагнетается в пространство между патронами под давлением до 0,8 МПа. По рабочему циклу и способу удаления осадка патронные фильтры аналогичны ли­стовым. Поверхность фильтрования патронных фильтров дости­гает 50 м²; пористость патрона ~40%, его длина — до 2 м, накап­ливаемый слой осадка ~15—20 мм.

Отличительной особенностью фильтров непрерывного дей­ствия является автоматическое чередование операций фильтрова­

н

ия, промывки осадка и его продувки, разгрузки, а также регене­рации фильтровальной ткани. Так как эти операции осуществ­ляются непрерывно в каждой зоне фильтра и независимо друг от друга, то и весь рабочий процесс протекает непрерывно.

Наиболее широкое применение в химической промышленно­сти получил барабанный ячейковый вакуум-фильтр (рис. V-13). Он состоит из горизонтального барабана с перфорированной цилиндрической стенкой, покрытой металли­ческой сеткой и фильтровальной тканью, погруженного на 0,3— 0,4 в корытообразный сосуд. Барабан, разделенный радиаль­ными перегородками на 12 секций (рис. V-13, а), медленно вра­щается (0,1—3,0 об/мин) на валу, один конец которого соединен с приводом, а другой в виде полой цапфы прижат к неподвижной распределительной головке. С последней сообщаются все ячейки барабана при помощи каналов в полой цапфе. Корпус головки разделен на 4 неравные по объему камеры, которые служат для отвода фильтрата (наибольшая камера), промывной жидкости (средняя) и сжатого воздуха (две наименьшие камеры). При вра­щении барабана первые две камеры последовательно присоеди­няются к вакуумной линии, а две другие — к линии сжатого воз­духа. Суспензия подается в корыто, снабженное медленно качающейся мешалкой, предотвращающей осаждение твердых частиц.

При вращении барабана часть его ячеек постоянно погружена в суспензию (рис. V-13, б) и сообщается через распределительную головку с вакуумом, поэтому фильтрат отсасывается, и твердые частицы образуют осадок на поверхности фильтровальной ткани. Далее эти ячейки выходят из корыта, продолжая сообщаться с вакуумом, и слой осадка несколько обезвоживается посредством потока просасываемого воздуха. Затем осадок промывается, при­чем промывная жидкость благодаря сообщению ячеек с вакуумом уходит через свои каналы в распределительной головке. Далее, через слой осадка с целью его подсушки снова просасывается воздух, после чего ячейки сообщаются с линией сжатого воздуха для «отрыва» осадка от фильтровальной ткани и его разрыхления. На короткое время ячейка отключается от сжатого воздуха для съема осадка и вновь подключается к нему для продувки с целью регенерации фильтровальной ткани. Совершив полный оборот, ячейка снова погружается в суспензию и ее рабочий цикл повто­ряется.

Таким образом, процесс фильтрования включает семь стадий: 1) образование осадка и отсасывание фильтрата; 2) просасывание воздуха через слой осадка для частичного удаления остатка филь­трата; 3) промывку осадка; 4) просасывание воздуха через слой осадка для частичного удаления остатка промывных вод; 5) «от­рыв» и разрыхление осадка; 6) съем осадка; 7) регенерацию филь­тровальной ткани. В стадиях 1—4 ячейки барабана присоединены к вакуумной линии, а в стадиях 5 и 7 — к линии сжатого воздуха.

«5 в Е О О в.«Я о о г

. а

5^SS = §

= ч = i i liir.s

С 3 x Sign-

-SOS to га t- >. 2

йй о о Я •-ю о и

"£ot;_ " и с «»

га 3 ,гС ^щ ^ с 5 ч а 2 tfso I a га о ч

3 <*

,.я о a ravo „ чо га г* 2: ол

а га ₀

. о к 5

К Ч (О

га ¹ и у и -ч к га

€ |&«

8 si⁵*.

0*& О •>.

^u о о с

I «• ^{u м} 5

е-3

Ь е . i о ° fi ^u

^и, S га | |

:5S S , ^ ° и

i «5

I

(1) ^

3.. • о « 2 §

o. .. ' -so

£ S^s" g ~, s u „

^в я

•a s's-uraS;

3 p.S ° f « s »«««» В га g л <u о

5 4

IlSSSB

.и?

с st

Во избежание растяжения при продувке сжатым воздухом фильтровальная ткань прижимается к поверхности барабана спирально намотанной тонкой проволокой. В случае возможного растрескивания осадка и нарушения вакуума из-за просасывания воздуха через трещины в осадке иногда заглаживают последние покровной лентой, движущейся благодаря контакту с поверх­ностью осадка.

Способ удаления осадка зависит от его структуры и толщины (рис. V-13, в). Плотные осадки толщиной 8—10 мм снимают но­жом в виде наклонной широкой металлической полосы, устанав­ливаемой вдоль образующей барабана на некотором расстоянии от его поверхности. Для удаления слоя осадка толщиной 2—4 мм используют тонкие параллельно расположенные бесконечные шнуры с расстоянием между ними 6—25 мм. Вследствие трения о поверхность фильтровальной ткани шнуры перемещаются по замкнутому пути, огибая натяжной и направляющий ролики. Шнуры отделяются от ткани вместе с осадком и освобождаются от него при огибании натяжного ролика. Более тонкие слои осадка удаляются съемным резиновым валиком, вращающимся в направ­лении, противоположном вращению барабана; с валика прилип­ший осадок снимается ножом. Наконец, очень тонкие слои осадка (около 1 мм) снимаются так называемым методом сходящего по­лотна. Здесь фильтровальная ткань совершает тот же путь, что и бесконечные шнуры. В точке окончания цикла фильтрования ткань сходит с поверхности барабана и, пройдя разгрузочный ролик, где осадок снимается ножом, а также ролик для промывки, возвращается на поверхность барабана.

Твердые частицы тонкодисперсных суспензий очень быстро за­купоривают поры фильтровальных тканей, поэтому последние заменяют намывной зернистой фильтровальной перегородкой из вспомогательного материала (например, из зерен кизельгура) тол­щиной 50—75 мм. Для этой цели в корыто фильтра загружают гу­стую суспензию вспомогательного материала, и при нормальном режиме работы фильтра, но с выключенным съемным устрой­ством накапливают в течение 30—60 мин осадок указанной тол­щины. После этого начинают подачу фильтруемой суспензии и при помощи передвижного ножа с острым лезвием постепенно снимают намывной слой вместе с задержанным в его порах осадком. Нож обычно перемещается со скоростью 0,01—0,05 мм за один оборот барабана. Намывной слой периодически возобновляют.

Барабанные ячейковые вакуум-фильтры имеют поверхность до 40 м² (диаметр барабана 1—3 м, длина 0,35—4 м), вращаются с частотой 0,1—3 об/мин и приводятся в движение электромотором мощностью 0,1—4,5 кВт. Конструкционные материалы для филь­тров выбирают в соответствии с их химической стойкостью.

Для разделения суспензий, содержащих однородные и медленно осаждающиеся твердые частицы, применяются д и с к о в ы е ва­куум-фильтры (рис. V-14, а). Они имеют тот же принцип действия,

Рис. V-14. Дисковый вакуум-фильтр:

а — внешний вид: / — секций)- 2 — фильтрующие диски; 3 — распредели­тельное устройство; 4 — трубопровод для выхода фильтрата и сообщения с вакуумом; 5 — подача сжатого воз­духа; 6 — ножи для съема осадка; б — сектор фильтрующего диска: / — штуцер; 2 — полый вал; 3 — продоль­ный канал; 4 — дугообразная на­кладка; 5 — тяга.

Рис. V-16. Тарельчатый фильтр? / — горизонтальный пустотелый диск; 2 — выход фильтрата; 3 — распределительная голов­ка; 4 — фильтрующая ткань; 5 — иож.

Суспензия

\ Промыбная Вода

ч то и рассмотренные выше барабанные фильтры, но отличаются от последних тем, что вместо барабана на вращающемся валу на­сажен ряд фильтровальных дисков. Последние состоят из дере­вянных секторов, имеющих рифленую поверхность с обеих сторон и обтянутых фильтровальной тканью (рис. V-14, б). Секторы скреп­ляются между собой дугообразными накладками, а их узкие части

сообщаются при помощи штуцеров с общим продольным каналом в полом валу, присоединенном к распределительной головке. Секторы, расположенные на одной образующей вала, имеют об­щий канал в полом валу. Число этих каналов равно числу секто­ров и, следовательно, каждый сектор соответствует ячейке бара­банного вакуум-фильтра. Съем осадка производится ножами или валиками, расположенными по обе стороны каждого диска. По­верхность дисков слегка выпуклая для облегчения съема осадка. При вращении вала секторы дисков, как и в ячейковом барабан­ном фильтре, последовательно сообщаются с источниками ваку­ума и сжатого воздуха. Каждый диск расположен в отдельной секции корыта, где суспензия во избежание расслоения переме­шивается качающейся (маятниковой) мешалкой. Число дисков в одном агрегате доходит до 14 (их диаметр 0,9—2,5 м), а поверх­ность фильтрования — до 100 м². Скорость вращения дисков и расход энергии практически те же, что и в случае барабанных фильтров. Достоинством дисковых фильтров является их ком­пактность, а недостатком — трудность промывки осадка вслед­ствие неизбежного разбавления суспензии промывной жидкостью.

Для разделения грубодисперсных суспензий и при необходи­мости продолжительной и тщательной промывки осадка приме­няются карусельные фильтры (рис. V-15), которые пред­ставляют собой ряд нутчей, перемещающихся по кругу в гори­зонтальной плоскости. Нутчи, расположенные в непосредствен­ной близости друг от друга, имеют индивидуальные резиновые

решетчатые днища, покрытые фильтровальной тканью, и при­креплены шарнирно к вращающейся горизонтальной кольцевой раме. Каждый нутч соединен гибкими шлангами с распредели­тельной головкой того же устройства, что и у предыдущих филь­тров. При вращении рамы каждый нутч наполняется суспензией и сообщается с вакуумной линией, После удаления фильтрата осадок многократно (до пяти раз) промывается и продувается потоком просасываемого воздуха. Затем нутч опрокидывается (он соединен на шарнире), осадок сбрасывается в сборник, фильтро­вальная перегородка промывается и осушается, нутч возвращается в рабочее положение и начинается новый цикл фильтрования. Рабочая поверхность карусельных фильтров 1,5—40 м².

В отличие от карусельного фильтра у тарельчатого фильтра (рис. V-16) низкие радиальные стенки соседних нутчей сделаны общими, поэтому образуется непрерывное кольцо филь­тровальных ячеек. Это кольцо опирается на пустотелый диск с низ­ким бортом, разделенный на секторы-ячейки, который вращается на полом валу. Каждая ячейка соединена через каналы в полом валу с распределительной головкой, расположенной под диском. Операции подачи суспензии, отвода фильтрата, многократной про­мывки и продувки осадка чередуются в той же последователь­ности, что и у карусельного фильтра. В данном случае нутчи, од­нако, не опрокидываются и осадок после его разрыхления сжатым воздухом снимается ножом. Тарельчатые фильтры имеют диаметр 1,3—4,2 м и рабочую поверхность 1 — 12 м². Помимо громоздкости (большая производственная площадь), недостатком фильтра явля­ется также затруднительность снятия осадка и очистки ткани.

Конструктивно наиболее простым является ленточный фильтр непрерывного действия (рис. V-17). В этом фильтре беско­нечная рифленая резиновая лента с прорезями, покрытая филь­тровальной тканью, перемещается приводным барабаном и поддер­живается в натянутом состоянии натяжным барабаном и системой направляющих роликов. На верхнем участке пути края ленты скользят по двум параллельным опорным планкам, между ко-

т

орыми по всей длине расположена длинная камера круглого или прямоугольного сечения. Эта камера верхними фланцами примы­кает к нижней поверхности ленты, а внизу соединена штуцерами с коллектором для фильтрата и промывной жидкости, сообщаю­щимся с вакуумной линией. Камера и коллектор разделены по­перечными перегородками на секции, которые позволяют отдельно отводить фильтрат и промывную жидкость. Края ленты по всей длине отогнуты и образуют борты (делают ленту желобчатой). Осадок сбрасывается в месте перегиба ленты за счет собственного веса, либо снимается валиком при одновременном разрыхлении сжатым воздухом, либо смывается струями воды. Суспензия по­дается равномерно на ленту в начале ее верхнего пути. Ширина ленты достигает 3 м, длина — 9 м; скорость перемещения ленты зависит от ее длины и свойств суспензии; толщина слоя осадка 1—25 мм. Большим достоинством ленточного фильтра является отсутствие распределительного устройства, существенным не­достатком — большая производственная площадь, приходящаяся на 1 м² рабочей поверхности.

Большое число типов и конструкций фильтров объясняется чрезвычайным разнообразием разделяемых суспензий. Выбор ра­ционального фильтра производится на основе результатов экс­периментальных исследований лабораторных и полупромышлен­ных аппаратов.

3. Фильтрующие центрифуги

Процесс фильтрования суспензий в поле центробежной силы осуществляется, как указывалось выше, в машинах, носящих название фильтрующих центрифуг. Основным рабочим органом этих машин является вращающийся перфорированный барабан, внутренняя поверхность которого покрыта фильтрующей пере­городкой (например, тканью). Под действием центробежной силы жидкая фаза суспензии проходит фильтровальную перегородку, оставляя на ее поверхности слой осадка. Последний при этом уплотняется. Так как разность давлений по обе стороны филь­тровальной перегородки в рассматриваемом процессе значительно выше, чем в фильтрах, то центрифуги используют для разделения суспензий, содержащих недеформируемые твердые частицы и даю­щих не сильно сжимаемые осадки. Влажность же осадков, полу­чаемых в центрифугах, значительно ниже, чем в фильтрах; она колеблется в пределах 0,5—5% (по объему), уменьшаясь по мере увеличения размеров твердых частиц.

Процесс разделения суспензий в центрифугах состоит из трех периодов: 1) образование осадка, 2) уплотнение осадка и 3) меха­ническая осушка осадка. Последний при необходимости может подвергаться промывке различными жидкостями. Содержание жидкости в осушенном осадке меньше объема его пор, часть кото­рых заполнена воздухом. Объемная концентрация твердой фазы

в

разделяемых суспензиях на практике колеблется в пределах 5—25%, а размер твердых частиц — в пределах от 10 до 1000 мкм и выше.

В промышленности используют центрифуги периодического и непрерывного действия разнообразных конструкций, из которых мы рассмотрим наиболее распространенные.

Для разделения суспензий с размером твердых частиц более 10 мкм в малотоннажных производствах нашли широкое приме­нение маятниковые центрифуги периодического действия. Они бывают с верхней (рис. V-18, а) и нижней (рис. V-18, б) р у ч-ной выгрузкой осадка. Суспензии низких и средних кон­центраций подаются на рабочем ходу центрифуги, а высококон­центрированные суспензии, вследствие их плохой текучести — в неподвижном состоянии машины. Фильтрат удаляется через нижние штуцеры кожуха, а осадок выгружается вручную через борт (верхняя выгрузка) или днище (нижняя выгрузка) после выключения электромотора и остановки барабана с помощью тор­моза. Достоинствами рассматриваемых машин являются простота конструкции и сравнительно низкая стоимость, а их недостат­ками — ручная выгрузка и периодичность действия. Диаметр барабана у центрифуг с верхней выгрузкой 400—1250 мм, с ниж­ней выгрузкой 800 — 1600 мм.

Значительно сложнее в конструктивном отношении центри­фуга периодического действия с механизированной нижней выгрузкой осадка (рис. V-19). Суспензия поступает в центрифугу через щелевой питатель с эластичными стенками по всей высоте барабана при его окружной скорости 10—25 м/с, а промывка и отжим осадка — при окружной скорости барабана 55—65 м/с. В связи с этим машина требует электродви­гателя с двумя скоростями вращения. Механизм выгрузки осадка имеет широкий поворотный нож по всей высоте барабана, который при съеме осадка, поворачиваясь вокруг вертикальной оси, по­степенно приближается к поверхности фильтровальной пере­городки. Выгрузка осадка во избежание разрушения его зерен производится при окружной скорости барабана 4—5 м/с, обеспе­чиваемой отдельным двигателем. Управление ножом возможно ручное и автоматическое. Диаметр барабана составляет 1000— 1600 мм. Рассматриваемая центрифуга рекомендуется для разделе­ния суспензий с объемной концентрацией твердых частиц более 10% и размером последних более 30 мкм. Все операции процесса (загрузка, фильтрование, промывка, отжим и удаление осадка) часто автоматизируются при помощи программного управления.

Особенностью подвесных центрифуг (рис. V-20, а) яв­ляются самоцентрирование вращающегося барабана (ротора) и невозможность попадания агрессивного фугата на привод и опору. Самоцентрирование достигается тем, что верхний конец вала под­вешен к шаровой опоре, образуемой системой подшипников ка­чения, расположенных в стакане, свободно опирающемся сфери-

ч еской поверхностью на корпус головки привода. Отклонения вала от вертикального положения ограничиваются резиновым амортизатором. Удаление осадка возможно ручное (при останов­ленном роторе) и механизированное (при пониженной скорости вращения ротора). В последнем случае осадок выталкивается че­рез кольцевое окно при помощи поршня, передвигающегося по

Для разделения суспензий с концентрацией твердой фазы бо­лее 10% и содержащих твердые частицы размером более 30 мкм, измельчение которых допустимо, применяются горизонталь­ные центрифуги с ножевой выгрузкой осадка (рис. V-21). Особенностью этих центрифуг является осуществле­ние всех операций процесса в автоматическом режиме и при по-

всей высоте барабана (рис. V-20, б, в). К поршню прикреплен ко­нусный колпак, который опускается при выгрузке осадка и под­нимается после ее окончания, закрывая нижнее сечение барабана. Все операции процесса выполняются при различных скоростях вращения ротора, поэтому центрифуга снабжается пятискорост-ным электродвигателем.

стоянной скорости вращения барабана. Рабочий цикл, продол­жительность которого составляет часто около 10 мин, разбит на операции, запрограммированные по отведенным им отрезкам вре­мени. Так, например, на 3,0 мин открывается клапан на трубо­проводе для подачи суспензии. Спустя 0,5 мин, достаточных для отжима осадка, открывается на 1 мин клапан на трубопроводе для подачи промывной жидкости. По истечении 0,5 мин отжима осадка приходит в движение нож, который в течение 5 мин постепенно

п

одходит к фильтрующей перегородке, срезая на этом пути отжа­тый осадок. Открывание и закрывание клапанов производится автоматически при помощи поршней, перемещающихся в ци­линдрах. Клапан сидит на конце штока, поэтому при движении поршня вверх он открывается, а при движении вниз — закры­вается; движение осуществляется путем нагнетания масла в ци-

Рис. V-21. Горизонтальная центрифуга с ножевой выгрузкой осадка: 1 — желоб для удаления осадка; 2 — труба для подачн суспензии; 3 — гидравлический механизм для удаления осадка; 4 — кожух; 5 — ротор; 6 — опоры вала; 7 — вал; 8 — станина; 9 — привод.

линдр соответственно под поршень или над ним. Аналогично, как видно из рис. V-21, приводится в движение нож для срезания осадка. Последний удаляется по наклонному желобу, которому во время работы ножа сообщают вибрацию. Центрифуги выпол­няются как с консольным ротором (диаметр цилиндра до 1700 мм), так и с расположенным между двумя опорами (диаметр цилиндра до 3000 мм).

Для разделения суспензий с объемной концентрацией твердой фазы не менее 20% и размером твердых частиц более 0,1 мм нашли применение центрифуги непрерывного действия с пульси­рующей выгрузкой осадка (рис. V-22). Эти одно-каскадные машины наиболее эффективны в случае легко разделяющихся суспензий, быстро теряющих текучесть. Ротор центрифуги цилиндрической формы состоит из днища и обечайки, внутри которой запрессовано щелевидное сито. В полости ротора расположен толкатель в виде поршня или подвижного днища, ко­торый, кроме вращательного, совершает также возвратно-посту­пательное движение. Последнее осуществляется давлением масла на поршень, соединенный штоком с толкателем. Суспензия не­прерывно поступает в узкий конец воронки и выбрасывается из

ее широкого конца через отверстия в опорном кольце на щелевид-ное сито. Фугат стекает через отверстия сита, а образующийся осадок продвигается толкателем вперед и выбрасывается пор­циями, подвергаясь на всем пути отжиму. В случае низкоконцен­трированных суспензий возможно их частичное удаление вместе с осадком. Промывка осадка производится путем подачи струи жидкости. Заметим, что при движении толкателя вперед часть суспензии периодически попадает на небольшой участок очищен­ного сита, поэтому для исключения уноса твердых частиц фуга­том большую роль играет размер отверстий щелевидного сита. Разумеется, если этот размер превышает размер твердых частиц, то применение рассматриваемой центрифуги нецелесообразно. Она особенно эффективна для разделения суспензий с растворимой твердой фазой, так как механическая очистка сита практически невозможна; его периодическая регенерация производится про­мывкой жидкостью, растворяющей осадок.

Центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка имеют диаметр ротора от 160 до 1400 мм. Длина ротора связана с толщиной обра­зующегося осадка и зависит также от его свойств. Чрезмерно большая толщина слоя осадка сопряжена с увеличением толкаю­щего усилия, понижением скорости вращения ротора и, следо­вательно, с ростом влажности осадка. Эти затруднения преодо­лены путем создания многокаскадных центрифуг с пуль­сирующей выгрузкой осадка. В последних ротор состоит из ряда телескопически расположенных соосных фильтрующих бараба­нов разной длины, через которые суспензия проходит последо­вательно. Нечетные барабаны жестко связаны со штоком и совер­шают возвратно-поступательное движение, играя роль толкате­лей для четных барабанов, по ситам которых продвигается оса­док (при ходе штока вперед). Кромки обечаек четных барабанов служат толкателями для нечетных (при ходе штока назад), кроме первого, имеющего специальный толкатель. Многокаскадные цен­трифуги эффективнее однокаскадных вследствие уменьшения в каждом барабане длины слоя осадка, возможности уменьшения его толщины и, следовательно, улучшения отжима осадка. Они требуют также меньшего расхода энергии на выталкивание осадка.

Для разделения высококонцентрированных суспензий (60— 80%), содержащих твердые частицы размером 2—3 мм, применяют центрифуги непрерывного действия с инерционной вы­грузкой осадка, отличающиеся отсутствием специальных разгружающих устройств. Среди этих машин получили примене­ние центрифуги, разгружающиеся действием на осадок центро­бежных сил инерции, превосходящих силу трения осадка о филь­тровальную перегородку. Так, на рис. V-23, а показана схема цен­трифуги с террасным коническим ротором, со­стоящим из нескольких террасно расположенных соосных кони­ческих обечаек и приемной ситчатой корзины. На верхнем крае каждой обечайки имеется торообразный участок (рис. V-23, б), к которому с некоторым зазором примыкает нижний край выше­расположенной обечайки. Суспензия непрерывно поступает через воронку в ситчатую корзину, где освобождается от жидкости, так что на первую (нижнюю) обечайку попадают влажные частицы. Последние при ударе о верхнюю обечайку теряют часть поверх­ностной влаги и под действием центробежной силы перемещаются

а б

Рис. V-23. Центрифуга непрерывного действия с инерционной выгрузкой осадка. а — аппарат с террасным коническим ротором; б — схема движения твердых частиц и фугата; / — вал; 2 — приемная ситчатая корзина; 3 — ротор; 4 — кожух; 5 — элек­тромотор; 6 — суспензия; 7 — осадок; S — пленка жидкости; Э обезвоженные ча­стицы.

к широкому краю второй конической обечайки, далее к широкому краю третьей обечайки и т. д. до выхода из машины. Отделившаяся жидкость перемещается в виде пленки также к широкому краю каждой обечайки и, срываясь с вершин торообразных поверх­ностей, уходит через щели между обечайками. При разделении суспензий, содержащих полимерные гранулы, влажность послед­них на выходе из центрифуги составляет 0,01—0,05%.

В отличие от рассмотренной центрифуги машина, представлен­ная на рис. V-24, допускает регулировку времени пребывания суспензии в рабочем объеме. Это достигается размещением винто­образного направляющего устройства для осадка внутри кони­ческого ротора, внутренняя поверхность которого покрыта листо­вым ситом. Ротор и направляющее устройство вращаются с оди­наковой угловой скоростью. Угол наклона образующей конуса (~35°) больше угла трения осадка о сито. Направляющее устрой­ство состоит из пяти элементов типа шнека с различными углами подъема винтовой линии. Эти элементы устанавливаются так, что образуют сплошной винтообразный канал для движения осадка под действием центробежной силы. Путем изменения формы и, сле­довательно, длины канала можно регулировать время пребыва­ния и соответственно степень отжима осадка. Так, для трудно раз­деляемых суспензий канал делается длиннее, а для осадков, склонных к слипанию, — с более крутым очертанием. Такие цен­трифуги допускают промывку осадка. Их используют для разделе­ния суспензий с объемной концентрацией твердой фазы выше 40% и размером твердых частиц более 150 мкм.

В тех случаях, когда разделяемая суспензия легко расслаи­вается, содержит твердые частицы размером более 150 мкм (при объемной концентрации выше 40%), а их измельчение и частичный унос с фугатом допустимы, применяют центрифуги непрерывного действия сшнековой выгрузкой осадка. Суще­ствует ряд конструкций таких центрифуг. В качестве примера на рис. V-25 схематически представлена центрифуга сгоризон-тальным ротором. Особенностью этой центрифуги яв­ляется удаление осадка при помощи шнека, расположенного со-осно внутри ротора и вращающегося в том же направлении, но с другим числом оборотов. Существуют две группы рассматривае­мых центрифуг: 1) быстроходные с производительностью до 20 т/ч (диаметр ротора 160—630 мм, фактор разделения до 3000) и 2) ти­хоходные с производительностью до 100 т/ч (диаметр ротора 700— 1200 мм, фактор разделения 150—800). Достоинствами рассматри­ваемых центрифуг являются высокая производительность, хоро­шее отжатие осадка, низкий расход энергии и малый вес. К числу их существенных недостатков относятся большой унос твердой фазы с фугатом и ее значительное измельчение.

4. Закономерности фильтрования в гравитационном поле

Фильтрование с образованием несжимаемого осадка на несжи­маемой фильтровальной перегородке. Практически несжимаемыми являются осадки, состоящие из механически прочных твердых частиц размером более 100 мкм (например, минеральные соли). К числу несжимаемых относятся фильтровальные перегородки из пористой керамики, спекшихся стеклянных, металлических, ме-таллокерамических порошков и т. п. Особенностью несжимаемых осадков и перегородок является постоянство их пористости и, следовательно, сопротивления потоку жидкости в процессе филь­трования. Режим течения фильтрата в порах вследствие их малого диаметра и низкой скорости потока является ламинарным. Сле­довательно, расход жидкости с вязкостью \.\ через один капилляр с радиусом сечения г и длиной / при перепаде давлений Ар можно выразить уравнением (1.14): Vi — (я Ар/8р/) /*.

Элементарный расход жидкости за время dx при наличии i капилляров на 1 м^а площади фильтра будет: dV = (я Apr⁴i/8\il)F dx, где F — площадь фильтра.

Отсюда находим видимую скорость фильтрования, выражаю­щую объем жидкости (фильтрата), проходящий через поры на 1 м-поверхности фильтра в единицу времени:

_r I dV Ар

Величины г, I и i, будучи в среднем постоянными для каждого осадка и каждой фильтровальной перегородки, не поддаются

непосредственному измерению. Однако, как будет показано ниже, можно простым экспериментом определить весь комплекс 8l/nr*i, который, очевидно, выражает суммарное сопротивление слоя осадка Я₀ и фильтровальной перегородки R_a, т. е. 8l/nr^li — = R₀ + R_a. Таким образом

1 dv Ар

(V.I8a)

F dx ji (R₀ + Ru)

Величину R_n можно с достаточным приближением считать по­стоянной. Сопротивление слоя осадка, пропорциональное его тол­щине h₀, нарастающей во времени, можно выразить через объем фильтрата V и относительную объемную концентрацию твердой фазы х₀ в разделяемой суспензии. В самом деле, при площади фильтра F имеем: h₀ = x₀V/F.

Так как режим течения фильтрата является ламинарным, то сопротивление слоя осадка пропорционально его толщине R_Q = = r₀h₀ = r₀ (x₀V/F), где г₀ — сопротивление, оказываемое по­току фильтрата слоем осадка толщиной 1 м при р. = 1 Па-с, т. е. удельное сопротивление осадка.

После подстановки значения R₀ в уравнение (V.18a) получаем основное уравнение процесса фильтрования с образованием не­сжимаемого осадка на несжимаемой фильтровальной перегородке:

_l_ dV_ Ар -у ₁₉₎

F ' dx ii[R_a + r₀(x₀VIF)]

Как уже известно, на практике встречаются три основных ре­жима фильтрования: 1) при Ар = const, 2) при ■—■ = const, 3) при

одновременном изменении перепада давлений Ар и скорости филь­трования. Первый режим осуществляется в вакуум-фильтрах, а также при создании постоянного избыточного давления на сво­бодной поверхности разделяемой суспензии с помощью сжатого газа. Применительно к этому случаю, сопровождающемуся не­прерывным уменьшением скорости фильтрования, интегрирова­ние уравнения (V.19) в пределах от 0 до V и от 0 до т приводит к следующему результату:

+ R_aV = F%Ap/p (V.20)

откуда

^(V-|_ ' \ ^20a)