Процесс очищения суспензий - фильтрование

План

 

1. Введение
2. Фильтрование
3. Разные способы фильтрования
4. Технологический расчет фильтрующих аппаратов
5. Энергетический расчет фильтрующих аппаратов
6. Расчет барабанного вакуум-фильтра
7. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Практически все вещества в природе встречаются преимущественно в виде смесей, абсолютно чистых веществ не бывает, даже чистейшее золото 999-й пробы содержит примеси. Однако понятие «чистое вещество» не лишено смысла. Под этим понятием в химии подразумевают вещество, не содержащее примесей и обладающее постоянством физических и химическихсвойств. В данном случае имеют в виду вещество, содержание примесей в котором настолько мало, что ими можно пренебречь, так как они не оказывают никакого влияния на свойства вещества. Примерами чистых веществ можно считать поваренную соль, соду, сахар, дистиллированную воду. Существуют различные способы деления смесей. Один из способов разделения неоднородных смесей – фильтрование.

Рис. 1.1.

отделить песок от воды, применяют метод фильтрования. Смесь наливают на специальный бумажный фильтр, который легко пропускает мелкие частицы раствора, но в то жевремя не пропускаетгораздо большие по размеручастицы песка. Таким образом, песок остается нафильтровальной бумаге, а прозрачный раствор из поваренной соли проходит через фильтр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фильтрование

 

Фильтрование - процесс очищения суспензий (суспензия или взвесь называется смесь веществ, в которой  твёрдое вещество распределено в  виде мельчайших частичек в жидком веществе во взвешенном состоянии) и  аэрозолей (аэрозоль - гетерогенная система, которая состоит из мелких твёрдых  или жидких частиц, взвешенных в  газовой среде (обычно в воздухе) от твердых фракций. Метод основан на пропускании жидкости или газа через фильтровальную перегородку, на которой задерживаются твердые вещества.

Фильтрование происходит в специальных агрегатах –  фильтрах. Наряду с термином "фильтрование" существует и термин "фильтрация". Рассмотрим один из видов фильтрования на примере разделения суспензий (взвесей). При фильтровании суспензий твердые  частицы задерживаются на фильтровальной перегородке и образуют, таким  образом, слой влажного осадка, который  по необходимости промывается водой  и др. жидкостями или просушивается.Твёрдые  фракции высококонцентрированных (вязких) и наоборот мало концентрированных  суспензий проникают в поры фильтровальных перегородок, забивая их. Для того чтобы поры фильтров закупоривались медленнее, применяют вспомогательные  вещества (диатомит, перлит, асбест, целлюлозу  и др.), которые можно добавить в суспензию или нанести на фильтровальную перегородку.Вспомогательный материал образует защитную пленку над порами, в результате фильтр забивается меньше. Фильтруемая жидкость при движении через слой осадка и фильтровальные перегородки встречает гидравлическое сопротивление, для преодоления которого необходимо создание перепада давления (вакуума под фильтровальной перегородкой или избыточного давления над ней). При постоянном перепаде давления скорость фильтрования падает по мере увеличения толщины слоя осадка и, следовательно, возрастания гидравлического сопротивления. В случае подачи суспензии на фильтровальные перегородки поршневым насосом, фильтрование происходит при непрерывном росте перепада давления с постоянной скоростью. Если же суспензия подаётся центробежным насосом, изменяются непрерывно как перепад давления, так и скорость фильтрации. С повышением температуры скорость фильтрования возрастает благодаря понижению вязкости суспензии.

Фильтратом называется жидкость, полученная в процессе фильтрования.

Существует 3 вида фильтрования:

1. Разделение суспензий  – процесс отделения твердых  фракций, которые задерживаются  на фильтровальной перегородке,  а жидкость при этом проходит  и собирается в сосуд;

2. Сгущение суспензий – процесс повышения концентрации твердой фазы, при помощи удаления некоторой части жидкости через фильтровальную перегородку;

3. Осветление жидкостей – процесс очищения жидкости от небольшого количества твердых фракций, содержащихся в них.

Осадки, образующиеся при  фильтровании, разделяют на несжимаемые  и сжимаемые.Примером несжимаемых осадков могут служить частицы песка, кристаллы карбоната кальция, их пористость в не меняется процессе фильтрования. Примером сжимаемых осадков могут служить осадки гидроокисей металлов, их пористость уменьшается при фильтровании. Сжатие осадка ведет к повышению гидравлического сопротивления, как следствие уменьшается скорость фильтрования. Для повышения пористости осадков к суспензиям добавляют реагенты (коагулянты и флокулянты), которые способствуют агрегированию мелких частиц. Фильтрация является эффективным методом разделения жидких неоднородных систем (взвесей, коллоидных растворов). Метод широко применяется в различных сферах промышленности (в химической, пищевой, нефтеперерабатывающей, горнорудной и др.), а также в лабораториях. Способ фильтрации также используется для очистки газообразных сред от жидких и твердых фракций.

 

Разные способы фильтрования

 

При разделении суспензий, в  зависимости от их свойств и вида фильтровальной перегородки, фильтрование может происходить с образованием осадка на поверхности перегородки или с закупориванием ее пор. Кроме описанных двух случаев фильтрования имеется промежуточный, при котором имеет место как проникновение осадка в капилляры и их закупоривание, так и образование слоя осадка.

Фильтрование  с закупориванием пор (рис.1.2а) происходит, когда твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки. Это явление наблюдается уже в начальный период процесса фильтрования, что снижает производительность фильтра.

Фильтрование  с образованием осадка (рис.1.2б) происходит в тех случаях, когда диаметр частиц больше диаметра пор перегородки, в результате чего только первые порции фильтрата уносят с собой небольшую часть твердой фазы,прошедшую через фильтр. В дальнейшем отверстия перекрываются сводами из частиц. Образуется осадок, толщина которого увеличивается по мерепродолжения процесса фильтрования. И он начинает играть основнуюроль призадержании последующих частиц, размеры которых

 

Рис. 1. Виды фильтрования:

а) с закупориванием пор  б) с образованием осадка

1 – частицы твёрдого  материала, 2 – фильтровальная перегородка,

3 – поры фильтровальной  перегородки

больше размеров капилляров осадка. По мере роста толщины слоя осадка увеличивается сопротивлениефильтрованию  и уменьшается его скорость, которая  определяется перепадомдавления перед  и после фильтрующей перегородки, т.к. только при выполненииэтого  условия процесс будет осуществляться.

Промежуточный вид  фильтрования имеет место в случае одновременного закупоривания пор фильтровальной перегородки и отложения осадка на ееповерхности.Таким образом, тип фильтрования зависит от свойств суспензии, фильтрующей перегородки, давления фильтрования. Поэтому одна и та же суспензияможет фильтроваться при соответствующих условиях различно.

 

 

Технологический расчет фильтрующих аппаратов

 

Технологический расчет включает материальный баланс процесса фильтрования и определение количеств материальных потоков, а также определение: 1) соотношение  объемов осадка и фильтрата; 2) объема осадка на 1м² поверхности фильтра; 3) времени фильтрования; 4) скорости фильтрования; 5) площади поверхности фильтрования; 6) расхода промывной воды и времени промывки осадка.

Материальный  баланс процесса фильтрования. Материальный баланс составляется для определения производительности фильтра по осадку, фильтрату или суспензии.

Уравнение материального  баланса имеют следующий вид:

1. для всей системы

(1.1)

2. для твердой фазы

(1.2)

Массовая доля твердой  фазы в суспензии или осадке при  заданном соотношении жидкой и твердой  фаз определяется по формуле

n = Ж:Т=(1x)/x.    (1.3)

Совместным решением уравнений (1.1) и (1.2) определяют количество влажного осадка и фильтрата.

Количество твердого вещества, содержащегося в суспензии:

G_T= G_сx_с     (1.4)

Количество жидкой фазы в  суспензии:

G_Ж= G_сG_т    (1.5)

Количество осадка:

G_ос= G_Cx_C/x_оc    (1.6)

Количество твердой фазы в осадке:

G_T=_сx_оc    (1.7)

Количество жидкой фазы в  осадке:

G_Ж= _осG_T    (1.8)

Количество фильтрата:

G_ф= G_сG_ос    (1.9)

Полученные данные сводятся в таблицу материального баланса.

Для дальнейших расчетов необходимо определить:1)обьемную производительность фильтра по фильтрату 

V_ф=G_ф/ρ_ф      (1.10)

И по осадку

V_оc= G_ос/ρ_ос     (1.11)

2. Соотношение обьемов осадка и фильтрата

u= V_оc / V_ф     (1.12)

Величину u можно определить также по формулам

u =     (1.13)

 

или

n =     (1.14)

где α=ρ_ф/ρ_т.

 

Плотность влажного осадка:

(1.15)

Выбор толщины слоя осадка на фильтре зависит от типа аппарат, характера и удельного сопротивления  осадка и способа его сьема. Значения минимальной толщины слоя осадка для фильтров непрерывного действия приведены в табл. 4.2. Для аппаратов  периодического действия рекомендуются  следующие толщины слоя осадка: 1) нутч-фильтры вакуумные δ = 100 ÷ 250 мм; 2) фильтр-прессы δ = 30 ÷ 45 мм.

Таблица 1.1

Минимальная толщина  слоя осадка δ (в мм) для фильтров непрерывного действия.

Фильтр	Зернистый рассыпчатый слой	Прочный, маловлажный слой	Непрочный влажный слой	Липкий слой
Барабанный с наружной фильтрующей поверхностью	8	5	8	10
Барабанный с внутренней фильрующей поверхностью	8	6	-	-
Дисковый	10	8	10	12
Ленточный	6	4	8	-
Тарельчатый	16	16	-	-

 

При расчете дисковых и  барабанных вакуум-фильтров задают частоту  вращения; толщина слоя осадка является величиной определяемой. Табл. 4.2 служит для контроля расчета (минимальную  толщину слоя осадка диктуют условия  сьема осадка – нож, валики, смыв и т. д.).

Если F = 1 м², то обьем осадка

V_oc = Fδ = 1∙δ     (1.16)

а масса осадка

G_oc = V_ocρ_oc = δρ_oc    (1.17)

Промышленное фильтрование проводят чаще всего при постоянной скорости фильтрования или при постоянном давлении.

При Δp = constосновное уравнение фильтрования, определяющее скорость фильтрования,

(1.18)

Примет вид

V² +    (1.19)

где R_a/(r_оu) = C – константа фильтрования, характеризующая гидравлическое сопротивление фильтрующих перегородки, м³/м²; 2Δp/(μ_фr_оu)= K – константа фильтрования, учитывающая режим процесса и физико-химические свойства осадка и жидкости, м²/с.

При r_o/R_u>10³производительность фильтра по фильтрату выразится уравнением

V = F    (1.20)

Из этого уравнения  с достаточной степенью точности можно определить необходимую поверхность  фильтрования

F = V /    (1.21)

или время фильтрования при  F = 1 м²

(2Δp)    (1.22)

Для барабанных и дисковых вакуум-фильтров время фильтрования можно определить по формуле

(1.23)

Здесь φ₁ – угол погружения барабана (диска) в суспензию, грал; n – частота вращения барабана (дисков), об/мин.

Скорость фильтрования в  конце процесса определяется по формуле

W_кон =     (1.24)

Если известна константа  фильтрования К, то удельное сопротивление осадка r_oможет быть найдено по уравнению

(1.25)

где m' – масса влажного осадка в рассчете на 1 кг содержащегося в нем сухого вещества, кг/кг.

При отсутствии экспериментальных  данных удельное сопротивление осадка можно определить по эмпирической формуле

= 0,69 ∙ 10⁸Δp^0,33    (1.26)

Скорость промывки осадка W_пр определяется соотношением

W_пр= W_конμ_ф/μ_пр     (1.27)

Длительность периода  промывки:

τ_пр=     (1.28)

Расход промывной воды:

= m     (1.29)

Где m– удельный расход воды на промывку осадка, кг воды/кг осадка.

 

 

Энергетический расчет фильтрующих аппаратов

 

Энергетический расчет выполняется  для определения затрат электроэнергии на приведение в движение вражающих  частей фильтра (барабана, дисков, ленты  и др.), для создания вакуума и  давления.

Рассмотрим определение мощности привода барабана (дисков) вакуума-фильта. Мощность привода расходуется на преодоление моментов сопротивлений, которвые возникают из-за неуравновешенности слоя осадка. Принимаем, что неуравновешенность создается за счет отсутствия осадка на 0,25 фильтрующей поверхности. Тогда

(α/2)g    (4.30)

Здесь – масса неуравновешенного осадка, кг; r – расстояние от центра тяжести неуравновешенной чати барабана или диска, м; α – угол сектора неуравновешенной части осадка, град; g – ускорение свободного падания, м/с².

 

После преобразования формула (4.30) принимает вид:

1. для барабанного фильтра

(4.31)

где l, D – длина и диаметр фильтра, м; δ – толщина слоя влажного осадка, м; ρ – плотность влажного осадка, кг/м³;

2. для дискового фильтра

(4.32)

гдеi – число дисков.

Момент сопротивления  среза осадка для барабанного  фильта:

.     (4.33)

Здесь 0,2 ÷0,3 – коэффициент трения; k = 3∙10⁴÷7∙10³ – сопротивление среза  осадка, Па; l – ширина ножа, м; D – диаметр барабана или диска, м.

 

Момент сопротивления от трения торца вала фильтра о распределительную головку:

.     (4.34)

где z– число распределительных головок; = 0,12 – коэффициент трения головки о торец вала, Па; ρ₀= ρF – давление прижима головки к торцу вала, Па; p = 60 000 – удельное давление, Па; F = 0,06 – площадь трения торца вала (берется по чертежу), м²; – радиус трения торца вала (берется по чертежу), м.

Формула для преопределения:

= 0,33.    (4.35)

 

гдеd₁ и d₂ – наружный и внутренний диаметры вала фильтра (для пустотелого вала).

Момент сопротивления  от трения в подшипниках вала фильтра:

M₄ = f₃G_барd_цg/2     (4.36)

Здесь f₃ ≈ 0,1 – коэффициент трения в подшипниках вала; G_бар= 100 000 –сила давления на подшипники вала от массы всего барабана (или дисков), вала и осадка; H; d_ц= 50 ÷ 80 –диаметр цапфы вала (берется по чертежу), м.

Суммируем все моменты  сопротивления:

(4.37)

Мощность привода барабана (дисков):

N = 1,15n    (4.38)

где n – частота вращения вала фильтра, c^-1; η – к. п. д. привода вала.

 

 

Расчет барабанного  вакуум-фильтра

 

Рассчитать и подобрать  по каталогу барабанный вакуум-фильтр с наружной фильтрующей поверхностью для фильтрования суспензии асбестового  шлама при следующих условиях.

1. Производительность фильтра по осадку G_oc = 2,78 кг/с.
2. Влажность осадка w = 40% (по массе).
3. Содержание твердой фазы в суспензии x = 20% (по массе).
4. Перепад давления при фильтровании и промывке ∆P = 80 кПа.
5. Удельное сопротивление осадка r = 5∙10¹⁰ Па∙с/м².
6. Сопротивление фильтрующей перегородки R_п = 1∙10⁶ Па∙с/м.
7. Динамический коэффициент вязкости фильтрата μ_ф = 0,9∙10^-3.
8. Плотность твердой фазы ρ_т = 2500 кг/м³.
9. Плотность жидкой фазы ρ_ф = 1000 кг/м³.
10. Динамический коэффициент вязкости промывной жидкости (воды) при температуре 20 ^оС μ_пр = 1∙10^-3 Па∙с.
11. Удельный расход промывной жидкости m = 3,6 кг/кг осадка.
12. Угол зоны фильтрования φ_ф = 135^о.
13. Частота вращения барабана n = 0,5 об/мин.

Производительность фильтра  по суспензии определяем по формуле (1.2):

 

Содержание твердого вещества в суспензии:

 

Содержание жидкой фазы в  суспензии:

 

Производительность фильтра  по фильтрату:

 

Содержание жидкой фазы в  осадке:

 

Составляем таблицу материального  баланса 1.1.

Таблица 1.1

Материальный  баланс процесса фильтрования

Приход, кг/с		Расход, кг/с
С суспензией В том числе: твердая фаза жидкая фаза	8,34   1,668 6,672	С осадком В том числе: твердая фаза жидкая фаза С фильтратом	2,78   1,668 1,112 5,56
Всего	8,34	Всего	8,34

 

Плотность осадка (формула 1.15):

 

Плотность суспензии определяем по формуле ().

 

Объем осадка:

 

Объем фильтрата:

 

Соотношение объемов осадка и фильтрата:

 

Длительность периода  фильтрования:

 

Производительность по фильтрату  за один оборот:

 

Так как r/R_п>10³, необходимую площадь поверхности фильтрования определяем по формуле (1.20):

 

 

В соответствии с (1.8) принимаем к установка, исходя из производственных условий, барабанный вакуум-фильтр марки БОУ 20-2,6 со следующей характеристикой: площадь поверхности фильтрования 20 м²; диаметр барабана 2,6 м; длина барабана 2,7 м; угол погружения барабана в суспензию 149^о; угол зоны фильтрования φ_ф = 132^о; угол зоны предварительной сушки осадка ; угол зоны промывки и окончательной сушки осадка φ_пр + ; угол зоны отдувки перед снятием осадка φ_о = 20^o; угол зоны регенерации φ_р = 20^o; мертвые зоны ; число ячеек барабана 24.

Толщина слоя осадка определяется из соотнешения

 

где - объем осадка одного фильтра; – площадь поверхности фильтрования; – частота вращения барабана.

Скорость фильтрования определяется по формуле (1.25):

 

Скорость промывки осадка определяется по формуле (1.27):

 

Расход промывной воды:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1.  Айнштейн А.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: Книги 1 и 2. – М.: Высшая школа, 2003. – 1757с.

2.  Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник. – М.: Химия, 1977. – 729с.

3.  Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Книги. 1 и 2. – М.: Химия, 1981. – 810с.

4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие – изд. 9-е, доп. и перераб. – Л.: Химия, 1981. – 558с.

5. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. – Л.: Химия, 1991.–352 с.