Фильтрование: понятие и классификация

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема 3. Фильтрование

Фильтрованием называется процесс истечения жидкости через слой осадка под действием разности давлений. Схема процесса фильтрования: в общем случае имеет вид (рис. 4.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Под действием разности давлений ДР = Р1 - Р2 жидкость проходит через поры ткани, а твердое задерживается. С течением времени высота слоя суспензии Н будет уменьшаться, а толщина осадка h увеличиваться. Фильтрование будет идти, пока Н=0. В этот момент h будет max. Толщина фильтровальной ткани постоянна. При ламинарном режиме течения жидкости по капиллярам скорость фильтрации определяется по закону Дарси:

W = K j,

где К - коэффициент фильтрации, j - гидравлический градиент.

j = ДР / дж h.

Здесь ДР - перепад давлений на входе и выходе из пористого слоя (сопротивление пористого слоя); h - высота слоя материала.

Коэффициент фильтрации характеризует одновременно свойства пористой среды и свойства жидкости и зависит от пористости, размера и формы частиц, вязкости.

Для характеристики фильтрационных свойств среды независимо от рода жидкости формулу для скорости фильтрации можно представить в виде:

w = C / м * ДР / h.

Здесь С - проницаемость пористой среды, м2.

Проницаемость - гидродинамический параметр пористой среды, зависит от внешних нагрузок, приложенных к сжимаемой пористой среде.

Различают два типа осадков - сжимаемые и несжимаемые. К сжимаемым осадкам относятся материалы коллоидной структуры. Они изменяют свою пористость под действием приложенного давления и плохо фильтруются (глина, торф).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Несжимаемые осадки имеют зернистую или кристаллическую структуру и при фильтровании сохраняют ее жесткость и пористость независимо от давления. Хорошо фильтруются и имеют низкую влажность.

Фильтрацию можно рассматривать как течение жидкости через капилляры (рис. 4.2).

Рассматривая капилляры как серию каналов, можно применить закон Пуазейля для установившегося ламинарного движения вязкой несжимаемой жидкости по трубе круглого сечения. По закону Паузейля объем воды, протекающей через сечение капиллярной трубки в единицу времени (м3/с):

V = р / 128 * ДРd4 / l м,

где ДР - разность давлений у входа в капилляр и на выходе из него; d - диаметр капилляра; l - длина капилляра; м - вязкость жидкости.

Скорость фильтрации будет:

w = V / F = V 4/ р d2 = р / 128 * ДР d4 / l м * 4 / рd2 = ДР d2 / 32 l м .

Выражение

d2 / 32 l = 1/R, откуда R = 32 l / d2

характеризует сопротивление движению воды, возникающее в капиллярной трубке.

Тогда

w = ДР / мR .

Сопротивление R складывается из сопротивлений осадка Rос и фильтрующей поверхности Rф.

Rос = rос h; R = rос h + Rф ,

где rос h - удельное сопротивление слоя осадка единичной толщины; h - толщина слоя осадка; Rф - сопротивление фильтрующей поверхности.

Удельное сопротивление полностью характеризуется свойствами капилляров и зависит от крупности частиц. Тогда

w = ДР / м (rос h + Rф).

Высота осадка зависит от объема фильтрата V и объема осадка Vос. При фильтровании пульпы постоянной плотности отношение объема осадка к объему фильтрата постоянно и определяется как

б = Vос / V.

Этот параметр называют удельным объемом осадка. Отсюда

Vос = бV.

Тогда толщина осадка будет:

h = Vос / F = бV / F.

После подстановки получим

ДР / м (rосбV / F + Rф) = (1 / F ) dV / dt,,

ДРF / м(rосбV / F + Rф) = dV / dt,

ДРF2 / м(rосбV + RфF) = dV / dt,

ДРF2 dt = м(rосбV + RфF) dV,

dt = (м / ДРF2) *(rосб VdV + RфF dV);

? VdV = V2 / 2 .

После интегрирования:

t = (м rосб / ДРF2 ) * V2/2 + (м RфF / ДРF2 ) * V + C, C = C1 + C2 + C3 .

A1 = м Rф / ДРF;

A2 = м rосб / 2ДРF2 ,

t = A1 V + A2 V2 + C.

А1 и А2 называются константами фильтрования. При t = 0, С = 0, т.к. V = 0. Представим уравнение в виде:

t / V = A2 V + A1.

Функция t / V = f(V) представляет собой зависимость типа у = ах + в. Эту зависимость строят после проведения экспериментов и на ее основе определяют константы фильтрования А1 и А2 (рис. 4.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для сжимаемых осадков из-за сужения каналов фильтрации снижается пористость осадка, сопротивление осадка увеличивается. Т.е. зависимость между скоростью фильтрации и давлением нелинейная. Экспериментально определено, что

rос = r' Pn ,

фильтрование дарси гидравлический проницаемость

Здесь r' - удельное сопротивление данного осадка при Р = 1 кг/см2 = 105 Па.

При этом давлении можно пользоваться формулой для несжимаемого осадка. Но при больших давлениях (в фильтр-прессах) в выведенные формулы вместо rос подставляется r' Pn .

Тогда уравнение фильтрации для сжимаемых осадков имеет вид:

dV /dt = ДРF2 / м(r' Pn бV + RфF).

На эффективность процесса фильтрования влияют: содержание твердого в суспензии, крупность твердой фазы, пористость, значение перепада давлений ДР , частота вращения рабочего органа фильтра, свойства фильтрующей перегородки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание твердого, С,% влияет на толщину осадка h, влажность Wr, удельную производительность q. При увеличении плотности пульпы с 300 до 400 г/л производительность увеличивается в 1,5 раза (рис. 4.4).

Для давления (разрежения) справедливо соотношение ДP1 / ДP2 = Q1 / Q2 , где Q - производительность фильтра. При фильтровании целесообразно использовать более низкое разрежение в зоне фильтрации и более высокое в зоне подсушки осадка.

Частота вращения рабочего органа - при ее снижении увеличивается время фильтрования и просушки осадка, снижается его влажность, но падает производительность.

Соотношение зон набора и просушки осадка подбирают оптимальным.

Нагрев пульпы понижает вязкость и поверхностное натяжение, а также вызывает некоторую флокуляцию мелких частиц. Это увеличивает скорость фильтрации и снижает влажность.

Фильтрующие перегородки бывают: сетки (металлические и плетеные), ткани (х/б, шерсть, синтетические, стеклотканевые, комбинированные). Должны удовлетворять требованиям: 1) эффективно задерживать твердое; 2) иметь небольшое гидравлическое сопротивление; 3) легко регенерироваться; 4) быть прочными и износостойкими. Роль перегородки значительна в начальный период фильтрования, когда начинается отложение первых слоев осадка. Далее осадок выполняет функции фильтрующей перегородки, а перегородка служит опорой для осадка.

Толстые жесткие ткани легче засоряются, чем тонкие гибкие. Ворсистые и многослойные х/б ткани лучше задерживают частицы при сохранении достаточной проницаемости, чем гладкие и металлические сетки. Здесь проницаемость высокая, но недостаточна задерживающая способность.

Ткани забиваются не только тончайшими частицами, но и отложениями из водной части пульпы. Отложения располагаются в углублениях ткани и между нитями, образуя флокулы. Эти образования не разрушаются при промывке или распускании ткани. (Для угля это бикарбонаты и карбонаты Са и Мg . Удаляются 2-5% раствором НС1). Интенсивность засорения ф/тк зависит: 1) крупность фильтруемых частиц; 2) степень агрегации частиц (развитие процессов коагуляции); 3) природа ткани; 4) знак и величина зарядов частиц и волокон ткани; 5) мажущие свойства твердого (зависят от размера, формы и степени гидратации частиц).

Структура осадка: например, для углей производительность фильтра зависит от содержания кл. -74 мкм и его зольности. Зольность характеризует содержание в этом классе глины или суглинка и влияет на фильтруемость сильнее, чем крупность. К материалу необходимо присаживать крупнозернистый угольный шлам. Содержание кл <74мкм должно находиться в пределах 20-50%. При меньшем содержании происходит расслоение материала в ванне фильтра, при большем - снижается производительность и повышается влажность осадка. Аналогичные зависимости справедливы для фильтрования рудных концентратов, где поддерживают оптимальное содержание тонких частиц с размером менее 10 мкм.

Размещено на Allbest.ru