Общие сведения о фильтровании

Раздел 1. Общие сведения о фильтровании

1.1Понятие фильтрования

Фильтрованием называется процесс разделения суспензий с использованием пористых перегородок, которые задерживают твёрдую фазу суспензии и пропускают её жидкую фазу.

      Разделение суспензии, состоящей из жидкости и взвешенных в ней твёрдых частиц, производят при помощи фильтра, который в простейшем виде является сосудом, разделённым на две части фильтровальной перегородкой. Суспензию помещают в одну часть этого сосуда так, чтобы она соприкасалась с фильтровальной перегородкой. В разделённых частях сосуда создают разность давлений, под действием которой жидкость проходит через поры фильтровальной перегородки, причём твёрдые частицы задерживаются на её поверхности. Таким образом, суспензия разделяется на чистый фильтрат и влажный осадок. Это процесс разделения суспензии называют фильтрованием с образованием осадка. Иногда твёрдые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживаются там, не образуя, осадка. Такой процесс называют фильтрованием с закупориванием пор. Возможен также промежуточный вид фильтрования, когда твёрдые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и образуют на ней слой осадка.

Возникновение указанных видов фильтрования связано  со сложной взаимозависимостью между  свойствами суспензии и фильтровальной перегородки.

Разность давлений по обе  стороны фильтровальной перегородки создают разными способами, в результате чего осуществляют различные процессы фильтрования.

Если пространство над суспензией сообщают с источником сжатого газа (обычно воздуха) или пространство под фильтровальной перегородкой присоединяют к источнику вакуума, то происходит процесс фильтрования при постоянной разности давлений, поскольку давление в ресиверах поддерживается постоянным. При этом скорость процесса уменьшается в связи с увеличением сопротивления слоя осадка возрастающей толщины. Аналогичный процесс фильтрования, встречающийся в производственных условиях относительно редко, происходит под действием разности давлений, обусловленной  гидростатическим давлением слоя суспензии постоянной высоты, находящейся над фильтровальной перегородкой.

Если суспензию  подают на фильтр поршневым насосом, производительность которого при данном числе оборотов электродвигателя постоянна, то осуществляется процесс фильтрования при постоянной скорости; при этом разность давлений увеличивается вследствие уже упоминавшегося увеличения сопротивления слоя осадка возрастающей толщины.

Если суспензию  транспортируют на фильтр центробежным насосом, производительность которого при данном числе оборотов электродвигателя уменьшается при возрастании  сопротивления осадка, что обусловливает  повышение разности давлений, то производится процесс фильтрования при переменных разности давлений и скорости.

1.2Фильтровальные перегородки.

Фильтровальная  перегородка представляет собой существенную часть фильтра и от правильного выбора её во многом зависят производительность фильтровального оборудования и чистота получаемого фильтрата.

Фильтровальные  перегородки - материалы (естественные или искусственные) или изделия, имеющие пористую структуру (проницаемую для жидкости и газа) и применяемые для фильтрования. Фильтровальные перегородки, применяемые в промышленности и лабораторной практике, должны обладать следующими свойствами:

1) соответствующей пористостью (размеры пор должны быть такими, чтобы частицы осадка задерживались на перегородке),

2) химической стойкостью  к действию фильтруемой среды, 

3) достаточной механической прочностью,

4) теплостойкостью при температуре фильтрования.

По принципу действия различают поверхностные  и  глубинные фильтровальные перегородки. Поверхностные перегородки отличаются тем, что твёрдые частицы суспензии при её разделении в основном задерживаются на их поверхности, не проникая в поры. Глубинные перегородки, которые используются преимущественно для осветления жидкостей, содержащих твёрдые частицы в небольшой концентрации, характеризуются тем, что частицы суспензии в процессе её разделения проникают в их поры и задерживаются там.

По структуре  различают гибкие и негибкие фильтровальные перегородки. К гибким фильтровальным перегородкам относятся металлические перегородки в виде перфорированных листов и сеток из стали, меди, алюминия, никеля, серебра и др. материалов. Такие фильтровальные перегородки особенно удобны при работе с химически агрессивными жидкостями, в условиях повышенных температур и больших механических напряжений. К гибким фильтровальным перегородкам относятся также неметаллические перегородки в виде тканей , слоев несвязанных волокон (нетканые). Неметаллические фильтровальные перегородки бывают асбестовые, стеклянные, хлопчатобумажные, шерстяные, поливинилхлоридные, лавсановые и т.п. Негибкие фильтровальные перегородки могут быть жёсткие (в виде дисков, плит, патронов и листов), которые изготовляются прессованием в формах с последующим спеканием из керамических, металлических, стеклянных и синтетических порошков, и нежёсткие, состоящие из соприкасающихся (но не связанных жестко) частиц каменного, древесного и животного углей, кокса, диатомита, песка, глины и т.п. материалов.

Фильтровальные перегородки могут быть классифицированы по материалам, из которых они изготовлены. Например, на перегородки, выполненные из хлопчатобумажных, шерстяных, синтетических, стеклянных, керамических и металлических материалов. Такая классификация удобна при выборе перегородки с определённой особенностью противостоять действию химически агрессивных веществ.

Раздел 2. Фильтры

2.1Понятие фильтра.

 Фильтр (франц. filtre, от позднелат. filtrum, буквально – войлок) – аппарат, в котором с помощью фильтровальной перегородки осуществляется разделение, сгущение или осветление неоднородных систем, содержащих твёрдую и жидкую (газообразную) фазы.

Кроме того, фильтрами называются устройства и аппараты для очистки растворов от минеральных солей, разделения на фракции полимерных ионов и т.д. с помощью ионитов, а также устройства, пропускающие или задерживающие звуковые или электромагнитные волны определённых частот. 

В зависимости  от вида неоднородной системы различают: жидкостные фильтры (предназначены для фильтрования суспензий) и газовые фильтры (для разделения аэрозолей и газов очистки). Простейший фильтр – сосуд, разделённый на две части ФП. Между частями фильтра создаётся разность давлений, под действием которой жидкость (газ) проходит через перегородку, задерживающую твёрдые частицы.

2.2Классификация и общая характеристика  некоторых видов фильтров

Фильтры жидкости

• Фильтр воды — устройство для очистки воды от вредных субстанций или микроорганизмов.
• Аквариумный фильтр — устройство предназначенное для очистки аквариумной воды.
• Масляный фильтр  — устройство, предназначенное для удаления загрязнений из моторных, трансмиссионных, смазочных масел и гидравлических жидкостей.
• Топливный фильтр.

Фильтры газа

Воздушный фильтр  -элемент(бумажный, матерчатый, войлочный, поролоновый, сетчатый или иной), который служит для очистки от пыли (обработки) воздуха, подаваемого в помещения системами вентиляции и кондиционирования или используемого в технологических процессах (например, при получении кислорода), в газовых турбинах, в двигателях внутреннего сгорания и др.

• Ячейковые фильтры
• Самоочищающиеся масляные фильтры
• Рулонные фильтры
• Воздушные фильтры высокой эффективности с материалами ФП

Фильтры в электронике и электрике

Фильтр (электроника) — устройство для выделения желательных компонент спектра аналогового сигнала и подавления нежелательных.

• Коаксиальный фильтр — электрический фильтр, состоящий из элементов (отрезков) коаксиального кабеля, для селекции сигналов на дециметровом и сантиметровом диапазонах волн.
• Цифровой фильтр — устройство для обработки дискретного во времени сигнала; в результате обработки спектральный состав сигнала меняется требуемым образом.

1.Жидкостные фильтры

Жидкостные фильтры по принципу действия подразделяются на две основные группы: фильтры периодические и фильтры непрерывного действия. Фильтры, принадлежащие к каждой из этих групп, различаются по способу создания в них разности давлений (работающие под вакуумом или под избыточным давлением), по геометрии фильтрующей поверхности (плоская или криволинейная), по типу применяемых ФП. В фильтрах периодического действия на всей поверхности ФП поочерёдно осуществляются поступление суспензии и образование осадка (фильтрование), обезвоживание, промывка и удаление осадка, регенерация ФП. В фильтрах непрерывного действия указанные операции проходят непрерывно, единовременно и независимо одна от другой в каждой соответствующей зоне фильтра. Для осуществления процессов фильтрования с образованием осадка применяют как периодически, так и непрерывно действующие фильтры. Для проведения процессов фильтрования с закупориванием пор используют фильтры периодического действия. На фильтрах периодического действия осуществляют любой режим фильтрования, на фильтрах непрерывного действия практически – лишь режим фильтрования при постоянной разности давлений.

Принята также  классификация по взаимному направлению  силы тяжести и движения фильтрата. Такая классификация основана на том, сто для проведения процессов фильтрования и создания оптимальных условий для работы фильтров большое значение имеют процессы осаждения твёрдых частиц суспензии под действием силы тяжести. В соответствии с этой классификацией различают фильтры с противоположными (угол 180 градусов), совпадающими (угол 0 градусов) и перпендикулярными (угол 90 градусов) направлениями силы тяжести и движения фильтрата.

2.Фильтры непрерывного действия

К фильтрам непрерывного действия относятся барабанные, дисковые, ленточные, тарельчатые и карусельные фильтры и др.

1)Барабанный вакуум-фильтр находит наибольшее применение в промышленности Барабанные вакуум-фильтры с наружной фильтрующей поверхностью более распространены и используются для разделения среднефильтрующихся суспензий с незначительной (до 18 мм/с) скоростью осаждения грубой фракции твердой фазы; степени обезвоживания осадка и его отмывки ограничены.

2)Дисковый вакуум-фильтр предназначен для разделения суспензий с близкими по размерам частицами твёрдой фазы. Имеет более развитую фильтрующую поверхность, чем барабанные вакуум-фильтры. В дисковом вакуум-фильтре на горизонтально расположенном полом валу, разделённом на секции, укреплены вертикальные диски. Вал с дисками вращается в корыте, имеющем форму полуцилиндра и заполненном разделяемой суспензией. Каждый диск состоит из обтянутых ФП полых секторов, имеющих с обеих сторон перфорированную или рифлёную поверхность. Полость каждого сектора диска сообщается с отводящим каналом для удаления фильтрата. Съём осадка осуществляют сжатым воздухом (для обдувки), посредством ножей и валков (для отрыва и направления выгрузки).   

Рис. 2. Дисковый фильтр: 1 —  секции; 2 — фильтрующие элементы — диски; 3 — распределительное устройство; 4 — трубопровод для соединения с источником вакуума и удаления фильтрата; 5 — трубопроводы для подачи сжатого воздуха; 6 — ножи для съёма осадка.

3)Ленточный вакуум-фильтр предназначен для разделения суспензий, образующих неоднородный по размерам частиц тяжёлый и требующий тщательной промывки осадок. Фильтр представляет собой стол, в котором имеются вакуум-камеры для отвода фильтрата и промывной жидкости. ФП (обычно ткань) покрывает прорезиненную перфорированную ленту, натянутую на крайних барабанах стола. Осадок сбрасывается в сборник при перегибе ФП. Регенерация ФП производится при обратном движении ленты с помощью механических щёток или паровых форсунок.  

Рис. 3. Ленточный фильтр: 1 — натяжной барабан; 2 — стол; 3 — вакуум-камеры; 4 — бесконечная резиновая лента; 5 — приводной барабан; 6 — бесконечное полотно (фильтровальная перегородка); 7 — лоток для подачи суспензии; 8 — оросительные трубки.

4)Тарельчатые вакуум-фильтры применяют преимущественно для обезвоживания крупнозернистых шламов в производстве калия, в подготовке каменного угля и руд и т.д. Основная деталь фильтра – кольцо, состоящее из ряда трапецеидальных секторов, каждый из которых является фильтрующей ячейкой. Последняя открыта сверху и имеет днище, наклоненное к центру для облегчения стока жидкости. По верху ячейки уложен перфорированный лист, на котором находится ФП. Внутренняя полость каждого сектора с помощью соединительных трубок сообщается с каналами распределительного устройства, жестко связанного с корпусом. Фильтр приводится во вращение электродвигателем. За один оборот ячейки фильтры последовательно соединяются с линиями вакуума и сжатого воздуха. Подача суспензии осуществляется в ячейки сверху. Съём осадка производится ножом или шнеком.  

Рис. 4. Тарельчатый фильтр: 1 — фильтровальная ячейка; 2 — соединительная трубка; 3 — устройство для устранения трещин в осадке; 4 — устройство для  распределения промывной жидкости; 5 — устройство для удаления осадка; 6 — борт.

5) Карусельный вакуум-фильтр применяется для разделения грубодисперсных суспензий; состоит из ковшей в форме трапецеидальных секторов, собранных на кольцевой раме. Ковши связаны трубками с распределительным устройством, через которое удаляются фильтрат и промывная жидкость. Ковши вращаются вокруг вертикальной оси как единое целое. Каждый ковш состоит из корпуса, образующего вместе с дренажными пластинами и ФП рабочий орган фильтра. Суспензия и промывная жидкость заливаются в ковш сверху. Для выгрузки осадка ковш автоматически поворачивается на 180° над местом выгрузки.

3.Фильтры  периодического действия

К фильтрам периодического действия относятся ёмкостные фильтры, листовые фильтры, фильтрпрессы, патронные фильтры и др.

1)Ёмкостный фильтр применяют для разделения небольших количеств суспензий. Он может работать под вакуумом (нутч-фильтр) и под избыточным давлением (друк-фильтр). Корпус ёмкостного фильтра бывает открытым или закрытым. ФП располагается на перфорированном днище. В верхнюю часть корпуса подаётся разделяемая суспензия. Из нижней части отводится фильтрат. В фильтре с механизированной выгрузкой осадок удаляется через откидное днище, а в фильтре с открытым корпусом – опрокидыванием или вручную. Нутч-фильтры используются для разделения хорошо фильтрующихся, нетоксичных и невзрывоопасных суспензий в малотоннажных производствах.   

2)Листовой фильтр используют для осветления растворов и разделения суспензий, содержащих не более 5% (по объёму) твёрдой фазы. Фильтрующие элементы круглой или прямоугольной формы, обтянутые ФП (обычно тканью), соединены с коллектором для отвода фильтрата. Суспензия подаётся в корпус фильтра. Слой осадка промывается (после удаления из корпуса остатка суспензии). Листовые фильтры бывают вертикальные и горизонтальные. По области применения эти фильтры близки к патронным фильтрам.

3)Патронный фильтр применяют для осветления или сгущения суспензий; работает под вакуумом или под давлением и состоит из корпуса с крышкой и днищем. Внутри находится решётка, на которой закреплена ФП в виде патрона (обычно патронный фильтр имеет несколько десятков таких патронов). Удаление осадка с последней производится обдувкой сжатым воздухом, пневмогидравлическим ударом или с помощью вибрационных устройств.

 Рис. 1. Схема патронного фильтра: 1 — корпус; 2 — фильтровальная перегородка; 3 — крышка; 4 — решётка; 5 — откидное днище.

-Фильтрпрессы.

4)Фильтрпресс (англ. filter-press) — аппарат периодического действия для разделения под давлением жидких неоднородных систем (суспензий, пульп) на жидкую фазу (фильтрат) и твердую фазу (осадок). Фильтрпрессы применяются для фильтрации широкого класса суспензий, а также они пригодны также для разделения суспензий с небольшой концентрацией твердых частиц и суспензий с повышенной температурой, охлаждение которых недопустимо вследствие выпадения кристаллов из жидкости.

• Принцип действия

Движущей силой процесса фильтрации является напор подаваемой в аппарат суспензии. Суспензия под давлением поступает внутрь пакета плотно сжатых фильтровальных плит (плит и рам). Плиты обтягиваются фильтровальной тканью. Частицы твердой фаза задерживаются на поверхности фильтровального полотна, а жидкая фаза свободно проникает через мелкие поры фильтроткани и далее через систему каналов выводится из фильтра.

• Основные параметры

1. Площадь фильтрации у современных фильтрпрессов может достигать значения более 1200 м²

2. Объем фильтровальных камер у современных фильтрпрессов может достигать значения более 30 м³
3. Толщина осадка от 5 до 50 мм
4. Размеры фильтровальных плит, мм: 200х200, 250х250, 300х300, 350х350, 400х400, 450х450, 470х470, 500х500, 630х630, 660x660, 700х700, 711x711, 800х800, 810x590, 815х815, 900х900, 914x914, 930x930, 1000х1000, 1048x1048, 1067x1067, 1092x1092, 1170x865, 1200х1200, 1210x1210, 1250х1250, 1300x1000, 1300х1300, 1320x1320, 1450x1450, 1500х1500, 1600x1600, 1700х1700, 1900x1300, 2000х1500, 2000х2000, 3000х2500, 4000х1700, 4000х2000, 4000х4000, φ800, φ1000 и др.
5. Рабочая температура от — 20 до + 150 °C
6. Давление фильтрации до 3,0 МПа.
7. Давление прессования (отжима) осадка до 6,0 МПа.

• Классификация фильтрпрессов.

Автоматический фильтр-пресс с  верхней подвеской плит, 2008 г.

По  типу фильтровального пакета

• Рамный фильтр-пресс
• Камерный фильтр-пресс
• Мембранный (камерно-мембранный) фильтр-пресс

По  типу привода

• С ручным приводом
• С электромеханическим приводом
• С электрогидравлическим приводом

По  типу подвески плит

• С боковой подвеской  плит
• С верхней подвеской плит

По  расположению плит

• Горизонтальный  фильтр-пресс
• Вертикальный фильтр-пресс

По  типу отвода фильтрата

• С открытым отводом  фильтрата
• С закрытым отводом фильтрата

Рамный фильтр-пресс представляет собой блок чередующихся вертикальных плит и рам, прижатых друг к другу ручным, гидравлическим или электромеханическим зажимом. Рамы образуют в собранном аппарате свободные плоские камеры (карманы) для приёма суспензии. Плиты с рифлёными боковыми поверхностями служат дренирующим основанием для ФП. Под действием избыточного давления фильтрат проходит через ФП, затем стекает по желобкам рифлёных плит и через отводные каналы поступает в сборник. Твёрдые частицы образуют в камерах слой осадка, который удаляется при раздвигании плит. Действие камерного фильтр-пресса подобно работе рамного фильтр-пресса, но он рассчитан на более высокое избыточное давление. Камерный автоматический фильтр-пресс ФПАКМ состоит из расположенных горизонтально на некотором расстоянии одна от другой фильтрующих плит, которые в свою очередь находятся между двумя поддерживающими плитами. Сверху каждая фильтрующая плита покрыта перфорированным листом, над которым находится ФП в виде бесконечной ленты. При сжатии плит между ними образуются камеры, в которые последовательно подаётся из соответствующих коллекторов суспензия, промывная жидкость и сжатый воздух для продувки. Фильтрат проходит через ФП, а твёрдая фаза остаётся на ней в виде осадка. По окончании цикла фильтрования плиты раздвигаются, между ними открывается щель и ФП приводится в движение, вынося осадок наружу, где он снимается ножами. Работа фильтра автоматизирована. Производительность ФПАКМ в 4–10 раз выше производительности рамного фильтра.

Плиточно-рамные (ФПР) и плиточно-камерные (ФПК) фильтрпрессы (рис. 5 и 6) предназначены для разделения средне- и трудно фильтрующихся суспензий из водных и др. невзрывоопасных, инертных и агрессивных сред. Несмотря на не герметичность и невозможность поддержания постоянной рабочей температуры, эти фильтры распространены в промышленности вследствие развитой фильтрующей поверхности, относительно низкой металлоемкости, возможности получения хорошо отмытых и отжатых осадков.

• Особенности фильтрпрессов

Общей особенностью фильтрпрессов  всех конструкций является пакет  фильтровальных элементов - плит (ФПК) или чередующихся плит и рам (ФПР), зажимаемый между неподвижной опорной  и подвижной нажимной массивными жесткими плитами. Фильтровальные элементы опираются спец. кронштейнами на балки-стяжки. Плиты ФПК имеют круглую, квадратную или прямоугольную форму, плиты  ПP - только квадратную либо прямоугольную. Все плиты снабжены рифлениями для стока фильтра и углублениями для накопления осадка, а для подачи и удаления осадка суспензии - сквозными отверстиями. Последние при сборке плит (рам) в пакет образуют каналы для подачи суспензии, промывной жидкости, сжатого газа и отвода фильтратов. На неподвижной плите имеются соответствующие этим каналам отверстия и штуцеры для присоединения трубопроводов. Между плитами (рамами) располагаются полотна ФП, в к-рых также находятся подобные отверстия.

Суспензия по каналу подается под давлением в камеры или рамы до заполнения этого пространства осадком, к-рый при необходимости промывают, подавая промывную жидкость через ткань или по каналу, через к-рый движется суспензия (во MH. горизонтальных фильтрах). Осадок обезвоживают продувкой сжатым газом или отжимом (эластичными диафрагмами из резины либо полипропилена) под  давлением до 1,5 МПа, Выгрузка осадка производится гравитационно (иногда с вибропобуждением) либо при перемещении бесконечной фильтровальной ленты и перегибе ее на роликах с подчисткой ножом. Фильтровальную ткань регенерируют активаторами в заполненной жидкостью камере либо перемещением вдоль фильтра распылит. устройства, вода в форсунки к-рого поступает под давлением до 10 МПа. Большинство фильтрпрессов работает автоматически.

4.Газовые фильтры

Газовые фильтры относятся к непрерывно действующим аппаратам. По устройству их разделяют на фильтры с плоской фильтрующей поверхностью и батарейные.

В зависимости от вида фильтровальной перегородки различают следующие  фильтры для газов:

А) с гибкими пористыми  перегородками из природных, синтетических  и минеральных волокон(тканевые материалы), нетканых волокнистых материалов(войлок, картон и др.), пористых листовых материалов(губчатая резина, пенополиуретан и др.), металлоткани;

К числу наиболее широко применяемых фильтров с гибкими пористыми перегородками относятся рукавные фильтры.

Б) с полужёсткими пористыми  перегородками (слои из волокон, стружки, сеток)

В) с жёсткими пористыми  перегородками из зернистых материалов (пористые керамика, пластмассы, спеченные  или спрессованные порошки металлов и др.);

Используются для сверхтонкой  очистки газов.

Г)с зернистыми слоями из кокса, гравия, кварцевого песка и  др.

Выбор пористой перегородки обусловлен рядом факторов, из которых основными являются: химические свойства фильтруемого газа, его температура, гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки и размеры взвешенных в газе частиц.

Список  используемой литературы.

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80
2. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4772.html
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80-%D0%BF%D1%80%D0%B5%D1%81%D1%81
4. Ветцель Б., Новейшие конструкции фильтров, М., 1965; Фильтры для жидкостей, М., 1965;
5. Плановский А. Н., НиколаевП. И., Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии, 2 изд., М., 1972;
6. http://www.xumuk.ru/bse/2876.html
7. Касаткин А. Г., Основные процессы и аппараты химической технологии, 7 изд., М., 1961;
8. http://otherreferats.allbest.ru/manufacture/00097174_0.html
9. http://www.xumuk.ru/bse/2878.html
10. http://p-hp.ru/?p=40