Учебно-методический комплекс дисциплины «Основные процессы и аппараты химико-технологических производств» (стр. 11 )

3.  Фильтрование.

  Фильтрование -  процесс  разделения неоднородной жидкой системы (НЖС) на твёрдую фазу - осадок и жидкую  осветленную фазу - фильтрат. Процесс применяют во всех отраслях пищевой промышленности с целью очистки, осветления жидких продуктов, систем.

Промышленная фильтрация сводится к трём основным видам:

1. Разделение суспензий. В этом процессе происходит фильтрование с образованием значительного слоя осадка. Концентрация  твёрдых частиц в суспензии yж = 1 – 10 %.

2. Сгущение суспензий, yж = 0,1 – 1,0 %.

3. Осветление растворов от загрязняющих их тонких частиц твёрдой фазы.

  Процесс фильтрования делят  две групп:

1. Фильтрование с образованием осадка.

2. Фильтрование без образования осадка  - закупорочное фильтрование.

  Фильтрование с образованием осадка характерно для маловязких суспензий со значительным количеством взвесей. Движущая сила:

  ?p = p1 – p2 ;  (12 )

где ?p –  разность  давлений – движущая мила фильтрования, Па;

  p1  - внешнее давление перед фильтром, Па;

  p2 -  давление после фильтра, Па.

Расход  фильтруемой суспензии  Vс, м3 / с позволяет определить скорость процесса uф :

  ;  (13 )

В капиллярах осадка движение жидкости ламинарное, поэтому справедливо уравнение Пуазейля, определяющее в данном случае скорость движения  жидкой фазы в капилляре uк :

  ;  ( 14)

d  - диаметр капилляра, м;

? – динамический коэффициент вязкости, Па·с;

l -  длина капилляра, м.

Знаменский получил уравнение, определяющее скорость  процесса фильтрования:

  ;  (15 )

? – структурное сопротивление слоя осадка, м-2 ;

s  -  толщина слоя осадка, м;

В редких случаях необходимо учитывать сопротивление  фильтра R, тогда уравнение Знаменского примет вид:

  ;  (16 )

Уравнения (15 ) и  ( 16)  получены Знаменским для так называемых несжимаемых осадков. Строго говоря,  все осадки  являются деформируемыми - сжимаемыми.  В пищевой промышленности большинство осадков фильтруемых суспензий считают практически несжимаемыми. Для небольшого  числа сжимаемых осадков:

    (17 )

G – модуль сжатия осадка, Н/м2 .

Имеется два режима фильтрования: при постоянной скорости  и при постоянном давлении.

В промышленной фильтрации  на первой стадии применяют режим

uф  = const;  на второй стадии  используют режим  ?p = const; 

Фильтрующие аппараты по принципу работы классифицируют на две группы:

- работающие под избыточным давлением;

- работающие под вакуумным  давлением;

Конструктивно фильтрационные аппараты  непрерывного действия следующие: барабанные, дисковые, ленточные, нутч-фильтры, фильтр-прессы. 

Более эффективными по сравнению фильтрационными аппаратами линейного действия  являются фильтрующие центрифуги, которые разделяют на две группы: периодического действия и непрерывного действия.

Конструктивные схемы фильтрационных аппаратов показаны на рисунках ниже:

Рис.  4  Ленточный фильтр.

Рис. 5  Вакуумный фильтр.

Рис. 6  Рамный фильтр – пресс.

На рис. 7  показана конструктивная схема  вертикальной фильтрующей центрифуги.

Рис.7  Фильтрующая центрифуга  непрерывного действия.

Вопросы для самопроверки.

1. Сущность и классификация процессов перемешивания. Способы перемешивания в жидкой среде. Механические мешалки. Основа их работы и устройство.

2. Основные величины, от которых зависит потребная для работы мешалки мощность. Как записывается общий вид критериального уравнения для расхода энергии при перемешивании? Определение критерия Эйлера и Рейнольдса для мешалок.

3. Определение мощности двигателей, приводящих в движение мешалку. Выбор мощности электродвигателей для различных типов мешалок.

4. Мешалки, применяемые для поточного и пневматического перемешивания. Количество воздуха, расходуемое в зависимости от интенсивности перемешивания. Зависимость и определение расхода мощности при пневматическом перемешивании. Оценка эффективности перемешивания.

5. Неоднородные системы, разделяющиеся на составные части. Процессы, образующие неоднородные системы.

6. Из каких фаз состоит каждая неоднородная и как осуществляется классификация неоднородных систем по агрегатному состоянию и размеру частиц?

7. Методы разделения неоднородных систем. Сущность этих методов. Силовые поля, под действием которых осуществляется относительное перемешивание фаз неоднородных систем. Классификация методов разделения.

8 . Как составляются и пишутся материальные балансы процессов разделения и как определяются параметры, характеризующие процессы фильтрования?

9. Что такое эффект разделения и как он определяется?

10. Сущность процесса фильтрования. Рабочий орган аппаратов для фильтрования. Чем создается перепад давления для преодоления сопротивления, возникающего при фильтровании?

11. Величина, которой характеризуется интенсивность фильтрования и определение производительности фильтрующих аппаратов. Режимы, при которых может осуществляться процесс фильтрования. Определение скорости процесса и факторы, от которых зависит скорость.

12. Почему введено понятие о мгновенной скорости фильтрования /течение жидкости в капиллярах/.

13. Определение скорости фильтрования в зависимости от поперечных размеров капилляров фильтра, размеров частиц фильтра /осадка/ и пористости фильтра.

14. Что такое структурное сопротивление при фильтровании, как можно представить скорость фильтрования в зависимости от сопротивления фильтрования? Чему равно структурное сопротивление и размерность его

15. Осадки, различаемые в теории фильтрации, их характеристика, факторы от которых зависит сжимаемость осадков и как записывается структурное сопротивление сжимаемых осадков в зависимости от перепада давлений.

16. Определение скорости фильтрования в зависимости от размеров частиц фильтра.

17. Определение скорости фильтрования в зависимости от пористости фильтра.

18. Определение сжимаемости осадка в зависимости от модуля упругости фильтра.

19. Что такое удельное и полное сопротивление при фильтровании. Размерность удельного и полного сопротивления.

20. Сущность и значение фильтрования через многослойный фильтр. Приведите уравнение скорости фильтрования через многослойный фильтр.

21. Техника фильтрования при постоянном перепаде давлений. Определение толщины осадка, объем осадка, время фильтрования. Физический смысл эквивалентной толщины слоёв осадка.

22. Осуществление процесса фильтрования с закупоркой пор. Определение объема фильтрата, снимаемого с единицы поверхности фильтра за определённый отрезок времени.

23. Осуществление фильтрования при постоянной скорости. От чего в этом случае зависит скорость фильтрования? Приведите вывод расчетных формул процесса при постоянной скорости фильтрования. Достоинства и недостатки этого метода фильтрования по сравнению с фильтрованием при постоянном перепаде давлений.

24. Материалы, применяемые для фильтрующих перегородок. Требования, предъявляемые к ним, технико-экономическая оценка фильтрующих перегородок.

25. Осуществление промывания осадков фильтра, скорость и время промывки.

26. Осуществление движения изолированной твёрдой частицы в жидкой или газообразной среде. Силы, действующие на частицу. Виды движения частиц. Определение силы сопротивления и от каких величин она зависит.

27. Сущность закона Ньютона и определение скорости осаждения на основе его.

28. Сущность метода Лященко для случая осаждения частиц в гравитационном поле. Определение первого и второго вида общего критериального уравнения теории осаждения.

29. Значение критериальных чисел Рейнольдса для ламинарного турбулентного и переходного режимов движения изолированной системы и определение её при указанных режимах движения. Какое значение оказывают инерционные силы на процесс осаждения при трёх режимах движения.

30. Влияние, оказываемое на процессы разделения неоднородных систем, концентрация суспензии, форма частиц, степень однородности частиц и вязкость среды.

31. Признаки, по которым производится классификация машин и аппаратов для разделения неоднородных систем. Какие расчеты машин и аппаратов применяются для разделения неоднородных систем, последовательность этих расчетов.

32. Конструкции фильтров с неподвижной поверхностью фильтрования, достоинства и недостатки, их область применения. Конструкция фильтров /сделайте эскизы/.

33. Конструкции фильтров с подвижной поверхностью фильтрования /сделайте эскизы/, достоинства и недостатки, область применения. Определение количества фильтрата, получаемого с единицы фильтрующей поверхности.

34. Конструкции отстойников периодического действия /привести эскизы /. Определение их производительности и скорости осаждения. Область применения.

35. Отстойники полунепрерывного действия /привести эскизы/. Область их применения и методика расчета.

36. Конструкции непрерывно-действующих отстойников /сделайте эскизы/. Укажите достоинства и недостатки. Определение размеров отстойников /диаметр, высота, число полок /