Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)

Подождите немного. Документ загружается.

Якщо тиск

, більший від атмосферного і створюється насосом, то це буде

фільтрування під тиском. Якщо тиск

дорівнює атмосферному, а

менший від атмосферного, то фільтрування відбувається під розрідженням і

фільтри називають вакуум-фільтрами. Досить часто фільтрування

відбувається під гідростатичним тиском стовпа рідини над фільтром.

Товщина осаду у процесі фільтрування збільшується, якщо на початку

фільтрування відбувається лише крізь фільтрувальну перегородку, то з часом

фільтрат повинен проходити і крізь шар осаду. Дрібні частинки твердої фази

звичайно проникають крізь фільтрувальну перегородку і фільтрат спочатку

виходить каламутний. У подальшому, коли на фільтрувальній перегородці

наростає шар осаду, якість фільтрування залежить і від тиску. При значних

тисках можливість проникнення дрібних твердих частинок крізь

фільтрувальну перегородку більша, ніж при низьких. Враховуючи цю

обставину, процес фільтрування починають з меншого тиску, підвищуючи

його в міру зростання товщини осаду, оскільки можливість проходження

твердих частинок крізь товстий шар осаду незначна. Іноді процес

фільтрування проводять у дві стадії: спочатку під великим тиском для

відокремлення основної маси осаду (при цьому одержують каламутний

фільтрат), а потім під невеликим тиском на іншому фільтрі вже одержують з

каламутного чистий фільтрат: проходячи крізь отвори в фільтрувальній

перегородці і особливо крізь пори в шарі осаду, фільтрат спричиняє на

гідравлічний опір, на подолання якого витрачається діюча різниця тисків.

Осад в міру потовщення його шару чинить дедалі більший опір

проходженню рідин, і продуктивність фільтра поступово зменшується.

Величина гідравлічних опорів залежить від ряду обставин, головними з яких

є: структура осаду, в'язкість фільтрату, будова фільтрувальної перегородки.

Як фільтрувальні перегородки використовують: сітки з металевого дроту;

бавовняні, синтетичні і шерстяні тканини; шпарувату кераміку; кізельгур;

сипкі матеріали (пісок, дрібне вугілля, кісткова крупка). Найчастіше

застосовують фільтрувальні тканини. Головною характеристикою будь-якої

тканини є густість плетіння, що вимірюється кількістю ниток на сторонах

квадрата розміром 100-100 лш. Так, наприклад, густість фільтрувального

полотна незначна і тому його не можна застосовувати у тих випадках, коли

основним затримувальним фактором частинок сус-

147

пензії є шар осаду. Густіша тканина дає кращі результати при фільтруванні

без утворення істотного шару осаду (механічні фільтри) або коли осад

безперервно видаляють (вакуум-фільтри). Швидкість фільтрування.

Кількісна сторона фільтрування визначається швидкістю фільтрування, під

якою розуміють об'ємну кількість фільтрату, яку одержують за одиницю часу

з одного квадратного метра фільтрувальної перегородки. Якщо позначити

через Q кількість фільтрату в кубічних метрах, яку одержують під час

фільтрування крізь площу F протягом часу



, то швидкість фільтрування

буде

,с/м,





(4.14)

Розмір швидкості фільтрування, м/с, відповідає розміру швидкості руху.

Режим фільтрування. Процес фільтрування може відбуватися в таких

варіантах змін тиску і швидкості:

при сталій швидкості і змінному тиску;

при сталому тиску і змінній швидкості;

при змінних тиску і швидкості.

Якщо фільтрування відбувається під сталим тиском, то з часом, в міру

нагромадження осаду на фільтрувальній перегородці, швидкість

фільтрування зменшиться. Якщо фільтрування відбувається з сталою

швидкістю, то з часом, в міру нашарування осаду, треба для підтримання

однакової швидкості підвищувати тиск. Отже, у цьому випадку тиск з часом

зростає. Залежність між тиском і часом зображується графічно прямою

лінією, нахил якої до горизонту залежить (за інших однакових умов) від

величини швидкості. В обох випадках потрібне очищення фільтра через

певні проміжки часу: у першому випадку, щоб уникнути зниження

пропускної спроможності фільтра, а у другому — щоб запобігти підвищенню

тиску понад встановлену межу.

Класифікація фільтрів. За технологічною ознакою розрізняють фільтри газові

і рідинні. Залежно від режиму роботи промислові фільтри поділяють на

фільтри періодичної і безперервної дії. Залежно від способу створення

перепаду тиску розрізняють фільтри, що працюють під тиском, розрідженням

і під дією гідростатичного тиску стовпа поділямої суспензії.

Залежно від характеру фільтрувальної перегородки розрізняють фільтри: з

незв'язаною зернистою перегородкою, з ткани-

148

ною і нерухомою жорсткою. За конструктивними особливостями

розрізняють: рамні, камерні фільтрпреси, мішкові, барабанні, дискові,

стрічкові фільтри, патронні та ін.

Піщаний фільтр. Належить до групи фільтрів з зернистим шаром, що

працюють під тиском стовпа рідин, яку фільтрують. Піщаний фільтр

застосовують у промисловості для фільтрування води та інших рідин коли

вміст твердої фази в рідині відносно незначний.

Піщаний фільтр (рис. 4.12) має циліндричний корпус 1, всередині якого є

знімні ґратчасті диски 5, які розділяють фільтр на три частини: верхню

приймальну, середню фільтрувальну і нижню збірну. Зернистим матеріалом

служить кварцовий пісок. Між нижнім і верхнім дисками вкладають шар

дрібного і шар крупного піску 6, розділений тканиною 4. Нижні і верхні

грати накривають фільтрувальною тканиною 4, а на верхні грати кладуть ще

шар вати 3. Рідина, яку фільтрують, надходить у фільтр через трубу 2 і

відводиться через трубу 7. До патрубка прикріплюють повітряний краник.

Фільтрують рідину під тиском (0,02...0,03) МПа. Перші порції фільтрату

каламутні і їх повертають на повторне фільтрування. В міру забруднення

фільтра швидкість фільтрування зменшується, а коли вона вже дуже

зменшиться, фільтр перезаряджають: виймають фільтрувальні матеріали і за-

бруднений пісок, промивають їх і знову вкладають у фільтр.

Перевага такого фільтра — простота конструкції, висока якість фільтрування.

Але продуктивність його низька внаслідок малої швидкості фільтрування

(0,00007...0,0002)

с/

мм



пов'язаний із значними витратами праці і часу на

його перезарядження.

Патронний фільтр (рис. 4.13) належить до фільтрів періодичної дії, що

працюють під тиском; швидкість фільтрування (0,16... 1,7)

с/

мм



.Він

складається з циліндричного корпуса З (з конічним дном), трубних ґрат 2, в

яких закріплено патрони 1 з дротяною, керамічною або тканинною

фільтрувальною поверхнею. Принцип дії всіх фільтрів однаковий. У простір

між патронами нагнітають суспензію, яка проходить крізь фільтрувальні

елементи (патрони). З верхньої частини фільтра по трубі 5 відводять фільтрат

і промивні води. Промитий осад видаляють через патрубок 4. Ці фільтри

застосовують у цукровому виробництві для контрольного фільтрування. У

патронних фільтрах значна фільтрувальна площа на одиницю об'єму апарата

і незначний гідравлічний опір.

149

Мішковий фільтр застосовують для фільтрування рідини, що містить тонку

каламуть. Фільтрування відбувається при незначному напорі, створюваному

стовпом рідини (2...3) м над фільтром. Фільтрувальна поверхня цих апаратів

складається з рамок, на які надівають мішки з полотна.

Рамний фільтрпрес (рис. 4.14) працює під надлишковим тиском (0,3...0,4)

МПа. Його станина складається з двох стояків 1 і 5, між якими закріплені

гайками дві округлі балки 4. На цих балках почергово вкладені рами 2 і

плити 3, між якими знаходиться фільтрувальна тканина. Рами і плати можуть

бути квадратної, прямокутної або круглої форми. Для стиснення рам і плит

застосовують затискачі 6: ручний (гвинтовий), електричний і гідравлічний. З

боків рам і плит є ручки, а внизу з одного боку — приливок 2 з круглим

наскрізним отвором 3. Цей отвір крізь щілину 4 в стінці сполучений з

внутрішньою порожниною рами. У плиті з другого боку внизу є косий

приливок 5, крізь який проходить наскрізна щілина всереди-

150

Рис. 4.14. Рамний фільтрпрес:

а — загальний вигляд; б — рама і плита;

в — схема фільтрування; г — схема промивання

151

ну плити 6. Внутрішня поверхня плити рифлена. Передки преса також

рифлені і виконують роль крайніх плит.

У складеному і стиснутому пресі в нижніх приливках утворюється суцільний

канал, в який під тиском подають суспензію. З цього каналу крізь отвори

вона потрапляє всередину рам, фільтрується крізь полотно, стікає по

рифленій поверхні плит вниз і виходить крізь отвір у косому приливку в

приймач. Зменшення швидкості витікання фільтрату є ознакою заповнення

рам осадом. Після закінчення процесу фільтрування осад промивають.

Промивна вода входить у канал, з якого крізь похилі отвори в плитах

потрапляє у простір між плитою і фільтрувальною тканиною. Проходить

крізь шар осаду і виливається через краники.

У рамних фільтрах високорозвинена поверхня фільтрування, досить високий

тиск цього процесу, вони прості конструктивно і надійні в роботі. їх недолік

— значна витрата фільтрувальної тканини. Процес фільтрування на

фільтрпресах пов'язаний із значними витратами праці і часу (до 30%) на

допоміжні операції.

Фільтри з дисковими фільтрувальними елементами, з яких осад

навантажується під дією відцентрової сили, поширились недавно.

В СРСР створена конструкція автоматичного камерного фільтрпреса

ФПАКМ (рис. 4.15), який працює під тиском 0,6 МПа. Цей фільтр

призначений для фільтрування тонкодисперс-них суспензій при температурі

(5... 80) °С. ФПАКМ складається з горизонтально розміщених одна над

одною на відстані 25 мм фільтрувальних плит 2. Верхня частина плит вкрита

перфорованим листом і фільтрувальною тканиною 3, виконано у вигляді

нескінченної стрічки, переміщуваною системою роликів. У нижній частині

кожної плити є конічне дно для фільтрату. Для ущільнення зазорів між

плитами служать гумові шланги 1. Коли в них подають під тиском (8... 10)

атм воду, шланги роздувають і утворюють камери, куди подають суспензію.

Після закінчення фільтрування і віджимання осаду зменшують тиск у

шлангу. При цьому утворюється щілина для виходу тканини з осадом завтов-

шки (5... 20) мм. Осад знімають з тканини ножами 4, а інші ножі 5

підчищають тканину від залишків осаду. Тканину промивають водою в

камері регенерації 6.

Робочий процес фільтра складається з таких операцій: стиснення плит,

фільтрування, промивання осаду, його сушіння, розсування плит, зняття

осаду з фільтрувальної тканини. Усі ці опе-

152

Рис. 4.15. Схема автоматичного камерного фільтрпреса

рації автоматизовані, завдяки чому продуктивність ФПАКМ в (6...20) разів

вища порівняно з іншими фільтрами. У них розвинена фільтрувальна

поверхня (відносно одиниці площі).

Перевагою фільтрів безперервної дії, крім полегшення їх обслуговування і

економії робочої сили, є: автоматизація всього робочого циклу при

одночасному значному підвищенні продуктивності.

Відцентрові методи розділення полягають у тому, що неоднорідні системи

піддають дії поля відцентрових сил, використовуючи при цьому суцільні і

проникні для рідини перегородки. Для створення поля відцентрових сил у

техніці використовують два прийоми: забезпечують обертальний рух потоку

рідини (газу) в нерухомому робочому органі апарата (циклони, гідроцик-

лони); потік оброблюваного матеріалу спрямовують в робочий орган, що

обертається, в якому відбувається їх спільне обертання (центрифуги,

надцентрифуги, сепаратори).

153

4.4.4 Відцентрові методи розподілу неоднорідних систем

У першому випадку відбувається циклонний процес, а у другому —

відцентрове осідання або відцентрове фільтрування.

Фізична суть процесу осідання під дією відцентрової сили полягає в тому, що

в обертовому потоці на завислу частинку діє відцентрова сила, яка спрямовує

цю частинку до периферії від осі обертання по радіусу з швидкістю, що

дорівнює швидкості осідання



(рис. 4.16). Колова швидкість потоку, що

несе частинку, дорівнює





Частинка рухається з результуючою

швидкістю



по траєкторії

abc

і осідає на стінках апарата. Процес

осідання відбувається під дією відцентрової сили

,rm

mmma





H, (4.15)

де

— маса частинки, кг;

— відцентроване прискорення,

с/м

;

— радіус обертання частинки,

;



2

— кутова швидкість обертання частинки, рад/с;

п — число обертів (частота обертання) частинки, 1/с. Опір осіданню, так

само як і у випадку осідання під дією сили тяжіння, чинить сила опору

середовища.

Рис. 4.1 б. Схема осідання під дією відцентрової сили

Для оцінки ефективності осідання під дією відцентрових сил порівняємо

відцентрову силу з силою тяжіння, що діє на частинку. Сила тяжіння без

урахування підйомних (архімедових) сил становить

,mg



H, (4.16)

154

Зіставлення рівнянь (4.15) і (4.16) дає





Або

,Fr

GGG

TTB





(4.17)

хпРітп тйттттенттювана сила більша від сили тяжіння в Fr раз. Тут





— число Фруда, яке називають фактором розділення.

Фактор розділення показує, у скільки разів відцентрове прискорення більше

від прискорення сили тяжіння. Записавши кутову швидкість у виразі для

критерію Фруда (фактора розділення)

через число обертів і поклавши

g



, дістанемо

)n(







(4.18)

З цього виразу випливає, що збільшення числа обертів частинки значно

більше впливає на зростання фактора розділення, ніж збільшення радіуса

обертання. Виходячи з виразів (4.17) і (4.18), можна сказати, що для

збільшення відцентрової сили доцільніше збільшити кількість обертів

частинки, ніж радіус її обертання.

Фактор розділення — це важлива характеристика відцентрових апаратів,

оскільки, за інших умов, розділяюча дія відцентрових апаратів зростає

пропорційно величині Fr. Швидкість осідання у полі відцентрових сил можна

розрахувати за рівнянням для визначення швидкості осідання під дією сили

тяжіння з урахуванням розділення

,с/м,Fr



(4.19)

Де

- швидкість осідання, визначена за рівнянням для швид-

кості осідання під дією сили тяжіння, м/с.

На відміну від осідання у полі сил тяжіння швидкість відцентрового осідання

— величини змінна, оскільки рухома частинка переміщується з одного

радіуса обертання на інший і значення Fr змінюється. Межі режимів руху, як

і раніше (під час осідання у полі сил тяжіння), визначають числовими

значеннями критерію

155

Рейнолдса, тобто для ламінарного режиму

2Re

для перехідного

5002  Re

і для турбулентного Re>500.

Під час обертання робочого органа центрифуги (ротора) в рідині утворюється

воронка (рис. 4.17, а), поверхня якої, як відомо з гідравліки, є поверхнею

параболоїда обертання. Із збільшенням швидкості обертання висота

параболоїда (глибина воронки) також збільшується і стає в багато разів

більшою від висоти ротора, дно ротора оголюється (рис. 4.17, б). З рис. 4.17

видно, що ротор (барабан) центрифуги повинен мати на торці обмежувальне

кільце, щоб рідина утримувалась у барабані і не вихлюпувалась через край із

збільшенням висоти параболоїда за рахунок збільшення числа обертів.

Ширина цього кільця визначає максимальну товщину шару рідини, яка може

вміщатися у барабані. Для циліндричних барабанів ширину кільця з

практичних міркувань беруть такою, щоб відношення об'єму барабана

(коефіцієнт наповнення) було в межах 0,4-0,65.

Внутрішня поверхня кільцевого шару рідини для технічних розрахунків

може бути прийнята циліндричною, оскільки кривизна поверхні кільця

рідини визначається відношенням величини відцентрової сили

до сили

тяжіння

якщо числові величини фактора розділення Fr дорівнюють

практично кільком сотням чи тисячам, рівнодіина АВ, до якої в даній точці

перпендикулярна поверхня рідини, практично буде горизонтальною.

156

Оскільки вплив сили тяжіння в барабані центрифуги мізерний порівняно з

дією відцентрової сили, барабан можна при бажанні обертати навколо

горизонтальної осі; це зручно для механізації і автоматизації вивантаження

осадів з центрифуги.

У відстійних (осаджувальних) відцентрових пристроях розділю-вана

емульсія або суспензія відкидається відцентровою силою до стінок робочого

органа (ротора центрифуги або корпуса гідроцик-лона), причому рідка або

тверда фаза як більш густа осідає ближче до периферії, утворюючи на

внутрішній поверхні стінок робочого органа рідинний шар або шар осаду.

Інша фаза (меншої густини) розміщується кільцевим шаром ближче до його

осі і може переливатись через обмежувач шару проясненої рідини у вигляді

кільця 2 (рис. 4.18) або відводиться за допомогою спеціальних відвідних

(черпальних) трубок 1 і діафрагми 3 або центральної відвідної труби в

гідроциклонах. Тверда фаза у вигляді кільцевого шару осаду переміщується

по стінках робочого органа (ротора центрифуги або корпуса гідроциклона) в

зону вивантаження. Для збільшення ефективності розподілу важкої і легкої

рідини зазвичай використовують тарілчасті барабани, в яких рідина

рухається між тарілками у вигляді струменя в ламінорному режимі (рис.

4.19).

Розділення емульсій у відстійних центрифугах розрізняють процеси

відцентрового прояснення і відцентрового відстоюван-

157

ня. При відцентровому проясненні з рідини видаляють тверді домішки, що

містяться в ній у незначній кількості, наприклад при проясненні пива, соку і

т.п. При відцентровому відстоюванні розділяється суспензія, що містить

значну кількість твердої фази.

Найпростішими пристроями для відцентрового розподілу газових і рідинних

систем є циклони і гідроциклони. Циклон для очищення газу (рис. 4.20)

складається з вертикального корпуса 2 з конічним дном 1 і кришкою 3.

Запилений газ надходить тангенціально з великою швидкістю через патрубок

5 у верхню частину корпуса циклона. В корпусі цей потік запиленого газу

рухається вниз по спіралі вздовж внутрішньої поверхні стінки циклона. При

цьому важчі частинки пилу під дією відцентрової сили відкидаються на

периферію, осідають на внутрішні поверхні корпуса, а потім сповзають у

конічне дно і видаляються з апарата через патрубок.

Звільнений від завислих частинок потік виводиться з циклона через вивідну

трубу 4. Для поліпшення роботи циклонів застосовують вставки у вигляді

гвинтової поверхні, розміщеної між корпусом апарата і вивідною трубою.

Щоб підвищити роздільну дію, замість циклона великого діаметра

використовують кілька

158