4. Фильтрование

Рисунок 5.20 – Схема процесса фильтрования: 1 – сосуд для фильтрования; 2 – осадок; 3 – фильтровальная перегородка; 4 – ложное (перфорированное) днище

Фильтрование– процесс разделения неоднородных смесей с помощью пористых перегородок, задерживающих дисперсную и пропускающих сплошную фазу. Аппараты, используемые для этого процесса, носят названиефильтров. В простейшем случае фильтр представляет сосуд 1 (рис. 5.20), в котором имеется ложное (перфорированное) днище 4. На ложное днище уложена фильтровальная перегородка 3. Под действием разности давлений по обе стороны фильтрующей перегородки сплошная фаза (фильтрат) проходит через ее поры, а взвешенные частицы задерживаются на ней, образуя слой осадка 2.

Необходимую разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки создают с помощью вакуума под перегородкой или избыточного давления над перегородкой.

По мере накопления осадка на фильтровальной перегородке возникает дополнительное сопротивление прохождению фильтрата. Если перепад давления по обе стороны перегородки поддерживается постоянным, то количество фильтрата уменьшается, и скорость фильтрования падает. Скорость фильтрования можно поддерживать постоянной, если по мере накопления осадка над фильтрующей перегородкой увеличивать перепад давления. Практически, во избежание излишнего уплотнения осадка и увеличения его сопротивления, предпочитают работать при постоянном перепаде давления, создавая для этой цели под фильтровальной перегородкой вакуум.

Теоретические основы процессов фильтрования жидких и газовых неоднородных смесей идентичны, различно их аппаратурное оформление.

Процесс фильтрования неоднородных смесей в зависимости от размеров и концентрации частиц дисперсной фазы, а также величины пор фильтровальной перегородки может протекать по различным механизмам. Если размеры взвешенных частиц превышают размеры пор перегородки, то частицы не проникают внутрь нее, а образуют осадок, толщина слоя которого возрастает по мере увеличения количествапрофильтрованной смеси. Если размер частиц меньше размера пор перегородки, то они проникают внутрь и либо удаляются с фильтратом, либо задерживаются внутри капилляров фильтровальной перегородки вследствие механического взаимодействия или действия сил притяжения. За счет проникновения частиц внутрь пор размер их уменьшается, и перегородка обретает способность задерживать мелкие частицы, образующиеосадок. Такой процесс определяют какфильтрование с частичным закупориванием пор и образованием осадка. Частицы малых размеров способны проникать в поры до практически полного их закупоривания. Этот процесс называют фильтрованием с закупориванием пор. Он наблюдается обычно при фильтровании смесей с малым содержанием тонкодисперсных частиц. Закупоривание пор приводит к увеличению гидравлического сопротивления перегородки и уменьшению скорости фильтрования. Кроме того, уменьшается срок службы перегородки. Поэтому процесс фильтрования стремятся организовать так, чтобы он протекал с образованием осадка и, по возможности, исключалась закупорка пор фильтровальной перегородки. С этой целью используют специальныевспомогательныевещества, образующие на фильтровальной перегородке осадок, улавливающий мелкие частицы.

В качестве вспомогательных фильтрующих веществ используют высокопористые порошкообразные материалы – диатомит, перлит, уголь, а также волокнистые материалы – асбест, целлюлозу, древесную муку и другие. Иногда применяют смесь двух или более различных вспомогательных веществ, например, диатомита, перлита и асбеста. Размер частиц вспомогательного материала находится в пределах 10–50 мкм. Для повышения эффективности вспомогательных веществ их классифицируют, стремясь получить фракции с возможно более равномерным распределением частиц по размерам. Используют вспомогательные вещества двояким способом – добавляют к исходной смеси или предварительно наносят толстый слой на фильтровальную перегородку, а затем по мере закупоривания пор наружного слоя вспомогательного вещества его постепенно срезают. Второй способ обычно применяют при фильтровании с использованием аппаратов непрерывного действия. Выбор вспомогательного вещества производится экспериментально, при этом руководствуются двумя основными положениями: 1) вспомогательное вещество, задерживая взвешенные частицы, должно обеспечивать проведение процесса фильтрования с образованием несжимаемого осадка; 2) чем меньше размер частиц в разделяемой смеси, тем мельче должны быть частицы вспомогательного вещества. При определении количества добавляемого вспомогательного вещества следует учитывать, что, с одной стороны, с его увеличением возрастает пористость осадка и вследствие этого повышается скорость фильтрования, а с другой стороны – возрастает толщина слоя осадка, что уменьшает скорость фильтрации.

Большую роль в процессе фильтрования играют природа и структура осадка и фильтровальной перегородки. По физико-механическим свойствам их делят на несжимаемыеисжимаемые.Несжимаемыеосадки и перегородки характеризуются тем, что порозность их, а следовательно, и сопротивление потоку жидкости в процессе фильтрования остаются постоянными.

Практически совершенно несжимаемых осадков нет, но к этой группе обычно относят осадки веществ минерального происхождения (песок, мел, сода и другие) с размером частиц меньше 100 мкм, сопротивление слоя которых движущемуся потоку незначительно зависит от перепада давлений или скорости осаждения. К несжимаемым перегородкам относятся пористые керамические или стеклянные, а также металлические фильтрующие перегородки.

Сжимаемыеосадки характеризуются уменьшением порозности в результате образования более плотного осадка и повышением сопротивления при увеличении перепада давления. Такими свойствами обладают мелкодисперсные осадки неорганических веществ и большинства органических веществ, а также волокнистые и высокопористые материалы.

В производственных условиях под фильтрованием понимают не только процесс разделения смеси на фильтрат и осадок, но и сопутствующие ему операции – промывку, продувку и сушку осадка на фильтре.

Промывку осадка производят с целью удаления сплошной фазы из него. Для этого обычно используется растворитель, являющийся основным компонентом сплошной фазы. Так, если сплошная фаза – водный раствор, для промывки используют воду.

Продувка осадка производится с целью вытеснения из его пор оставшейся промывной жидкости. Для продувки используют воздух, а также инертные газы (азот, двуокись углерода). Однако продувкой удаляется лишь часть жидкости из пор осадка до достижения равновесной влажности.

Сушку осадка на фильтре проводят, чтобы получить на фильтре осадок с конечной влажностью меньше равновесной. Для сушки применяют нагретый или предварительно осушенный воздух.