Класифікація фільтрів
Швейцарська виробничо-інжинірингова компанія ENCE GmbH (ЕНЦЕ ГмбХ) утворилася в 1999 році, має 16 представництв та офісів у країнах СНД, пропонує обладнання та комплектуючі з виробничих майданчиків у США, Канаді та Японії, готова розробити та поставити за Вашим індивідуальним технічним завданням різні фільтри та фільтрувальне обладнання.
Класифікація фільтрів
Процес фільтрації в даний час поширений вкрай широко в різних областях, починаючи від побутової очистки води і закінчуючи поділом суспензій на хімічних виробництвах. У свою чергу, різноманітність застосувань породила різноманітність конструкцій апаратів для здійснення цього процесу. Зустрічаються як вкрай прості фільтри, у яких багато операцій здійснюються вручну, і складні агрегати, здатні працювати у безперервному режимі тривалий час. Тим не менш, можна виділити ряд основних характеристик, за якими зручно проводити класифікацію.
За режимом роботи всі фільтри можна поділити на:
- періодичної дії;
- безперервної дії.
У першому випадку подача суспензії здійснюються дозовано з перервами на проведення допоміжних операцій, таких як видалення шару осаду, тоді як у другому випадку подача суспензії відбувається безперервно. Утримання дисперсної фази відбувається в будь-якому випадку, і якщо процес відбувається із закупорюємо пір, то її видалення стає пов'язане з додатковими труднощами, тому для цих цілей використовують фільтри періодичної дії. Якщо фільтрація йде з накопиченням осаду, то можуть застосовуватися апарати як періодичної, так і безперервної дії. При цьому ву разі безперервного процесу має бути організовано постійне видалення надлишку осаду, що накопичується на перегородці.
За способом організації перепаду тиску виділяють фільтри, що працюють:
У загальному випадку фільтри, що працюють під вакуумом, переважно з кількох причин. По-перше, фільтр, що працює під тиском, зазнає більшого навантаження, ніж аналогічний працюючий під вакуумом, а значить повинен мати більшу міцність, що призводить до його подорожчання і підвищення небезпеки у разі розгерметизації. По-друге, стискані опади при такому способі менш схильні до ущільнення. Конструкція фільтра може припускати як роботу тільки в одному з режимів, так і можливість перемикатися між ними при мінімальному перенастроюванні.
Фільтри, що працюють під тиском
Друк фільтр
Найбільш простим типом фільтра, що працює під тиском, та й фільтра взагалі є Друк фільтр. Він є посудиною, розділеною фільтрувальною перегородкою. В одну частину під тиском подається суспензія або забруднений газ на поділ, або (у разі суспензії) тиск створюється подачею стисненого газу або самої суспензії під тиском. Проходячи шар осаду та перегородку, суцільна фаза очищається від дисперсної фази і надходить у другу частину апарату, після чого виводиться назовні. Такі фільтри зазвичай прості за конструкцією і працюють у періодичному режимі, проте можуть бути модифіковані для роботи в безперервному режимі, для чого над фільтруючою перегородкою встановлюють скребки, що обертаються, видаляють надлишок накопиченого осаду.
Перевага таких фільтрів у простоті як конструкції, так і обслуговування. Мала частка рухомих, зношуваних, сильно навантажених та інших "проблемних" елементів конструкціїдозволяє таким апаратам працювати в різних умовах і обслуговуватися персоналом без високої кваліфікації.
Фільтрпрес
Основу конструкції складають плити і рами, розташовані по черзі і щільно притиснуті один до одного, між якими розташовують листи фільтрувального матеріалу. Рама і примикаючі до неї з різних боків плити утворюють окрему комірку фільтрування. Плити мають на своїй поверхні паралельні борозни, якими фільтрат стікає вниз і потім виводиться з фільтра. Рами підлоги всередині та утворюють об'єм, у якому відбувається накопичення осаду. Отвори по краях цих елементів конструкції при їх поєднанні утворюють наскрізні канали, одним з яких подається і розподіляється між осередками суспензія, а інші збирають потоки фільтрату і виводять їх з фільтра. Рами та плити закріплюються на підтримуючих стрижнях, а їхнє щільне прилягання забезпечує спеціальна притискна плита.
Подібна конструкція дозволяє змінювати поверхню фільтрування шляхом встановлення потрібної кількості плит та рамок залежно від характеристик суспензії та витрати. Крім того, такі апарати виходять дуже компактними, оскільки мають хороше співвідношення площі фільтрації до займаної фільтром площі. Платою за ці переваги є складність процесу видалення ущільненого осаду, для чого потрібна зупинка процесу та розбір усієї конструкції. У рамках вирішення цієї проблеми у сучасних фільтрів багато з цих операцій роблять автоматизованими.
Рукавні, листові та патронні фільтри
Незважаючи на те, що по конструкції ці фільтри періодичного впливу можуть сильно відрізнятися, загальний принцип організації процесу залишається схожим. Загальна площа фільтрування в них складається з площ окремихфільтруючих елементів різної форми кожного з типів. Набір таких елементів розташовують усередині корпусу фільтра, куди під тиском подається суспензія або газ, які проходять всередину елементів крізь шар, що фільтрує, де відокремлюється дисперсна фаза, і очищені виводяться назовні. Шар осаду, що накопичується, видаляють зворотним промиванням, продуванням або механічним впливом. Так, наприклад, в рукавних фільтрах встановлюють спеціальні пристрої, періодично струшують їх, через що осад, що накопичився, відколюється і опускається на дно фільтра.
Раціональне розташування фільтрувальних модулів всередині апарату дозволяє значно економити займану ним площу в порівнянні зі звичайними друк-фільтрами, а різноманітність їх форм дозволяє застосовувати різні фільтрувальні матеріали, починаючи від тканин і закінчуючи пористим склом і керамікою.
Такі фільтри порівняно простіше в обслуговуванні, вони можуть бути значною мірою автоматизовані, що дозволяє їм працювати в безперервному режимі, коли відбувається поперемінне очищення та видалення осаду з одних елементів, поки інші фільтрують. Якщо процес йде із закупорюванням пір, то конструкція дозволяє легко замінювати фільтрувальні елементи, що вийшли з ладу. У той же час ускладнюється контроль товщини осаду, і може знадобитися необхідність додаткових пристроях, що перемішують всередині фільтра, щоб забезпечити рівномірну фільтрацію по всій доступній площі.
Фільтри, що працюють під вакуумом
Подібно до друк-фільтру, нутч-фільтр має вкрай просту конструкцію, а точніше багато в чому повторює його. Власне, за певних умов один і той самий апарат може працювати як під вакуумом, так і під тиском. Складові елементи фільтра ті ж: корпус та фільтруючаперегородка, що поділяє його на дві порожнини. Розрядження створюється нижче фільтруючої перегородки.
Основна проблема також полягає у видаленні накопиченого осаду, у зв'язку з чим нутч-фільтри зазвичай роблять періодичної дії з ручним вивантаженням осаду. У деяких випадках може бути передбачене механізоване вивантаження осаду, але частіше нутч-фільтри використовують для нескладного фільтрування малих обсягів суспензії, де пов'язані з вивантаженням осаду проблеми виявляються несуттєвими.
Однією із спроб вирішити проблему періодичної дії нутч-фільтрів стало створення карусельних фільтрів. Фактично це набір окремих нутч-фільтрів, що працюють періодично, але при спільній їх роботі в послідовному режимі досягається ефект, при якому вся установка працює в безперервному режимі. Фільтри розташовані по колу та підключені до джерела вакууму. Рухаючись цим колом, кожен із них проходить ряд циклічних стадій: фільтрація, промивання, сушіння, видалення осаду тощо. Такий рух нагадує карусель, звідки і походить назва. За можливість працювати безперервно карусельні фільтри розплачуються складнішою конструкцією, проте зберігаючи інші переваги нутч-фільтрів.
Даний тип фільтрів примітний тим, що в ньому рухаються не окремі його частини, а саме фільтрувальне полотно, натягнуте на роликах і пристрої нагадує стрічку конвеєра. На ділянках, де безпосередньо відбувається фільтрування, полотно спирається на гумову стрічку, що підтримує, з перфорацією. Окремо взяту ділянку полотна під час проходження повного кола можна як фільтр, який зазнає ряд послідовних операцій. Загалом виходить так, що установка працює в безперервному режимі, і в ній можна виділити окремі зонифільтрації, промивання, знімання осаду і т.д.
Перевагою такого типу фільтрів є їхня можливість працювати в безперервному режимі, при цьому без значного ускладнення конструкції. В установці немає такої кількості рухомих елементів, що здійснюють складний рух, як, наприклад, карусельному фільтрі. Крім того, фільтрувальне полотно повинно мати достатню міцність, щоб не рватися, перебуваючи в розтягнутому стані при експлуатації.
Іншим способом реалізації безперервного фільтрування, а також збільшення сумарної площі для фільтрування щодо займаного установкою об'єму, є дискові фільтри. Конструктивно фільтр є набір дисків, обтягнутих фільтрувальною тканиною і які складаються з розділених перегородками внутрішніх порожнин. Диски насаджені на загальний порожнистий вал, підключений до джерела вакууму. Диски приблизно на половину занурюються в ємність із суспензією і приводяться у обертальний рух, щоб задіяти всю доступну для фільтрування поверхню. Розподільний пристрій усередині валу підключає до лінії вакууму ті частини диска, які в той момент занурені в суспензію. Рідина фільтрується через шар матеріалу, що обтягує диски, потрапляє у внутрішні порожнини і ними через вал виводиться з апарата. Шар осаду видаляється з поверхні дисків за допомогою ножів. Осад за своєю структурою повинен бути досить однорідним, не вимагати промивання і складатися з частинок, що повільно осаджуються, що пов'язано з вертикальним розташуванням фільтрувального полотна потраплянням осаду назад в суспензію у разі його відлипання.
Барабанні фільтри також як дискові мають елемент, що обертається, який в даному випадку має форму барабана. Фільтрувальна поверхня зазвичай розташовується нациліндричної частини, яка також розділена на секції. Спеціальний розподільний пристрій циклічно в міру обертання барабана підключає їх до вакууму, то до джерела підвищеного тиску. Таким чином, домагаються поділу кола, яким рухається фільтрувальне полотно, на долі, на яких здійснюється певний процес: фільтрація, продування, промивання і т.д.
Барабан частково занурюється в суспензію, і поки ділянка фільтрувального полотна знаходиться всередині неї, на ньому відбувається безпосередньо фільтрація та накопичення осаду. При подальшому обертанні барабана ця ділянка піднімається над рівнем суспензії і зазнає ряд інших допоміжних операцій. В кінці промитий і просушений осад знімається з поверхні барабана ножем і цикл фільтрації повторюється.
Особливості функціонування фільтрів
Насправді практичне фільтрування відбувається у стані постійної швидкості чи різниці тисків. Основною величиною, яка характеризує весь процес фільтрування, вважається швидкість, вона розраховує як обсяг відфільтрованої речовини, що проходить за одиницю часу через одиницю поверхні фільтрування.
де Сф - швидкість фільтрації, м3/(м2*с); dV - обсяг відфільтрованої речовини (фільтрату), м 3; F - поверхня фільтрування, м 2; τ – час, с.
При цьому швидкість фільтрування прямо пропорційна величині перепаду тиску в шарі осаду та фільтрувальній перегородці, тобто рушійній силі і обернено пропорційна опору, що виражається формулою:
ΔP - рушійна сила або перепад тиску, Па; R - загальний опір фільтруванню, Н∙с/м (Па∙с/м).
Величина опору R не є незмінною, оскільки процес фільтрації йде з постійним зростанням товщиниосадового шару осаду і відповідно збільшенням його опору. Загальний опір - це сума опорів фільтруючої перегородки Rф та осаду Rос:
r – питомий опір осаду, що вимірюється, Н∙с/м 4 (Па∙с/м 2 ); l - товщина осаду, м.
Питома опір осаду r визначається опором одиниці об'єму осаду, що має висоту 1 м на 1 м 2 поверхні фільтрації.
З рівнянь (2) та (3) випливає, що швидкість процесу фільтрування може бути знайдена з рівності:
dV / Fdτ = ΔP / Rф + r·l (4)
Об'єм осаду Vос у свою чергу визначається добутком площі фільтрування F і товщини осаду lос:
Далі відношення об'єму одержуваного осаду до об'єму відфільтрованої речовини позначають через величину x = Vос / V і отримують наступне рівняння для кожного моменту фільтрації:
Виходячи з формул (5) і (6), товщина осаду може бути виражена як lос = Vф x / F і, підставляється в рівняння (4). У результаті виводиться диференціальне рівняння фільтрування: