Чем определяется скорость фильтрования воды на катионитных фильтрах

Обновлено: 03.05.2024

В технологии водоподготовки применяются два основных процесса для удаления из воды ионизированных примесей: катионирование и анионирование. В зависимости от обменного иона процессы и аппараты называют: натрий-катионирование, натрий-катионитный фильтр; H (водород)-катионирование, H-катионитный фильтр; OH-анионирование, OH-анионитныйт фильтр. Полученная в этих процессах вода соответственно называется: Na-катионированная вода, H-катионированная вода, OH-анионированная вода. Процесс Na-катионирования имеет самостоятельное значение и используется для умягчения воды, в то время как процессы H- и OH-ионирование реализуются совместно в схемах обессоливания воды.

Na-катионирование. - этот процесс применяют для умягчения воды путем фильтрования ее через слой катионита в натриевой форме. При этом ионы Ca 2+ и Mg 2+ , обуславливающие жесткость исходной воды, задерживаются катионитом в обмен на эквивалентное количество ионов Na + . Остаточная жесткость фильтра при Na-катионировании может быть получена при надлежащих условиях регенерации фильтра на уровне 5 – 10 мкг-экв/дм 3 , что является определяющим при реализации этого процесса

Процесс умягчения ухудшается при наступлении проскока жесткости, после чего истощенный катионит в фильтре необходимо регенерировать, восстановить его способность к обмену ионами. Регенерацию истощенного катионита проводят пропуском через него 6 – 10 % раствором NaCl. Вследствие относительно большой концентрации ионов Na + в регенерационном растворе происходит замена ими поглощенных ранее катионов Ca 2+ и Mg 2+ .

Несмотря на то, что процесс обмена ионов, в том числе и при регенерации ионита, характеризуется эквивалентностью, для качественной регенерации ионитов расход реагента выбирается с определенным избытком NaCl. При подаче раствора соли в фильтр лучше будет отрегенерирован верхний слой катионита, контактирующий со свежим раствором. По мере прохождения раствора в глубинные части катионита условия регенерации будут ухудшаться вследствие повышения концентрации в регенерационном растворе ионов Ca 2+ и Mg 2+ , вытесненных из верхних слоев катионита при обеднении регенеранта ионами Na + . Аналогичное действие проявляется за счет загрязнения раствора технической NaCl ионами Ca 2+ и Mg 2+ .

Эффект регенерации катионита при выбранном расходе реагента повышается с увеличением продолжительности контакта раствора соли с катионитом, поэтому скорость пропуска регенерационного раствора ограничивают пределами 4 - 6 м/ч при высоте слоя катионита 1.5 - 2.0 м. Скорость ниже 4.0 м/ч не используется по гидродинамическим условиям работы фильтра.

Процесс регенерации натрий катионитных фильтров состоит из следующих циклов:

Цикл 1 - Взрыхление обратным током воды. Неочищенная вода снизу слоя фильтрующей засыпки в направлении, противоположном току воды, взрыхляет ("поднимает") её и вымывает накопленные механические загрязнения. Загрязненная вода поступает в дренаж.

Цикл 2 - Концентрированный регенерационный раствор поступает через засасывающую линию проходит через фильтрующую засыпку, химически восстанавливает её фильтрующую способность. Далее отработанный регенерирующий раствор поступает в дренаж.

Цикл 3 - Обработка прямая промывка – сброс промывной воды и уплотнение загрузки. Назначение данной промывки - сбросить в дренаж остаток загрязнений и первую порцию чистой воды. Кроме того, прямая промывка за счет большой скорости потока воды несколько уплотняет слой фильтрующей среды.

Цикл 4 - В этом цикле бак для хранения регенерирующего раствора заполняется входной водой, при этом уровень раствора растет заданной или максимальной отметки. Уровень воды в баке задается либо блоком управления фильтра, либо срабатыванием запирающего поплавкового клапана. Сначала раствор имеет малую концентрацию регенерата, но, по мере его растворения, концентрация достигает максимума.

H-катионирование. Обработка воды методом H-катионирования предназначается для удаления всех катионов из воды с заменой их на ионы водорода Н + . Вода за H-катионитными фильтрами содержит избыток ионов водорода и вследствие этого имеет кислую реакцию, поэтому эта технология применяется совместно с другими процессами ионирования - Na-катионированием или анионированием.

В работе H-катионитного фильтра можно выделить два основных периода:

Полное поглощение всех катионов.

Появление нарастающей концентрации иона Na + . В этот период концентрация иона Na + постепенно возрастает, а кислотность начинает снижаться за счет уменьшения количества вытесняемых ионов H + . К моменту достижения начального содержания иона Na + в исходной воде его поглощение прекращается, но происходит обмен в катионите ионов Ca 2+ и Mg 2+ исходной воды на сорбированный катионитом ион Na + до его полного вытеснения. В этот момент появляется проскок жесткости.

Параллельно с указанными выше изменениями концентрации катионов кислотность фильтрата после проскока ионов Na + сначала уменьшается и достигает нуля, затем появляется возрастающая щелочность, достигающая исходных значений при обмене ионов Ca 2+ и Mg 2+ на Na + . Эффект умягчения воды при H-катионировании обычно столь же полный, как и при Na-катионировании.

Работа фильтра до проскока ионов Na + или ионов жесткости зависит от технологической схемы его использования, соответственно изменяется его рабочая обменная емкость при работе до проскока ионов Na + или жесткости.

Для регенерации истощения H-катионита используется H2SO4 концентрацией 1.0 - 1.5%, регенерации характеризуется следующими реакциями:

R2Ca + nH + → 2RH + Ca 2+ + (n - 2)H + .

R2Mg + nH + → 2RH + Mg 2+ + (n - 2)H + ,

RNa + nH + → RH + Na + + (n - 1)H + .

Ограничение концентрации раствора H2SO4 связано с возможностью выделения на зернах регенерируемого катионита трудно растворимого CaSO4. Следующим мероприятием для борьбы с загипсовыванием катионита является ограничение времени контакта регенерационного раствора с катионитом, что реализуется на практике увеличением скорости пропуска 1.5% раствора H2SO4 до не менее 10 м/ч.

Значения оптимального удельного расхода серной кислоты в зависимости от содержания в исходной воде Cl - и SO4 2- ионов, определяющих величину противоионного эффекта, применительно к H-катионитным фильтрам 1 ст. при параллельном токе и противотоке. Помимо экономии серной кислоты, при противотоке снижается содержание ее в сбросных регенерационных водах, что облегчает нейтрализацию сбросов.

Анионирование воды - ведется с целью замены удаляемых анионов на ион гидроксила ОН - . При сочетании ОН-анионирования с Н-катионированием происходит удаление из воды как анионов, так и катионов в обмен на ионы ОН - и Н + , осуществляется химическое (ионитное) обессоливание воды.

Высокое значение pH в зоне обмена на анионите способствует диссоциации слабых кислот H2CO3 и H2SiO3 и переводу их в ионизированное состояние, поэтому они также могут участвовать в реакциях анионного обмена, но лишь при использовании сильноосновных анионитов:

ROH + H + + HCO 3- → RHCO 3 + H2O,

С учетом значений обменных емкостей слабоосновных и сильноосновных анионитов, а также способности только последних сорбировать анионы слабых кислот, схемы химического обессоливания обычно включают две ступени анионирования: на первой в фильтры загружается слабоосновный анионит, удаляющие ионы SO4 2- и Cl - на второй ступени в фильтры загружается сильноосновный анионит, предназначенный для обескремнивания воды.

Согласно ряду селективности в анионитном фильтре 1 ступени первыми проскакивают в фильтрат ионы Cl - , поэтому время выхода на регенерацию этого фильтра сопоставляют с концентрацией хлоридов; отключение анионитных фильтров 2 ступени на регенерацию проводят на основании контроля фильтрата по кремнекислоте.

Регенерация анионитных фильтров производится 4%-ным раствором NaOH, при этом происходят следующие реакции:

RCl + nOH - → ROH + Cl - + (n - 1)OH - ,

RHCO3 + nOH - → ROH + HCO3 - + (n - 1)OH - ,

RHSiO3 + nOH - → ROH + HSiO3 - + (n - 1)OH - .

Избыток щелочи при регенерации слабоосновных анионитов при поглощении ими анионов сильных кислот достаточен в двукратном размере против стехиометрического количества, т.е. 80 г/г-экв. Для регенерации анионита, насыщенного анионами кремниевой кислоты, требуется повышенный избыток NaOH (n = 10 - 20), обеспечивающий последующее кремнесодержание фильтрата на уровне 0.1 мг/дм 3 . Для снижения удельного расхода щелочи регенерацию параллельно-точных анионитных фильтров 2 и 1 ступеней проводят последовательно, либо используют противоточную или ступенчатопротивоточную технологию.

Вода используется практически в каждом промышленном процессе, ее чистота и качество играет важную роль в производстве, поэтому к качеству воды предъявляются высокие требования.

Вода уникальна по составу в зависимости от источника и практически всегда требует обработки.

Фильтрование является традиционной технологией очистки воды. Это способ очистки, направленный на извлечение разного характера частиц из воды методом её процеживания через специальные слои загрузок. Фильтры позволяют очищать исходную сточную воду от песка, ила, мутности, окалин и других взвешенных веществ.

Фильтрующая загрузка

Размеры гранул фильтрующей загрузки, обычно применяемой в фильтрах, приведены в Таблице 1, размеры частиц взвешенных веществ - в Таблице 2.


Таким образом, не подготовленная однородная загрузка (в зависимости от её типа) не может механически удерживать частицы мельче 30-80 мкм.

Медленные фильтры

Медленные песчаные фильтры - наиболее старая разновидность фильтров. Крупные взвешенные частицы, задерживаясь в верхнем слое загрузки, уменьшают площадь пор, через которые проходит жидкость, позволяя, таким образом, улавливать и более мелкие частицы.


Ключевые особенности медленных фильтров

  • Жидкость проходит через слой мелкого песка с низкой скоростью (0,05-0,2 м/ч) под действием силы тяжести.
  • Основные механизмы улавливания загрязнений - физическое заклинивание пор частицами и биодеструкция органики.
  • Поверхностная (плёночная) фильтрация - в удалении загрязнений участвует только поверхностная плёнка.
  • Регенерация фильтра осуществляется путём удаления верхнего слоя каждые несколько недель/месяцев.
  • Медленные фильтры просты в обслуживании, не требуют применения химических препаратов.
  • Редко применяются в крупных городских системах водоснабжения (около 0,1% от общего количества систем в США).
  • Как правило, применяются в малых системах водоснабжения, где простота обслуживания является важным преимуществом.
  • Мутность воды до прохождения фильтра не должна превышать 50 NTU (на практике желательно не превышать 10 NTU).

Мутность воды

Мутность измеряется в NTU (Nephelometric Turbidity Unit), нефелометрических единицах мутности. (1 NTU = 0,13 мг вв на литр для кремнезёма). За пределами США применяется единица измерения FNU (Formazine Nephelometric Unit) от формазина, вещества используемого для приготовления эталонных суспензий. 1 NTU = 1 FNU.

  • в озёрах: 1 ÷ 20 NTU;
  • в реках 10 ÷ более 4000 NTU;
  • не более 0,3 NTU у очищенной воды.

Для большинства систем на выходе стремятся получить значение мутности менее 0,1 NTU (мутность не фиксируется)

Эффективность фильтрации определяется по мутности потока сточных вод. Измерение мутности выявляет присутствие диспергированных взвешенных веществ, например, органических частиц сульфидных водорослей.

Для измерения мутности потока служит прибор турбидиметр, с помощью которого мутность определяется на основании анализа взаимодействия света и взвешенных частиц в жидкости. Принципиальная схема данного процесса приведена на Рисунке 3.


Скорые фильтры

Скорые фильтры, вытеснившие в XX веке медленные, значительно более распространены для очистки воды. Их ключевые особенности:

  • Значительно большая скорость фильтрации (примерно в 100 раз, обычно 5-15 м/ч).
  • Загрузка более крупная, более однородная
  • Фильтрация происходит преимущественно не за счёт механического заклинивания пор загрузки более крупными взвешенными частицами, а по своему принципу скорее напоминает отстаивание.
  • Частицы прилипают к гранулам фильтрующей загрузки и таким образом удаляются из потока. Для предотвращения электростатического отталкивания требуется предварительная обработка фильтруемой жидкости коагулянтом.
  • Глубинная фильтрация - удаление взвесей идёт по всей высоте слоя загрузки.
  • Мутность фильтрата меняется со временем.
  • Потеря напора на фильтре со временем возрастает, по мере того, как он зарастает и уменьшается его гидравлическая проницаемость.

Наименьшее значение из пары t B t h l (см. Рисунок 4) соответствует продолжительности функционирования фильтра. По истечению этого времени фильтр подвергается промывке. Мощный обратный поток очищает гранулы и вымывает взвеси из загрузки.

  • Однотипная загрузка (как правило, песок);
  • Загрузка двух типов (песок и антрацит);
  • Загрузка нескольких типов (песок, антрацит, гранатовый песок, ильменит, активированный уголь).

Загрузка промывается и просеивается с целью добиться более однородного распределения размеров частиц, измеряемого Коэффициентом Однородности U C = d 60 / d 10 , где d 10 - эффективный диаметр частицы (ES), превышающий диаметр лишь 10% частиц от общей массы загрузки.

Производится с целью освобождения ее от взвешенных частиц, обуславливающих мутность. Наряду с этим на фильтре частично задерживаются микроорганизмы, некоторые ядовитые и радиоактивные вещества, снижаются цветность, окисляемость воды.

Фильтры классифицируют по скорости фильтрования – медленные (0,1-0,3 м/ч) и скорые (5-10 м/ч), по направлению фильтрующего потока – одно- и двух поточные, по числу фильтрующих слоев – одно- и двухслойные.

Фильтр с зернистой загрузкой представляет собой железобетонный резервуар, заполненный фильтрующим материалом в два слоя. Фильтрующий слой выполняют из материала, обладающего достаточной прочностью (кварцевый песок, антрацитовая крошка, керамзит). Поддерживающий слой служит для того, чтобы мелкий фильтрующий материал не уносился вместе с фильтруемой водой через отверстия. Он состоит из слоев гравия или щебня разной крупности, постепенно увеличивающейся сверху вниз от 2 до 40 мм.

Фильтрование воды осуществляется двумя принципи­ально отличающимися друг от друга методами. Пленочное фильтрование предполагает образование пленки из ранее задержанных примесей воды в верхнем слое фильтру­ющей загрузки. Вначале вследствие механического осаж­дения частиц взвеси и их прилипания к поверхности зерен загрузки уменьшается размер пор. Затем на поверхности песка развиваются водоросли, бактерии и пр., дающие начало илистому, состоящему из минеральных и органиче­ских веществ осадку (биологическая пленка). Образова­нию пленки способствуют малая скорость фильтрации, большая мутность воды, значительное содержание фито­планктона. Пленка достигает толщины 0,5—1 мм и больше.

Биологическая пленка играет решающую роль в работе так называемых медленных фильтров. Помимо задержа­ния мельчайшей взвеси, пленка задерживает бактерии (уменьшая их количество на 95—99%), обеспечивает сни­жение окисляемости (на 20—45%) и цветности (на 20%) воды. Медленные фильтры, отличающиеся простотой устройства и эксплуатации, были первыми очистными сооружениями городских водопроводов в нача­ле XIX века. В дальнейшем, в связи с ростом водопотребления и мощностей водопроводов, они уступили место скорым фильтрам, преимуществом которых является большая производительность и меньшая площадь, что важно в условиях современного города.

Медленные фильтры сооружают с загрузкой фильтру­ющего слоя из кварцевого песка высотой 800—850 мм и поддерживающего слоя гравия или щебня высотой 400— 450 мм. Скорость фильтрации составляет 0,1—0,3 м/ч. Профильтрованная вода собирается дренажной системой, расположенной на дне фильтра. Очистка фильтра произво­дится через 10—30 суток вручную, путем снятия верхнего слоя песка толщиной 15—20 мм и подсыпки свежего. После очистки фильтра фильтрат в течение нескольких дней,до образования биологической пленки, идет на сброс.

Скорые фильтрыустроены несколько сложнее. Они имеют специальную подготовку чистой воды для промывания под напором и латки для сбора и отведения промывной воды. Вода на скорые фильтры должна подаваться как правило после коагуляции. Фильтрующая пленка создается очень быстро, главным образом за счет хлопьев коагулянтов. Скорость фильтрации достигает 5-7 м/ч, то есть в 50-70 раз больше, чем в медленных фильтрах. Это обстоятельство позволяет фильтровать большие количества воды через сравнительно небольшие фильтрующие площади. Объемное фильтрование, осуществляемое на скорых фильтрах, является физико-химическим процессом. При объемном фильтровании механические примеси воды про­никают в толщу фильтрующей загрузки и адсорбируются под действием сил молекулярного притяжения на повер­хности ее зерен и ранее прилипших частиц. Чем больше скорость фильтрования и чем крупнее зерна загрузки, тем глубже проникают в ее толщу загрязнения и тем равно­мернее они распределяются.

Высота слоя воды над поверхностью загрузки долж­на быть не менее 2 м. В процессе работы фильтра вода проходит фильтрующий и поддерживающий слои и через распределительную систему направляется в резервуар чистой воды. По окончании производится промывка фильтра. При увеличении сопротивления больше допустимой величины фильтрующая пленка снимается промыванием чистой водой, пускаемой в фильтр снизу вверх под напором. Такое промывание приходится делать 1-2 раза в сутки в зависимости от степени мутности фильтруемой воды.




Промывку производят обратным током чистой профильтрованой воды путем ее подачи под необходимым напором в распределительную систему. Промывная вода, проходя с большой скоростью (в 7—10 раз большей, чем скорость фильтрования) через фильтрующую загрузку снизу вверх, поднимает и очищает ее. Продолжительность промывки скорых фильтров 5—7 мин.

Контактный осветлитель, как и скорый фильтр, за­гружен гравием и песком, но совмещает в себе процессы коагу­ляции, осветления и фильтрации воды.

Вода подается снизу через распределительную систему из дырчатых труб вместе с раствором коагулянта, и хлопья образу­ются в толще загрузки (см. рис. 64, в). Такой вид коагуляции получил название контактной в отличие от обычной, протекаю­щей в свободном объеме.

Контактная коагуляция имеет отличия от объемной: образо­вание хлопьев при соприкосновении с зернистой загрузкой про­исходит гораздо быстрее и к тому же при меньших дозах коагу­лянта. Хлопья фиксируются на поверхности зерен и адсорбируют на себе взвесь. В слое гравия задерживается более крупная взвесь, что снижает заиливание песка, толщина слоя песка - 2м — вдвое больше обычных скорых фильтров, что еще более повышает грязеемкость и удлиняет время между промывками. Промывная вода подается, как обычно, снизу вверх и удаляется по желобам. Скорость фильтрации —4—5 м/ч. Взвесь успешно задерживается при первоначальном ее содержании не более 150 мг/л.

Основное преимущество контактных осветлителей состоит в том, что отпадает необходимость в отстойниках и камерах реак­ций.

Швейцарская производственно-инжиниринговая компания ENCE GmbH (ЭНЦЕ ГмбХ) образовалась в 1999году, имеет 16 представительств и офисов в странах СНГ, предлагает оборудование и комплектующие с производственных площадок в США, Канаде и Японии, готова разработать и поставить по Вашему индивидуальному техническому заданию различные фильтры и фильтровальное оборудование.

Общая информация по фильтрации

Фильтрование – это процесс разделения неоднородных дисперсных систем путем пропускания их через пористую перегородку, задерживающую одну фазу и пропускающую другую. Обычно к таким системам относят суспензии (жидкость – твердое тело) и аэрозоли (газ – жидкость, газ – твердое тело). При этом в системе выделяют сплошную фазу (жидкость для суспензии и газ для аэрозоля) и дисперсную фазу. Как следует из названий, дисперсная фаза раздроблена на отдельные части и находится внутри непрерывной сплошной фазы. После проведения процесса фильтрования суспензия разделяется на чистую жидкость и влажный осадок, а аэрозоль – на чистый газ и сухой осадок (или жидкость). Причем целевым компонентом фильтрации может быть как сплошная фаза (к примеру, очистка воздуха от пыли), так и дисперсная (выделение нерастворимого продукта реакции из раствора), а также оба компонента.

Это достаточно простой по принципу действия процесс, поэтому фильтрование было освоено человеком еще много веков назад до нашей эры. Так уже в древнем Египте массово применяли фильтрацию воды через слой песка или сложенную в несколько слоев ткань, чтобы очистить ее от песчинок и ила, а также улучшить органолептические (цвет, запах и вкус) показатели. С развитием цивилизаций росла и сфера применения фильтрации, постепенно расширяясь и включая в себя варианты, начиная от фильтрации вин, нефти и нефтепродуктов, и заканчивая очисткой плазмы крови и выделению продуктов химических реакций. Однако не все применения этого процесса связаны с мирным развитием человечества, если вспоминать черные страницы истории, то именно фильтрование газа стало основой такого изобретения как противогаз, разработанного в годы Первой мировой войны, когда впервые стали массово применяться боевые отравляющие газы.

В настоящее время фильтры различных конструкций и назначения встречаются повсеместно, как на крупных предприятиях, так и в быту, поскольку стремительное индустриальное развитие человечества повлекло за собой обширное загрязнение гидросферы и атмосферы планеты. Фильтрации подвергаются как жидкие и газообразные вредные выбросы механизмов и предприятий, так и потоки, забираемые из внешней среды. Кроме того, практически в каждом технологическом процессе можно найти фильтр, выполняющий задачи конечной очистки, отделения или подготовки веществ.

Принцип действия

Рассмотрим принцип процесса фильтрации на примере работы простейшего фильтра для разделения суспензий. Он представляет собой сосуд, разделенный на две части фильтрующей перегородкой. Если фильтрующий материал сыпуч, то для его удержания в форме слоя может использоваться поддерживающая конструкция, к примеру, опорная решетка. Суспензия подается в одну часть сосуда, проходит через фильтрующую перегородку, на которой происходит полное или частичное отделение дисперсной фазы, после чего выводится из сосуда. Для продавливания жидкости через перегородку по разные стороны от нее создается разность давлений, при этом суспензия продавливается из части сосуда с большим давлением в часть сосуда с меньшим давлением. Разность давлений является движущей силой процесса фильтрования.


Если обозначить объем получаемого фильтрата, получаемого за время dτ, как dVф, то дифференциальное уравнение скорости фильтрования может быть представлено как:

где:
Cф – скорость фильтрования;
Fф – площадь фильтрования.

Площадь фильтрования является основной расчетной геометрической характеристикой (ОРГХ) фильтров.

Фильтровальная перегородка представляет собой пористую структуру, размер пор которой напрямую влияет на ее фильтровальную способность. Жидкость проникает по порам как по каналам сквозь перегородку, а дисперсная фаза задерживается на ней. Процесс удержания твердой частицы может осуществляться несколькими путями. Самый простой вариант, когда размер пор меньше размеров частицы, и последняя просто оседает на поверхности перегородки, образуя слой осадка. Если размер частицы соизмерим с размером пор, то она проникает внутрь каналов и удерживается уже внутри на узких участках. И даже если размер частицы меньше самого узкого сечения поры, она все равно может быть удержана вследствие адсорбции или оседания на стенку поры в месте, где сильно искривлена геометрия канала. Если же твердая частица не была задержана ни одним из перечисленных способов, то она уходит из фильтра вместе с потоком фильтрата.


Те частицы, что удерживаются внутри пор, фактически увеличивают фильтровальную способность всей перегородки, поэтому при фильтровании можно наблюдать такую картину, когда в начальный период времени получаемый фильтрат оказывается мутным из-за наличия “проскочивших” частичек дисперсной фазы, и лишь спустя время фильтрат осветляется, когда задерживающая способность перегородки достигает необходимой величины. В свете этого выделяют два типа процесса фильтрования:

  • с образованием осадка;
  • с закупориванием пор.

В первом случае накопление твердых частиц происходит на поверхности перегородки, а во втором – внутри пор. Однако необходимо заметить, что реальный процесс фильтрования обычно сопровождается двумя этими явлениями, выраженными в различной степени. Фильтрование с образованием осадка более распространено.

Скорость фильтрования является величиной пропорциональной движущей силе и обратно пропорциональной сопротивлению фильтрованию. Сопротивление создают как сама перегородка, так и образующийся осадок. Скорость фильтрования можно выразить следующей формулой:

где:
Cф – скорость фильтрования, м/с;
ΔP – перепад давления на фильтре (движущая сила), Па;
Rфп – сопротивление фильтровальной перегородки, м -1 ;
rо – удельное сопротивление осадка, м -2 ;
l – высота слоя осадка, м.

Важно отметить, что в общем случае Rфп и rо не являются постоянными. Сопротивление фильтровальной перегородки может возрастать вследствие частичного забивания пор или набухания волокон самой перегородки в случае применения волокнистых материалов. Величина rо является удельной, то есть показывает сопротивление, которое будет приходиться на единицу высоты осадка. Возможность удельного сопротивления изменять свое значение зависит от физических и механических свойств осадка. Если в рамках процесса фильтрации частицы, образующие осадок, можно принять недеформируемыми, то такой осадок называют несжимаемым, и его удельное сопротивление не возрастает с повышением давления. Если же твердые частицы при повышении давления подвергаются деформации и уплотняются, вследствие чего размеры пор в осадке уменьшаются, то такой осадок называют сжимаемым.


Предпочтительной является фильтрация с образованием осадка. В этом случае забивания пор перегородки почти не происходит из-за образования сводов из твердых частиц над входами в каналы пор, служащих в качестве дополнительного задерживающего фактора для дисперсных твердых частиц. Увеличения сопротивления перегородки Rпр, почти не происходит, и контролировать сопротивление слоя осадка достаточно легко путем своевременного удаления его части. Кроме того, очистка пор фильтрующей перегородки обычно сопряжена с большими трудностями, а в отдельных случаях может оказаться вообще бесполезной, что означает утрату фильтровальной способности у перегородки, поэтому по возможности такого вида загрязнения следует избегать. Для предотвращения закупоривания пор фильтруемая суспензия может быть подвергнута предварительному сгущению, к примеру, путем отстаивания. Массовое образование сводов начинается при достижении объемной концентрации твердой фазы в суспензии около 1%.

Режимы фильтрования

Процесс можно проводить различными способами в зависимости от способа создания разности давлений. В связи с этим выделяют фильтрацию:

  • при постоянной разности давлений (ΔP=const);
  • при постоянной скорости фильтрации (Сф=const);
  • при переменных разности давлений и скорости фильтрации (ΔP, Сф =var).

Условия фильтрования при постоянном давлении создаются путем подсоединения пространства над перегородкой к линии сжатого газа, либо же подключением пространства под перегородкой к линии вакуума. Такие линии обычно подключаются к ресиверу компрессора, в котором давление поддерживается на постоянном уровне. Другой вариант выполнения таких условий – проведение фильтрования под гидростатическим давлением слоя суспензии постоянной высоты. При этом скорость фильтрации будет падать в течение процесса, так как будет возрастать сопротивление накапливающегося осадка.

Если суспензия подается в фильтр с помощью поршневого насоса, который обеспечивает постоянный расход, то такой процесс называют фильтрованием с постоянной скоростью. При этом также происходит накопление слоя осадка, а значит и его сопротивление. Поскольку скорость фильтрации не изменяется, это приводит к увеличению разности давлений на перегородке.

В случае подачи суспензии центробежным насосом увеличение давления вызывает снижение производительности, то есть изменяются обе величины, и такой процесс называют фильтрацией с переменной разностью давлений и производительностью.

Обработка осадка

В действительности процесс фильтрования обычно не заканчивается на этапе разделения суспензии на осадок и фильтрат. Полученный осадок с целью его дальнейшего использования может подвергаться промывке, продувке и просушке.

Промывка заключается в обработке полученного осадка промывной жидкостью для удаления остатков фильтрата в нем. Целью может быть как очистка осадка от остатков фильтрата, так и получение в чистом виде дополнительного объема фильтрата, если тот представляет ценность сам по себе. Процесс может осуществляться двумя способами в зависимости от свойств осадка:

Способ вытеснения применим к легко промываемым осадкам, при этом промывная жидкость подается в фильтр вместо исходной суспензии или разбрызгивается над осадком. Проходя по порам осадка, промывная жидкость смешивается с остатками фильтрата и выносит их своими током наружу. Движущей силой этого процесса является разность давлений, за счет чего осуществлялась и сама фильтрация. Если же осадок плохо поддается промывке, то велика вероятность, что промывная жидкость не сможет проникнуть в часть пор, а значит, не сможет вытеснить фильтрат в полном объеме. В таких случаях осуществляют промывку разбавлением, при которой осадок изымается из фильтра, смешивается с промывной жидкостью в отдельном аппарате, а затем получившаяся суспензия вновь подается на фильтрацию.

Продувка и просушка осуществляются с помощью газов. При продувке в фильтр подается под давлением газ (обычно воздух, но могут применяться и другие газы, например, инертные, такие как азот), который вытесняет остатки жидкости из пор осадка, благодаря чему его влажность можно снизить до значения равновесной. Если требуется достичь влажности осадка меньше равновесной, то его продувают предварительно осушенным и нагретым газом, то есть осуществляют просушку.

Физические закономерности процессов фильтрования

Характеристики протекающих процессов определяются физической зависимостью скорости фильтрации от свойств фильтруемой взвеси, перепада давления перед фильтрующей мембраной (или на входе и выходе фильтра) и т.д.:

где v – скорость фильтрации (м/с);
V – внутренний (рабочий) объём фильтра (м 3 );
F – площадь поверхности фильтрования (м 2 );
τ – время фильтрования (продолжительность протекания процесса), сек;
Δр – величина перепада давлений (Па);
μ – динамическая вязкость фильтруемой взвеси (Па·с);
х0 – объём осадка, отнесённый к объёму фильтрата;
r0 – среднее удельное сопротивление слоя осадка (м (-2) );
Rп – сопротивление фильтрующей перегородки (м (-1) ).

Приведённое выше уравнение получено из предпосылок, что фильтрация является газодинамическим процессом, а его скорость находится в прямой зависимости от движущей силы процесса (то есть величине перепада давлений на границе фильтрующей среды) и обратной зависимости от сопротивления фильтруемой среды (при продавливании жидкости сквозь поры фильтрующей мембраны). Уравнение выполняется только для ньютоновых капельных несжимаемых жидкостей и несжимаемых фильтрующих перегородок (т.е. когда величины х0, r0 и Rп постоянны и не зависят от перепада давления Δр).

При расчётах промышленных фильтровальных установок, уравнение скорости фильтрации необходимо проинтегрировать с учётом граничных условий процесса фильтрации.

При нагнетании фильтруемой суспензии насосом центробежного типа, фильтр работает в режиме и переменного давления, и скорости. Для определения скорости фильтрации такого режима необходимо сперва определить математическую зависимость перепада давления от продолжительности процесса (времени фильтрации) – Δр = f(τ).

На получение одинакового объёма фильтрата меньшее время тратиться при работе фильтра в режиме с постоянным перепадом давления, а не постоянной скорости. Данный вывод справедлив, если выполняются условия: осадок несжимаем и перепад давления в конце процесса фильтрации одинаков для обоих режимов.

Толщина осадка на фильтровальной перегородке – hос = x0·V/F.

Константы процесса фильтрации r0 и Rп для вышеприведённой базовой зависимости определяются эмпирически на симуляторах, моделирующих условия максимально приближенные к промышленным.

Помимо самого процесса фильтрации, цикл работы фильтра включает время удаления осадка, его просушку, паузу перед следующим циклом и т.п. Время промывки осадка можно определить из следующей формулы при учете, что расход промывочной жидкости, толщина осадка и перепад давления являются константами:

здесь Vпр – требуемый объём жидкости для промывки (м 3 );
μпр – динамическая вязкость жидкости для промывки (Па·с);
h0 – высота осадка (м);
∆pпр – рабочий перепад давления при промывке (Па);
Rп – сопротивление фильтрующей перегородки (м (-1) );
r0 – среднее удельное сопротивление слоя осадка (м (-2) ).

Окончательный вид формулы для времени промывки (τпр) будет определяться конструктивными особенностями фильтра и условиями закачки промывочной жидкости.

Продолжительность сушки осадка (время, необходимое на полное удаление жидкости) в процессе продувки воздухом или другим газом чаще всего определяется эмпирически на моделирующих установках.

Таким образом, общая длительность рабочего цикла фильтра будет равна сумме:

где τ – время фильтрования,
τпр – время промывки осадка,
τс – время сушки осадка,
τв – время на выгрузку осадка,
τпз – подготовительно-заключительное время.

Вышеописанная зависимость является главным критерием расчёта циклов работы фильтра периодического действия, или движения рабочего органа в фильтре непрерывного действия.

Закономерности фильтрования в гравитационном поле

Несжимаемые осадки образуются при разделении суспензии, содержащих твердые механически прочные частицы с размерами от 100 мкм и более (к таким осадкам относятся минеральные соли и другие).

Несжимаемыми фильтровальными перегородками являются материалы, изготовленные из пористой керамики, стеклянных, металлических и металлокерамических порошков путем спекания из гранул.

Отличительная особенность несжимаемых перегородок – сохранение первоначальных размеров пор во время эксплуатации. Благодаря чему обеспечивается постоянство сопротивления разделяемой жидкости.

Видимая скорость фильтрования, выражающая объем жидкости (фильтрата), проходящий через поры 1 м 2 поверхности фильтра, высчитывается по формуле:

С = 1/F · dV/dτ = ∆p / (μ · (8 · l)/(π · r 4 · i))

где С – видимая скорость фильтрования,
F – площадь фильтра,
dV – элементарный объем жидкости, фильтруемый за отрезок времени dτ,
Δp – перепад давления на фильтрующей перегородке,
μ – вязкость жидкости,
l – длина капилляра,
r – радиус капилляра,
i – число капилляров.

Движущая сила процесса фильтрования. Уравнение процесса фильтрования

Движущей силой процесса фильтрации является разница давлений потоков вещества до фильтра и после него. В случаях, когда давление нагнетается посредством насоса, процесс фильтрования осуществляется под действием перепада давления.

Чтобы жидкость могла пройти через фильтровальную перегородку, необходимо создать разность давлений между пространством сосуда над перегородкой и пространством под ней. Это реализуется несколькими способами:

  • за счет массы самой жидкости;
  • суспензия нагнетается жидкостным насосом (разность давлений составляет 0,5 МПа);
  • подается сжатым воздухом (разность давлений - 0,03-0,5 МПа);
  • подается центробежным насосом;
  • во второй части сосуда создается вакуум (разность давлений - 0,05-0,09 МПа).

По мере фильтрования на перегородке накапливается осадочный слой. Из-за чего сопротивление потоку жидкости растет, и объем фильтрата уменьшается. В такой ситуации вырабатывать одинаковое количество фильтрата за единицу времени можно только при постоянном увеличении разницы давлений.

Уравнение фильтрования под действием перепада давления

Для процесса фильтрования с образованием осадка, справедливо следующее уравнение:

где w - скорость фильтрования; dτ- объем фильтрата по времени; S- фильтрующая поверхность.

Фильтрование под действием центробежной силы осуществляется в фильтрующих центрифугах. Такие аппараты оснащены барабаном с перфорированной стенкой. Барабан изнутри покрывается фильтрованной перегородкой. Под действием разности давлений, которое возникает в результате действия центробежных сил, суспензия проходит сквозь фильтр. Разделение суспензий в таких машинах делится на три стадии:

  • образование осадка;
  • уплотнение осадка;
  • отжим осадка.

Центробежная сила, которая действует на массу элементарного кольца, рассчитывается следующим образом:

где dm- масса суспензии в кольцевом слое;
wr- окружная скорость вращения на радиусе r;
n- частота вращения.

Читайте также: