 |
Тема: «Изучение процесса фильтрования суспензий»
|
|
|
|
Введение
Фильтрованием называют процесс разделения суспензий через пористую (фильтровальную) перегородку, которая задерживает твердую (дисперсную) фазу и пропускает жидкую (дисперсную) среду (рис. 1).
Процесс фильтрования подразделяют на два вида: поверхностное фильтрование (с образованием слоя осадка) и глубинное фильтрование (с закупориванием пор фильтровальной перегородки). Вид фильтрования определяется взаимосвязью между свойствами суспензии и фильтровальной перегородки.
При разделении маловязких суспензий с концентрацией твердой фазы более 1 %, через фильтровальную перегородку с размерами пор меньше размеров частиц имеет место поверхностное фильтрование. Твердые частицы накапливаются на поверхности фильтровальной перегородки и образуют осадок. При дальнейшем разделении суспензий слой осадка начинает играть роль фильтрующего элемента, задерживая частицы твердой фазы и предотвращая закупоривание пор фильтровальной перегородки. При этом над входами в поры перегородки образуются "сводики" из твердых частиц, пропускающие жидкую фазу суспензии, но задерживающие другие твердые частицы. Разделение суспензий поверхностным фильтрованием наиболее целесообразно, так как закупоривание пор фильтровальной перегородки твердыми частицами с соответствующим увеличением ее сопротивления почти не происходит.
При разделении вязких суспензий с небольшой концентрацией мелкодисперсных фракций через фильтровальную перегородку с размерами пор больше размеров частиц, имеет место глубинное фильтрование. Твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживаются в них, не образуя осадка. Закупоривание пор твердыми частицами наблюдается уже в начальный период процесса разделения суспензий, что снижает производительность фильтра. Глубинное фильтрование используют только в фильтрах периодического действия. При этом необходима периодическая регенерация или замена фильтровальной перегородки.
|
|
|
С целью интенсификации производственного процесса фильтрования суспензий с концентрацией твердой фазы менее 1 % в фильтрах используют вспомогательные вещества, которые наносят на фильтровальную перегородку. Фильтровальные вспомогательные вещества образуют слой осадка, который препятствует проникновению твердых веществ в поры фильтровальной перегородки.
В качестве фильтрующих материалов применяют зернистые материалы – песок, гравий, а также хлопчатобумажные и шерстяные ткани, ткани из синтетических волокон, картон, пористые полимерные материалы, керамику и т. д. В фильтрах с намывным слоем применяют различные порошкообразные инертные материалы (диатомит, мел, гашеная известь), а также волокнистые материалы (целлюлоза).
Фильтровальные перегородки должны обладать необходимой задерживающей способностью, обеспечивать заданную чистоту фильтрата, не создавать значительного гидравлического сопротивления потоку и иметь высокую механическую прочность.
По целевому назначению процесс фильтрования может быть очистным или продуктовым. Очистное фильтрование применяют для разделения суспензий и очистки растворов от различного рода включений. Целевым продуктом является фильтрат. В пищевой промышленности очистное фильтрование используют при осветлении вина, виноматериалов, молока, пива и других продуктов.
Назначение продуктового фильтрования – выделение из суспензий диспергированных в них продуктов в виде осадка. Целевым продуктом является осадок. Примером такого фильтрования является разделение дрожжевых суспензий.
|
|
|
 |
Рис. 1. Схема фильтра для разделения суспензий:
1 – корпус; 2 – суспензия; 3 – осадок; 4 – фильтровальная перегородка;
5 – фильтрат
Движущая сила процесса фильтрования – разность давлений по абсолютной стороне фильтровальной перегородки.
при 
. (1)
Эта разность создается с помощью насоса, компрессора или вакуум насоса. Условия протекания процесса фильтрования зависят от способа создания разности давлений.
Существует фильтрование:
– при постоянной разности давлений 
;
– при постоянной скорости 
– const;
– при переменных разностях давлений и скорости 
– var и – var.
При фильтровании под давлением движущая сила процесса
; 
; 
. (2)
Величина избыточного давления ограничена мощностью насоса и прочностью аппарата.
.
При 
= 105; lim () = ¥.
При фильтровании под вакуумом движущая сила процесса
; 
; 
; (3)
.
Движущая сила процесса фильтрования под избыточным давлением выше, чем при фильтровании под вакуумом. Несмотря на это фильтрование под вакуумом получило более широкое распространение в промышленности. Это объясняется возможностью создания непрерывного процесса, так как слой осадка формируется со стороны атмосферного давления и может беспрепятственно удаляться.
Непрерывное удаление осадка при фильтровании под давлением значительно усложняет конструкцию фильтра. Фильтрование при постоянной скорости осуществляется, если суспензию подают на фильтр поршневым насосом с постоянной производительностью (при данном числе оборотов электродвигателя).
Если суспензию подают на фильтр центробежным насосом с уменьшающейся (при данном числе оборотов электродвигателя) производительностью при возрастании сопротивления осадка, то процесс фильтрования осуществляется при переменных разностях давлений и скорости.
Эффективность процесса разделения суспензий характеризуется "эффектом разделения" или степенью очистки h (в %)
, (4)
где С 1 и С 2 – концентрации дисперсной фазы соответственно в суспензии и фильтрате.
Образующийся в процессе фильтрования осадок должен иметь минимальную влажность. Влажность осадка U (в %) определяют по формуле
, (5)
где 
– масса жидкой фазы в осадке; 
– масса влажного осадка.
|
|
|
Интенсивность процесса фильтрования оценивают скоростью или удельной производительностью , м3/м2 с. – это объем фильтрата (в м3), полученный с 1 м2 фильтрующей поверхности за 1 с.
. (6)
Среднюю скорость процесса определяют по формуле
, (7)
где 
– удельный объем фильтрата, (м3/м2).
Скорость фильтрования может быть определена по закону Дарси
, (8)
где 
– коэффициент сопротивления, м/Па с.
При фильтровании с образованием слоя осадка общее сопротивление фильтрованию 
определяют как сумму сопротивлений фильтровальной перегородки 
и слоя осадка 
. (9)
Коэффициент сопротивления (фильтрования) имеет вид
, (10)
где m – коэффициент динамической вязкости жидкой фазы суспензии, с/м2.
В каждый момент времени скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений D p и обратно пропорциональна сопротивлению R и вязкости жидкости m
. (11)
Сопротивление слоя осадка определяют равенством
, (12)
где 
– удельное сопротивление слоя осадка, м–2; h – толщина слоя осадка, м
, (13)
где c – объемная концентрация твердой фазы в разделяемой суспензии.
Из уравнения можно получить основное уравнение фильтрования
. (14)
Решим уравнение (14) для фильтрования с образованием слоя не-сжимаемого осадка при постоянном перепаде давления. В этом случае: D р = const – движущая сила постоянна; = сonst – осадок несжимаемый; 
= var – высота слоя осадка увеличивается; 
= const – концентрация твердых частиц в суспензии постоянна; = const – сопротивление фильтрующей перегородки не изменяется в процессе фильтрования.
После интегрирования (14) в пределах от 0 до 
и от 0 до t, получим
(15)
или
, (16)
где 
и 
– константы фильтрования.
Если продифференцировать уравнение (16)
,
то можно получить формулу для расчета скорости фильтрования
(17)
Константы фильтрования с и в каждом конкретном случае чаще всего определяются экспериментально.
Цель работы
1. Определение сопротивления фильтровальной перегородки.
2. Определение констант фильтрования.
3. Определение производительности фильтра по фильтрату и влажному осадку.
|
|
|
Описание установки
Подлежащая фильтрованию суспензия приготавливается в сосуде 9 (рис. 2). При открытом кране 11 суспензия поступает в фильтр 8, в котором на решетке 6 помещается фильтровальная перегородка 7. Фильтрат собирается и измеряется в сборнике 4. Фильтрование осуществляется за счет разрежения в сборнике 4, которое создается вакуум-насосом 1. С помощью вентиля 2 по вакуумметру 3 устанавливается заданное разряжение под фильтровальной перегородкой.
Рис. 2.
Схема установки
(1 – 10 см. по тексту)
|
|
|
