Основные характеристики процесса фильтрования с расчетом производительности фильтра по заданной поверхности фильтрования

ВВЕДЕНИЕ
Фильтрованием называется процесс разделения неоднородных систем при помощи пористых перегородок, задерживающих на своей поверхности частицы твердой фазы и пропускающих жидкую фазу.
Процессы фильтрования при их осуществлении в производственных условиях нередко связаны с большими затруднениями вследствие того, что многие суспензии разделяются очень медленно. Поэтому требуется технологически обоснованный выбор необходимого типа фильтра [1].
Целью данного курсового проекта является определение основных характеристик процесса фильтрования с расчетом производительности фильтра по заданной поверхности фильтрования.
Для достижения поставленной цели, по результатам проведенного анализа учебной литературы, требуется решить следующие задачи:
– рассмотреть теоретические основы процесса фильтрации;
– провести аналитический обзор наиболее часто используемых типов фильтров;
– разработать принципиальную схему установки;
– изучить технику безопасности при работе с аппаратом;
– выполнить технологический расчет основного аппарата – барабанного вакуум-фильтра с образованием намывного слоя осадка.
Структура работы включает следующие разделы: содержание, введение, две главы в виде теоретической и расчетной частей, техника безопасности на производстве, заключение и список литературы.
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Основные закономерности процесса фильтрации
Фильтрованием называют процесс разделения суспензий при
помощи пористой перегородки, пропускающей жидкость (фильтрат) и задерживающей взвешенные в ней твердые частицы. Различают следующие виды фильтрования:
1) фильтрование с образованием слоя осадка на фильтровальной перегородке;
2) сгущение – отделение твердой фазы от жидкой не в виде
осадка, а в виде высококонцентрированной (сгущенной) суспензии;
3) осветление – фильтрование жидкостей с незначительным
содержанием твердой фазы.
Можно условно считать, что фильтрование с образованием
осадка характеризуется содержанием в фильтруемой суспензии
более 1% твердой фазы, осветление – менее 0,1%. Суспензии, содержащие 0,1-1% твердой фазы, перед фильтрованием желательно подвергать предварительному сгущению в отстойниках.
Фильтрование с образованием осадка наиболее распространено. В большинстве случаев твердые частицы с начала фильтрования проходят через поры фильтровальной
перегородки, но вскоре накапливаются на ней, и через фильтр
начинает протекать только осветленная жидкость – фильтрат.
Таким образом, в этом процессе образующийся слой осадка
играет роль основной фильтрующей среды.
Фильтрование с образованием осадка наиболее часто проводится при постоянном давлении, так как этот режим процесса
простой и удобен в практическом отношении. Однако при проведении процесса под постоянным давлением скорость фильтрования
с увеличением слоя осадка будет уменьшаться. Для
поддержания постоянной скорости фильтрования приходится увеличивать перепад давления на фильтре по мере протекания процесса. В некоторых случаях фильтрование проводят при постоянной скорости, например, в фильтрпрессах.
В процессе фильтрования очень вязких жидкостей с небольшим содержанием мелких твердых частиц последние проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживаются в них.
При этом на поверхности фильтровальной перегородки почти не
образуется слоя осадка. В таком процессе, называемом фильтрованием с закупориванием пор, по мере задержки все большего
количества твердых частиц в порах фильтровальной перегородки ее сопротивление быстро возрастает и скорость фильтрования уменьшается. Поэтому фильтрования с закупориванием
пор стремятся избежать, однако на практике фильтрование
иногда протекает с частичной закупоркой пор; возможно также
сочетание процессов фильтрования с образованием осадка и
с частичным закупориванием пор.
Ниже рассматривается только наиболее распространенный
процесс фильтрования с образованием осадка.
Сгущение применяется для частичного отделения жидкой фазы путем фильтрования, т. е. для той же цели, что и отстаивание
под действием сил тяжести. Однако сгущение путем фильтрования можно проводить в значительно более компактной аппаратуре и получить более чистый фильтрат.
Осветление жидкостей часто производится путем добавки
вспомогательных веществ в суспензию или создания намывного
слоя этих веществ на фильтре.
В качестве вспомогательных веществ применяют кизельгур и
диатомит, а также бумажную массу, уголь, асбест, отбеливающую землю и другие.
Эти вещества, накапливаясь на фильтре, задерживают
очень мелкие частицы осадка (диаметром 1 мк и менее), а некоторые из них, например отбеливающая земля и активированный
уголь, адсорбируют на поверхности мельчайшие твердые частицы.
Вспомогательные вещества добавляют в количестве 0,1-0,5%
(иногда до 2%) от веса суспензии и после промывки часто вновь
используют. Иногда вместо добавления в суспензию вспомогательные вещества намывают в виде слоя небольшой толщины на
поверхность фильтра, что значительно облегчает отделение тонкодисперсных взвешенных частиц.
Фильтрование часто сопровождается осаждением частиц под
действием сил тяжести. Осаждение способствует фильтрованию,
если движение суспензии вследствие разности давлений и движение осаждающихся частиц совпадают по направлению, т. е.
если фильтровальная перегородка горизонтальна и находится
под слоем суспензии. В противном случае осаждение частиц
препятствует фильтрованию.
Получаемые при фильтровании осадки делятся на сжимаемые частицы, которые деформируются и размер пор уменьшается с повышением давления, и несжимаемые, в которых размер и форма частиц практически не меняются с изменением
давления. Кроме того, различают кристаллические, аморфные и
коллоидные осадки, причем аморфные и коллоидные осадки
отделяются от жидкости труднее кристаллических и являются
труднофильтруемыми.
Для более полного удаления из осадка находящейся в нем
жидкости (маточного раствора) осадки промывают. Иногда для
полноты промывки фильтрование проводят в двух последовательно работающих фильтрах, осадок из первого фильтра смешивают с промывной жидкостью и вновь отфильтровывают
(двухступенчатое фильтрование) [2].
1.2 Классификация и основные требования к фильтрам
Процессы фильтрования и фильтры классифицируются по следующим признакам [1].
1. По движущей силе. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки, создаваемой различными способами. Фильтрование осуществляется под действием гидростатического напора (силы тяжести) при создании повышенного давления над перегородкой или вакуума под перегородкой.
2. По механизму фильтрования: а) с образованием осадка на поверхности фильтровальной перегородки, при этом твердые частицы почти не проникают внутрь этой перегородки; б) с закупориванием пор фильтровальной перегородки: на поверхности перегородки осадок почти не образуется, и твердые частицы задерживаются внутри пор.
3. По виду процесса: а) разделение суспензий, т.е. фильтрование с образованием значительного слоя осадка на фильтровальной перегородке; б) сгущение суспензий, т.е. отделение твердой фазы от жидкой не в виде осадка, а в виде высококонцентрированной суспензии (этот процесс применяется для повышения концентрации твердой фазы перед центрифугированием); в) осветление – фильтрование жидкостей с незначительным содержанием твердой фазы.4. По целенаправленности процесса. Целью процесса фильтрования может быть получение: а) чистого осадка; б) чистого фильтрата; в) чистого осадка и чистого фильтрата одновременно.
5. По взаимным направлениям движения фильтрата и действия силы тяжести. В процессе фильтрования направление движения фильтрата и направление действия силы тяжести могут совпадать, быть противоположными или перпендикулярными.
6. По принципу действия различают непрерывное и периодическое фильтрование.
7. По условиям проведения процесса. Фильтрование может осуществляться: а) при постоянном перепаде давлений; б) с постоянной скоростью; в) с переменными скоростью процесса и перепадом давлений.
8. По природе осадка: а) с образованием сжимаемого и б) несжимаемого осадка.
Кроме того, фильтры классифицируют по конструктивным особенностям, т.е. по основному конструктивному признаку (фильтры с вращающимся барабаном, с движущейся лентой и др.), по способу выгрузки осадка, исполнению оборудования в зависимости от степени герметизации и взрывозащищенности.
Схема классификации оборудования по принципу его действия и конструктивным особенностям представлена на рисунке 1 [1].

Рисунок 1 – Схема классификации промышленных фильтров
1.2.1 Нутч-фильтр
Различают два вида нутч-фильтров:
1) открытые, работающие при разрежении;
2) закрытые, работающие под избыточным давлением.
Открытый нутч-фильтр (рисунок 2) представляет собой прямоугольный или цилиндрический аппарат с фильтровальной перегородкой, расположенной несколько выше его днища.

Рисунок 2 – Открытый нутч-фильтр
1 – корпус; 2 – фильтровальная перегородка
Перегородка состоит из пористых керамических плиток или ткани, уложенной на решетке. После заполнения фильтра суспензией и включения вакуума фильтрат проходит сквозь перегородку, а осадок задерживается на ней. После фильтрования осадок промывают и удаляют из фильтра сверху вручную.
Достоинства открытых нутч-фильтров:
1) возможность тщательной промывки осадков;
2) легкость защиты от коррозии;
3) простота и надежность конструкции.
Недостатки:
1) малая скорость фильтрования, так как разность давлений практически не превышает 0,75 ат.;
2) громоздкость установки;
3) ручная выгрузка осадка.
Выгрузка осадка значительно облегчается и ускоряется в открытых нутч-фильтрах с откидными днищами и в опрокидывающихся нутч-фильтрах. Откидное днище крепится к корпусу фильтра на болтах и откидывается на шарнире. В опрокидывающихся нутч-фильтрах весь корпус фильтра опрокидывается вручную либо посредством гидравлического механизма.
В закрытом нутч-фильтре (рисунок 3) фильтрование производится под давлением сжатого воздуха или инертного газа. Осадок выгружают через откидное днище или через боковой люк 3.

Рисунок 3 – Закрытый нутч-фильтр
1 – корпус; 2 – фильтровальная перегородка; 3 – люк
Достоинства закрытых нутч-фильтров:
1) значительная скорость фильтрования;
2) возможность отделения трудно фильтруемых осадков;
3) пригодность для разделения суспензий, выделяющих огнеопасные или токсичные пары.
Недостатком таких фильтров является ограниченная производительность, обусловленная тем, что изготовление их с большой фильтрующей поверхностью затруднительно, поскольку аппараты работают под избыточным давлением.
1.2.2 Патронный фильтр
Фильтры этого типа состоят из фильтровальных элементов в виде узких, закрытых снизу вертикальных цилиндров (патронов, или свечей), изготовленных из специальных материалов - пористой керамики, угольной массы, прессованного кизельгура и др.
Эти фильтры работают по тому, же принципу, что и нутч-фильтры под давлением: фильтрат продавливается снаружи через фильтровальную перегородку внутрь каждого элемента, осадок остается на его наружной поверхности. Осадок сбрасывается толчком жидкости или воздуха, которые подводятся изнутри патрона.
Патронные фильтры применяются главным образом в качестве сгустителей.
По окончании фильтрования подача суспензии автоматически прекращается и осадок сбрасывается при резком увеличении давления фильтрата внутри патрона. Затем давление снижают и патрон промывают водой, движущейся изнутри патрона наружу, осадок в виде сгущенной суспензии удаляют при помощи мешалки через патрубок.
Обычно патронные фильтры состоят из нескольких десятков фильтровальных элементов, заключенных в общем корпусе (рисунок 4). Эти фильтры часто снабжаются автоматическим управлением и могут работать без постоянного наблюдения.

Рисунок 4 – Патронный фильтр
1 – корпус; 2 – патрон; 3 – патрубок для входа суспензии; 4 – патрубок
для выхода фильтрата; 5 – мешалка; 6 – патрубок для удаления осадка; 7 – отверстия для отвода фильтрата; 8 – ребристая металлическая труба
(сердечник); 9 – гильза цилиндр
1.2.3 Карусельный вакуум-фильтр
Карусельный фильтр представляет собой горизонтальный вращающийся вакуум-фильтр непрерывного действия с вращающейся кольцевой рамой, на которой укреплены ячейки-противни (рисунок 5). Каждый противень соединен гибким шлангом с центральной распределительной головкой.
Все операции на каждом противне совершаются последовательно. При вращении рамы с помощью зубчатой рейки каждый противень заполняется суспензией, затем соединяется с линией вакуума. После удаления маточного раствора осадок можно многократно промывать (до пяти раз). После промывки и осушки осадка противень переворачивается и осадок сбрасывается в сборник. Далее ткань промывается и осушается, после чего начинается новый цикл фильтрования. Достоинства карусельных фильтров:
1) высокая производительность при разделении грубодисперсных суспензий;
2) весьма тщательная промывка осадка;
3) длительный срок службы фильтровальной ткани (благодаря отсутствию съема осадка ножом) и легкость ее замены;
4) низкие эксплуатационные расходы.

Рисунок 5 – Схема карусельного фильтра
1 – горизонтальные нутчи; 2 – гибкие шланги; 3 – распределительное устройство
1.2.4 Ленточный вакуум-фильтр
Ленточный фильтр непрерывного действия (рисунок 6) состоит из горизонтального гладкого стола 2, по которому скользит бесконечная резиновая лента 4, натянутая между барабанами 1 и 5. Барабан 5 соединен с приводом, задний барабан 1 может перемещаться в направлении, и служит для натяжения ленты. Резиновая лента 4 имеет специальный профиль, рифленую рабочую поверхность. Лента снабжена боковыми бортами, вдоль ее оси расположены отверстия, которые при движении ленты сообщаются с тремя вакуум-камерами 3, расположенными под поверхностью стола 2. Вакуум - камеры служат для отсоса фильтрата.
На резиновую ленту 4 надето бесконечное полотно 6 из фильтровальной ткани, кромки которой уплотнены круглым резиновым шнуром, вшитым в ткань и вдавленным в желобки резиновой ленты. Суспензия поступает на ткань по лотку 7.

Рисунок 6 – Ленточный фильтр непрерывного действия
1 – натяжной барабан; 2 – стол, 3 – вакуум-камеры; 4 – бесконечная резиновая
лента; 5 – приводной барабан; 6 – бесконечное полотно (фильтровальная ткань);
7 – лоток для подачи суспензии; 8 – оросительные трубки
При движении ленты 4 и полотна 6 фильтрат отсасывается, а осадок отлагается на ткани. Осадок промывается водой, поступающей через трубки 8, просушивается в вакууме и сбрасывается при перегибе полотна через барабан 5.
Для снятия липких осадков применяют пустотелый перфорированный валик, в отверстия которого продувается сжатый воздух, что облегчает отделение осадка от ткани. Иногда осадок смывается с ткани струей воды. При обратном движении ткани под столом она очищается (регенерируется) с помощью механических щеток или паровых форсунок.
1.2.5 Фильтр-пресс
Применяют в основном для разделения тонкодисперсных суспензий. К ним относятся рамные, камерные фильтр-прессы и камерный автоматический фильтр-пресс (ФПАКМ).
Фильтр-пресс (рисунок 7) состоит из ряда чередующихся друг с другом плит 1 и рам 2. Плиты и рамы опираются боковыми ручками на параллельные брусья станины 5 пресса. На станине имеются концевая неподвижная плита 3 и перемещающаяся на роликах подвижная плита 4. Между плитами 3 и 4 при помощи специального устройства плотно зажимается комплект плит и рам; между плитами и рамами помещаются перегородки из фильтровальной ткани. Салфетки обычно навешиваются на плиты и покрывают их боковые поверхности.
Боковые поверхности плиты фильтр-пресса по краям плоские и гладкие и во внутренней части рифленые. Желобки плиты сообщаются с каналом в нижней ее части, который заканчивается краником (или пробкой) для отвода фильтрата. У верхней кромки плиты расположены три отверстия: центральное – для прохода суспензии, два крайних – для промывной жидкости. Плита покрыта салфеткой из ткани, в салфетке прорезаны отверстия, совпадающие с отверстиями плиты.
Суспензия под давлением подается в фильтр-пресс при помощи насоса, поступает под гидравлическим давлением из напористо бака. Фильтрат продавливается через ткань, стекает по желобкам плит и через отводные каналы и краники сливается в корыто, установленное на полу вдоль фильтра. Из корыта фильтрат стекает в сборник или, если фильтрат не представляет ценности, то выводится из процесса. Твердые частицы осаждаются на ткани, причем наиболее часто фильтрование ведется до заполнения рам осадком. Осадок промывают (если это необходимо) или только продувают паром либо воздухом для удаления жидкости. После этого плиты и рамы раздвигаются и осадок частично падает под действием силы тяжести в сборник, установленный под фильтром. Остальную часть осадка выгружают вручную лопаткой.

Рисунок 7 – Фильтр-пресс
1 – плиты; 2 – рамы; 3 – неподвижная концевая плита; 4 – подвижная концевая плита;
5 – станина; 6 – гидравлический зажим;
7 – штуцер для ввода суспензии, промывной воды и сжатого воздуха;
8 – кран для вывода фильтрата и промывной воды
1.2.6 Принцип работы барабанного вакуум-фильтра
Рассмотрим более подробно устройство барабанного вакуум-фильтра, проектирование которого является целью данной работы.
Барабанный ячейковый вакуум-фильтр с наружной фильтрующей поверхностью (рисунок 8) является наиболее
распространенным фильтром данного типа. Полый барабан 1 с отверстиями на боковой поверхности, покрытый металлической сеткой и фильтровальной тканью, вращается в корыте 2 с небольшой скоростью (0,1-2,6 об/мин).
Корыто заполнено суспензией, в которую погружено 0,3-0,4 поверхности барабана. Барабан разделен радиальными перегородками на ячейки, каждая из которых через каналы в полой цапфе
вала 3 сообщается с распределительной головкой 4, прижатой к торцовой поверхности цапфы. Распределительная головка служит для последовательного соединения ячеек барабана с линиями вакуума и сжатого воздуха.

Рисунок 8 – Барабанный вакуум-фильтр непрерывного действия с наружной фильтрующей поверхностью
1 – барабан; 2 – корыто; 3 – главный вал; 4 – распределительная головка;
5 – трубки; 6 – лента для заглаживания трещин; 7 – нож; 8 – качающаяся мешалка
Погруженные в суспензию ячейки барабана сообщаются с вакуумной линией. Под действием разности давлений снаружи и внутри барабана осадок
откладывается на его поверхности, а фильтрат отсасывается
внутрь барабана и удаляется через распределительную головку.
Поверхность ячеек барабана, на которой откладывается осадок, называется зоной фильтрования (зона фильтрования I).
Когда соответствующие ячейки барабана выходят из суспензии,
осадок подсушивается при разрежении (зона просушки II). Затем осадок промывается водой, подаваемой через трубки 5, причем промывные воды отсасываются, как и фильтрат, через распределительную головку. Вслед за промывкой в
этой же зоне (зона промывки и просушки III) осадок сушится
воздухом, который просасывается через слой осадка. После этого ячейки соединяются через распределительную головку с линией сжатого воздуха (зона отдувки IV). Воздух не только сушит, но и разрыхляет осадок, благодаря чему облегчается его
последующее удаление.
При подходе ячеек с просушенным осадком к ножу 7 прекращается подача сжатого воздуха и осадок падает с поверхности
ткани под действием силы тяжести. Нож служит в основном направляющей плоскостью для слоя осадка, отделяющегося от ткани.
При дальнейшем вращении барабана ткань, освобожденная от
осадка, очищается путем продувки воздухом (зона регенерации
ткани V). Вслед за этим весь цикл операций, соответствующий
одному обороту барабана, повторяется снова. Между рабочими
зонами II, III, IV, V и I находятся небольшие мертвые зоны. Это препятствует сообщению между собой рабочих зон при переходе ячеек из одной зоны в другую.
Таким образом, на каждом участке поверхности фильтра все
операции – фильтрование, промывка, просушка, съём осадка и
очистка ткани – производятся последовательно одна за другой,
но участки работают независимо друг от друга и поэтому все
операции на фильтре проводятся одновременно, т. е. процесс
протекает непрерывно. По такому же принципу работают все непрерывно действующие фильтры.
Чередование отдельных операций в ячейковом фильтре достигается при помощи распределительной головки (рисунок 9).
Неподвижный корпус 1 головки прижимается к ячейковой шайбе 3. Шайба вращается вместе с барабаном и имеет отверстия
по числу ячеек барабана. К корпусу головки крепится сменная
распределительная шайба 2, которая в случае износа может быть
заменена новой. В корпусе головки находятся четыре неодинаковые по величине камеры. Через наибольшую камеру I отсасывается фильтрат, через камеру II — промывные воды, а через
камеры III и IV подается сжатый воздух. Неподвижный корпус
головки прижимается к вращающейся шайбе 3 пружиной 4. Суспензия подается в корыто со скоростью, равной скорости фильтрования или несколько большей, постоянный уровень суспензии
в корыте поддерживается при помощи переливной трубы.

Рисунок 9 – Распределительная головка
1 – неподвижный корпус; 2 – распределительная шайба;
3 – ячейковая шайба; 4 – пружина
В процессе фильтрования стремятся свести к минимуму осаждение твердых частиц, которое происходит в направлении, противоположном движению фильтрата. Для предотвращения возможности осаждения суспензия перемешивается в корыте качающейся мешалкой 8. Чтобы не происходило
снижения вакуума из-за просасывания воздуха через трещины в
осадке, последний иногда заглаживают покровной лентой 6, движущейся благодаря трению о поверхность осадка; одновременно осадок смачивают через ленту водой. Для отжима влаги из осадка на некоторых барабанных фильтрах установлены вибраторы в
виде свободно висящих на крестовинах отрезков труб, которые
при вращении отбрасываются центробежной силой и ударяют
по резиновому листу, покрывающему слой осадка.
Осадки снимают с фильтрующей поверхности различными
способами. При помощи ножа снимают осадки
толщиной не менее 8-10 мм. Для снятия более тонких слоев (2-4 мм) применяют бесконечные шнуры, огибающие барабан, с которых осадок сбрасывается при перегибе через валик. Тонкие и мажущиеся осадки снимают прижатым к
барабану вращающимся резиновым валиком, на
который переходит осадок и затем снимается валиком меньшего
диаметра. Снятие очень тонких слоев осадка (<2 мм) производится бесконечным сходящим полотном. Полотно
проходит через систему роликов на первый ролик осадок налипает и снимается с него ножом, после чего полотно промывается
и возвращается к барабану. Движение полотна осуществляется
вследствие его трения о поверхность барабана.
К числу достоинств барабанного ячейкового вакуум-фильтра относятся:
1) универсальность, т. е. пригодность
для обработки разнообразных суспензий;
2) возможность изготовления из материалов, стойких в химически активных средах;
3) легкость обслуживания.
В то же время фильтр обладает следующими недостатками:
1) небольшая фильтрующая поверхность и сравнительно высокая стоимость;
2) затруднительность тщательной промывки
и осушки осадка;
3) отдаленность распределительной головки от фильтрующей поверхности, что приводит к задержке фильтрата и промывных вод внутри барабана и усложняет их раздельный отвод, т. е. получение неразбавленного фильтрата [2].
Безъячейковый барабанный вакуум-фильтр в отличие от обычных барабанных вакуум-фильтров не имеет ячеек и распределительного устройства, что значительно упрощает его конструкцию. Особенностью его по сравнению с предыдущим фильтром является возможность собирать отдельно фильтрат и промывную жидкость.
Вся внутренняя сторона барабана находится под вакуумом, а осадок разгружается при помощи обратных пульсирующих толчков воздуха без участия скребка или шнуров. Например, фильтр Бёрд-Йонга (рисунок 10) применяют для фильтрования слаборазделающихся суспензий, что обусловливает возможность работаы с очень тонким слоем осадка.
Барабан, рассчитанный для работы под давлением 1 ат, опирается на цапфы. В резервуар с суспензией может погружаться от 5 до 50 % поверхности барабана. Внутри барабана расположено устройство, подающее обратный поток сжатого воздуха на поверхность той части барабана, которая проходит зону разгрузки осадка. Оно находится на расстоянии в несколько десятых долей миллиметра от внутренней поверхности барабана и поддерживается при помощи радиальной опорной трубы. Эта труба, в свою очередь, поддерживается неподвижной осевой трубой, проходящей через уплотнительные кольца в цапфах и используемой в качестве канала для обратного и эвакуируемого воздуха, канала для удаления фильтрата (при низких степенях погружения для удаления фильтрата используется сифонная труба) и канала для промывного фильтрата.
Дренажная поверхность металлического барабана разделена посредством планок с прорезями на 50-100 продольных частей. Фильтровальный материал цельным куском покрывает барабан и фиксируется поперечными проволоками у каждой планки, как бы деля поверхность фильтрования на отдельные секции. Фильтрат из каждой секции спускается в нижнюю часть барабана и удаляется заием по осевой трубе или с помощью насоса через сифонную трубу.
Основное преимущество этого фильтра заключается в том, что он дает возможность работать с очень тонким слоем осадка и, следовательно, вести процесс с высокими скоростями и высокой производительностью, а также осуществлять хорошую промывку. Другими его преимуществами является четкое разделение фильтрата и промывных вод и небольшое внутреннее сопротивление при движении воздуха и фильтрата. Из недостатков стоит отметить ограниченность использования из-за отсутствия распределительного устройства.

Рисунок 10 – Безъячейковый барабанный вакуум-фильтр
Дополнительно стоит отметить модификацию барабанного вакуум-фильтра со слоем вспомогательного вещества. Он дает широкую возможность фильтрования и осветления трудно фильтрующихся веществ (вязких, смолистых или коллоидных), а также суспензий с небольшим содержанием твердых частиц.
Фильтр работает циклично. Сначала на барабане откладывается толстый слой вспомогательного вещества, а затем в резервуар, освобожденный от избытка последнего, подается осветляемый раствор. При вращении барабана на поверхности вспомогательного вещества непрерывно откладывается тонкий слой осадка, который проходит зону промывки и сушки. Осадок снимается острием ножа вместе с некоторым количеством вспомогательного вещества. Очищенная поверхность слоя вспомогательного вещества снова погружается в резервуар, где на нем вновь откладывается осадок (рисунок 11). Скорость фильтрования равномерная и высокая. Вполне удовлетворительное осветление достигается, как правило, в одну ступень. Обычно слой вспомогательного вещества можно нанести менее чем за 1 час. Фильтрование или освеьление можно продолжать от 16 ч до одной недели в зависимости от того, какое количество вспомогательного вещества снимается со слоем твердых частиц [3].

Рисунок 11 – Схема работы вакуум-фильтра со слоем вспомогательного вещества
1.3 Описание технологического процесса, проходящего в барабанном вакуум-фильтре
Схема установки с вращающимся барабанным вакуум-фильтром показана на рисунке 12 [1].
Суспензия поступает в сборник 12, откуда подается центробежным насосом 13 в корыто вакуум-фильтра 2. Здесь суспензия разделяется на осадок, поступающий на дальнейшую переработку, и фильтрат, отводимый в сепаратор 9. Промывная вода, поступающая на промывку осадка из сборника 1, смешивается внутри барабана вакуум-фильтра с основным потоком фильтрата. Основной и промывной фильтрат из сепаратора поступает в сборник 10, откуда центробежным насосом 11 подается на переработку.

Рисунок 12 – Фильтровальная установка
1 – сборник промывной воды; 2 – вакуум-фильтр барабанный; 3 – конвейер скребковой; 4 – компрессор; 5 – ресивер-водоотделитель; 6 – вакуум-насос; 7 – ловушка;
8 – сборник-гидрозатвор; 9 – сепаратор; 10 – сборник фильтрата;
11 – насос центробежный; 12 – сборник суспензии; 13 – насос центробежный
Воздух из сепаратора отсасывается вакуум-насосом 6, перед которым устанавливается ловушка 7 для отделения от воздуха мелких брызг (ловушка устанавливается перед сухими вакуум-насосами, а при агрессивном фильтрате при значительном содержании в нем абразивной твердой фазы ловушки можно устанавливать перед мокрыми вакуум-насосами). Воздух для отдувки осадка и регенерации ткани подается воздуходувкой 4, перед которой устанавливается ресивер-водоотделитель 5 для отделения воды и масла и выравнивания давления воздуха. Жидкая фаза из ловушки удаляется по барометрической трубе в сборник-гидрозатор 8 [4].
Установка автоматизирована. Схема КИПиА должна обеспечить необходимую производительность установки при качественной промывке осадка и его минимальной влажности.
Понижение уровня суспензии в корыте вакуум-фильтров приводит к уменьшению производительности и вакуума в вакуумной линии. При повышении уровня часть суспензии переливается в сборник 12, откуда затем она снова должна быть возвращена на фильтрование. Это обусловливает измельчение кристаллов осадка, в результате чего уменьшается производительность фильтра и повышается влажность осадка. Для стабилизации уровня на линии подачи суспензии устанавливают дроссельную заслонку, степень открытия которой регулируется по сигналу регулятора уровня.
Необходимость стабилизации давления воздуха, поступающего на продувку, объясняется тем, что недостаточное давление приводит к уменьшению производительности фильтра из за плохой продувки фильтровальной ткани, а избыточное давление часто нежелательно при фильтровании суспензий, содержащих легкоиспаряющиеся вещества. Так, например, при фильтровании бикарбонатной суспензии содового производства избыточное давление воздуха приводит к выдуванию аммиака из фильтровой жидкости [5].
Обобщая вышесказанное, можно сделать следующие выводы по разделу 1. С целью технологически обоснованного выбора требуемой конструкции фильтра для разделения суспензии метатитановой кислоты были рассмотрены теоретические основы процесса фильтрации, проведен аналитический обзор используемых в промышленности фильтров с оценкой достоинств и недостатков каждой конструкции, разработана принципиальная схема установки. По результатам проведенного анализа определен тип фильтровального оборудования – барабанный безъячейковый вакуум-фильтр с образованием намывного слоя осадка древесной муки. Основное преимущество этого фильтра заключается в том, что он дает возможность работать с очень тонким слоем осадка и, следовательно, вести процесс с высокими скоростями и высокой производительностью, а также осуществлять хорошую промывку. 2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА С ОБОСНОВАНИЕМ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ
2.1 Исходные данные
1) фильтруемый материал – суспензия метатитановой кислоты (МТК);
2) площадь поверхности S = 48 м2;
3) сопротивление фильтрующей ткани β = 2·109 м-1;
4) плотность твердой фазы вспомогательного фильтрующего вещества (ВФВ) ρтн = 1500 кг/м3;
5) плотность жидкой (водной) фазы ВФВ ρжн = 1000 кг/м3;
6) содержание жидкой фазы в отфильтрованном осадке до просушки wн = 85,97 %;
7) концентрация твердой фазы в суспензии сн = 1,5 %;
8) коэффициент, учитывающий уплотнение намывного слоя осадка по толщине Купл = 1,23;
9) перепад давления при образовании намывного слоя – от 0 до р = 28,10 кН/м2;
10) эквивалентный постоянный перепад давления при образовании намывного слоя рн = 14,6 кПа;
11) конечная толщина уплотненного намывного слоя δупл = 0,09 м;
12) среднее удельное сопротивление осадка для уплотненного намывного слоя за время его образования αупл = 4,63·109 м/кг;
13) среднее удельное сопротивление осадка для неуплотненного намывного слоя αср.н = 0,790·109 м/кг;
14) температура фильтрования ВФВ t = 23оС;
15) вязкость жидкой фазы ВФВ μн = 1·10-6 кПа·с;
16) частота вращения барабана фильтра n = 1,5 об/мин;
17) угол сектора зоны фильтрования φ = 142о;
18) плотность твердой фазы МТК ρт = 3000 кг/м3;
19) плотность жидкой фазы МТК ρж = 1265 кг/м3;
20) содержание жидкой фазы в отфильтрованном осадке w = 69 %;
21) удельное сопротивление осадка для уплотненного намывного слоя древесной муки αупл = 9,1·109 м/кг;
22) температура фильтрования МТК t = 57оС;
23) вязкость жидкой фазы МТК μ = 1,783·10-6 кПа·с;
24) среднее удельное сопротивление осадка, получаемого при разделении суспензии МТК αср = 129·109 м/кг;
25) подача ножа на 1 оборот барабана фильтра ε = 0,2 мм;
26) время фильтрования τ = 109,5 с;
27) время выполнения вспомогательных операций τвсп = 8400 с;
28) концентрация суспензии МТК с = 12 %;
29) конечная толщина намывного слоя при его срезе δ1 = 0,01 м;
30) радиус барабана фильтра rб = 1,62 м;
31) радиус барабана со слоем rс = 1,70 м;
32) длина барабана l = 4,7 м;
33) влажность уплотненного намывного слоя древесной муки
34) плотность уплотненного намывного слоя древесной муки, отложившегося на фильтре ρупл = 1093 кг/м3.
2.2 Расчетная часть
Расчет ведем по методике, описанной в [8].
Предварительно рассчитываем:
– плотность влажного осадка, получаемого при разделении суспензии древесной муки (ВФВ)
;
– отношение объема отфильтрованного осадка к объему полученного фильтрата при образовании намывного слоя
;
– масса твердой фазы, отлагающаяся на фильтре при получении единицы объема фильтрата
;
– масса твердой фазы, приходящаяся на единицу толщины уплотненного намывного слоя осадка, отложившегося на единице поверхности
.
Расчет времени образования намывного слоя древесной муки требует определения:
– времени, за которое барабан фильтра делает 1 оборот
τt = 60 / n = 60 / 1,5 = 40 с;
– времени фильтрования за 1 оборот барабана фильтра
τ = φτt / 360 = 142·40 / 360 = 15,8 с;
– объема фильтрата, получаемого за 1 оборот барабана фильтра
,
где х = δупл.
Имеем:

Средствами Маткад решаем данный определенный интеграл и получаем
.
– среднего объема фильтрата
;
– средней скорости фильтрования при образовании намывного слоя древесной муки за 1 оборот барабана фильтра
;
– общего объема фильтрата, получаемого с единицы поверхности при образовании намывного слоя древесной муки
.
Тогда время, необходимое для образования уплотненного намывного слоя древесной муки, составит
.
Для расчета производительности барабанного вакуум-фильтра предварительно определяем:
– плотность влажного осадка
;
– отношение объемов отфильтрованного осадка и полученного фильтрата
;
– масса твердой фазы, отлагающаяся при получении единицы объема фильтрата
.
Используя передварительно полученные данные, определяем:
– время, за которое барабан фильтра делает 1 оборот
τt = τ·360 / φ = 109,5·360 / 142 = 277,6 с;
– частоту вращения барабана фильтра
n = 60 / τt = 60 / 277,6 = 0,216 об/мин;
– объем фильтрата, полученного при образовании намывного слоядревесной муки толщиной δупл с единицы поверхности за одиноборот барабана фильтра
,
где х = δупл.
Имеем:
Средствами Маткад решаем данный определенный интеграл и получаем
.
– средний объем фильтрата, получаемого с единицы поверхности заодин оборот барабана фильтра при срезе намывного слоя от δупл доδ1 = 0,01 м,
;
– среднюю скорость фильтрования за время среза намывного слоядревесной муки за полное время одного оборота барабана
;
– число оборотов барабана фильтра за время фильтрования суспензии МТК через намывной слой древесной муки при срезе от 0,09до 0,01 м
;
– общее время активной работы фильтра
τраб = τt·N = 277,6·400 = 111040 с;
– производительность за время активной работы фильтра:
- по фильтрату
;
- по сухому осадку
;
– общее время одного периода работы фильтра
τобщ = τраб + τвсп = 111040 + 8400 = 119440 с;
– среднюю скорость фильтрования, отнесенную к общей продолжительности одного периода работы фильтра
.
В итоге находим производительность за время одного периодаработы фильтра:
- по фильтрату
;
- по сухому осадку
.
Расход древесной муки при фильтровании МТК произведем на основе полученных выше результатов.
Последовательно определим:
• объем слоя древесной муки, нанесенного на фильтр
;
• массу уплотненного осадка древесной муки, отложившегося нафильтре
mупл = ρупл·Vос = 1093·3,92 = 4284,56 кг;
• массу твердой фазы в осадке древесной муки
;
• массу гидролизной кислоты, получаемой за время одного периодаработы фильтра
;
Окончательно удельный расход сухой древесной муки по массе отфильтрованной гидролизной кислоты
.
3 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С АППАРАТОМ
1.4.1 Обслуживание отделения фильтрации
В результате обслуживания вакуум-фильтров должен обеспечиваться нормальный режим их работы. Этого можно добиться при соблюдении следующих двух условий:
1) четкой организации взаимосвязи отделения фильтрации со всеми смежными отделениями;
2) строгим регулированием и контролем работы вакуум-фильтра.
Регулируются следующие параметры процесса фильтрации: производительность вакуум-фильтров; расход и температура воды, подаваемой на промывку; расход воздуха, подаваемого на продувку фильтрующей ткани; вакуум в общем коллекторе вакуум-фильтров [3].
Производительность вакуум-фильтров можно регулировать либо изменением зоны фильтрации (достигается соответствующим перемещением шибера для продувки фильтрующей ткани), либо уменьшением/увеличением числа оборотов барабана.
Необходимо, чтобы вакуум-фильтры работали с максимальной производительностью, так как при низкой производительности увеличивается разбавление фильтровой жидкости водой.
Расход подаваемого на продувку фильтрующей ткани воздуха регулируется по показанию манометра, замеряющего давление воздуха перед входом в барабан. При повышении давления выше установленной нормы необходимо немедленно уменьшить подачу воздуха в фильтр. Избыток воздуха ведет к выплескиванию суспензии из корыта вакуум-фильтра и к преждевременному износу фильтрующей ткани. При недостатке же воздуха фильтрующая ткань плохо регенерируется, поры ее забиваются, и процесс фильтрации ухудшается.
Вакуум в общем коллекторе вакуум-фильтров контролируется по показаниям вакуумметра. При снижении вакуума уменьшается производительность установки и повышается содержание влаги в осадке. При значительном повышении вакуума в общем коллекторе, например, при одновременной остановке нескольких фильтров, сепараторы вакуум-фильтров и вакуумный коллектор могут заполниться жидкостью, что приведет к остановке отделения фильтрации. Для предупреждения таких случаев необходимо при остановке вакуум-фильтров отключать и вакуум-насосы, отсасывающие из них воздух [4].
1.4.2 Техника безопасности при пуске/останове вакуум-фильтров
1) запуск барабанного вакуум-фильтра
При включении вакуум-фильтра в работу необходимо:
– убедиться в наличии ограждений и заземлений;
– убедиться в отсутствии посторонних предметов и людей в районе запускаемого вакуум-фильтра;
– включить в работу барабан вакуум-фильтра;
– включить в работу мешалку вакуум-фильтра;
– закрыть кран аварийного выпуска из ванны вакуум-фильтра;
– открыть кран на трубопроводе подачи разгрузки сгустителя;
– включить хвостовой блок-насос;
– открыть кран питания вакуум фильтров;
– набрав оптимальный уровень в ванне вакуум фильтра, включить вакуум и отдувку.
 2) остановка барабанного вакуум-фильтра:
– остановить хвостовой блок-насос;
– остановить разгрузку хвостового сгустителя;
– отфильтровать из ванны вакуум-фильтра;
– остановить барабан, закрыть вакуум и отдувку;
– выпустить из ванны вакуум фильтра и остановить мешалку.
3) запуск насоса:
– проверить надежность крепления насоса и двигателя на фундаментной плите (рама насоса);
– проверить наличие смазки в камерах подшипников, при необходимости смазать;
– открыть запорную арматуру на всасывающем трубопроводе, заполнить корпус насоса перекачиваемой жидкостью;
– включить двигатель насоса и следить по показаниям амперметров, не допуская перегруза двигателя.
 4) остановка насоса:
– выключить двигатель;
– закрыть запорную арматуру на всасывающем трубопроводе;
– при остановке насоса на длительное время слить жидкость из корпуса насоса и трубопровода нагнетания [6].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В представленном курсовом проекте была рассчитана фильтровальная установка на базе барабанного безъячейкового вакуум-фильтра, используемая в промышленном масштабе для разделения суспензии метатитановой кислоты. Процесс проводится с образованием намывного слоя осадка древесной муки.
Для определения основных характеристик процесса фильтрования с расчетом производительности фильтра по заданной поверхности фильтрования, в работе решены следующие задачи:
– рассмотрены теоретические основы процесса фильтрации;
– проведен аналитический обзор наиболее часто используемых типов фильтров;
– разработана принципиальная схема установки;
– изучена техника безопасности при работе с аппаратом;
– выполнен технологический расчет основного аппарата – барабанного вакуум-фильтра с образованием намывного слоя осадка.
По заданным исходным данным получены следующие характеристики:
1) фильтруемый материал – суспензия метатитановой кислоты (МТК);
2) площадь поверхности S = 48 м2;
3) конечная толщина уплотненного намывного слоя δупл = 90 мм;
4) конечная толщина намывного слоя при его срезе δ1 = 10 мм;
5) частота вращения барабана фильтра n = 1,5 об/мин;
6) угол сектора зоны фильтрования φ = 142о;
7) температура фильтрования МТК t = 57оС;
8) время образования уплотненного намывного слоя древесной муки
.
9) время фильтрования τ = 109,5 с;
10) время выполнения вспомогательных операций τвсп = 8400 с;
11) число оборотов барабана фильтра за время фильтрования суспензии МТК через намывной слой древесной муки при срезе от 0,09до 0,01 м ;
12) общее время активной работы фильтра τраб = 111040 с = 30,84 ч;
13) общее время 1-го периода работы фильтра τобщ = 119440 с = 33,18 ч;
14) производительность по фильтрату за время одного периодаработы фильтра ;
15) производительность по сухому осадку за время одного периодаработы фильтра .
16) масса уплотненного осадка древесной муки, отложившегося нафильтре mупл = 4284,56 кг = 4,28 т;
17) масса гидролизной кислоты, получаемой за время одного периодаработы фильтра ;
18) удельный расход сухой древесной муки по массе отфильтрованной гидролизной кислоты
19) радиус барабана фильтра rб = 1,62 м;
20) радиус барабана со слоем rс = 1,70 м;
21) длина барабана l = 4,7 м.
Для освещения темы проекта использованы 12 рисунков и библиография, включающая 9 литературных источников.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1) Иоффе, И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. – Л.: Химия, 1991.
2) Плановский, А.Н. Процессы и аппараты химической технологии / А.Н. Плановский, С.З. Каган. – Ленинград: Химия, 1988.
3) Баранов, Д. А. Процессы и аппараты химической технологии: учебник / Д. А. Баранов. - Санкт-Петербург: Лань, 2020. – 408 с. - ISBN 978-5-8114-4984-2. - URL: https://e.lanbook.com/reader/book/130186/#1(дата обращения 28.12.2019). - Текст: электронный.
4) Дытнерский, Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. В 2 частях. Часть 2. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. / Ю. И. Дытнерский. - Москва: Альянс, 2015. – 400 с. - ISBN 978-5-91872-076-9 – Текст: непосредственный.
5) Плановский, А.Н., Рамм, В.М., Каган, С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968.
6) Альперт, Л.З. Основы проектирования химических установок: Учеб. пособие. – 4-е изд. перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1989.
7) Тихвинская, М.Ю., Волынский, В.Е. Практикум по химической технологии: Учеб. пособие. – М.: Просвещение, 1984.
8) Поникаров, И.И., Поникаров, С.И., Рачковский, С.В. Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): Учебное пособие. – М.: Альфа-М, 2008.-720 с.: ил.ISBN 978-5-98281-132-5. – Текст: непосредственный.
9) Сарданашвили, А. Г. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа: учебное пособие / А. Г. Сарданашвили, А. И. Львова. - Санкт-Петербург: Лань, 2019. – 256 с. - ISBN 978-5-8114-3990-4. – Текст: непосредственный.