Фильтры.
Общие сведения и классификация фильтров.
Для разделения суспензий наиболее широко применяются фильтры, для эмульсий – центрифуги и сепараторы, для грубого разделения суспензий – гидроциклоны, для разделения аэрозолей – аппараты сухой и влажной пылеочистки и электрофильтры.
Фильтрованием называют процесс разделения неоднородных жидких и газовых систем с помощью пористых проницаемых перегородок, задерживающих твердую и пропускающих жидкую и газовую фазы.
Для осуществления этого процесса необходимо создать разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки (движущаяся сила процесса Dр), которая создается: 1) гравитацией; 2) избыточным давлением; 3) вакуумом.
В зависимости от величины и способа создания движущей силы различают:
1) гравитационные, т.е. работающие под наливом – под действием гидростатического давления слоя суспензии (нутч – фильтры) Dр ~ 1,5 ат.
2) Фильтры, работающие при избыточном давлении (фильтр – прессы) Dр ~ до 5 ат.
3) вакуум – фильтры, Dр ~ 0,85 ат.
По принципу действия все фильтры делятся:
1) периодического действия;
2) 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 в ручную, 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 (шлака), 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.
Основным конструктивным элементом любого фильтра является фильтровальная перегородка.
Выбор типа фильтровальной перегородки определяется следующими основными критериями:
1) она должна пропускать частицы твердой фазы с возможно наименьшим диаметром;
2) должна быть коррозионно - стойкой как к фильтрату, так и к осадку;
3) должна быть термостойкой и износостойкой;
4) 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 др. 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.
 |
R, m, с
1. корпус; 2. фильтровальная ткань; 3. перегородка; 4. Осадок
Рис. 6.1. Принципиальная схема конструкции любого фильтра (нутч - фильтр).
Скорость фильтрации wФ равна:
где Dр – разность давлений, Па;
m - динамическая вязкость, Нс/м2;
rО – удельное сопротивление осадка, 1/м2;
hOC – толщина слоя осадка, м;
RФП – сопротивление фильтровальной перегородки, 1/м;
V – объем фильтрата, м3;
F – площадь перегородки, м2;
tФ - время фильтрования, с.
Скорость фильтрования (wФ) характеризует количество фильтрата, прошедшего через единицу площади перегородки (м2) в единицу времени (с).
Методика расчета фильтра зависит от его конструктивных особенностей, характера заданной и определяемой величины (производительности, поверхности, режим максимальной производительности, толщины осадка) и режима работы фильтра.
Фильтр может работать в следующих режимах:
1) при постоянном перепаде давления, что обеспечивается присоединением фильтра к линии вакуума или сжатого газа;
2) при постоянной скорости, что обеспечивается подачей суспензии насосами объемного типа (поршневым, шестеренчатым);
3) при переменной скорости и переменном давлении, когда суспензия подается на фильтр центробежным насосом;
4) 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;
5) при постоянной скорости и постоянном перепаде давления при промывке осадка чистой жидкостью.
6.2. Выбор типа фильтра. Технологический расчет фильтров (общая часть для любого фильтра).
Технологический расчет узла разделения суспензии связан с выбором по каталожным данным типоразмера фильтра, определением его производительности и количества фильтров, обеспечивающих заданную мощность производства.
Выбор типа фильтра производится на основе предварительного анализа физико–химических свойств разделяемой суспензии и образующегося осадка, технологических требований, предъявляемых к процессу разделения, и экономических требований (факторов). Необходимо учитывать также следующие факторы:
1) при удельном объемном сопротивлении осадка rO > 108¸1012 1/м2 или скорости образования осадка менее 8×10-3 м/с при Dр =8×104 Па предпочтительней применение фильтров, работающих под давлением;
2) при повышенном требовании к чистоте получаемого фильтрата применяют фильтры периодического действия (а из них предпочтительней фильтр – прессы);
3) при большой мощности производства целесообразно применение фильтров непрерывного действия.
Окончательный выбор фильтра делается после его проверки в лабораторных или полупромышленных условиях.
Производительность фильтра по фильтрату VФ рассчитывается через среднюю скорость фильтрования wЦ за весь цикл обработки суспензии на фильтре:
, (6.1)
где FФ – поверхность фильтра, м2;
kП –поправочный коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления фильтрующей перегородки при многократном ее использовании, kП = 0,8;
kМ – поправочный коэффициент, учитывающий возможные колебания свойств промышленной суспензии и масштабный переход от лабораторной модели к промышленному фильтру, kм = 0,7 ¸ 0,9;
wЦ – средняя скорость фильтрования за полный цикл, м/с.
Производительность фильтра по суспензии VС или по влажному осадку GОС рассчитывается:
, (6.2)
, (6.3)
где 
– отношение объема отфильтрованного осадка к объему полученного фильтрата, м3 /м3;
– масса твердой фазы, отлагающейся при прохождении единицы объема фильтрата, кг/м3;
W – массовая влажность осадка, доли.
Величины xО и xВ рассчитываются по формулам:
, (6.4)
где VОС, VФ - объем осадка и фильтрата, м3;
rЖ, rОС – плотности жидкости и влажного осадка, кг/м3;
mТ - масса твердого осадка, кг;
, (6.5)
xТ - массовая концентрация твердой фазы в суспензии, кг/м3.
Плотность влажного осадка:
, (6.6)
где rТ – плотность твердой фазы, кг/м3.
Определение средней скорости фильтрования производится либо на основе метода прямого моделирования результатов полупромышленных испытаний, либо путем расчета через известные константы процесса фильтрования.
При прямом моделировании:
, (6.7)
где VФ.М – объем фильтрата, полученного на модельном фильтре за время - tФ;
tОС..М. – основное время, затраченное на модельном фильтре для проведения операций фильтрования tФ, промывки tПР, сушки tС, с;
tВ.ПР. – затраты времени на проведение вспомогательных операций для промышленного фильтра, с;
FМ – площадь фильтрации модельного фильтра, м2.
Средняя скорость фильтрования за цикл в случае расчета через константы фильтрования определяется:
, (6.8)
где VФ.УД – объем фильтрата, полученный с 1м2 фильтровальной перегородки за время фильтрации tФ, м3/м2;
tЦ – время полного цикла обработки суспензии на фильтре, с.
При фильтровании с образование осадка расчет средней скорости фильтрации базируется на уравнении Рутса – Кармана:
, (6.9)
где m - динамическая вязкость фильтрата, Нс/м2;
rО – среднее объемное удельное сопротивление осадка, отнесенное к единице вязкости фильтрата, 1/м2;
rФ.П . – удельное сопротивление фильтрующей перегородки, отнесенное к единице вязкости, 1/м;
hОС – толщина слоя осадка, м;
Dр – перепад давления, Па
VФ – объем фильтрата, м3;
F – площадь фильтровальной перегородки, м2;
tФ – время фильтрования, с.
Переменную во времени толщину слоя осадка можно выразить как:
, (6.10)
С учетом (6.10) уравнение (6.9) можно преобразовать:
, (6.11)
На практике при проведении технологических расчетов обычно пользуются не значением объемного удельного сопротивления осадка rО, а величиной среднего массового сопротивления rВ (м/кг)
, (6.12)
Вследствие сжимаемости большинства промышленных осадков rВ зависит от перепада давления в слое осадка DрОС. Для инженерных методов расчета считают DрОС=Dр и массовое удельное сопротивление rВ определяют по формуле:
, (6.13)
Параметры А и n этого уравнения определяются экспериментально.
Исходными данными для расчета любого фильтра являются: xТ, hОС, VФ или FФ.
6.3. Фильтры периодического действия.
В нефтехимической промышленности получили широкое распространение фильтр – прессы. Они применяются для осветления продуктов при изготовлении смазочных масел, присадок, катализаторов и т.п. Движущая сила процесса создается компрессорами или жидкостными насосами (поршневыми или центробежными). В зависимости от типа нагнетающего устройства фильтры могут работать при р=const (поршневые насосы и компрессоры), либо при VС=const (центробежные насосы). Характер фильтрации может быть самым разнообразным, при этом осадок по свойствам может быть сжимаемым или несжимаемым.
6.3.1. Рамный фильтр – пресс.
Фильтры периодического действия рамного типа широко используются в промышленности благодаря простому устройству и возможности проводить процесс при повышенном давлении (обычно 0,3¸0,5 МПа)
1 - опорная плита; 2 - рамы; 3 - плиты; 4 - опорные брусья; 5 - прижимная плита; 6 - зажим; 7,8 – штуцеры подвода суспензии, промывной жидкости, сжатого воздуха; 9 – кран отвода фильтрата; 10 корыто для сбора осадка.
Рис. 6.2 Рамный фильтр – пресс
На рис. 6.2 приведена схема типовой конструкции рамного фильтр – пресса. Фильтровальными перегородками в нем служат прямоугольные отрезки ткани, зажатые между чередующимися рамами 2 и плитами 3. Плиты и рамы (обычно чугунные) расположены вертикально и закреплены на опорной конструкции, состоящей из стоек, опорной плиты 1 и прижимной плиты 5, двух опорных брусьев 4 круглого сечения и гидравлического или электромеханического зажима 6. В малых фильтр – прессах используют ручной винтовой зажим. Для подвода суспензии, промывной жидкости и сжатого воздуха опорная плита 1 снабжена штуцерами 7 и 8. Плиты фильтров с раздельным отводом фильтрата снабжены кранами 9.Для сбора осадка используется корыто 10.
Основными конструктивными элементами рамного фильтр – пресса являются рамы и плиты.
Рис. 6.3. Рама и плита фильтр – пресса.
Рис. 6.4. Схема фильтр – пресса
Рама имеет сквозную полость «в» и гладко обработанные края 2. В плите выполнены две впадины «д», разделенные стенкой 4. Ребра 3 немного не доходят до нижнего края впадин и служат опорой для фильтровальной ткани 5. Плиты и рамы опираются приливами (ручками) 1 на опорные брусья. В краях плит и рам имеются отверстия «г», «е», «ж» образующие при сжатии плит каналы для подачи суспензии, сжатого воздуха и промывной жидкости, а также канал для отвода фильтрата. Отверстия «г» для суспензии радиальными отверстиями собираются с полостями «в» рам, а отверстие «е» для сбора фильтрата – со впадинами «д» плит (также отверстие «ж» для промывной жидкости)
Используются также фильтр – прессы с раздельными отводами фильтрата из каждой плиты. В этом случае сквозные отверстия «е» отсутствуют, а впадины каждой плиты соединяются отводными отверстиями с кранами. Вытекающий из кранов фильтрат собирается в специальный желоб, откуда выводится по назначению. Т.о. можно отключить закрытием кранов те плиты, из которых выходит загрязненный фильтрат (например, из-за повреждения фильтровальной ткани).
После окончания фильтрации осадок промывается жидкостью. По окончании промывки происходит осушка осадка сжатым воздухом, подаваемым по каналу для суспензии или промывной жидкости. Затем освобождают зажим, плиты и рамы поочередно отодвигают по опорным брусьям в сторону зажима и из под полостей рам в ручную скребком или лопаткой удаляют осадок, падающий в расположенное под фильтром корыто.
После выгрузки осадка плиты и рамы вновь собирают, зажимают и цикл работа фильтра повторяется.
Основные преимущества рамных фильтр – прессов – большая удельная поверхность фильтрации, отнесенная к единице массы аппарата, отсутствие движущихся частей, возможность отключить отдельные плиты. Благодаря значительной движущей силы фильтр обладает высокой производительностью единицы фильтрующей поверхности.
Сложность и трудоемкость разгрузки фильтрата от осадка ограничивает его применимость в основном малоконцентрированными суспензиями. Недопустимо использовать рамный фильтр – пресс, если жидкая фаза суспензии или промывная жидкость являются легколетучими, ядовитыми или пожароопасными веществами, т.к. фильтр не герметичен (т.е. возможна разгерметизация).
Нормальная работа обеспечивается при условии прочного и плотного соединения плит и рам между собой. При условии заданной общей поверхности фильтрования FОБЩ – число рам или плит «m » определяется по эффективной поверхности одной рамы (плиты):
, (6.14)
Сила давления на плиту определяется:
, (6.15)
где Р 1 - сила давления на плиту;
рФ – давление фильтрования;
L –высота (ширина) плиты.
Усилие, приходящееся на поверхность контакта рам и плит Р 2:
, (6.16)
где рУПЛ – минимальное давление на поверхности контакта, необходимое для герметизации стыка между рамой и плитой;
FК – площадь контакта между плитой и рамой.
В результате сила затяжки, с которой зажимной механизм должен сжать рамы и плиты, чтобы обеспечить герметичность, равна:
, (6.17)
Давление уплотнения рУПЛ из опытных данных для плоских фланцев принимается равным:
, (6.18)
6.3.2. Автоматизированный камерный фильтр – пресс ФПАКМ.
(1) Чернобыльский стр. 44 – 46;
(3) Паникаров стр. 171 – 173.
(самостоятельно).
6.3.3. Методика технологического расчета фильтров периодического действия.
Фильтры периодического действия характеризуются временем полного цикла работы фильтра tЦ, которое складывается из затрат времени на проведение основных операций tОС, складывающихся из операций фильтрования tФ, промывки tПР и сушки осадка tС, а также вспомогательных tВ, включающих операции сборки и разборки фильтра, загрузки суспензии, выгрузки осадка и т.п.:
, (6.18)
Время на проведение операции сушки осадка tс определяется экспериментально. Для приближенного расчета время сушки может быть принято tС = 60 ¸ 80 с.
Время затрачиваемое на проведение вспомогательных операций зависит только от конструкции фильтра и его размеров и определяется на основании существующих нормативов. Это обуславливает наличие оптимального времени фильтрования, при котором производительность фильтра будет максимальной. На практике максимальная производительность фильтра никогда не совпадает с минимальным временем фильтрования. Это определяется тем, что высота слоя осадка, набираемого за оптимальное время фильтрования, может не отвечать условиям его удовлетворительного съема или конструкции фильтра: расстоянию между листами, патронами, ширине рамы, длине хода плиты и т.д.
Кроме того, режим максимальной производительности не всегда совпадает с экономически выгодным, т.к. не учитывает эксплутационных расходов.
Экономически выгодно, чтобы время фильтрования было равно:
,
Как в случае режима максимальной производительности, так и при экономически выгодном режиме толщина слоя осадка, набираемого за время фильтрования, должна быть меньше допустимого значения hОС MAX, при котором просвет между листами или патронами с осадком будет меньше dД = 15 ¸ 20 мм. Для фильтр – пресса типа ФПАКМ hОС MAX = 35 мм, для рамных - равна половине ширины рамы.
Методика расчета средней скорости фильтрования зависит от принятого режима фильтрования и формы фильтрующей поверхности (плоская, цилиндрическая).
Для режима фильтрования при постоянном перепаде давления согласно уравнению (6.11) получим:
или с учетом соотношения
интегрируя, получим
Отсюда время фильтрования:
, (6.19)
Уравнение (6.19) с учетом уравнения (6.10), из которого удельный объем фильтрата VФ.УД . можно выразить через высоту слоя осадка hОС, т.е.
, где 
(6.10)]
приводится к виду, удобному для расчета, когда задана высота осадка:
, (6.20)
где 
, (6.21)
Оптимальное время фильтрования, соответствующее максимальной
производительности фильтра, когда цикл работы включает промывку и просушку осадка, может быть найдено из уравнения
(согласно РТМ 26 – 01 – 10 – 67):
, (6.22)
где 
, (6.23)
, (6.24)
D р – перепад давления при фильтровании, Па;
D рПР – перепад давления при промывке, Па;
mПР – динамическая вязкость промывной жидкости, Пас;
VПР.Ж. – объем промывной жидкости на 1 кг влажного осадка, м3/кг.
Если промывка осадка не производится (NПР =0), то оптимальное время фильтрования (из уравнения 6.22)
или
, (6.25)
Время промывки осадка определяется:
, (6.26)
Толщина осадка, образовавшегося за время фильтрования:
, (6.27)
Полученную величину hОС необходимо проверить на соответствие положенному выше условию:
Удельное сопротивление осадка, входящее в уравнение (6.19) – (6.24), следует подставлять соответствующиму перепаду давления во время операции фильтрования.
При разделении на цилиндрическом фильтровальном элементе (патроне) поверхность фильтрации увеличивается с ростом толщины слоя осадка, что приводит к некоторому увеличению производительности.
Увеличение производительности становится существенным, когда:
Фильтры непрерывного действия.
Фильтры непрерывного действия различают по форме фильтрующей поверхности и подразделяют на барабанные, дисковые, ленточные, тарельчатые, карусельные. Эти типы фильтров разделяют на аппараты, работающие под вакуумом (в основном) и под давлением:
Б – барабанный вакуум – фильтр;
Бд – барабанный, работающий под давлением;
Д – дисковый вакуум – фильтр;
Дд – дисковый, работающий под давлением;
Л – ленточный;
Т – тарельчатый;
К – карусельный.
Главное конструктивное отличие фильтров непрерывного действия – наличие распределительной головки, при помощи которой автоматически происходит чередование следующих операций: фильтрация, сушка, промывка, разгрузка осадка, регенерация фильтрующей ткани.
Эти операции проходят непрерывно и независимо одна от другой в каждой зоне фильтра, поэтому процесс работы фильтра протекает непрерывно.
Основные преимущества фильтра непрерывного действия:
1) непрерывность и автоматизация всех проводимых операций;
2) высокая производительность;
3) уменьшения расхода фильтрующей ткани;
4) удобство в обслуживании;
5) экономия рабочей силы.
Недостатки:
1) сложность конструкции;
2) высокая стоимость;
3) необходимость установки вспомогательного оборудования;
4) большая энергоемкость (главным образом на вакуум – насосы и воздуходувки);
5) трудоемки при эксплуатации и ремонте.