Методика расчета. 2.3.1 Фильтры периодического действия (фильтр - прессы)

2.3.1 Фильтры периодического действия (фильтр - прессы)

2.3.2 Фильтры непрерывного действия

3.3.1 Фильтры периодического действия (фильтр-прессы)

Цикл фильтрования состоит из следующих операций: подготовки фильтрата, фильтрование, промывка осадка, выгрузка осадка.

Производительность фильтра зависит главным образом от толщины осадка и возрастает при ее уменьшении. В связи с этим необходимо чаще удалять осадок, чтобы его толщина не возрастала. Однако, частое удаление осадка связано с частым повторением циклов работы и ростом вспомогательного времени, поэтому следует установить оптимальную производительность цикла фильтрования, когда обеспечивается максимальная производительность. Последнюю можно найти если найти максимум выражающей ее функции.

Не приводя детального вывода, выражение для максимальной производительности для поверхности фильтра в 1 м можно представить в следующем виде:

, (3.7)

где

, (3.8)

, (3.9)

, (3.10)

В этих выражениях - вспомогательное время; - динамическая вязкость промывной воды; -давление при промывке; -число одновременно промываемых слоев осадка; и -начальная и конечная концентрация растворимого вещества в промывной жидкости; -константа промывки.

Минимальная продолжительность цикла работы фильтра:

, (3.11)

при этом время фильтрации , (3.12)

время промывки , (3.13)

Полная максимальная производительность фильтра:

, (3.14)

Здесь площадь фильтрования:

, (3.15)

При этом объем фильтра: , (3.16)

и толщина осадка: , (3.17)

В этих формулах не учтена стоимость операций. Для определения оптимального режима работы фильтра находят минимум функции, выражающей зависимость затрат на работу фильтра от стоимости отдельных опёраций.

Затраты на работу установки, включающей фильтров,

, (3.18)

где - общий объем фильтрата, подлежащего удалению из суспензии; Т-затраты на время одного цикла работы фильтра; -объем фильтрата с 1 м площади фильтрования за цикл: - площадь поверхности фильтрата

Затраты на проведение одного цикла работы фильтра:

, (3.19)

где - затраты на проведение рабочих операций фильтрации и промывки, причем производственные затраты на фильтрацию, затраты на амортизацию фильтр-прессов (стоимость фильтр-пресса, время его амортизации, число рабочих суток в году, число рабочих часов в сутках); - затраты на проведение вспомогательных операций (затраты на разгрузку, сборку и разборку фильтр-пресса).

После подстановки выражения (3.19) в уравнение (3.18) его диференцируют и приравнивают производную к нулю. Тогда получают:

, (3.20)

откуда вспомогательное время , (3.21)

Оптимальная толщина слоя, а следовательно и оптимальная толщина плиты

, (3.22)

Оптимальная продолжительность цикла работы фильтра:, (3.23)

При этом время фильтрации , (3.24)

время промывки , (3.25)

Оптимальная производительность фильтра:

, (3.26)

Оптимальное число фильтров для получения фильтрата в количестве :

, (3.27)

Минимальные затраты на работу одного фильтр-пресса за цикл:

, (3.28)

Минимальные затраты на работу нескольких фильтров:

, (3.29)

Затраты при максимальной производительности фильтра:

, (3.30)

Минимальное число фильтр-прессов:

, (3.31)

Если , то:

, (3.32)

Учитывая, что стоимость фильтрации и промывки для автоматического фильтр-пресса ПФАКМ равна стоимости вспомогательных операций, указанный фильтр следует рассчитывать по формулам для максимальной производительности, минимальных толщин осадка и объема фильтрата за минимальный цикл фильтрования (2.7 - 2.9). Необходимо также учитывать, это максимально возможная толщина осадка не должна превышать 35 мм, а вспомогательное время составляет 1-2 мин.

3.3.2 Фильтры непрерывного действия

Барабанный фильтр ячейкового типа. При расчете должны быть заданы следующие величины: - массовая производительность подаваемой суспензии: Р- давление фильтрации: - давление промывки: и -константы удельного сопротивления осадка; и константы удельного сопротивления фильтрующей ткани; динамическая вязкость фильтра; динамическая вязкость промывной жидкости; и плотность соответственно жидкой и твердой фазы суспензии; толщина влажного осадка при оптимальных условиях процесса; -необходимое количество промывной жидкости на 1 кг влажного осадка в м; - содержание твердой фазы в фильтруемой суспензии; - содержание твердой фазы во влажном осадке перед просушкой.

Уменьшение толщины слоя осадка ускоряет процесс фильтрации. Однако, уменьшение толщины слоя осадка на фильтре ограничено возможностью удовлетворительного съема его с фильтрующей поверхности, поэтому наименьшими значениями допускаемой толщины слоя осадка для барабанных фильтров являются: при прочном маловажном осадке - 4 мм, при непрочном, влажном, слегка мажущемся осадке - 6 мм при слабом, липком осадке - 10 мм. Для дисковых фильтров этим величинам соответствуют значения 6,8 и 12 мм.

Вначале определяю т вспомогательные величины: объемную массу влажного осадка перед просушкой , объем влажного осадка в 1 мфильтрата ; количество твердой фазы на фильтре от 1 м фильтрата С.

Необходимая производительность фильтра по фильтрату:

, (3.33)

по воздушно-сухому осадку:

, (3.34)

где -содержание твердой фазы в воздушно-сухом осадке.

Среднее удельное сопротивление осадка и фильтрующей перегородки определяют при заданном давлении фильтрации.

Параметры уравнения фильтрации для единицы площади фильтра:

Время фильтрации:

, (3.35)

Время промывки можно определить следующим образом. Зная на основании экспериментов количество промывной жидкости, расходуемой на единицу массы влажного осадка, определяют количество промывной жидкости, расходуемой на единицу площади фильтра:

,

Определение скорости промывки аналогично определению скорости фильтрации:

, (3.37)

откуда время промывки:

, (3.38)

Заменив

, (3.39)

и учитывая, что , получают время промывки:

, (3.40)

где

, (3.41)

При подаче воды форсунками время промывки надо увеличить, так как для предупреждения размывания осадка приходится покрывать водяными струями большую поверхность, чем зона промывки. Увеличение времени на промывку через отношение v действительно орошаемой форсунками площади фильтра к теоретической площади зоны промывки, т.е.:

, (3.42)

Время подсушки, съема осадка и пребывания его в мертвых зонах:

, (3.43)

где -число секций фильтра, одновременно находящихся в зонах просушки, съема и мертвых зонах; -общее число секций фильтра.

Эти величины могут быть заданы или выбраны по конструктивным соображениям.

Общая продолжительность рабочего цикла или время, затрачиваемое на один оборот барабана:

, (3.44)

При определении времени просушки осадка необходимо учесть, что обычно угол , занимаемый сектором зоны отдувки и съема осадка, составляет 45 - 55 (рисунок 44).

Рисунок 44 - Расчетная схема барабанного вакуум-фильтра.

Угол ( сектора мертвой 'зоны (от уровня жидкости до верхней границы зоны фильтрации) составляет 3°. угол сектора зоны от верхней границы зоны фильтрации до середины ее вервей ячейки составляет 360/2 . Угол, занимаемый секторами съема осадка и мертвых зон, равен сумме указанных углов:

, (3.45)

Тогда время просушки осадка:

, (3.46)

Полная поверхность фильтра:

, (3.47)

Частота вращения барабана в минуту:

, (3.48)

Углы секторов фильтра:

зоны фильтрации

, (3.49)

зоны промывки

, (3.50)

зоны просушки

, (3.51)

мертвых зон (ниже уровня жидкости)

, (3.52)

В выражениях (3.49)-(3.51) угловая скорость барабанная фильтра.

Глубина погружения барабана в суспензию:

, (3.53)

где диаметр барабана.

Выбор вспомогательного оборудования. Для выбора вакуум насосов необходимо знать зависимость количества воздуха просасываемою через зоны промывки и просушки, от времени пребывания в этих зонах. Для приближенного определения этой зависимости можно рекомендовать формулу:

, (3.54)

где динамическая вязкость воздуха; коэффициент, учитывающий превышение действительного расхода воздуха над теоретическим из-за попадания наружного воздуха через не плотности.

Для определения сечения трубопроводов можно принимать следующие скорости: для жидкостей -0,5 м/с, для мокровоздушной смеси- 4м/с.

Полезный объем ванны для фильтров:

, (3.55)

где объем поступающей суспензии:

, (3.56)

здесь плотность суспензии:

, (3.57)

Расчет мощности привода фильтра. Мощность привода барабанного вакуум-фильтра затрачивается на преодоление следующих моментов сопротивлений.

1. Момент сопротивления , создающийся в вследствие неуравновешенности слоя осадка при вращении барабана или дисков. Осадок покрывает 3/4 фильтрующей поверхности барабана, поэтому неуравновешенность создается за счет осадка, покрывающего 1/4 фильтрующей поверхности:

, (3.58)

где масса осадка на неуравновешенной части фильтрующей поверхности барабана или дисков фильтра; расстояние от центра тяжести неуравновешенной части осадка до оси барабана или диска; угол сектора неуравновешенной части осадка на барабане или дисках.

, (3.59)

здесь площадь поверхности, покрытой неуравновешенной частью осадка.

Для барабанного фильтра:

, (3.60)

где и диаметр и длина барабана

, (3.61)

(при условии, что осадок покрывает 3/4 поверхности барабана), следовательно, для барабанного фильтра:

, (3.62)

2. Момент сопротивления срезу осадка.

Для барабанного фильтра:

, (3.63)

где коэффициент трения при срезании осадка; усилие срезания осадка.

Усилие срезания осадка:

,

где удельное сопротивление срезанию осадка.

Тогда:

, (3.64)

3. Момент сопротивления трению барабана или дисков о суспензию.

По некоторым опытным ориентировочно можно принимать:

, (3.65)

4. Момент сопротивления трению вала фильтра о распределительную головку:

где число распределительных головок фильтра; коэффициент трения; сила прижима головки к торцу вала фильтра ( площадь поверхности трения, удельное давление между трущимися поверхностями вала и головки); радиус трения.

Площадь поверхности трения:

, (3.68)

здесь и соответственно наружный и внутренний диаметр торца вала фильтра; число ячеек; площадь отверстия ячейки.

Радиус трения:

, (3.69)

5. Момент сопротивления трению в подшипниках вала:

, (3.70)

где масса вала с барабаном (или дисками) и осадком; коэффициент трения цапф вала в подшипниках; диаметр цапфы.

Полная мощность электродвигателя для барабанного фильтра:

, (3.71)

Вопросы для повторения

1. Движущая сила процесса фильтрования.

2. Сопротивления при процессе фильтрования.

3. Факторы влияющие на величину сопротивления фильтрующей перегородки.

4. Параметры определяющие сопротивление осадка.

5. Фильтрующие перегородки и их выбор.

6. Микрофакторы и макрофакторы в процессе фильтрования.

7. Основные законы, на которых базируется современная теория фильтрования.

8. Виды фильтрования.

9. Гидродинамика процесса фильтрования и ее основное уравнения.

10. Классификация фильтров.

11. Фильтры периодического действия, особенности эксплуатации, преимущества, недостатки.

12. ФПАКМ - устройство, принцип действия, область применения.

13. Листовой фильтр - устройство, принцип действия, область применения.

14. Фильтры непрерывного действия, особенности эксплуатации, преимущества, недостатки.

15. Барабанный вакуум фильтр, устройство, принцип действия, преимущества, недостатки.

16. План фильтр - устройство, принцип действия, преимущества, недостатки.

17. Ленточный фильтр - устройство, принцип действия, преимущества, недостатки.

18. Инженерная методика расчета фильтр-пресса.

19. Инженерная методика расчета барабанного вакуум фильтра

Фильтры для разделения суспензий

1. Брок Т.Д. Мембранная фильтрация: Пер. с англ. М.:Мир, 1987. 462с.

2. БрыкМ.Т., Цапюк Е.А. Удьтрафильграция. Киев:Наук. думка, 1988. 287с.

3. Бурова Н. И., Телетников В.В. Патронные фильтры: Особенности устройства и области применения. М.: ЦИВТИхимнефтемаш, 1988.33с.

4. Гуааев В. А. Состояние и перспективы повышения надежности электрофильтров. М.:ЦИНТИхимнефтемаш, 1991. 24с.

5. Едьшин А. И. Тенденция развития фильтрования и фильтровального оборудования. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1992. 44с.

6. Ельшин А.И. Фильтровальное оборудование в США. М.:ЦИНТИхимнефтемаш, 1991. 5бс.

7. Мужиков В. А. Фильтрование. М.: Химия, 1980. 398с.

8. Криворот А. С. Конструкция и основы проектирования машин и аппаратов химической промышленности. М.: Машиностроение, 1976. 376с.

9. Лазовский Ф.А. Процессы и аппараты магнито-фильтрационной очистки жидкостей и газов. М.:ЦИНТИхимнефтемаш, 1991. 88с.

10. Леонтьева А.И. Машины и аппараты химических производств. Учеб. пособие. Тамбов: ТГТУ, 1991. 4.1. 104с.

11. Лунев В.Д..Емельянов Ю.А. Фильтрование в химической промышленности. Л.:Химия, 1982. 71с.

12. Разделение суспензий в химической промышленности/ Т.А. Малиновская, И.А. Каринский, О.С. Керсанов, В.В. Рейнфорт. М.: Химия, 1983. 264с.

13. Малиновская Т.А. Разделение суспензий в химической промышленности. М.: Химия, 1971. 113с.

14. Машины и аппараты химических производств/Под ред. И. И. Чернобыльского. М.:Машиностроение, 1975. 456с.

15. Начинкин О.И. Полимерные микрофильтры. М.:Химия, 1985. 496c.

16. Плановский А. Н., Николаев П.П. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.:Химия, 1987. 496с.

17. РТМ Ј6-01-05-64. Методика расчета барабанных вакуумных фильтров с наружной поверхностью.

18. РТМ Ј6-01-10-65. Методика определения параметров процесса фильтрации с образованием осадка.

19. РТМ Ј6-01-17-67. Методика выбора фильтровальной ткани.

20. РТМ 26-01-26-68. Методика расчета дисковых фильтров.

21. РТМ Ј6-01-31-69. Методика расчета листовых фильтров под давлением.

22. РТМ 26-01-35-70. Методика технологического расчета патронных фильтров.

23. РТМ Ј6-01-47-71. Методика технологического расчета барабанных вакуумфильтров с намывным сдоем.

24. Сандудяк А.В. Магнитно-фидьтрационная очистка жидкостей и газов. М.: Химия, 1988. 131с.

25. Туровский И.О. Обезвоживание осадков сточных вод с применением фильтрпрессов. М.:ЦИНТИхимнефтемаш, 1989. 53с.

26. Федоткин И.М..Воробьев Е.И., Вьюн В.И. Гидродинамическая теория фильтрования суспензий. Киев: Вищ. шк., 1986. 166с.

27. Чекадов Л.В. Конструктивные особенности и промышленное внедрение электрофильтров с импульсивным питанием. М.:ЦИНТИхимнефтемаш, 1991. 28с.

28. Янковский С.С. Промышленное применение волокнистых и сетчатых фильтров. М.:ЦИНТИхимнефтемаш, 1984. 32с.