Осадки образующиеся при фильтровании

Осадки, образующиеся при фильтровании, разделяют на несжимаемые и сжимаемые.

Фильтрование с образованием несжимаемого осадка на несжимаемой фильтровальной перегородке.

К практически несжимаемым можно отнести осадки, состоящее из частиц неорганических веществ размером более 100 мкм, например из частиц песка, карбоната кальция, бикарбоната натрия.

Уравнения фильтрования для несжимаемых сред позволяют представить основные закономерности процесса фильтрования в простом и наглядном виде, в результате чего анализ обычно встречающегося на практике более сложного процесса фильтрования (сжимаемой осадок и сжимаемая перегородка) становится более доступным.

Опыт показывает, что объём фильтрата, получаемый за малый промежуток времени с единицы поверхности фильтра, прямо пропорционален разности давлений и обратно пропорционален вязкости фильтрата и общему сопротивлению (Закон Дарси).

Основное дифференциальное уравнение фильтрования с образованием несжимаемого осадка на несжимаемой перегородке:

= (3.1)

S – поверхность фильтрования, м²;

– продолжительность фильтрования, сек;

– разность давлений, н × м ^-2;

– вязкость жидкой фазы суспензии, н × сек × м ^-2;

r₀ – удельное объёмное сопротивление осадка (сопротивление оказываемое потоку фильтрата равномерном слоем осадка толщиной 1м),

м ^-2;

R_{ф.п .} – сопротивление фильтровальной перегородки, м ^-1;

Величины r₀, x₀ и R_ф.п постоянны, и следовательно, не зависят от разности давлений .

При этом величина = W, представляет собой переменную скорость фильтрования, выраженную м × сек ^-1

К числу совершенно несжимаемых фильтровальных перегородок можно отнести пористые керамические перегородки, а также перегородки из спекшихся стеклянных или металлических порошков. Примером сжимаемых осадков могут служить осадки гидроокисей металлов, их пористость уменьшается при фильтровании.

Фильтрование с образованием сжимаемого осадка на сжимаемой фильтровальной перегородке

Примером сжимаемых осадков могут служить осадки гидроокисей металлов, их пористость уменьшается при фильтровании. Сжатие осадка ведет к повышению гидравлического сопротивления, как следствие уменьшается скорость фильтрования. Для повышения пористости осадков к суспензиям добавляют реагенты (коагулянты и флокулянты), которые способствуют агрегированию мелких частиц. Фильтрация является эффективным методом разделения жидких неоднородных систем (взвесей, коллоидных растворов). Метод широко применяется в различных сферах промышленности (в химической, пищевой, нефтеперерабатывающей, горнорудной и др.), а также в лабораториях.

Понятие деформации частиц сжимаемого осадка полностью применимо только к трем частицам, которые способны изменять свою форму под действием относительно небольших давлений, возникающих в осадке при фильтровании. Из таких частиц состоят, например, осадки гидроокисей железа, меди и хрома. Кристаллические частицы, например частицы карбоната кальция или бикарбоната натрия, не способны деформироваться или разрушаться под действием небольших давлений, но при размерах ~ 100 мкм и менее они также образуют сжимаемые осадки. Это объясняется тем, что частицы таких размеров обычно образуют в суспензии более или менее

Рисунок 1.3 − Деформация частиц в сжимаемом осадке:

а – частица до деформации; б – частица после деформации

сложные агрегаты, объём которых может уменьшаться под действием давления в результате взаимного перемещения отдельных кристаллов вдоль поверхности соприкосновения. Для частиц размером ~ 10 мкм и менее возможна деформация поверхностных сольватных оболочек под действием давления, приводящая к уменьшению расстояния между частицами и сжатию осадка.

Под действием давления форма частиц или их агрегатов изменяется таким образом (рис б), что пористость осадка ɛ (отношение объёма пор к объёму осадка) уменьшается, а его сопротивление потоку жидкости возрастает. При этом уменьшение пористости осадка и увеличение его удельного сопротивления будет происходить в направлении от границы суспензии к границе фильтровальной перегородкой, так как величина p возрастает именно в этом направлении. Закономерности изменения статического давления жидкости, а также пористости и удельного сопротивления осадка в различных его слоях можно установить экспериментально. Здесь следует упомянуть, что градиент статического давления жидкости увеличивается в направлении от границы осадка суспензией к границе его фильтровальной перегородкой. Вследствие этого градиент величины p также возрастает в том же направлении.

Структура образующего осадка и его сопротивление потоку жидкости зависят от свойств твердых частиц и жидкой фазы суспензии, а также от условий фильтрования.

Структура осадка прежде всего определяется гидродинамическими факторами, к числу которых относятся пористость осадка, размер составляющих его твердых частиц и удельная поверхность или сферичность этих частиц. Однако на структуру осадка также влияет физико-химический фактор. Такими факторами являются, в частности, степень коагуляции или пептизации твердых частиц суспензии; содержание в них смолистых коллоидных примесей, закупоривающих поры; влияние электрокинетического потенциала, возникающее на границе раздела жидкой и твердой фазы в присутствии ионов и уменьшающего эффективное сечение пор; наличие сольватной оболочки на твердых частицах (действие ее проявляется при соприкосновении частиц процессе образования осадка).

По мере увеличения размеров твердых частиц усиливается относительное влияние гидродинамических факторов, а по мере уменьшения их размера возрастает влияние физико-химических факторов.

Физико-химический фактор становится особенно заметным для первичных частиц размером 10-20 мкм.

Температура суспензии влияет на вязкость ее жидкой фазы и соответственно на способность этой фазы проходить через поры осадка и фильтровальной перегородки.

Кроме рассмотренных факторов, на процесс фильтрования осложняют, например, неравномерность размера твердых частиц суспензии; способность этих частиц деформироваться при действии разности давлений и оседать под действием силы тяжести.

Приведенное краткое описание основных свойств фильтрования показывает, что этот процесс – один сложных в химической технологии. Особенностью его является влияние на течение процесса фильтрования двух принципиально различных групп факторов.

К группе макро факторов относятся такие переменные, как поверхность фильтровальной перегородки, разность давлений толщина слоя осадка, вязкость жидкой фазы. Величины этих переменных можно определить с помощью соответствующих приборов.

К группе микро факторов следует отнести размер и форму пор осадка и фильтровальной перегородки, толщину двойного электрического слоя на поверхности твердых частиц и т.д. В настоящее время величины переменных второй группы невозможно определить при помощи приборов. Для количественной оценки переменных второй группы используют косвенные методы, дающие часто физически неправильные результаты, которые, однако оказываются пригодными для решения частных проблем.

Разделение суспензий обычно не заканчивается образованием влажного осадка на фильтровальной перегородки и собиранием фильтрата а приемный резервуар. После фильтрования часто производят промывку и продувку осадка. Промывка необходима для более полного отделения фильтрата от твердых частиц осадка и в основном сводится к вытеснению жидкости оставшейся после фильтрования в порах осадка, другой, промывной жидкостью, смешивающейся с первой. Назначение продувки – по возможности уменьшить количество жидкости, оставшейся в осадке после фильтрования и промывки. Эта жидкость вытесняется из пор осадка воздухом (или другим газом), который может быть предварительного нагрет, в результате чего к гидродинамическому процессу вытеснения присоединяется диффузионный процесс сушки.

В практических условиях возможно изменение структуры осадка при промывке и в особенности при продувке, выражающееся в некотором уменьшении толщины осадка и образование в нем трещин.

Дата добавления: 2015-10-21