Wybrane aparaty do rozdzielania zawiesin. Filtry

Transkrypt

1 Wybrane aparaty do rozdzielania zawiesin Filtry Dr inż. Henryk Bieszk Katedra Aparatury i Maszynoznawstwa Chemicznego PG 1

2 W filtrach prowadzona jest operacja filtracji, która polega na rozdziale zawiesiny na fazy ciekłą i stałą przy użyciu przegrody porowatej. Na porowatej przegrodzie przepuszczającej ciecz zatrzymywane są ziarna fazy stałej. 2

3 Rozróżnia się: filtrację oczyszczającą (klarowanie) stosowaną do zawiesin o stężeniu fazy stałej < 0.1% w celu uzyskania filtratu oraz filtrację rozdzielającą (separacyjną). Filtracja rozdzielająca stosowana jest do zawiesin o stężeniu fazy stałej > 1% w celu uzyskania filtratu lub wartościowego osadu. 3

4 Klasyfikację aparatów filtracyjnych uwzględniających: charakter pracy, ciśnienie i rodzaj przegrody filtracyjnej przedstawia tabela 1. Tabela 1. Klasyfikacja przemysłowych aparatów filtracyjnych Charakter pracy Okresowy Ciągły Ciśnienie Próżniowe Ciśnieniowe Rodzaj przegrody filtracyjnej Ziarnista Tkaninowa Ceramiczna 4

5 Rodzaje przegród filtracyjnych oraz materiały, z których są wykonywane przedstawiono w tabeli 2. 5

6 Tabela 2. Przegrody filtracyjne Rodzaj przegrody Tkaniny tkane Siatki Tkaniny filcowe Płyty filtracyjne Warstwy sztywne Warstwy sypkie Materiał Włókna naturalne - wełna, bawełna, len Włókna sztuczne - nylon, elana, polietylen, polipropylen, teflon, metale Wełna, włókna sztuczne Celuloza, bawełna, włókna sztuczne Spieki metalowe, ceramiczne, szklane Żwir, węgiel, koks, włókna cięte 6

7 Filtry o działaniu okresowym Filtry z przegrodą ziarnistą, rys. 1, utworzoną np. z żużla, żwiru czy piasku są filtrami o działaniu okresowym. Warstwa ziarnista znajduje się na ruszcie i ma wysokość [m]. Bezpośrednio na dnie rusztowym usypane są ziarna największe (ok [mm], w najwyższej części warstwy znajdują się ziarna najmniejsze (ok [mm]). Powierzchnia takiej warstwy wynosi ok [m 2 /m 3 ], przy 35% objętości swobodnej. Filtry te są stosowane do filtracji zawiesin o bardzo małym stężeniu fazy stałej np. wód czerpanych z rzek czy jezior, wód przemysłowych, ścieków itd. 7

8 Rys.1. Schemat filtru ciśnieniowego żwirowego; 1- zbiornik, 2- dno sitowe, 3- wypełnienie żwirowe warstwa gruboziarnista, 4- wypełnienie żwirowe; warstwa drobnoziarnista, 5- siatka ograniczająca 8

9 Przepływ cieczy w filtrze może odbywać się pod działaniem ciśnienia hydrostatycznego lub ciśnienia wytworzonego przez pompę podającą zawiesinę. Podczas filtracji przestrzenie międzyziarnowe warstwy filtracyjnej wypełniają się osadem fazy stałej, co powoduje wzrost oporów przepływu filtratu i zakończenie okresu filtracji przez odcięcie dopływu zawiesiny. 9

10 Rys.2. Schemat filtru ciśnieniowego żwirowego; (Filtracja) 1- zbiornik, 2- dno sitowe, 3- wypełnienie żwirowe, 4- dopływ zawiesiny, 5- odpływ filtratu, 7- odpowietrzenie 10

11 W celu usunięcia osadu znajdującego się w warstwie filtracyjnej odcina się dopływ zawiesiny do filtru, a warstwę przemywa przeciwprądowo wodą, która przepływając przez warstwę od dołu do góry powoduje jej rozluźnienie i usunięcie osadu. Po odcięciu dopływu wody przemywającej ziarna warstwy filtracyjnej tworzą ponownie zregenerowaną ziarnistą warstwę filtracyjną. 11

12 Rys.3. Schemat filtru ciśnieniowego żwirowego; (Przemywanie) 5- dopływ wody płuczącej, 6-odpływ wody płuczącej, 7- odpowietrzenie 12

13 Powierzchnia przekroju poziomego w tego rodzaju filtrach wynosi 2 25 [m 2 ], ciśnienie w filtrach hydrostatycznych [bar], w ciśnieniowych [bar]. Wydajność tego rodzaju filtrów dla wody wynosi w przeliczeniu na 1 [m 2 ] powierzchni ich przekroju [m 3 /h]. 13

14 Do ciśnieniowych filtrów okresowych z przegrodą tkaninową należą prasy filtracyjne. Prasa filtracyjna płytowo-ramowa, rys. 4,5, zbudowana jest z dwóch płyt skrajnych między którymi umieszczone są naprzemiennie płyty i ramy dociśnięte do siebie za pomocą specjalnego urządzenia. Między płytami i ramami umieszczone są przegrody z tkanin filtracyjnych pokrywających boczne profilowane powierzchnie płyt. Ramy i płyty, rys. 6, posiadają przelotowe otwory, które po dociśnięciu płyt i ram do siebie tworzą przewody wzdłuż prasy, do których doprowadza się zawiesinę (w czasie filtracji), rys. 7, lub ciecz przemywającą (w czasie przemywania), rys

15 Rys.4. Prasa filtracyjna - widok 15

16 Rys.5. Schemat prasy filtracyjnej płytowo-ramowej; 1- płyty, 2- ramy, 3 płyta skrajna nieruchoma, 4- płyta skrajna przesuwna, 5- dopływ zawiesiny, 6- odpływ filtratu, 7- konstrukcja nośna, 8- urządzenie dociskowe (zamykające) 16

17 Rys.6. Prasa filtracyjna; rama, płyta - widok 17

18 W okresie filtracji, rys. 7, zawiesina dopływa pod ciśnieniem króćcem w płycie skrajnej, a następnie wzdłuż prasy przewodem utworzonym przez przelotowe otwory ram i płyt. Otworami w ramach, łączącymi je z ich przestrzenią wewnętrzną, zawiesina jest doprowadzana do tych przestrzeni oddzielonych tkaninami filtracyjnymi od sąsiadujących z ramami płyt. Ciecz przepływa przez tkaninę filtracyjną do króćców odpływowych filtratu. Osad pozostaje na tkaninie filtracyjnej. 18

19 Rys.7. Prasa filtracyjna w okresie filtracji; 1- płyta, 2- rama, 3- tkanina filtracyjne, 4- dopływ zawiesiny, 5- odpływ filtratu 19

20 Podczas filtracji wzrasta grubość warstwy osadu w przestrzeniach ram co powoduje wzrost oporów przepływu filtratu i zakończenie okresu filtracji przez odcięcie dopływu zawiesiny. 20

21 Po zakończeniu filtracji następuje zamknięcie zaworów spustowych płyt parzystych, a następnie przemywanie osadu, rys. 8. Ciecz przemywająca dopływa pod ciśnieniem króćcem w płycie skrajnej, a następnie wzdłuż prasy kanałem utworzonym przez przelotowe otwory płyt i ram. Otworami w parzystych płytach prowadzącymi do przestrzeni między tkaninami filtracyjnymi, ciecz przemywająca przepływa przez te tkaniny i rozpływa się do przestrzeni gdzie znajduje się osad. Wypływ popłuczyn następuje przez otwarte zawory spustowe w płytach nieparzystych. 21

22 Rys.8. Prasa filtracyjna w okresie przemywania; 1- płyta, 2- rama, 3- tkanina filtracyjne, 6- dopływ cieczy myjącej, 7- odpływ popłuczyn 22

23 Po przemyciu osadu zwalnia się docisk skrajnej płyty nieruchomej, rozsuwa wszystkie płyty i ramy i usuwa osad z powierzchni tkanin filtracyjnych. Tkaniny filtracyjne są przemywane przed ich ponownym użyciem. Po wykonaniu tych czynności dociska się wszystkie ramy i płyty i ponownie rozpoczyna filtrację zawiesiny. 23

24 Ramy i płyty pras filtracyjnych wykonuje się z żeliwa, drewna i innych tworzyw. Wielkość powierzchni filtracyjnej zależy od liczby (4 100) i wymiarów płyt (od do [m]). Zawiesina doprowadzana jest pod ciśnieniem 2 6 [bar]. Większych ciśnień nie stosuje się ze względu na trudności w utrzymaniu szczelności na powierzchniach styku płyt i ram. 24

25 Do zalet pras filtracyjnych zalicza się: dużą powierzchnię filtracyjną, znaczną siłę napędową operacji (różnica ciśnień), możliwość kontroli pracy i prostą konstrukcję. Jako wady wymienia się: szybkie zużywanie się tkaniny filtracyjnej wskutek okresowej pracy pod ciśnieniem, trudność w uzyskaniu szczelności ze względu na długość linii uszczelnienia, uciążliwą obsługę z uwagi na konieczność ręcznego usuwania osadu. 25

26 Wymienionych wyżej wad nie mają filtry, które określa się jako zamknięte prasy filtracyjne. W filtrach tych elementy filtrujące umieszczone są w czasie filtracji w zbiorniku ciśnieniowym. Przykładem jest filtr Kelly ego, rys

27 Rys.9. Filtr Kelly ego; 1- wlot zawiesiny, 2- wylot filtratu, 3- odpowietrzenie, 4- rama filtracyjna 27

28 W cylindrycznym usytuowanym poziomo ciśnieniowym zbiorniku filtru Kelly ego prostokątne elementy filtrujące połączone są w jeden zestaw z pokrywą filtru. Cały zestaw filtrujący ma możliwość przesuwu w prowadnicach, co umożliwia wysuwanie go ze zbiornika w celu usunięcia osadu zgromadzonego w okresie filtracji na powierzchniach tkaniny, którą obciągnięte są poszczególne ramy zestawu filtrującego. 28

29 Po przemyciu osadu i opróżnieniu filtru z cieczy przemywającej następuje zwolnienie docisku pokrywy filtru do jego części cylindrycznej i wysunięcie całego zestawu filtrującego ze zbiornika filtru. Osad jest usuwany z powierzchni elementów filtrujących sposobem pneumatycznym, hydraulicznym lub ręcznie. Budowane są filtry Kelly ego o powierzchniach filtracyjnych [m 2 ], stosowane ciśnienia kształtują się na poziomie ok. 4 [bar], a w wykonaniach specjalnych sięgają 18 [bar]. 29

30 W porównaniu z prasami filtracyjnymi omawiane filtry zamknięte wykazują następujące zalety: mniejsze zużycie tkanin filtracyjnych, łatwiejsze uzyskanie szczelności, większa wydajność z jednostki powierzchni filtracyjnej, mniej uciążliwa obsługa. Do ich wad zalicza się: bardziej skomplikowana budowa i nierównomierne odkładanie się osadu na poszczególnych elementach filtrujących. 30

31 Do najbardziej znanych filtrów z ceramiczną przegrodą filtracyjną należą filtry świecowe o działaniu okresowym, rys. 10. W ciśnieniowym zbiorniku cylindrycznym umieszczone są ceramiczne elementy filtrujące, tzw. świece wykonane w kształcie rur cylindrycznych zamkniętych od dołu. Ich otwarte końce zamocowane są w dnie sitowym połączonym ze zbiornikiem filtru. 31

32 Rys. 10. Filtr świecowy - widok 32

33 Rys. 11. Schemat filtru świecowego; 1- zbiornik filtru, 2- elementy filtrujące (świece), 3- dno sitowe, 4- dopływ zawiesiny, 5- odpływ cieczy klarownej, 33

34 Zawiesinę wprowadza się do przestrzeni między świecami filtru pod ciśnieniem, skąd ciecz jako filtrat przenika przez ścianki elementów filtrujących i odprowadzana jest na zewnątrz filtru. Osad zgromadzony na zewnętrznych powierzchniach ścian świec jest usuwany (po ewentualnym przemyciu) w rezultacie przepływu sprężonego powietrza, które przepływa w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu filtratu w okresie filtracji. Po otwarciu dennicy zbiornika filtru osad odprowadzany jest na zewnątrz filtru. Co kilka okresów filtracyjnych dokonuje się regeneracji świec polegającej na ich przemywaniu cieczą. 34

35 Powierzchnie filtracyjne filtrów świecowych wynoszą [m 2 ] przy liczbie świec Ciśnienie robocze sięga 9 [bar], a grubość warstwy osadu na powierzchniach filtracyjnych 60 [mm]. 35

36 Filtry o działaniu ciągłym Ze względu na krótki czas tworzenia warstwy osadu na powierzchni filtracyjnej, są one stosowane do filtrowania zawiesin o dużym stężeniu fazy stałej (powyżej 30% masowych). Klasycznym rozwiązaniem filtru o działaniu ciągłym jest filtr bębnowy próżniowy z zewnętrzną powierzchnią filtracyjną, rys. 12. W skład filtru wchodzi cylindryczny bęben podzielony na sekcje (10 36), którego boczna ściana, wykonana z dziurkowanej blachy, obciągnięta tkaniną, stanowi przegrodę filtracyjną. 36

37 Rys. 12. Filtr bębnowy próżniowy- widok 37

38 Rys. 13. Filtr bębnowy próżniowy- boczna ściana bębna wykonana jest z dziurkowanej blachy 38

39 Rys. 14. Filtr bębnowy próżniowy; 1- bęben, 2- zbiornik, 3, 4- czopy bębna, 5- mieszadło, 6- przewód, 7- króciec odpływu, 8- głowica nieruchoma, 9- dopływ cieczy myjącej, 10- zsuwnia osadu 39

40 Bęben obraca się ( [obr/min]) w zbiorniku, tzw. wannie, do której doprowadzana jest zawiesina. W zbiorniku zainstalowane jest mieszadło, którego ruch przeciwdziała sedymentacji ziaren fazy stałej. Jeden z czopów bębna stanowi element układu napędowego (4), drugi (3) jest tzw. głowicą ruchomą filtru. W głowicy ruchomej znajdują się przelotowe otwory połączone przewodami z sekcjami bębna. Głowica ruchoma styka się z nieruchomą głowicą rozdzielczą filtru, która łączy kolejno sekcje filtru z układem próżniowym i ciśnieniowym (sprężonego powietrza). Schemat połączenia filtru przedstawiono na rys

41 Rys. 15. Filtr bębnowy próżniowy; schemat połączenia 41

42 W czasie ruchu obrotowego bębna każda z jego sekcji łączy się kolejno ze wszystkimi strefami głowicy rozdzielczej. Zanurzone w zawiesinie sekcje bębna (strefa filtracji I, rys. 16) łączą się z układem próżniowym. Pod działaniem różnicy ciśnień pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną przestrzenią bębna na jego zewnętrznej powierzchni odkłada się osad, a filtrat zostaje poprzez głowicę rozdzielczą odprowadzony do zbiornika filtratu. Po wynurzeniu z zawiesiny osad podsusza się (strefa podsuszania II, rys. 16), następnie przemywa cieczą wypływającą ze zraszaczy i ponownie podsusza (strefa przemywania i ponownego podsuszania IV, rys.16). 42

43 Rys.16. Wykres zmian ciśnienia w filtrze w czasie pełnego cyklu pracy 43

44 Podczas połączenia sekcji ze strefą głowicy nieruchomej, do której doprowadzane jest sprężone powietrze (strefa usuwania osadu VI rys.16), dopływa ono pod tkaninę filtracyjną powodując dalsze podsuszanie oraz rozluźnienie struktury osadu, co ułatwia skrobakowi jego usunięcie. Po zdjęciu warstwy osadu, tkanina jest przedmuchiwana powietrzem od wewnątrz w celu jej oczyszczenia (strefa regeneracji tkaniny VIII, rys. 16). Zaznaczone na rys. 16 strefy III, V, VII i IX nazywane są strefami martwymi co oznacza, że komory znajdujące się w wymienionych strefach nie są połączone z próżnią. Po zakończeniu wymienionych czynności cały ich cykl odpowiadający jednemu pełnemu obrotowi bębna filtru powtarza się. 44

45 Rys.17. Pełny cykl pracy filtru bębnowego próżniowego 45

46 Na każdym odcinku powierzchni filtru wszystkie czynności przeprowadza się kolejno jedna za drugą. W każdym dowolnym czasie określona liczba komór znajduje się w każdej z wymienionych wyżej stref, tzn. filtracja przebiega w sposób ciągły. Filtry bębnowe próżniowe mają powierzchnie filtracji [m 2 ] i pracują przy ciśnieniu [bar], grubości warstwy osadu osiągają 40 [mm]. Opisany schemat działania głowic ruchomej i nieruchomej jest stosowany w wielu filtracyjnych urządzeniach wieloczynnościowych. 46

47 Coraz większe zastosowanie w przemyśle znajdują próżniowe filtry taśmowe o działaniu ciągłym, rys. 18. Rys. 18. Filtr taśmowy próżniowy - widok 47

48 Rys. 19. Schemat filtru taśmowego próżniowego; - przekrój podłużny, 1,2- bębny, 3- taśma gumowa, 4- rynna, 5- taśma filtracyjna, 6- wałki, 7- dopływ zawiesiny, 8- odpływ filtratu, 9- odpływ popłuczyn, 10- dopływ cieczy przemywającej 48

49 Rys. 20. Schemat filtru taśmowego próżniowego; - przekrój poprzeczny, 3- taśma gumowa, 4- rynna, 5- taśma filtracyjna, 49

50 Przegrodę filtracyjną stanowi tkanina umieszczona na gumowej perforowanej taśmie nośnej bez końca z bocznymi ścianami, opasująca dwa bębny i wałki napinające. Górna część taśmy przesuwa się po rynnie (stole) podzielonej na komory połączone z układem próżniowym. Zawiesina podawana jest na przegrodę filtracyjną na jednym końcu filtru, osad odbierany jest na drugim końcu gdzie następuje zmiana kierunku ruchu przegrody filtracyjnej. Filtrat przepływa przez tkaninę, otwory w taśmie do odpowiedniej komory rynny i dalej do zbiornika filtratu, rys

51 Rys. 21. Filtr taśmowy próżniowy; schemat połączenia 51

52 Nad kolejnymi komorami, także połączonymi z układem próżniowym następuje przemycie osadu cieczą wypływającą ze zraszaczy. Popłuczyny są odprowadzane do oddzielnego zbiornika (zbiorników), rys. 21. Osad odprowadzany jest z tkaniny filtracyjnej w miejscu, w którym następuje zmiana kierunku jej ruchu, tj. na wałku 6, rys

53 Filtry taśmowe zaliczane są do najbardziej nowoczesnych urządzeń filtracyjnych i budowane są o długościach 4 15 [m], szerokości taśm [m], co daje powierzchnie filtracyjne 2 30 [m 2 ]. Prędkość przesuwu taśmy [m/min], grubość warstwy osadu [mm]. 53

54 Przy wyborze filtru istotny jest cel prowadzenia filtracji, tj. otrzymanie filtratu lub osadu, jako głównego produktu czy jednoczesne uzyskanie filtratu oraz osadu do dalszego wykorzystania. Ponadto należy uwzględnić: własności zawiesiny, osadu i filtratu, skalę produkcji, łatwość obsługi oraz koszty aparatu i jego eksploatacji. 54

55 Filtry o działaniu ciągłym pracują w warunkach krótkich czasów filtracji z jednoczesnym przemywaniem i usuwaniem osadu. Z powodu szybkiej i ciągłej zmiany poszczególnych czynności szybkość filtrowania w takich filtrach jest znacznie większa niż w filtrach o działaniu okresowym. Zalety filtrów o działaniu ciągłym są wykorzystywane w pełni przy stałym składzie rozdzielanej zawiesiny w warunkach dużej skali produkcji. 55

56 Filtry o działaniu okresowym pracują w warunkach stosunkowo długich czasów filtracji. Częste powtarzanie czynności pomocniczych, (przemywanie, demontaż filtru, usuwanie osadu, ponowny montaż filtru) obniża ich wydajność. Filtry o działaniu okresowym znajdują zastosowanie w warunkach produkcji na niewielką skalę przy różnorodnym jej asortymencie. Są szczególnie zalecane w sytuacjach wymaganej częstej zmiany parametrów filtracji, do oddzielania osadów trudno filtrujących się i wymagających dokładnego przemywania. 56