Фильтрующие материалы

Выбор фильтровальных перегородок оказывает в ряде случаев определяющее влияние на качество фильтрования. Поэтому к фильтровальным перегородкам предъявляются следующие требования: высокая задерживающая способность; минимальное гидравлическое сопротивление; минимальная адгезия к фильтруемому материалу (при фильтровании с образованием осадка) и, наоборот, высокие адсорбционные свойства (при фильтровании малоконцентрированных суспензий с закупориванием пор); достаточно высокая прочность; химическая устойчивость к воздействию обрабатываемых сред (фильтрат, жидкости для промывки и регенерирующие жидкости); хорошая термостойкость (не менять фильтрационные свойства в температурных пределах эксплуатации); сохранение постоянства фильтрационных свойств в течение длительного времени.

В настоящее время изготавливают фильтровальные перегородки из хлопчатобумажных, шерстяных, синтетических, стеклянных, керамических, металлокерамических и других материалов.

Для повышения качества процесса фильтрования на фильтрующую перегородку предварительно в ряде случаев наносят фильтровальные вспомогательные вещества, образующие на ней плотный слой с более мелкими порами. В качестве таких веществ применяют: диатомит, перлит, асбест и асбестовые композиции, целлюлозу, древесную муку, опилки, синтетические материалы (полистирол, поливинилхлорид, крекозит) и т.д. Кроме того, применяют вещества, обладающие адсорбционной способностью: активированный уголь, отбеливающую глину, силикагель, цеалиты и др.

Разделение в поле центробежных сил

В поле центробежных сил разделяют пыли, суспензии и эмульсии, для этого применяют два основных способа разделения:

· разделяемая смесь закручивается вместе с аппаратом, в который подается (центрифугирование);

· разделяемая смесь закручивается в неподвижном аппарате (циклонный процесс).

Центрифугирование осуществляют в аппаратах, которые называются центрифугами и сепараторами. В первых из них основной частью является вращающийся цилиндрический барабан-ротор (с перфорированными или сплошными стенками), во вторых – набор (пакет) тарелок, вращающихся с высокой скоростью.

Основным параметром, характеризующим работу центрифуг, является центробежный критерий Фруда Fr_ц или центробежный фактор разделения К_ц, являющийся отношением центробежной силы, действующей на частицу в центробежном поле рассматриваемого аппарата к силе тяжести, действующей на ту же частицу в гравитационном поле,

где ω = 2πn – угловая скорость вращения ротора; n – частота вращения ротора; R – радиус ротора.

Центрифуги с фактором разделения К_Ц < 3000, условно называются нормальными центрифугами, а те, у которых К_Ц > 3000, - сверхцентрифугами.

Характеристикой работы центрифуг является также индекс производительности, определяемый как

.

Значение индекса производительности численно соответствует площади поверхности осаждения гравитационного отстойника,

которым можно заменить рассматриваемую центрифугу с сохранением показателей ее разделения.

Промышленные центрифуги разделяют:

· по характеру протекания процесса – на непрерывного и периодического действия;

· по способу выгрузки осадка из ротора – с ручной выгрузкой, контейнерной (кассетной), вибрационной, инерционной, гравитационной (самовыгружающаяся), выгрузкой ножом, пульсирующим поршнем и шнеком и др.;

· по расположению оси вращения ротора – на вертикальные, горизонтальные и наклонные.

Маятниковые фильтрующие центрифуги периодического действия с нижней выгрузкой осадка (рис. 3.11) применяют для получения осадка с низкой влажностью и обеспечения высокой эффективности его промывки, а также при разделении суспензий с абразивной или измельчающейся твердой фазой. Осадительные центрифуги этого типа в отличие от фильтрующих имеют сплошной ротор вместо перфорированного и применяются для получения осветленной жидкости высокой чистоты.

Общим конструктивным признаком маятниковых центрифуг является вертикальное расположение оси ротора 1, вал 2 которого вращается в подшипниках. Станина 10 подвешена на трех тягах с шарнирами и пружинами в колонках 6, установленных на фундаментной плите 9, для смягчения вибраций. Крышка кожуха центрифуги открывается механизмом подъема 4. Вращение ротору передается от электродвигателя 5 с помощью клиноременной передачи 8 и гидромуфты 7. Вал снабжен тормозом 11.

Суспензия подается в ротор через патрубок 3, а фильтрат и жидкость для промывки выводятся из кожуха через сливной штуцер 13. Осадок выгружается при полной остановке ротора через

отверстие в днище 12 или через верхнее отверстие 14 ротора, что требует использования ручного труда.

Горизонтальные фильтрующие ножевые центрифуги с автоматической выгрузкой осадка (рис. 3.12) предназначены для разделения суспензий со средне- и мелкозернистой (размер частиц более 30 мкм) твердой фазой. Осадительные центрифуги этого типа предназначены преимущественно для разделения плохо фильтрующихся суспензий с нерастворимой твердой фазой (размер частиц 5...40 мкм).

Общим конструктивным признаком центрифуг является горизонтальное расположение оси ротора 7, вал 9 которого вращается в подшипниках качения 8, установленных в станине 10. Вращение валу 9 передается от электродвигателя 11. На передней крышке центрифуги смонтированы: привод механизма среза осадка 3 с ножом 5, разгрузочный бункер 1, питающая труба 2. В кожухе 6 центрифуги предусмотрен люк для доступа к ротору при замене или ремонте фильтрующих центрифуги люк-воздушник 4 для отвода паров и газов из внутренней полости кожуха.

Осадительные горизонтальные центрифуги со шнековой выгрузкой осадка непрерывного действия (рис. 3.13) предназначены для разделения суспензий с твердой фазой и объемной концентрацией 1...40 %, размером частиц свыше 5 мкм и широко применяются для очистки сточных вод от твердых частиц в природоохранных целях.

Основной частью центрифуги является горизонтально расположенный цилиндроконический ротор 6 с соосно расположенным внутри него шнеком 5. Ротор и шнек вращаются в одном

направлении, но с разной частотой, в результате чего шнек транспортирует образовавшийся осадок вдоль ротора к окнам 9 для выгрузки, расположенным в узкой части ротора.

Ротор центрифуги, расположенный на двух опорах 3 и 8, приводится во вращение от электродвигателя через клиноременную

передачу. Привод шнека – от ротора центрифуги через специальный редуктор 2. Ротор закрыт кожухом 4 с перегородками, отделяющими камеру 10 (для выгрузки осадка) от камеры 11 (для отвода фугата – очищенной жидкости). При перегрузке защитное устройство 1 выключает центрифугу.

При работе центрифуги суспензия по питающей трубе 7 подается во внутреннюю полость шнека, откуда через окна поступает в ротор. Под действием центробежной силы суспензия разделяется, и на стенках ротора осаждаются частицы твердой фазы. Осветленная жидкость течет к сливным окнам 12, переливается через сливной порог и выбрасывается из ротора.

Центрифуги данного типа могут быть выполнены также в фильтрующем исполнении.

фильтрующая центрифуга с пульсирующей выгрузкой осадка (рис. 3.14) – одна из наиболее экономичных конструкций центрифуг непрерывного действия.

Центрифуга приводится во вращение электродвигателем через клиноременную передачу 7. Внутри ротора 2, закрепленного на валу 5, расположен толкатель 4, который, вращаясь с ротором, одновременно воспринимает пульсацию от гидроцилиндра 6.

При работе центрифуги суспензия по питающей трубе 1 и приемному конусу 3 подается в ротор. Проходя конус, суспензия постепенно приобретает скорость, почти равную скорости вращающегося ротора. Из широкого конца конуса через проемы между опорными стояками днища ротора она выбрасывается на внутреннюю поверхность ротора. Фильтрат проходит через сито ротора и выводится из кожуха. Слой осадка, образовавшийся на по‑

верхности сит ротора, при движении толкателя вперед перемещается на величину его хода. При обратном движении толкателя новая порция суспензии поступает на освободившийся участок сит, заполняя его осадком. Таким образом, толкатель, совершая пульсирующее движение, постепенно перемещает осадок вдоль ротора и производит выгрузку его небольшими порциями в приемник.

По пути к выходу осадок может быть дополнительно промыт.

Основным недостатком данного типа центрифуг является забивка фильтрующего полотна и истирание его движением осадка.

К суперцентрифугам относятся трубчатые сверхцентрифуги и тарельчатые сепараторы.

Трубчатые центрифуги (рис. 3.15) предназначены для осветления суспензий, содержащих незначительное количество твердых высокодисперсных примесей, или для разделения стойких эмульсий.

При разделении эмульсий центрифуги работают непрерывно, при разделении суспензий – периодически, так как необходимо регулярно выгружать накопившийся в роторе осадок.

Общим конструктивным признаком этих устройств является трубчатый ротор 8, подвешенный на валу 4, с вертикальной осью вращения и нижней плавающей опорой 10 скольжения. Трехло­пастная крыльчатка 1 сообщает разделяемой жидкости угловую скорость ротора. Станина 9 представляет собой чугунный литой корпус, привод центрифуги осуществляется от электродвигателя 3, расположенного в верхней части корпуса.

Эмульсия, поступающая в нижнюю часть ротора, по мере продвижения вверх разделяется на тяжелый и легкий компоненты.

Тяжелый компонент проходит через отверстия 2 в головке, расположенные у стенки ротора, поступает в нижнюю сливную тарелку 7 и выводится из центрифуги. Легкий компонент проходит через отверстия 6 в головке, расположенные ближе коси ротора, поступает в верхнюю сливную тарелку 5 и выводится из центрифуги.

Жидкостные тарельчатые сепараторы (рис. 3.16) являются отстойными сверхцентрифугами непрерывного действия с вертикальным ротором и предназначены для разделения эмульсий и малоконцентрированных суспензий.

Эмульсия подается в сепаратор по центральной трубе 1 в нижнюю часть ротора, откуда через отверстия в тарелках 2 распределяется между ними тонкими слоями. Тяжелая жидкость, перемещаясь вдоль поверхности тарелок, отбрасывается центробежной силой к периферии ротора и отводится через отверстия 4. Легкая жидкость перемещается к центру ротора и удаляется через кольцевой канал 5. Отверстия в тарелках располагаются по поверхности раздела между тяжелой и легкой жидкостями. Для того чтобы жидкость не отставала от вращающегося ротора, он снабжен ребрами 3.

Циклонные процессы осуществляют в циклонных аппаратах – инерционных пылеуловителях, в которых центробежные силы возникают вследствие тангенциального движения запыленного потока. Закручивание разделяемой системы и создание центробежного поля осуществляются в них благодаря неподвижным закручивающим устройствам, установленным на входе в эти аппараты.

Циклоны характеризуются простотой и компактностью конструкции, высокой производительностью и качеством разделения, низким гидравлическим сопротивлением.

Для циклонных аппаратов, в которых отсутствуют вращающиеся элементы, центробежный фактор разделения (3.10) и целесообразно записывать не через угловую скорость вращения, а через максимальное значение окружной скорости движения частиц w около внутренней стенки аппарата, эти скорости связаны соотношением

ω = w/R.

В этом случае

Отсюда следует, что для повышения степени разделения необходимо увеличивать либо скорость потока, что связано с увеличением гидравлического сопротивления, либо уменьшать радиус цилиндрической части циклона, a следовательно, увеличивать их число для обеспечения требуемой объемной производительности по исходной смеси.

Для улавливания мелкой пыли (вплоть до 5...10 мкм) применяется батарейный циклон (рис. 3.18), который состоит из циклонов малого (100 ...250 мм) диаметра (циклонных элементов), работающих параллельно. Размещены они внутри общего кожуха 2, переходящего в общий бункер 1 для сбора пыли из каждого элемента. Все корпуса циклонов 4 установлены в кожухе на нижней трубной решетке 10, а выхлопные трубы 8 – на верхней 6. Для предотвращения перетока эти места уплотняются засыпкой' 3. Ус‑

тановка верхней трубной решетки наклонно способствует выравниванию скоростей газа на входе в каждый элемент.

Очищаемый газ при входе в батарею циклонов через патрубок 7 попадает в межтрубное пространство выхлопных труб. На входе в каждый циклон 4 газ закручивается специальными винтовыми вставками 9. Осажденная пыль собирается в общий бункер, а очищенный от пыли газ удаляется из батарейного циклона через выходной патрубок 5.

Производительность единичного циклона определяется с помощью условной скорости w_усл, характеризующей расход газового потока через цилиндрическую часть корпуса (см. рис. 3.17),

а необходимый для осуществления этого процесса перепад давле­ний

где ζ – коэффициент местного сопротивления; ρ_г – плотность газа.

Для получения определенной производительности V с применением батарейных аппаратов число элементов n в них определяется с учетом объемной производительности каждого из них как

n = V/Vг'.

Для разделения суспензий и эмульсий используются гидроциклоны.

Традиционный цилиндроконический гидроциклон (рис. 3.19) представляет собой аппарат, состоящий из цилиндрической 1 с крышкой 6 и конической 2 частей. В цилиндрической части установлен входной патрубок 4, по которому разделяемая смесь тангенциально подается в гидроциклон. Для вывода осветленной жидкости

(легкой фазы) служит сливной патрубок 5. В вершине конуса гидроциклона расположена насадка 3 для вывода тяжелой фазы.

При тангенциальной подаче исходной смеси, как правило, образуются два основных вращающихся потока жидкости. В периферийной зоне I жидкость движется вниз к вершине конуса. При этом часть ее выходит через насадку 3, основное же количество изменяет направление движения и, образуя внутренний восходящий поток (зона II), поднимается вверх, удаляясь из аппарата через сливной патру6ок 5. При движении внешнего потока к вершине конуса из него выделяется часть жидкости, которая, перемещаясь в радиальном направлении, вливается во внутренний восходящий поток.

Обычно напорные гидроциклоны работают со свободным истечением из сливного патрубка 5 и насадки 3, поэтому во время работы через них подсасывается воздух, который вместе с газом, выделившимся из жидкости, образует вдоль оси зону разрежения III (воздушный столб), существенно влияющую на проходное сечение разгрузочных отверстий.

Крупные тяжелые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклонов, по винтовой траектории перемещаются к насадке 3, откуда и выгружаются.

Мелкие легкие частицы концентрируются в восходящем потоке, с которым выносятся через патру6ок 5.

Гидроциклоны малых размеров (мультигидроциклоны) объединяют так же, как и газовые, - в батареи.

Разделение неоднородных смесей под действием электрического поля

Электроочистка применяется для выделения из газовых пото­ков мелких частиц, которые трудно осадить предыдущими методами.

Принцип электроосаждения заключается в ионизации газового потока, содержащего твердые частицы или мелкие капли. Последние при этом приобретают отрицательный электрический за ряд, перемещаются к положительно заряженному электроду и оседают на нем.

Ионизация газа может осуществляться самостоятельно – под действием высокой разницы потенциалов на электродах и несамостоятельно – под воздействием излучений (радиоактивного, рентгеновского и др.).

В технике газоочистки в настоящее время осуществляют только самостоятельную ионизацию.

Основными типами промышленных сухих (для отделения твердых частиц) и мокрых (для отделения капель) электрофильтров в зависимости от формы осадителъного электрода являются трубчатые и пластинчатые.

В трубчатом электрофильтре (рис. 3.20) осадительные электроды 3 выполнены в виде цилиндрических или шестигранных (сотовых) труб и соединены внизу с камерой подачи 2, а вверху с камерой 5 отвода очищенного газа. Отрицательно заряженные (коронирующие) электроды 4 в виде проволоки с грузом 11 расположены по осям труб и закреплены в нижней части в решетке 10, препятствующей их колебанию, а в верхней – присоединены к раме 6, подвешенной через изоляторы 7. Осадительные электроды заземлены с помощью устройства 9. Уловленная в сухих электрофильтрах пыль удаляется путем встряхивания с помощью приспособлений 8, в мокрых – стекает в виде пленки и удаляется из бункера 1.

Скорость осаждения частиц в электрофильтрах может быть рассчитана по зависимости

где ε₀ = 8,85*10^-12 Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума; ε – относительная диэлектрическая проницаемость частицы диаметром d_ч; Е – средняя напряженность электрического поля.

Мокрая очистка газов основана на прилипании частиц к поверхности жидкости при движении загрязненного газа через аппарат. Таким образом, основным требованием к аппаратам, основанным на данном принципе, Является создание максимально развитой поверхности контакта газа и жидкости.

Различают полые, тарельчатые и насадочные газопромыватели (6ар6отажные и пенные), аппараты ударно-инерционного действия (ротоклоны) и центробежного действия, скоростные газопромыватели (скрубберы Вентури).

В пенном газопромывателе (рис. 3.22) запыленный газ проходит через перфорированную решетку, по которой протекает вода. При определенных скоростях газа она превращается в подвижную пену, таким обра

Скоростной газопромыватель (скруббер Вентури) (рис. 3.23) состоит из трубы-распылителя 1, в которой орошающая жидкость интенсивно дробится газовым потоком, и каплеуловителя 2 (чаще циклонного типа). Скорость газа в распылителе достигает 40... 150 м/с.

Достоинствами скруббера Вентури являются простота и ком­пактность устройства, высокая степень очистки при небольшом расходе воды, недостатком -значительное гидравлическое сопротивление.

Контрольные вопросы

1. Какие гетерогенные системы существуют?

2. Что такое инверсия фаз?

3. Что называется внутренней фазой?

4. На чем основывается принцип выбора метода и аппаратуры для разделения конкретных гетерогенных систем?

5. Каков физический смысл разделения в поле сил тяжести (отстаивание)?

6. Каким образом рассчитывается скорость осаждения частиц?

7. Каким образом требуемая площадь отстойника связана с его производительностью?

8. Каков физический смысл процесса фильтрования?

9. Какие основные типы фильтров применяются в промышленности?

10. Какие фильтрующие материалы используют в промышленности и какие требования к ним предъявляются?

11. Каков физический смысл центробежного фактора разделения?

12. Какие типы центрифуг существуют?

13. Каков принцип работы циклонов и гидроциклонов?

14. На чем основывается процесс осаждения газовых неоднородных систем в электрическом поле?

15. Какие типы мокрых пылеуловителей существуют?

16. Какими достоинствами обладает скруббер Вентури?