Процесс фильтрования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федерального Государственного Бюджетного Образовательного Учреждения Высшего профессионального образования

«Волгоградский Государственный Технический Университет»

Контрольная работа

На тему: «Процесс фильтрования»

Выполнил студент группы

ХМВК- 372

Семенченко Д.Ю.

Проверил

Ламскова Мария Игоревна

Волгоград 2015



Содержание

Введение

1. Процесс фильтрования

2. Физический смысл фильтрования

3. Основные уравнения, движущая сила процесса

4. Фильтрующая аппаратура

5. Области применения процессов фильтрования

Заключение

Список используемой литературы



Введение

В тех случаях, когда при разделении суспензий недопустимы потери жидкости с осадком или взвешенные твердые частицы весьма плохо оседают, или же необходимо выделить твердую фазу в виде осадка с некоторым минимальным содержанием влаги, метод отстаивания и декантации неприменим. В этих случаях суспензии разделяют при помощи фильтрования.

Фильтрация находит самое широкое применение в производстве различных веществ и продуктов таких, как полимеры и эластомеры, пищевые продукты, минеральные удобрения, органические вещества, продукты нефтехимического синтеза, синтетические красители и т. д.

Во многих случаях фильтрация является основным процессом, а фильтр основным аппаратом технологической схемы производства, определяющим как качество готовой продукции, так и технико-экономические и экологические показатели в целом. Материалы и вещества, подвергаемые процессу фильтрации, чрезвычайно разнообразны по физическим, физико-химическим и химическим свойствам, а технология производства и аппаратурное оформление получаемых продуктов весьма различны в зависимости от конкретных условий производства и эксплуатации.



1. Процесс фильтрования

Процесс фильтрования основан на задержании твердых взвешенных частиц фильтрующими перегородками, способными пропускать только жидкость и задерживать частицы твердой фазы. При прохождении суспензии через пористую перегородку за счет разности давлений до и после перегородки жидкая фаза проходит через поры перегородки и собирается в виде освобожденного от твердых примесей фильтрата, а твердые частицы задерживаются на поверхности фильтрующей перегородки, образуя слой осадка [1].

Для осуществления этого процесса необходимо создать разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки (движущая сила - ?р), которая создается:

1. гравитацией;

2. избыточным давлением;

3. вакуумом.

В зависимости от величины и способа создания движущей силы различают:

- гравитационные, то есть работающие под наливом - под действием гидростатического давления слоя суспензии (нутч - фильтры) ?р - 1,5 ат.;

- фильтры, работающие при избыточном давлении (фильтр - прессы) ?р до 5 ат.;

- вакуум - фильтры, ?р - 0,85 ат.

По принципу действия все фильтры делятся:

- периодического действия;

- непрерывного действия.

Фильтры периодического действия работают преимущественно при повышенном давлении. К ним относятся рамные и камерные фильтр - прессы, емкостные, листовые, мешочные, патронные фильтры, а также фильтры с зернистым фильтрующим материалом. Осадок из этих фильтров обычно выгружается вручную, что является их существенным недостатком. Устройствами для механического съема осадка снабжены фильтры периодического действия, работающие при избыточном давлении: дисковые фильтр-прессы с центробежным сбросом и удалением осадка (шлама), автоматизированные камерные фильтр-прессы. Фильтры непрерывного действия в подавляющем большинстве случаев работают под вакуумом. К ним относятся вакуум-фильтры барабанные, дисковые, тарельчатые, карусельные и ленточные [1]. Основным конструктивным элементом любого фильтра является фильтровальная перегородка выбор типа которой определяется следующими основными критериями:

- она должна пропускать частицы твердой фазы с возможно наименьшим диаметром;

- должна быть коррозионно-стойкой как к фильтрату, так и к осадку;

- должна быть термостойкой и износостойкой;

- должна обладать достаточной механической прочностью.

В качестве фильтровальных пористых перегородок в фильтрах используют различные ткани, проволочные и полимерные сетки, бумагу, металлические, стеклянные, керамические плоские пористые пластины и полые цилиндры, ионообменные смолы и другое. Достаточно широко используют слои зернистого материала - песка, гравия, угля, древесных опилок и т. п.

В процессе фильтрования на фильтровальной перегородке, имеющей какое-то начальное сопротивление, образуется осадок, создающий дополнительное сопротивление, которое растет по мере роста осадка. Поэтому скорость процесса фильтрования прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна сопротивлению пористой перегородки и осадка. С течением времени толщина осадка увеличивается, возрастает его гидравлическое сопротивление и уменьшается скорость процесса.

Фильтр может работать в следующих режимах:

· при постоянном перепаде давления, что обеспечивается присоединением фильтра к линии вакуума или сжатого газа, ?р - const;

· при постоянной скорости, что обеспечивается подачей суспензии насосами объемного типа (поршневым, шестеренчатым), ?ф - const;

· при переменной скорости и переменном давлении, когда суспензия подается на фильтр центробежным насосом, ?р и ?ф - variet;

· при постоянной скорости в начале, а затем при постоянном давлении, что осуществляется при оснащении фильтра объемным насосом и байпасированием части суспензии по достижении максимально допустимого перепада давления;

· при постоянной скорости и постоянном перепаде давления при промывке осадка чистой жидкостью, ?р и ?ф - const.

газовый фильтр периодический синтетический

2. Физический смысл фильтрования

Сопротивление фильтрующей перегородки равно перепаду давления, который необходимо создать для фильтрования жидкости вязкостью 1Па*с со скоростью 1м/с через перегородку.

Удельное объемное сопротивление осадка равно перепаду давления, который необходимо создать для того, чтобы через слой осадка высотой 1м проходил фильтрат вязкостью 1Па*с со скоростью 1м/с.

Скорость процесса описывается уравнением движения Эйлера, которое для одномерного ламинарного потока принимает форму закона Дарси:

, (1)

где Ro6, R - гидравлическое сопротивления, представляющее общее и отнесенное к единице вязкости суспензии сопротивление движению фильтруемой жидкости через слой осадка и фильтровальной перегородкой (ФП).

Для преодоления гидравлич. сопротивления необходимо создание перепада давления (вакуума под ФП или избыточного давления над ней).

При фильтровании сопротивление R непрерывно возрастает. Зависимость его от удельного объема фильтрата описывается след. уравнением фильтрования:

(2)

где К и n - константы.

Для фиксированных значений n различают 5 видов фильтрования:

· с образованием осадка (n = 0);

· с закупориванием пор образующегося осадка (0,5);

· промежуточное (1,0);

· с постепенным закупориванием пор ФП (1,5),

· с полным закупориванием пор ФП (2,0).

Для часто применяемого режима фильтрования при = const и R ~ 0 уравнение (2) после преобразований принимает вид

(3)

Наиболее распространенным в химической технологии видом разделения суспензий является фильтрование с образованием осадка, описываемое следующим уравнением:

или

, (4)

где - удельное объемное сопротивление осадка (сопротивление единицы объема осадка высотой 1м., отложенного на ФП площадью 1м2) и толщина его слоя (в м.);

- соотношение объемов осадка и фильтрата;

A = 2 (при =const) и А = 1 (при v= const).

Параметр - функция пористости , диаметра (d)и уд. поверхности (Sч) твердых частиц, их концентрации (с) в суспензии и :

,

где s и s'- константы. Иногда вместо используют другой параметр - массовое уд. сопротивление осадка:

,

где q = m/V.

Уравнение (4) при R0 = 0 является частным случаем уравнения (3). Последнее в форме V'= с достаточной для технических расчетов точностью описывает кинетику фильтрования и позволяет в определенных пределах экстраполировать экспериментальные данные; показатель степени b от 0,3 до 1,0. При условии, что концентрация твердой фазы в суспензии не изменяется (c1 =const), справедливы также модификации уравнения (3) для толщины слоя и массы осадка:

и ,

где V'0, и -уд. объем фильтрата, толщина слоя и уд. масса осадка (mос/S), полученные за единицу времени.

Фильтрование можно интенсифицировать путем повышения температуры суспензии, давления (ограничения - сжимаемость осадка, конструктивные возможности фильтра, прочность ФП), уменьшения толщины слоя осадка (ограничение - условия его съема), рационального подбора ФП и способа ее регенерации, а также снижением уд. сопротивления осадка. Последнее наиболее эффективно, так как обратно пропорционально квадрату диаметра твердой частицы и достигается применением коагулянтов и флокулянтов и рациональным приготовлением суспензии. Продолжительность фильтрования находят из уравнения:

(5)

или из уравнения (3) и его аналогов:

(6)

3. Основные уравнения, движущая сила процесса

Фильтрование протекает в ламинарной области, что означает небольшой размер пор в слое осадка и фильтровальной перегородке, а также малую скорость движения жидкой фазы в порах. При таком условии скорость фильтрования в каждый данный момент прямо пропорциональна разности давлений, но обратно пропорциональна вязкости жидкости фазы и общему гидравлическому сопротивлению слоя осадка и фильтровальной перегородки.

Основное дифференциальное уравнение фильтрования имеет вид:

(1)

где V ? объем фильтрата, м3;

S ? поверхность фильтрования, м2;

Roc ? сопротивление слоя осадка;

Rфп ? сопротивление фильтровальной перегородки.

В данном уравнении разность давлений представляет собой движущую силу, а общее сопротивление складывается из сопротивлений осадка (Roc) и фильтровальной перегородки (Rфп). Сопротивление осадка Roc тем больше, чем меньше пористость осадка и больше удельная поверхность составляющих его твердых частиц; на величину Roc влияют также размер и форма частиц. Сопротивление фильтровальной перегородки Rфп можно считать величиной постоянной, пренебрегая ее увеличением вследствие закупоривания пор перегородки твердыми частицами. Обозначим отношение объема осадка к объему фильтрата через xo. Тогда объем осадка будет равен xoV.

Вместе с тем объем осадка может быть выражен произведением hoc S, где hoc - высота слоя осадка, м. Следовательно, толщина слоя осадка на фильтровальной перегородке составит:

(2)

Сопротивление слоя осадка:

(3)

где ro ? удельное объемное сопротивление слоя осадка, м-2.

Подставив значение Roc из равенства в уравнение, получим:

(4)

Уравнение фильтрования при постоянной разности давлений

Предположим, что процесс фильтрования протекает при постоянной разности давлений (?р = const) и постоянной температуре (t = const). Тогда все входящие в уравнение величины, за исключением V и постоянны. Интегрируя это уравнение в пределах от 0 до V и от 0 до получим:

(5)

Или:

(5.1)

где ro ? удельное объемное сопротивление слоя осадка, м-2;

xo - отношение объема осадка к объему фильтрата.

Разделив обе части уравнения, получим:

(5.2)

Полученное уравнение показывает зависимость продолжительности фильтрования от объема фильтрата. Решая его относительно V, получим зависимость объема фильтрата от продолжительности фильтрования. Это уравнение применимо к несжимаемым и сжимаемым осадкам, поскольку при р = const величины rо и xo также постоянны.

Уравнение фильтрования при постоянной скорости процесса

Для фильтрования при постоянной скорости производную dV/d можно заменить отношением конечных величин V/. Решая уравнение относительно р, находим:

(6)

Умножив и разделив первое слагаемое правой части этого уравнения на и приняв во внимание, постоянную скорость фильтрования, получим:



(6.1)

Уравнение показывает, что при постоянной скорости фильтрования

(W = const) разность давлений возрастает по мере увеличения продолжительности фильтрования. Это уравнение применимо к несжимаемым осадкам; при использовании его для сжимаемых осадков следует иметь в виду зависимость удельного сопротивления осадка от разности давлений.

Уравнение фильтрования при постоянных разности давление и скорости.

Такой вид фильтрования осуществим, если чистая жидкость фильтруется сквозь слой осадка неизменной толщины при постоянной разности давлений. Промывку осадка на фильтре способом вытеснения, когда над осадком находится слой промывной жидкости, можно рассматривать как фильтрование промывной жидкости сквозь слой осадка неизменной толщины при постоянной разности давления и скорости. Приняв в уравнении толщину слоя осадка на фильтре и заменив в нем dV/d на постоянное значение V/, при р = const найдем

(7)

Это уравнение дает зависимость объема фильтрата от продолжительности фильтрования, чистой жидкости.

Поскольку в рассматриваемом случае ?р = const, уравнение применимо для несжимаемых и сжимаемых осадков.

Из основного уравнения фильтрования следует, что при прочих равных условиях скорость фильтрования тем больше и производительность фильтра тем выше, чем меньше объем полученного фильтрата или пропорциональная этому объему толщина слоя осадка на фильтровальной перегородке. Поэтому для повышения производительности фильтра необходимо стремиться к возможно быстрому удалению осадка с фильтровальной перегородки.Из основного уравнения фильтрования следует, что при прочих равных условиях скорость фильтрования тем больше и производительность фильтра тем выше, чем меньше объем полученного фильтрата или пропорциональная этому объему толщина слоя осадка на фильтровальной перегородке. Поэтому для повышения производительности фильтра необходимо стремиться к возможно быстрому удалению осадка с фильтровальной перегородки.

Движущей силой процесса фильтрации является разница давлений потоков вещества до фильтра и после него. В случаях, когда давление нагнетается посредством насоса, процесс фильтрования осуществляется под действием перепада давления.

Чтобы жидкость могла пройти через фильтровальную перегородку, необходимо создать разность давлений между пространством сосуда над перегородкой и пространством под ней.

Это реализуется несколькими способами:

· за счет массы самой жидкости;

· суспензия нагнетается жидкостным насосом (разность давлений составляет 0,5 МПа);

· подается сжатым воздухом (разность давлений - 0,03-0,5 МПа);

· подается центробежным насосом;

· во второй части сосуда создается вакуум (разность давлений - 0,05-0,09 МПа).

По мере фильтрования на перегородке накапливается осадочный слой. Из-за чего сопротивление потоку жидкости растет, и объем фильтрата уменьшается. В такой ситуации вырабатывать одинаковое количество фильтрата за единицу времени можно только при постоянном увеличении разницы давлений [2].



4. Фильтрующая аппаратура

По технологическому признаку фильтрующую аппаратуру подразделяют на газовые фильтры (предназначенные для очистки газов), жидкостные фильтры (предназначаемые для разделения суспензий) и фильтрующие центрифуги (также предназначаемые для разделения суспензий) [1].

Газовые фильтры

Все газовые фильтры относятся к непрерывно действующим аппаратам. Однако работа этих фильтров через определенные (длительные) промежутки времени прерывается для очистки или замены фильтрующего материала. По устройству газовые фильтры могут быть подразделены на фильтры с плоской фильтрующей перегородкой и батарейные фильтры. Примером газового фильтра с плоской фильтрующей перегородкой может служить аппарат, изображенный на рис. 1. Он представляет собой емкость 1, заполненную либо мелкозернистым, либо спрессованным волокнистым фильтрующим материалом. В первом случае на перфорированную решетку 3 насыпают песок, кварц и т. п. («насыпная» фильтрующая перегородка 2). Во втором случае на опоры в емкости укладываются две скрепленные между собой перфорированные решетки, между которыми зажат спрессованный волокнистый материал, например, асбестовое волокно, вата и т. п. Газовый поток проходит через фильтрующую перегородку и очищается от взвешенных в нем частиц. Через определенные промежутки времени фильтр выключают, и фильтрующий материал очищают или заменяют новым.



1 - емкость, 2 - фильтрующая перегородка, 3 - перфорированная решетка

Рисунок 1 - Газовый фильтр с плоской фильтрующей перегородкой

Батарейный фильтр.

Батарейный фильтр с тканевыми фильтрующими элементами, по форме фильтрующих элементов получивший название рукавного фильтра, изображен на рис. 2. Газовый поток вводится в фильтр и распределяется по фильтрующим элементам-рукавам 1. Отфильтрованный газ удаляется через газоход, а взвешенные в нем частицы оседают на внутренней поверхности фильтрующих элементов.



1 - рукава, 2 - встряхивающее устройство, 3 - шнек

Рисунок 2 - Рукавный фильтр

Для удаления осевшей пыли имеется специальное приспособление 2, встряхивающее фильтрующие элементы. Пыль сбрасывается в нижнюю часть фильтра и удаляется из аппарата шнеком 3. Батарейный фильтр с фильтрующими элементами из твердого пористого материала - патронный фильтр - показан на рис. 3. В качестве фильтрующего материала используют пористую керамику, пористые пластические массы, спрессованные металлические зерна и т. п. Фильтрующие элементы выполняют либо в виде труб, либо в виде соединенных одна с другой деталей, имеющих форму усеченных конусов с каналом по оси.

Газовый поток проходит через фильтр, как показано на рис. 3. Взвешенные в газе частицы оседают в порах фильтра и периодически удаляются выдуванием обратным потоком газа или промывкой.



1 - крышка, 2 - корпус, 3 - керамический патрон, 4 - откидная крышка, 5 - прокладка, 6 - стягивающий болт

Рисунок 3 - Газовый патронный фильтр

Жидкостные фильтры. Фильтры периодического действия.

Жидкостные фильтры делятся на периодически действующие и непрерывно действующие. К основным типам периодически действующих жидкостных фильтров относятся фильтры с плоской горизонтальной фильтрующей перегородкой, намывные батарейные и многокамерные. Важнейшими типами непрерывно действующих фильтров являются, барабанные, дисковые, карусельные и ленточные.

Нутч-фильтр.

В простейшем фильтре с плоской горизонтальной фильтрующей перегородкой и качестве фильтрующей перегородки используют насыпные материалы (песок, гравий и т. д.), ткани (сукно, бельтинг, стекловолокно), твердые пористые материалы (пористые керамические плитки), перфорированные листовые пластические материалы и т. п. (рис. 4).

1 - фильтрующая перегородка, 2 - сборник фильтрата, 3 - мановакуумметр, 4 - 6 - патрубки (4 - для сжатого воздуха, 5 - для сообщения с атмосферой, 6 - для соединения с вакуум-линией)

Рисунок 4 - Нутч-фильтр

Фильтры рассматриваемого типа могут работать как под вакуумом, так и под давлением. В первом случае их выполняют открытыми; объем аппарата под фильтрующей перегородкой 1 сообщается со сборником фильтрата 2, а последний - с вакуум-линией. Таким образом, под фильтрующей перегородкой создается необходимое для проведения процесса разрежение. Фильтрат собирается в сборник 2, осадок, образующийся на фильтре, выгружают вручную. Фильтры, имеющие плоскую фильтрующую перегородку и работающие под вакуумом, называют нутч-фильтрами. При фильтровании суспензий, образующих осадок с большим удельным сопротивлением, фильтры работают не под вакуумом, а под давлением. Они выполнены в виде цилиндрической емкости со сферической крышкой и днищем. После загрузки в аппарат суспензий над ней создают давление, подавая в аппарат сжатый воздух или сжатый инертный газ, и ведут фильтрование этого газа под давлением. По окончании фильтрования аппарат сообщают с атмосферой при помощи крана, крышку снимают и полученный осадок выгружают вручную. На цилиндрической части некоторых фильтров имеются специальные люки для выгрузки осадка.

Рамный фильтрпресс.

Рамный фильтрпресс изображен на рис. 6.

1 - упорная плита, 2 - рама, 3 - плита, 4 - фильтрующая ткань, 5 - подвижная концевая плита, 6 - горизонтальная направляющая, 7 - зажимной винт, 8 - станина, 9 - желоб для сбора фильтрата или промывающей жидкости

Рисунок 6 - Рамный фильтрпресс

Блок этого фильтра состоит из рам и плит (рис. 7) с зажатой между ними фильтрующей тканью. Каждая рама и плита имеют каналы 3 и 4 для ввода суспензии и промывающей жидкости. На поверхности плит имеются дренажные каналы 5 и сборные каналы 6, которые сообщаются с отводным каналом 7.



1 - рама, 2 - плита, 3 - каналы для ввода суспензии, 4 - каналы для ввода промывающей жидкости, 5 - дренажные каналы, 6 - сборные каналы, 7 канал для отвода фильтрата или промывающей жидкости

Рисунок 7 - Рама(а) и плита(б) рамного фильтрпресса

При фильтровании (рис. 7, а) суспензия под давлением вводится через каналы 3 в рамах и плитах, образующие в блоке сплошной канал, и распределяется по всем рамам. После фильтрования через ткань фильтрат стекает по дренажным и сборным каналам в плитах и удаляется через отводные каналы. При промывке осадка (рис. 7, б) промывающая жидкость под давлением вводится через каналы 4, распределяется по рамам и, проходя путь, указанный стрелками, промывает осадок, затем удаляется из фильтра через отводные каналы. Для обеспечения указанного направления движения потока промывающей жидкости отводные каналы всех нечетных плит блока должны быть закрыты. Схема работы рамного фильтрпресса показана на рисунке 8.



1 - рама, 2 - плита, 3 - канал для суспензии, 4 - канал для промывающей жидкости

Рисунок 8 - Схема работы рамного фильтрпресса (а - фильтрование; б промывка осадка)

Рамные фильтпрессы значительно проще и дешевле камерных; рамы и плиты легко выполняются из различных материалов, в частности из дерева. Благодаря этому рамные фильтрпрессы получили широкое распространение в промышленности. К общей оценке их можно добавить, что они имеют такую же высокоразвитую фильтрующую поверхность, как и батарейные намывные фильтры, но изготовление их значительно проще и дешевле. К основным недостаткам камерных и рамных фильтрпрессов относится неудобство выгрузки осадка: блок плит и рам разбирают, каждую раму в отдельности вынимают из блока и разгружают вручную [1].

5. Области применения процесса фильтрования

Фильтрация находит самое широкое применение в производстве полимеров и эластомеров, пищевых продуктов, минеральных удобрений, органических веществ, продуктов нефтехимического синтеза, синтетических красителей и т. д. Рассмотрим некоторые примеры использования процесса фильтрации.

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых или жидких веществ, удаление которых отстаиванием затруднено. Разделение проводят при помощи пористых перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих диспергированную фазу. Процесс идет под действием гидростатического давления столба жидкости, повышенного давления над перегородкой или вакуума после перегородки.

В аптечной практике к фильтрации прибегают при необходимости удаления из растворов посторонних механических примесей, весьма незначительных по величине, которые могут попасть в раствор в случае загрязненности растворяемых веществ, растворителей и приборов. Значительно реже к фильтрации прибегают с целью освободить жидкость от осадка.

Нефтепродукты, применяемые в качестве смазочного материала, являются устойчивыми к внешним воздействиям, но в ходе длительной эксплуатации под влиянием неблагоприятных условий работы индустриальные масла могут сильно меняться, вплоть до глубоких химических превращений. Поэтому, во время эксплуатации индустриальные масла должны подвергаться периодической фильтрации, что, во-первых, предохраняет смазываемые поверхности от механических повреждений, а, во- вторых, продлевает срок службы нефтепродукта и др.



Заключение

Области применения процессов фильтрации в химической и смежных отраслях промышленности весьма обширны.

Для осуществления этого процесса необходимо создать разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки (движущая сила - ?р), которая создается:

1. гравитацией;

2. избыточным давлением;

3. вакуумом.

По принципу действия все фильтры делятся:

- периодического действия;

- непрерывного действия.

Фильтрующую аппаратуру подразделяют на газовые фильтры (предназначенные для очистки газов), жидкостные фильтры (предназначаемые для разделения суспензий) и фильтрующие центрифуги (также предназначаемые для разделения суспензий)

Наиболее оптимальным вариантом является фильтрование с образованием осадка, в процессе чего не происходит закупоривание пор фильтровальной перегородки твердыми частицами с соответствующим увеличением ее сопротивления.

Из различных видов фильтров в настоящее время широкое распространение в промышленности получили рамные фильтрпрессы. Они имеют такую же высокоразвитую фильтрующую поверхность, как и батарейные намывные фильтры, но изготовление их значительно проще и дешевле.



Список используемой литературы

1. Дахин, О.Х. Фильтры: учебное пособие/ О. Х. Дахин, Н. О. Сиволобова ; ВолгГТУ. - Волгоград, 2006. - 64 с.

2. Жужиков, В. А. Фильтрование. - М.: Химия, 2001. - 420 с.

3. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия. 1973 - стр. 186 - 210.

4. Кольчурина, И.Ю. Основы гидрометаллургии/ И .Ю. Кольчурина [и др.]; под ред И.Ю. Кольчуриной - Новокузнецк: СибГИУ, 2008. - 226 с.

Размещено на Allbest.ur