Filtracja prowadzona pod stałą różnicą ciśnień

Transkrypt

1 Filtracja prowadzona pod stałą różnicą ciśnień Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest: 1. Zapoznanie się z aparaturą do procesu filtracji plackowej prowadzonej przy stałej różnicy ciśnień. Opis procesu filtracji zawiesiny białek serwatkowych, torfu lub otrąb pszennych i wyznaczenie wielkości opisujących proces filtracji. Wstęp Filtracja jest procesem rozdzielania układu ciało stałe płyn oraz przy użyciu przegrody porowatej. Rozróżnia się: filtrację objętościową, gdzie rozdzielanie ma miejsce na usypanej warstwie filtrującej (żwiru, żużla czy piasku) i powierzchniową przez tkaniny filtrujące (wykonanych głównie z wełny, bawełny, włókien syntetycznych lub mineralnych). Innej klasyfikacją filtracji dokonuje się na podstawie zawartości ciała stałego w zawiesinie, tj.: Rozdzielająca stosowana do separowania zawiesin o stężeniu fazy stałej większej niż 1% w celu uzyskania filtratu lub cennego osadu (jest to filtracja głównie powierzchniowa) Oczyszczająca stosowana do klarowania zawiesin o zawartości fazy stałej <0.1% w celu uzyskania filtratu (najczęściej filtracja objętościowa). Specjalnym (najpopularniejszym, najczęstszym) rodzajem filtracji powierzchniowej jest tzw. filtracja plackowa. W takim przypadku rolę przegrody filtracyjnej przejmuje zatrzymany na powierzchni osad (tzw. placek filtracyjny). Siłą napędową wymuszającą przepływ cieczy przez przegrodę filtracyjną jest różnica ciśnień. Wyróżnia się filtrację: 1) Grawitacyjną (ciśnienie hydrostatyczne) ) Ciśnieniową (nadciśnienie przed przegrodą) 3) Próżniową (podciśnienie za przegrodą)

2 Na skutek procesu filtracji zatrzymywane medium tworzy warstwę (filtracja powierzchniowa) lub wypełnia objętość (filtracja objętościowa). Osady ściśliwe w skutek małej przepuszczalności gwałtownie zmniejszają szybkość filtracji. Przeciwdziała temu dodanie do zawiesiny pomocy filtracyjnej, która tworzy w placku nieściśliwy szkielet. Jako pomoce filtracyjne stosuje się ziemię okrzemkową, wełnę szklaną, węgiel aktywny czy trociny. Innym sposobem jest naniesienie pomocy filtracyjnej na przegrodę o grubości kilku mm jeszcze przed wprowadzeniem zawiesiny. dv Adt Gdzie: Równanie filtracji plackowej z powstawaniem osadu (nieściśliwego) ma postać: 0 c p V C F s r (1) V objętość filtratu [m 3 ] A powierzchnia przegrody filtracyjnej [m ] t czas trwania filtracji [s] p różnica ciśnieni przed i za przegrodą [Pa] 0 opór właściwy osadu wydzielonego na przegrodzie [m kg -1 ] η c lepkość cieczy [Pa s] C s stężenie ciała stałego w filtrowanej zawiesinie [kg m -3 ] r jednostkowa ilość wydzielonego osadu, zapewniająca opór przepływu filtratu przez ten osad, równoważny z oporem przepływu filtratu przez samą przegrodę filtracyjną [kg m -3 ] W rzeczywistych układach placek filtracyjny jest ściśliwy i zmienia swoją porowatość (założenie, że placek jest nieściśliwy można przyjąć jedynie w przypadku filtrowania materiałów twardych, np. kryształów). W przypadku filtrowania zawiesin, gdzie rozkład rozmiarów cząstek jest szeroki i udział cząstek drobnych jest znaczny, to nawet w układach nieściśliwych następuje zmiana porowatości placka na skutek osadzania się małych cząstek w głębi porów. A więc dla osadu ściśliwego: 0 = p s () gdzie: s współczynnik ściśliwości opór właściwy osadu ściśliwego [(m kg -1 ) (m s kg -1 )s] Dla osadu nieściśliwego s=0, natomiast dla ściśliwego s[0,1].

3 Linearyzując równanie 1 uzyskuje się równanie opisujące przebieg filtracji z wydzieleniem osadu ściśliwego przy założeniu, iż różnica ciśnień jest stała i z którego w prosty sposób można obliczyć stałą filtracji K niezbędną do wyznaczenia współczynnika ściśliwości. t C V (3) V K K Gdzie stałe K oraz C kryją w sobie wszystkie trudne do wyznaczania parametry równania 1: K C c s p 1s (4) r C (5) C s Graficzne wyznaczenie stałej filtracji izobarycznej Wyznaczenie współczynnika ściśliwości osadu ze wzoru: log( K1 / K ) s 1 (6) log( p1 / p ) K stała filtracji (odczytana z równania prostej, odpowiednio K 1 przy p 1 ) W celu wyznaczenia współczynnika ściśliwości osadu należy przeprowadzić min. dwie filtrację w identycznych warunkach (stężenie filtrowanej zawiesiny, taka sama tkanina filtracyjna,

4 ilość pomocy itd.), natomiast przy różnych ciśnieniach. Dla obu wartości ciśnienia wyznaczyć stałe K oraz C (graficznie), które niezbędne są do wyznaczania s. Wyznaczanie przepustowości jednostkowej filtra Objętościowe natężenie przepływu filtratu wyraża się za pomocą wzoru: dv dt 0 A p V C C A S r A p R (7) A powierzchnia filtracji [m ] p ciśnienie podczas filtracji [Pa] R opór wytwarzany przez przegrodę filtracyjną w skład której wchodzi opór przegrody filtracyjnej, pomocy oraz placka filtracyjnego (zmienny w czasie). Koncentracja zawiesiny przed przegrodą w trakcie filtracji rośnie, stąd odnotowuje się ciągły spadek strumienia filtratu (na podstawie wzoru 1). Przepustowość filtra jest odwrotnością oporu: V F (8) A p Strumień filtratu jest jednak zmienny w czasie, tak więc zmienna jest przepustowość. ciśnienia Wyznaczanie zależności oporu właściwego placka filtracyjnego od przyłożonego Opór powstającego placka filtracyjnego (osadu) powoduje, że opór hydrauliczny podczas procesu rośnie. W celu wyznaczania zależność oporu od czasu filtracji niezbędna jest znajomość oporu wytwarzanego przez przegrodę filtracyjną wraz z pomocą filtracyjną. W tym celu należy wykonać pomiar strumienia filtratu (w tym przypadku używając do tego wody) dla kilku ciśnień V ( p) i obliczyć opór przekształcając odpowiednio równanie 7. Tworząc wykres zależności strumienia filtratu od przyłożonego ciśnienia możemy odczytać wartość strumienia dla każdego ciśnienia roboczego a tym samym z zależności 7 wyznaczyć opór przegrody filtracyjnej wraz z pomocą filtracyjną.

5 Dla pomocy filtracyjnej (nieściśliwej, ponieważ tym charakteryzować powinna się dobrze dobrana pomoc filtracyjna) wartość oporu powinna być stała niezależna od przyłożonego ciśnienia. Tak więc, zmiana oporu warstwy filtrującej (na którą składa się: przegroda filtracyjna, pomoc filtracyjna oraz osad) wynika jedynie z faktu gromadzenia się na niej osadu w postaci cząstek zawiesiny filtrowanej. Przebieg doświadczenia Podczas zajęć laboratoryjnych filtracja będzie prowadzona na trzech typach filtrów: 1) Filtr ciśnieniowy (nadciśnieniowa nucza filtracyjna) ) Filtr próżniowy (próżniowa nucza filtracyjna) Nucze filtracyjne stanowią najprostszy typ filtra. Jest to zbiornik, zwykle cylindryczny z perforowanym dnem, na którym znajduje się przegroda filtracyjna w postaci warstwy ziarnistej lub tkaniny. Filtracja może zachodzić pod ciśnieniem słupa cieczy, przy nadciśnieniu lub próżnią. Z racji małych objętości aparatów są stosowane do filtracji małych ilości zawiesin. Instalacja laboratoryjna Filtry ciśnieniowe (nucza nadciśnieniowa) połączone są ze zbiornikiem (zaopatrzonym w mieszadło łopatkowe lub prostym) (Z1) (Rys. 1), w którym znajduje się zawiesina i który w przypadku filtrowania zawiesin o bardzo dużych rozmiarach cząstek należy poddawać ciągłemu mieszaniu. Zbiornik Z1 pełni również funkcję zbiornika wyporowego, stąd połączony jest ze sprężarką (S1), która wytwarzając ciśnienie nad zawiesiną znajdującą się w zbiorniku powoduje jej przemieszczanie nad przegrodę filtracyjną (i wywieranie na nią niezbędnego ciśnienia). Filtrat zbierany jest do zbiornika Z. Układy wyposażone są w punkty pomiarowe (manometry) P1 i P, które wskazuję ciśnienie robocze.

6 S1 SPRĘŻONE POWIETRZE 1 ZAWIESINA 4 5 P1 P 6 FILTRAT Z1 3 F1 Z Rys. 1. Instalacja do filtracji nadciśnieniowej W stanie wyjściowym wszystkie zawory (od 1 do 6) powinny być odkręcone instalacja powinna pozostawać ROZSZCZELNIONA. Filtrację rozpoczynamy od zakręceniu zaworu 1 (!!!) i 3 i wlania zawiesiny do zbiornika Z1. Rozpoczęcie filtracji ma miejsce po dokładnym uszczelnieniu zbiornika Z1 oraz zbiornika zawierającego filtr (F1), poprzez dokładne zakręcenie pokryw i wszystkich zaworów wylotowych (1 oraz 5), a także odkręceniu zaworów przepływowych 3, 4 oraz 6. Po uruchomieniu sprężarki zawiesina kierowana jest do F1, a pod wpływem nadciśnienia ciecz zaczyna przechodzić przez filtr i pojawiać się w zbiorniku filtratu Z. Instalacja służąca do filtracji próżniowej zaopatrzona jest pompkę wodną (VP) (Rys. ), która wytwarza niezbędne podciśnienie za przegrodą filtracyjną, która połączona jest bezpośrednio ze zbiornikiem filtratu (Z1). Zbiornik filtratu połączony jest z nuczą próżniową, która w trakcie trwania procesu może pozostać otwarta (szczelność wymagana jest za przegrodą filtracyjną, którą zapewnia właśnie filtrowana zawiesina).

7 ZAWIESINA 1 FILTRAT P1 F1 Z1 3 VP Rys.. Instalacja do filtracji próżniowej Podobnie jak poprzednio pracę rozpoczynamy od odkręcenia wszystkich zaworów (1, i 3). Filtrację zaczynamy od zakręcenia zaworów 1 i 3. Następnie wlewamy zawiesinę do zbiornika F1. Po uruchomieniu pompki wodnej (VP) otwieramy zawór 3. W przypadku filtracji podciśnieniowej filtrat zbierany jest w szczelnym zbiorniku Z1, który jest niewidoczny. Przebieg doświadczenia W trakcie ćwiczeń laboratoryjnych należy przeprowadzić filtrację zawiesiny słodu powstającej podczas produkcji piwa przy pomocy nuczy działającej w pod -, jaki w nadciśnieniu. W trakcie każdej filtracji, mierzymy co 10 minut strumień filtratu. Korzystając z informacji zawartych we wstępie instrukcji, obliczyć współczynnik ściśliwości osadu, jego opór hydrauliczny oraz przepustowość. Dodatkowo znając opór wytwarzany przez przegrodę filtracyjną wraz z pomocą filtarcyjną (patrz punkt Wyznaczanie zależności oporu placka filtracyjnego od przyłożonego ciśnienia ) obliczyć (i wykreślić) zmianę oporu hydraulicznego będącą konsekwencją powstawania placka filtracyjnego. Ilości ciała stałego niezbędnego do sporządzenia zawiesiny, oraz pomocy filtracyjnej (ziemi okrzemkowej) zostaną podane przez prowadzącego.