Фильтрационные методы

Фильтрование наиболее широко применяют для отделения твердой фазы от раствора в плотных пульпах и для осветления растворов, содержащих незначительное количество твер­дых частиц; кроме того, методом фильтрования проводят сгущение пульп малой плотности, удаляя из них часть жидкой фазы.

Любой фильтрующий аппарат является сосудом, разделенным на две части фильтровальной перегородкой. В качестве перегородки могут быть использованы ткани, пористые керамические материалы и металлы, металлические сетки и др.

Перегородки, как и сосуд, могут иметь разную форму. В пространство с одной стороны перегородки направляют разделяемую суспензию, с другой – отводят чис­тый раствор. В разделенных перегородкой частях сосуда создают разность дав­лений, под действием которой жидкость проходит через перегородку, а твердые частицы задерживаются на поверхности или под поверхностью перегородки.

В первом случае на перегородке постепенно нарастает слой осадка, и процесс называют фильтрованием с образованием осадка. Во вто­ром твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегород­ки, при этом в зависимости от соотношения размеров частицы и поры в одну пору может проникать одна частица, полностью ее закрывая, или постепенно несколько частиц. Такой процесс называют фильтро­ванием с закупориванием пор. Как правило, фильтрование с образованием осадка идет при кон­центрациях твердых частиц более 1–5% (объемн.). При этом над входом в поры фильтровальной перегородки быстро образуются сводики из твердых частиц (часто меньших по размеру, чем пора), про­пускающие жидкую фазу и задерживающие твердые частицы. Процесс фильтрования с закупориванием пор имеет место при осветлении растворов с малым содержанием тонкодисперсных частиц твер­дой фазы [<0,1% (объемн.)], а также в начальный период филь­трования более плотных пульп.

Процесс фильтрования с образованием осадка более желателен, чем с закупориванием пор, как имеющий большую производитель­ность. Кроме того, в этом случае значительно легче осуществляется регенерация фильтровальной перегородки.

С целью создания условий фильтрования с образованием осадка в тонкодисперсные суспензии с малым содержанием твердого компонента вводят коагулянты и флокулянты, способствующие образованию более круп­ных агрегатов частиц. Иногда используют специальные инертные вещества (диато­мит, целлюлозу и др.), увеличивающие содержание твердой фазы. С этой целью перед фильтрованием основной суспензии на поверхность фильтровальной перегородки наносят слой осадка вспомогательного инертного вещества путем предварительной фильтрации его суспензии.

Разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки можно обеспечить:

1) вакуумированием объема за перегородкой, при этом максимальная разность давления не превышает 0,09 МПа;

2) созданием давления сжатого воздуха (до 0,5–1,0 МПа) над перегородкой;

3) созданием гидростатического давления суспензии (до 0,05 МПа);

4) подачей суспензии на фильтр центробежным или поршневым насосом, развивающим давление до 0,5 МПа и более.

В технологии чаще используют первые два способа. Образующиеся в процессе фильтрования осадки могут быть несжимаемыми и сжимаемыми. Несжимаемыми называют осадки, порис­тость которых и гидравлическое сопротивление не изменяются при увеличении разности давления. Пористость сжимаемых осадков уменьшается с увеличением разности давления, и соответственно возрастает их гидравлическое сопротивление движущемуся потоку жидкости. Практически несжимаемыми являются осадки, состоящие из кристаллических частиц неорганических веществ размером более 100 мкм, например осадки, получаемые при кристаллизации соды, поташа. К сильносжимаемым относятся аморфные осадки гидроксидов металлов, например А1(ОН)з, Fе(ОН)з и др.

Закономерности фильтрования сложны и зависят от свойств твердой фазы, раствора, фильтровальных перегородок и конструкции фильтра, а также от условий фильтрования. Так, при фильтровании, проводимом при постоянном давлении, создаваемом подключением фильтра к вакуумной системе или системе сжатого воздуха, с ростом толщины осадка на фильтре или закупориванием пор фильтровальной перегородки падает скорость фильтрации. При подаче суспензии на фильтр поршневым насосом фильтрование идет с постоянной скоростью, практически соответствующей производительности насо­са, при этом давление фильтрования возрастает до значения, предельного для данного насоса или конструкции фильтра.

Использование центробежных насосов для транспортировки суспензии на фильтр приводит к изменению и давления, и скорости фильтрования.

Цикл фильтрования включает ряд стадий. При фильтровании с образованием осадка такими стадиями являются:

1) собственно фильтрование суспензии;

2) промывка осадка;

3) продувка осадка воздухом или паром;

4) удаление осадка;

5) регенерация фильтро­вальной перегородки.

По режиму работы фильтры подразделяют на периодически и не­прерывно действующие. К первому типу относятся нутч-фильтры, работающие, как правило, под вакуумом, рамные фильтрпрессы, автоматизированные фильтрпрессы с горизонтальными камерами (ФПАКи), работающие под избыточным давлением, листовые фильтры, работающие под избыточным давлением и под вакуумом, патронные вакуум-фильтры-сгустители и некоторые другие. Фильтровальная перегородка периодически действующего фильтра неподвижна, и на всех ее элементах одновременно происходит один и тот же процесс (одна стадия цикла), осуществление разных стадий разделено во времени.

Периодические фильтры работают при создании, разности давле­ния всеми указанными способами, т. е. при постоянном давлении и при постоянной скорости или переменных давлении и скорости фильт­рования.

К распространенным непрерывно действующим фильтрам отно­сятся барабанные, дисковые и ленточные вакуум-фильтры. При их работе фильтровальная перегородка непрерывно перемещается по замкнутому пути, при этом имеет место вся последовательность ста­дий цикла фильтрования, однако они разделены по месту осуществ­ления, и в результате каждая из стадий является непрерывной. Не­прерывно действующие фильтры работают при постоянной разности давлений.

Нутч-фильтр, работающий под вакуумом, представляет собой открытый вертикальный сосуд круглого или прямоугольного сече­ния с двойным дном. На верхнее ложное дно в виде решетки укла­дывают фильтровальную ткань. Суспензию заливают на нутч-фильтр сверху и в пространстве под ложным дном создают вакуум, в ре­зультате чего жидкая фаза (фильтрат) проходит сквозь фильтроваль­ную перегородку и удаляется из нутча, а твердая фаза в виде осад­ка накапливается на перегородке.

Преимущество таких фильтров – простота конструкции, возмож­ность хорошей промывки осадка.

Количественные закономерности процесса фильтрации. Процесс фильтрации описывают кинетическими уравнениями, связывающими скорость фильтрования с параметрами процесса и свойствами твердых частиц, жидкой фазы и фильтро­вальной перегородки.

Практическое использование кинетических уравнений требует экспериментального определения ряда величин, называемых постоян­ными фильтрования, таких, как удельное сопротивление осадка и фильтровальной перегородки, отношение объема осадка к объему фильтрата, начальная скорость фильтрования.

Вид расчетных формул для скорости фильтрования зависит преж­де всего от его типа.

Фильтрование с образованием осадка. Скорость фильтрования можно выразить уравнением

, (3)

где V – объем фильтрата, м³; S – поверхность фильтрования, м²; – продолжительность фильтрования, с; – разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки с осадком, Па; – сопротивление слоя осадка, м^-1; R_ф.п. – сопротивление фильтроваль­ной перегородки, м^–1; – динамическая вязкость жидкой фазы суспензии, Па×с.

Для случая фильтрования с образованием осадка сопротивле­ние фильтровальной перегородки во время процесса считают посто­янным.

Объем осадка на фильтре V_осад пропорционален объему филь­трата и зависит от толщины слоя осадка

, (4)

где х_об – отношение объемов осадка и фильтрата; h – высота слоя осадка, м.

Из этого равенства следует:

.

Тогда сопротивление слоя осадка можно представить выраже­нием

, (5)

где r_ов – удельное объемное сопротивление осадка (м²)^–1, оказы­ваемое потоку фильтрата равномерным слоем осадка толщиной 1 м. Подставив (5) в (3), получаем основное уравнение ско­рости фильтрования с образованием осадка:

. (6)

Если осадок и перегородка несжимаемы, величины r_об, x_об, R_ф.п.постоянны; в противном случае они зависят от Δр. Однако для наи­более распространенного случая фильтрования при постоянном давлении эти величины постоянны даже при образовании сжимаемых осадков и использовании сжимаемых перегородок.

Считая постоянными Δp, m, x_об, R_ф.п., S,т. е. при фильтровании сус­пензии постоянного состава со стабильными свойствами при постоян­ном давлении на данном фильтре, можно проинтегрировать уравнение (6) от 0 до V и от 0 до t. В результате получим общее уравнение фильтрования:

. (7)

Это уравнение применимо и к несжимаемым, и к сжимаемым осадкам. В обоих случаях с увеличением продолжительности ско­рость фильтрования падает.

Определение постоянных фильтрования с образованием осадка. Как указано ранее, постоянными фильтрования называют отноше­ние объема осадка к объему фильтрата x_об, удельное объемное сопротивление осадка r_об, сопротивление фильтровальной перегород­ки R_ф.п. Их определяют экспериментально, так как методы расчета ненадежны.

В качестве примера рассмотрим определение постоянных фильт­рования в основном рабочем уравнении (7), описывающем филь­трование при постоянном давлении.

Умножим обе части уравнения (7) на выражение и обозначим

(8)

Подставив М и N в уравнение (7), получаем

.

Это выражение представляет собой уравнение прямой линии, наклоненной к оси абсцисс V под углом a, и отсекающей на оси ординат отрезок N. Тангенс угла численно равен M (рис. 3).

Рис. 3. Рабочий график для определения постоянной фильтрования

Для построения этой прямой проводят не менее трех измерений объема фильтрата V за разное время t (точки в координатах t /V – V). Из полученных по графику значений М и N по уравнению (8) вычисляют R_ф.п..

Фильтрование с закупориванием пор фильтровальной перегородки. Как и при фильтровании с образо­ванием осадка, скорость фильтрова­ния с закупориванием пор прямо пропор­циональна разности давления по обеим сторонам перегородки и обрат­но пропорциональна возрастающему со време­нем сопротивлению этой перегородки. Для количественной оценки сопротивления фильтровальной пере­городки считают, что она состоит из множества капилляров, длина кото­рых равна толщине перегородки, а количество и диаметр в процессе фильтрования меняются. При этом закон их изменения определяется тем, идет ли фильтрование с полным за­купориванием каждой поры одной твердой частицей или имеет место фильтрование с постепенным за­купориванием каждой поры многими твердыми частицами.

Соответствие экспериментальных данных линейной зависимости скорости фильтрования от объема фильтрата – свидетельство про­текания процесса фильтрования в режиме с полным закупориванием пор.