Аппараты и машины для разделения жидких неоднородных систем

Жидкие неоднородные системы — суспензии и эмульсии разделяются фильтрованием и центрифугированием.

Фильтрование осуществляется с помощью фильтров, одним из ос­новных элементов которых является пористая перегородка, пропускаю­щая жидкую фазу и задерживающая твердые частицы в виде осадка. Для фильтрования необходимо создать разность давлений по обеим сторонам перегородки, выполняющей роль начального сопротивления; появляющийся затем осадок создает дополнительное сопротивление.

Центрифугирование реализуется в специальных машинах — центри­фугах, где отставание и фильтрация осуществляются в поле центробежных сил. Эти машины более эффективны по сравнению с фильтра­ми.

Фильтры. Современные фильтрующие аппараты и машины класси­фицируются по различным признакам.

По режиму работы фильтры подразделяются на аппараты перио­дического и непрерывного действия. В зависимости от способа обра­зования перепада давлений на фильтрующей перегородке фильтры мо­гут работать под вакуумом и под давлением. По форме фильтрующей поверхности фильтры бывают с плоскими и криволинейными фильтрую­щими перегородками.

Внутри каждой из этих групп фильтров имеется большое разно­образие конструкций. С учетом распространения в производстве, эф­фективности использования и конструктивной общности можно пред­ставить схему классификации современных фильтров (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема классификации фильтров

Нутч-фильтр является наиболее простым фильтром периодическо­го действия, работающим под вакуумом или давлением. В этих фильт­рах сила тяжести фильтрата совпадает с направлением его движения. Они представляют собой вертикальные аппараты цилиндрический или прямоугольной формы (табл. 2.3). Суспензия подается сверху, фильт­рат проходит фильтрующую перегородку под действием вакуума, соз­даваемого под перегородкой, или избыточного-давления, образуемого над суспензией с помощью сжатого воздуха. Осадок остается на фильт­рующей перегородке и удаляется обычно вручную после промывки.

Достоинством всех путчей является возможность равномерной и полной промывки осадка, так как промывная жидкость может быть равномерно распределена по всей его поверхности в необходимом ко­личестве. Общий недостаток — относительно большая занимаемая пло­щадь помещения, приходящаяся на 1 м² поверхности фильтрования. Большого промышленного распространения нутч-фильтры сейчас не имеют.

Фильтр-пресс автоматизированный камерный ФПАКМ периодичес­кого действия имеет большое распространение в промышленности. Он предназначен для фильтрования тоикодиеперсных суспензий, содержа­щих 5—500 кг/гm³ твердых частиц размером не более 3 мм при темпе­ратуре суспензий 5—90°С. ФПАКМ состоит из горизонтальных плит 1 (рис. 2.6), перемещающихся, но стяжкам 2 с помощью электромехани­ческого зажимного устройства 12, фильтрующей перегородки в виде бесконечного полотна 7 и системы питания фильтра, суспензией, про­мывной жидкостью, отвода фильтрата и жидкости.

Фильтр работает следующим образом. Фильтровальные плиты при опускании образуют зазор шириной 45 мм. Фильтровальная ткань в

Таблица 2.3

Схемы основных видов фильтров

Вид фильтра	Разновидность конструктивных схем
С плоской фильтрующей перегородкой	Путч, работающий под дав­лением: 1 - перегородка опор­ная; 2 - перегородка кольце­вая; 3 - рубашка; 4 - корпус; 5 - клапан предохрани­тельный; 6 – штуцер для сжатого воздуха; 7 - крышка съемная; 8 - штуцер для сус­пензии; 9 - сетка защитная; 10 - перегородка фильтро­вальная; 11 - днище; 12 - штуцер для фильтрата	ФПАКМ - фильтр-пресс автоматизирован­ный камерный (с гори­зонтальными камерами): 1 - плиты фильтровальные; 2 – плиты опорные; 3 - ролики направляющие; 4 - ткань фильтровальная
	Фильтр-пресс с вертикальными рамами (плиточнорамный фильтр-пресс): 1 -плита неподвижная; 2 - плиты; 3 - рамы; 4 - плита подвижная; 5 - опорный брус; 6 - гид­равлическая система; 7 - штуцер для промывной жидкости; 8 - штуцер для суспензии
	Дисковый: 1 - вал полый; 2 - диски; 3 - ванна; 4 - головка распределительная	Тарельчатый: 1 - диск горизон­тальный рустотелый; 2 - ткань фильтрующая; 3 - нож; 4 - голов­ка распределительная; 5 - трубка для фильтрата
С плоской фильтрую­щей перего­родкой	Ленточный вакуум-фильтр: 1 - ролик; 2 - барабан при­водной; 3 - вакуум-камеры для промывной жидкости; 4 - форсунки для промывной жид­кости; 5 - лента резиновая опорная; 6 - вакуум-камера для фильтрата; 7 - лоток для суспензии; 8 - барабан на­тяжной; 9, 10 - коллекторы; 12 - бункер для осадка
С цилин­дрической фильтрую­щий перего­родкой	Барабанный ячейковый вакуум-фильтр с наружной поверхностью фильтрования: 1- барабан; 2, 6 - полости распределительного устройства, сообщающиеся с источником вакуума; 3 - ролик направляющий; 4 - устройство разбрызгивающее; 5 - лента бесконечная; 7, 11 - полости распределительного устройства, сообщающиеся с источником сжатого воздуха; 8 - устройство распределительное; 9 - нож для съема осадка; 10 - трубка соединительная; 12 -мешалка; 13 - резервуар для суспензии
	Барабанный ячейковый вакуум-фильтр с внутренней поверхно­стью фильтрования: 1 - борт кольцевой; 2 - планка продоль­ная; 3 - устройство распредели­тельное; 4 - трубка соединитель­ная; 5 - ячейка; 6 - перегород­ка опорная; 7 - цилиндр; 8 -бункер: 9 - транспортер ленточный	Барабанный безъячейковый вакуум-фильтр: 1- барабан перфорированный; 2 -вал неподвижний; 3 - труба для фильтрата; 4 - камера; 5 - трубы для удаления промывной жидко­сти; 6, 10 - трубки для сжато­го воздуха; 7, 9 - щели; 8 - колодка; 11 - устройство для подачи сжатого воздуха
С цилиндри­ческой филь­трующей пе­регородкой	Патронный фильтр: 1 - корпус; 2 - патроны; 3 - ка­нал в плите; 4 - канал в пат­роне; 5 - штуцер для цирку­лирующей суспензии; 6 - крышка; 7 - вертикальный канал в плите; 8 - плита; 9 - шарнирное устройство; 10 - перегородка перфорированная; 11 - труба для суспензии; 12 - днище

этот период перемещается с помощью приводного барабана 15 через желоб (камеру регенерации) 13 и через натяжное приспособление вхо­дит в плитное пространство. При сжатых плитах суспензия поступает в камеры фильтрования (рис. 2.7). Жидкая фаза проходит через фильтрующую ткань и перфорированный лист 4 в камеру и коллектор 1 фильтра.

Твердая фаза задерживается на поверхности ткани в виде осад­ка с максимальной толщиной 0, 5 адм. Затем осадок промывается соот­ветствующей жидкостью и отжимается резиновой диафрагмой.

Во время разгрузки фильтровальная ткань приводится в движе­ние, осадок снимается ножами 8 (см. рис. 2. 6) и одновременно выгру­жается на транспортеры 14 с обеих сторон плит. По окончании вы-

Рис. 2.6. Автоматический фильтр-пресс ФПАКМ: 1 - фильтровальная ткань; 2 - натяжное устройство; 3, 4 -коллекторы соответст­венно для суспензии и
фильтрата; 5, 12 - пли­ты верхняя и нижняя; 6 - стяжка; 7 - филь­тровальные плиты; 8 -
ножи съема- осадка; 9 - ролики; 10 - плита на­жимная; 11 - устройство электромеханическое
зажимное; 13 - желоб; 14 - транспортер; 15 - приходной барабан для
передвижения ткани.

Рис. 2.7. Фильтрующие камеры ФПАКМ и схема их ра­боты: 1 - секция коллектора; 2 -рама; 3 - плита; 4 - перфорированный лист; 5 - спирали; 6 - диафрагма; I - фильтрация; // - лросушка осадка; /// - выгрузка осадка; А - отвод фильтрата, концентрированной и слабой промыв­ных жидкостей; В - подача суспензии, промывной жидко­сти и воздуха; С - подача воды на диафрагму

грузки осадка от электрогидравлического командоаппарата автомати­чески отключаются система подачи воды (или другой моющей жидко­сти) в камеру регенерации, где ткань промывается струями жидкости и очищается скребками или щепками, и механизм движения выгрузоч­ного транспортера. ФПАКМ полностью автоматизирован, что позволяет быстро настроить его на оптимальный технологический режим. Метал­лоемкость фильтр-пресса, отнесенная к единице производительности по фильтруемой суспензии, в 2-3 раза меньше, чем у рамных прессов, а металлоемкость, отнесенная к 1 м² фильтрующей поверхности, ниже, чем у барабанных фильтров непрерывного действия.

Использование ФПАКМ позволяет увеличить производительность труда в 4-10 раз по сравнению с рамными фильтр-прессами периоди­ческого действия и резко сократить расход фильтровальной ткани.

Детали и узлы ФПАКМ изготовляют из углеродистых сталей при работе со щелочными и нейтральными средами и из стали Х18Н10Т и титана при работе с кислыми средами.

Отечественная промышленность выпускает ФПАКМ со следующи­ми параметрами:

Площадь поверхности фильтрации — 2.5—25 м²

Ширина ткани — 0, 75—1, 10 м

Зазор между плитами — 45 мм

Максимальное рабочее давление —1.5 МПа

Занимаемая площадь — 4, 0—8, 6 м²

Масса — 4, 55—15, 00 т

Рамный фильтр-пресс является фильтром периодического действия, работающим под давлением. В нем сила тяжести фильтрата перпенди­кулярна направлению сто движения. Фильтр-пресс с вертикальными рамами (см. табл. 2.3) состоит из чередующихся плит и рам одина­ковых размеров, опирающихся на два горизонтальных бруса. Между соприкасающимися поверхностями плит и рам располагаются ткане­вые фильтровальные перегородки, служащие также для уплотнения плит и рам по периферии в период смыкания пресса, осуществляемо­го путем прижима к неподвижной плите всех фильтрующих плит и рам от гидропривода через подвижную плиту. В неподвижной плите име­ются штуцера для входа суспензии и промывной воды. Эта штуцера сообщаются с каналами, которые образованы совпадающими, отвер­стиями в плитах и рамах во время их смыкания. Фильтрат и промыв­ная жидкость удаляются через штуцера, имеющиеся в каждой промежуточной плите.

Конструкции плит и рам разнообразны и отличаются взаимным расположением каналов для суспензии, промывной жидкости и сжатого воздуха, наличием или отсутствием каналов для циркуляции теплоно­сителя или охлаждающей жидкости. Плиты и рамы могут иметь пря­моугольную или круглую форму, изготавливаться из чугуна, стали, ке­рамики, дерева. Размеры чугунных рам — до 1X1X0.045 м.

К достоинствам рамных фильтр-прессов относятся большая поверх­ность фильтрования на единицу занимаемой площади (общая поверх­ность фильтр-прессов с размерами плит 1X1 м достигает 140 м²), воз­можность отключения отдельных неисправных плит, отсутствие движу­щихся частей в процессе эксплуатации.

Их недостатки — необходимость в ручном обслуживании, несовер­шенная промывка осадка, быстрое изнашивание фильтрующей ткани.

Имеются модели фильтр-прессов с механизированной выгрузкой осадка, в которых используются устройства, для перемещения плит и рам [12].

Плиты и рамы фильтр-пресса изготовляют из металла, пластичес­ких масс, армированной резины или дерева [16].

Листовые фильтры работают под давлением. Направление движе­ния фильтрата и силы тяжести у них взаимно перпендикулярны. Имеется несколько конструктивных разновидностей фильтров. Большее рас­пространение получили вертикальные листовые фильтры, основными элементами которых являются фильтровальные листы, расположенные ивнутри цилиндрического корпуса. Суспензия поступает через штуцер в корпус фильтра. Жидкая фаза проходит внутрь фильтровальных листов, собирается в коллекторе и выходит из аппарата. Твердая фаза на­капливается в виде осадка на внешней поверхности листов, сбрасывается с нее обратным толчком сжатого воздуха или воды и удаляется из конической части днища фильтра через штуцер.

В новой конструкции фильтра ЛВ-130 (рис. 2.8) фильтрующий лист представляет собой раму 4, состоящую из каркаса и фильтрующей сетки или ткани. В верхней части рамы имеются две планки: одна входит в паз гребенки корпуса 2, другая — в специальную направляю­щую корпуса с зажимным устройством. Прорези в середине рамы дают возможность свободно вынимать ее без выдвигания питающей трубы. Последняя служит для подачи суспензии и промывной жидкости. Во время разгрузки фильтра труба приводится во вращение и получа­ет одновременно возвратно-поступательное движение; при этом струи воды из ее сопл смывают осадок за несколько оборотов трубы.

Лопасти 5, вращающиеся с частотой 10—12 об/мин, предназначе­ны для ускорения выгрузки осадка из конической части фильтра. Фильтрат отводится из каждой рамы через штуцер в кольцевой кол­лектор 7, через который может также подаваться пар или сжатый воздух для ртдувки или пропаривания осадка.

Крышка фильтра соединяется с корпусом при помощи байонетного затвора, для поворота которого служат гидроцилиндры. Гидроцилиндр 8 предназначен для подъема крышки. Управление работой фильтра автоматизировано; возможно, и дистанционное управление. Техническая характеристика фильтра ЛВ-130:

Поверхность фильтрования — 130 м²

Число фильтрующих рам — 42

Максимальное давление фильтрования — 3, 0 МПа

Давление смывной жидкости — 5, 0 МПа

Производительность по фильтрату — 20 м⁸/ч

Масса фильтра — 9, 8 т

Рис. 2.8. Автоматизированный вертикальный листовой фильтр ЛВ-130: 1 - крышка; 2 - корпус; 3 - труба для подачи суспензии и смывной жидко­сти; 4 - рама фильтровальная; 5 - механизм выгрузки осадка; 6 - привод механизма выгрузки осадка; 7 - коллектор фильтрата; 8 — цилиндр механиз­ма затвора крышки.

Фильтр ЛВ-130 занимает меньшую (на 60%) площадь и менее ме­таллоемок (на 55%) по сравнению с горизонтальными листовыми фильтрами.

Патронный фильтр по принципу действия аналогичен листовому и отличается от него тем, что вместо листов внутри корпуса фильтра располагаются фильтровальные патроны, состоящие из пористых колец 1 (рис. 2.9), нанизанных на закрытую снизу центральную трубу 2 z радиальными отверстиями 3 и продольными ребрами 5.

Рис. 2.9. Фильтрующий патрон (в разрезе): 1 - коль­цо пористое; 2 - труба цент­ральная; 3 - радиальное отверстие; 4 - слой осадка; 5 - ребро продольное; 6 - канал вертикальный

Барабанные фильтры являются аппаратами непрерывного действия. Различают барабанные фильтры, работающие под вакуумом (для них направления движения фильтрата и действия его силы тяжести противоположны) и под избыточным давлением (здесь направление си­лы тяжести и движения фильтрата совпадают). В зависимости от кон­струкции барабана фильтры могут быть ячейковыми и безячейковыми. Если фильтрат поступает внутрь барабана, а осадок остается на внешней его поверхности, то аппарат называется фильтром с наружной поверхностью фильтрования.

Наибольшее распространение в химической промышленности по­лучили вакуумные барабанные фильтры с наружной фильтрующей поверхностью.

На рис. 2. 10 показан продольный разрез ячейкового барабанного вакуум-фильтра.

Рис. 2.10. Ячейко­вый барабанный вакуум-фильтр с наружной по­верхностью фильтрова­ния: / — барабан: 2 — ячейка; 3 — соедини­тельная труба; 4 —цап­фа полая; 5 — вал; 6 — распределительное уст­ройство; 7 — мешалка маятниковая

Основными элементами конструкции данного фильтра являются полый барабан 1 с перфорированной цилиндрической поверхностью, разделенный на ячейки 2, которые образованы внутренними прямо­угольными перегородками и сообщаются с помощью соединительных трубок 3 с распределительным устройством 6. Посредством соедини­тельных трубок барабан крепится к полой цапфе 4, которая жестко соединяется с полым валом 5, передающим ему крутящий момент от привода. Барабан частично погружен в резервуар с суспензией (сте­пень погружения — 0, 3—0, 5), где для предотвращения осаждения твер­дых частиц медленно качается маятниковая мешалка 7. Перфорирован­ный металлический барабан покрывается сверху фильтрующей тканью; Схема действия фильтра показала в табл. 2. 3.

При вращении барабана в направлении стрелки каждая ячейка со­единяется трубкой с различными полостями неподвижной части рас­пределительного устройства и проходит последовательно зоны фильтро­вания, первого обезвоживания, промывки, второго обезвоживания, уда­ления осадка и регенерации ткани. В зоне фильтрования ячейка сопри­касается с суспензией, находящейся в резервуаре, и соединяется труб­кой с полостью распределителя, которая сообщается с источником ва­куума. При этом фильтрат через трубку и полость уходит в сборник, а на поверхности ячейки (фильтрующей ткани) образуется осадок.

В зоне первого обезвоживания осадок соприкасается с атмосфер­ным воздухом, а ячейка продолжает сообщаться с вакуумом. Жидкая фаза из осадка отсасывается.

В зоне промывки на частично обезвоженный осадок из разбрызги­вающих устройств подается промывная жидкость, а ячейка сообщается с вакуум-линией, по которой эта жидкость уходит в другой сборник.

В зоне второго обезвоживания промытый осадок вновь соприкаса­ется с атмосферным воздухом, а ячейка остается соединенной с вакуу­мом. Для предотвращения образования в осадке трещин с время про­мывки и последующего обезвоживания на него накладывается беско­нечная лента, которая перемещается вместе с осадком вследствие сил трения, сглаживая и разравнивая его поверхность.

В зоне удаления осадка ячейка, через трубку сообщается с по­лостью сжатого воздуха, под действием которого осадок разрыхляется, отделяется от ткани, после Чего скользит по поверхности ножа и по­ступает на дальнейшую обработку.

В зоне регенерации ткань продувается сжатым воздухом, продол­жающим поступать через трубку в ячейку. Для предохранения от рас­тяжения при продувке ткань прижимается к поверхности барабана специально намотанной тонкой проволокой.

Для последовательного соединения каждой ячейки с источниками вакуума или сжатого воздуха служит распределительное устройство (рис. 2. 11).

Рис. 2.11. Распределительное устройство барабанного вакуум-фильтра: 1 - трубопровод для удаления промывной жидкости; 2 - трубопроводы для подачи сжатого воздуха; 3 - корпус не­подвижный; 4 - вакуумметры: 5 - вращающаяся цапфа; 6 - вращающаяся шайба; 7 - пружина; 8 - отверстия в шайбе; 9. 11, 12, 13 - прорези в неподвижной шайбе; 10 - шайба съемная неподвижная; 14 - соединительная трубка: 15 - трубопровод для удаления фильтрата

При вращении барабана каждая ячейка трубкой 14 и отверстием 1последовательно соединяется с прорезями 13, 9 (зоны фильтрования и первого обезвоживания), // (зона удаления осадка) и 12 (зона реге­нерации ткани). Из распределительного устройства фильтрат и промыв­ная жидкость поступают в сборники соответственно по трубопроводам 15 и 1.

Сжатый воздух подается в распределительное устройство по тру­бопроводам 2; вакуум в зонах, соответствующих прорезям 13 и 9, из­меряется вакуумметрами 4.

В барабанных фильтрах без распределительной головки ячейки со­единяются с внутренним пространством фильтра, находящимся под разряжением, с помощью короткого патрубка, снабженного маятнико­вым клапаном. Противовес клапана удерживает его в одном положе­нии; при вращении барабана клапан скользит по поверхности патруб­ка, который открывается и закрывается на соответствующем секторе. Фильтрат отводится через полую цапфу. Промывка осуществляется ма­лым количеством воды, которая смешивается с фильтратом. Осадок снимается без отдувки.

Такие фильтры по сравнению с ячейковыми имеют высокие произ­водительность и эффективность промывки; малые гидравлические со­противления каналов; их поверхности легко защитить от действия аг­рессивных суспензий защитными покрытиями; у них значительно сни­жается засасывание воздуха через неплотности и улучшаются условия-прохождения фильтрата через каналы. Но поскольку последний смеши­вается с промывной жидкостью, такие фильтры попользуются в тех случаях, когда фильтрат не представляет особой ценности и может быть смешан с промывной жидкостью.

Другая конструкция аппарата без распределительной головки — безъязыковый фильтр (см. табл. 2.3). В нем барабан вращается во­круг пустотелой оси, являющейся опорой для камер промывки и отдув­ки осадка. Ось разделена радиальными перегородками на несколько каналов, к которым подведены трубопроводы, соединяющие камеры фильтра с источниками вакуума и сжатого воздуха. К достоинствам этого фильтра можно отнести малый расход сжатого воздуха и воз­можность разделения фильтрата и промывной жидкости. Однако в нем затруднительна замена уплотняющего материала в зоне отдувки осад­ка.

Стандартные барабанные вакуум-фильтры с поверхностью фильт­рации от 1 до 40 м² имеют барабан диаметром 1—3, длиной 0, 35—4, 0 м. Барабан вращается от электродвигателя мощностью 1, 1—4.5 кВт с частотой 0, 1—3, 0 об/мин, регулирование которой производится с по­мощью коробки скоростей.

Барабан и ванна фильтров общего назначения изготавливаются из чугуна или стали. При разделении кислых и нейтральных суспензий, когда недопустимо попадание окислов железа в фильтрат или осадок, применяются фильтры, в которых все детали, соприкасающиеся с сус­пензией и фильтратом, сделаны из нержавеющей стали, пластмасс или гуммируются. Конструкционными материалами для изготовления бара­банных фильтров служат, также легированные стали и модель.

Дальнейшее усовершенствование таких фильтров предусматривает улучшение условий перемешивания суспензии в ванне, качества про­мывки и обезвоживания осадка на фильтре и предотвращение растрес­кивания осадка. Важное место занимает выбор рационального метода съема осадка с фильтрующей ткани.

Дисковые фильтры. В этих аппаратах направление движения филь­трата перпендикулярно действию силы тяжести. Они представляют со­бой резервуар, разделенный на секции 5 (рис. 2. 12), в каждой из кото­рой вращается вертикальный фильтровальный диск 2. Все диски укреп­лены на одном долом приводном валу. Для отвода фильтрата и пода­чи сжатого воздуха служит распределительное устройство 3, соединен­ное с трубопроводами 1 и 2. Конструкция распределительного устройства аналогична описанной выше для барабанных вакуум-фильтров. Фильтры больших моделей имеют две распределительные головки.

Суспензия поддерживается на одинаковом уровне в секциях резер­вуара с помощью переливных трубок и постоянно перемешивается маятниковыми мешалками. Диски погружены в суспензию примерно на половину диаметра. Они изготовляются из отдельных секторов. Для об­легчения съема осадка, и уменьшения износа фильтрующей перегород­ки секторы делают выпуклыми.

Рис. 2.12. Диско­вый вакуум-фильтр: 1 - вакуум-трубопроводы; 2 - трубопроводы сжа­того воздуха; 3 - рас­пределительное устрой­ство; 4 - фильтроваль­ные диски; 5 - секция; 6 - ножи для съема осадка

Осадок снимается с помощью сжатого воздуха (для отдувки) и ножей или валиков. Направляющими для отделенного осадка служат наклонные пластины, закрепленные шарнирно в секции резервуара.

Отечественные стандартные дисковые фильтры имеют следующие значения параметров:

Фильтрующая поверхность — 1—85 м²

Диаметр диска — 0, 9—2, 5 м

Число дисков — 1 —10

Частота вращения дисков — 0, 13—2, 0 об/мин

Мощность электродвигателя — 0, 2—5, 0 кВт

По сравнению с другими аппаратами дисковые фильтры отличают­ся наибольшей фильтрующей поверхностью на единицу занимаемой площади, возможностью осуществлять ремонт отдельных дисков, ма­лым расходом фильтрующей ткани и небольшим расходам энергии.

Недостатки фильтров — плохо осуществляется промывка осадка. Поэтому они пригодны для разделения суспензий, содержащих доста­точно однородные и медленно осаждающиеся твердые частицы, кото­рые образуют не растрескивающийся и не требующий промывки оса­док.

Дисковые фильтры, как и барабанные, могут работать и под дав­лением. В этом случае вал с дисками помещен в закрытом корпусе, где с помощью сжатого воздуха или инертного газа создается давление до 0.70 МПа. Мутный и чистый фильтрат выходит раздельно через концы дискового вала. Осадок снимается, ножами и выводится из аппарата шнековым устройством с пружинным клапаном. Фильтрующая поверх­ность таких фильтров составляет 2, 3—74, 3 м².

Ленточные фильтры. Это фильтры непрерывного действия, направ­ление действия силы тяжести и движения фильтрата в них совпадает. Они представляют собой горизонтальные аппараты (см. табл. 2.3), в которых опорная резиновая лента с прорезями и бортами перемещает­ся по замкнутому пути при помощи приводного и натяжного бараба­нов. Фильтровальная ткань в виде бесконечной ленты прижимается к опорной резиновой при натяжении роликов. Суспензия поступает на фильтровальную ткань из лотка, а промывная жидкость подается на образовавшийся осадок из форсунок. Фильтрат отсасывается в камеры, находящиеся под опорной резиновой лентой на участке осаждения, и отводится через соответствующий коллектор. Промывная жидкость от­сасывается (по аналогии с фильтратом) в свои камеры на участок про­мывки осадка и уходит через коллектор в другой сборник. На привод­ном барабане фильтровальная ткань отходит от резиновой ленты и огибает ролик, вследствие чего осадок отделяется от ткани и падает в приемный бункер. Для улучшения отделения осадка от фильтрующей ткани этот ролик делается перфорированным; во внутреннюю камеру его подается сжатый воздух или пар. На холостой ветви фильтрующая ткань промывается или очищается щетками.

В ленточных фильтрах имеются также устройства для заглаживания трещин на осадке и вибраторы для уменьшения его влажности.

Ленточные фильтры изготовляют с шириной ленты 0, 5—1, 0 м и площадью фильтрации 3, 2—4, 8 м2. Преимущества данных фильтров — отсутствие распределительной головки, возможность осаждения крупных частиц под действием силы тяжести и работы с тонким слоем осадка, удобство промывки. Их недостатки—малые поверхность фильтрации и коэффициент использования фильтрующей ткани, необходимость равномерной подачи суспензии, получение мутного фильтрата, охлаждение суспензии.

Усовершенствованной моделью является непрерывно действующий ленточный фильтр, работающий под давлением. Устройство его аналогично вакуум-фильтру, только весь он заключен в герметический корпус, внутри которого создается избыточное давление с помощью воздуха или инертного газа.

Выбор фильтрующей перегородки и типа фильтра. Материал фильтрующей перегородки выбирается в, зависимости от агрессивности фильтруемой суспензии и дисперсности ее твердой фазы. Фильтрующие перегородки изготовляются из текстильных и волокнистых материалов: бязи, парусины, тика, сукна, шелка, асбеста, шлаковой и стеклянной ваты, бумаги и картона. Для повышения кислотостойкости хлопчатобумажные ткани подвергаются нитрованию. Шерстяные ткани устойчивы к кислотам, но разрушаются щелочами. Наиболее устойчивы фильтрующие перегородки из асбеста, шлаковой и стеклянной ваты, а также металлические сетки из бронзы и коррозионно-стойкой стали. Зернистые и волокнистые перегородки изготовляют из песка, инфузорной земли, кокса, угля, целлюлозы и т. п. Эти перегородки используются в тех случаях, когда твердая фаза суспензии имеется в малом количестве и не используется после фильтрования.

Жесткими фильтрующими перегородками являются керамические кольца, плитки, свечи, галька, стойкие к действию кислот и щелочей и позволяющие получить чистый фильтрат; Коллоидные пленки или материалы изготовляют из нитроцеллюлозы, - пергаментной бумаги и др. Они имеют мелкие поры (1—3 мкм) и могут задерживать коллоидные частицы.

Центрифуги. Одним из распространенных методов разделения неоднородных жидких систем (суспензий и эмульсий) является центрифугирование, осуществляемое в специальных машинах — центрифугах. В центрифугах процессы отстаивания и фильтрации происходят в поле центробежных сил, которые дают больший эффект разделения, чем силы, действующие в фильтрах.

Основным источником возникновения центробежных сил в центрифуге является быстро вращающийся ротор (барабан).

При вращении ротора и находящегося в -нем материала возникает центробежная сила С (в Н), величина которой равна:

где. G — вес ротора с материалом, Н; W= — окружная скорость ротора, м/с; n -частота вращения ротора, об/мин; R — внутренний радиус ротора, м; g— ускорение свободного падения, м/с2.

При вращении тела весом G=1H C = n²R/900. Одним из основных критериев оценки эффективности работы центрифуги является фактор разделения:

Он показывает, во сколько раз центробежное ускорение, развивае­мое в данной центрифуге, больше ускорения свободного падения. Чем больше Ф_Р, тем интенсивнее происходит, процесс центрифугирования. Величина фактора разделения в современных центрифугах лимитиру­ется условиями прочности и динамической устойчивости машин.

Вторым важным показателем работы центрифуги является индекс производительности 2, характеризующий разделяющую способность центрифуги:

где F — площадь цилиндрической поверхности осаждения в роторе, м².

Центрифуги классифицируются по различным признакам.

По величине фактора разделения центрифуги подразделяются на нормальные (Ф_р< 3500) и сверхцентрифуги (Ф_р> -3500).

По принципу действия центрифуги делятся на отстойные и фильт­рующие. Роторы отстойных центрифуг имеют сплошную, а фильтрую­щих перфорированную стенку покрытую фильтровальной сеткой или тканью. Нормальные центрифуги могут быть отстойными и фильтрую­щими, а сверх центрифуги — отстойного типа, используемые для разде­ления тонко дисперсных суспензий (трубчатые сверхцентрифуги) и эмульсий (жидкостные сепараторы).

Фильтрующие центрифуги применяют для разделения сравнитель­но крупнодисперсных суспензий кристаллических и аморфных продук­тов, промывки получающихся осадков, а также для обезвоживания штучных изделий.

Отстойные центрифуги предназначены для плохо фильтрующихся суспензий и эмульсий, а также для разделения суспензий по крупности частиц твердой фазы. Отстойные центрифуги подразделяются на уни­версальные, обезвоживающие, осветляющие, сепарирующие.

По способу выгрузки осадка из ротора различают центрифуги с ручной, ножевой (с помощью ножей или окребков), шнекозой, инер­ционной, гидравлической, пневматической (с предварительным подреза­нием осадка ножом) выгрузкой, с пульсирующими или выталкивающи­ми поршнями и т. д.

По расположению оси ротора в пространстве центрифуги могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными.

По способу крепления вала вертикальные центрифуги делятся на подвесные с верхним приводом и вертикальным валом, имеющим шар­нирную упругую опору над ротором; подвесные с нижним приводом (маятниковые), упругоподвешенные на колоннах; с опорами вертикаль­ного вала, расположенными в общем жестком корпусе; с валом, имею­щим жесткие или упругие опоры ниже ротора (с подпертым валом).

По режиму работы центрифуги делятся на машины периодическо­го и непрерывного действия.

На рис. 2. 13 показана схема классификации основных видев цен­трифуг, построенная на основе учета расположения оси вращения рото­ра в пространстве, режима работы центрифуги и способа выгрузки-осадка из ротора.

В данной схеме классификации не обозначено, какие центрифуги являются отстойными и какие фильтрующими потому, что многие центрифуги могут быть как первого, так и второго)вида. Ниже будет указано, какие из машин имеют преимущественнее использование в качестве фильтрующих и отстойных.

В табл. 2. 4 приведены схемы конструктивных разновидностей ма­шин, нашедших наибольшее распространение в промышленности.

Вертикальные центрифуги с ручной (верхней, или нижней) выгруз­кой осадка являются машинами периодического действия. Наибольшее распространение в химической промышленности получили подвесные трехколонные (маятниковые) центрифуги.

Трехколенные центрифуги с верхней выгрузкой имеют марки ФМБ; с нижней выгрузкой — ФМД. Их основные параметры:

ФМБ ФМБ (2 вида)

Диаметр ротора, мм 630—1500 800, 1200

Рабочая емкость ротора, л 45—400 90, 259

Частота вращения ротора, об/мин 1-150—760 1280, 950

Фактор разделения 740—485 730, 600

Эти центрифуги применяются для отделения жидкости от механи­ческих примесей и разделения средне- и крупнодисперсных суспензий, требующих длительного центрифугирования.

Однако ручная выгрузка осадка снижает производительность центрифуг и требует применения тяжелого физического труда. Поэтому по­явились различные варианты механизации выгрузки осадка из цент­рифуг. Для этой цели используются различного вида ножи или скребки, приводимые в движение от электродвигателей, гидро- или пневмо- цилиндров.

Верхняя механизированная выгрузка трудкогранспортируемых пастообразных осадков большой влажности осуществляется с помощью устройства «Ротоматик», состоящего из ножа и шнека, расположенного в трубе диаметром 80—100 мм. Нож срезает осадок, а шнек, вращаясь с частотой 300—700 об/мин обеспечивает быструю выгрузку осадка [54].

Для сыпучего осадка успешно применяется пневмомеханическая выгрузка. Специальным вентилятором высокого давления внутрь цент­рифуги подводится воздух или инертный газ под давлением 2—4 кПа.

Таблица 2.4

Схемы основных видов центрифуг

Вид центрифуг	Разновидность конструктивных схем
Вертикаль­ны	С подвесом на колонках (маятниковая) и верхней вы­грузкой осадка: 1 - корпус; 2 - ротор; 3 - пружина; 4 - колонка; 5 - станина; 6 - днище	Подвесная с нижней скреб­ковой выгрузкой осадка: 1 — трубопровод для суспензии; 2 — ротор со сплошными стенками; 3 — вал; 4 — ко­жух; 5 — крышка коническая; 6 — штуцер для фугата; 7 — ребра соединительные
Горизон-тальные	С выгрузкой осадка ножом (скребком): / — канал для удаления осадка; 2 — труба для суспензии; 3 — ротор перфорированный; 4 — гидро­цилиндр для подъема ножа; 5 — кожух; 6 — нож; 7 — желоб; 8 — штуцер для фуга­та	С пульсирующим поршнем для удаления осадка: / — поршень; 2 — сито щелевое; 3 — ротор перфориро­ванный; 4 — воронка коническая; 5 — труба для суспензии; 6 — ка­нал для удаления осадка; 7 — шту­цер для фугата; 5 — вал полый; 9 — шток; 10 — диск, перемещающийся возвратно-поступательно
Шнеко- вые	Горизонтальная осадительная: / — отверстия для осад­ка; 2 — отверстия для про­хождения суспензии; 3 — ко­нический ротор со скошенны­ми стенками; 4 — кожух; 5 — отверстия для фугата; 6 — труба внутренняя; 7 — труба наружная; 8 — полые цапфы; 9 — камера для фугата; 10 — шнек; // — отверстия для прохождения суспензии; 12 — цилиндрическое основание шне­ка; 13 — камера для осадка
	Вертикальная фильт­рующая с инерционной выгрузкой осадка: / — воронка для суспензии; 2 — ротор; 3 — штуцер для жидкой фазы; 4 — канал для удаления твердых частиц; 5 — шнек
Прецессион­ная	С инерционной выгрузкой осадка: / — корпус; 2 — ротор; 3 — муфта карданная; 4 — вал; 5 — вал по­лый; 6 — шкивы
Сверхцент­рифуги	Трубчатая: / — лопасть; 2 — ротор; 3 — кожух; 4 — отверстия; 5 — шкив; 6 — опора; 7 — шпиндель; 8 — труба для отвода осветленной жидкости; 9 — подпятник; 10 — труба для суспензии	Сепаратор жидкостной: 1 — реб­ра; 2 — отверстие " для отвода бо­лее тяжелой жидкости; 3 — канал кольцевой для отвода легкой жидко­сти; 4 — труба для эмульсии; 5 — тарелки

Срезанный ножом осадок захватывается газом, который уходит через выходной патрубок, и по трубе доставляется в циклон, где отделяется от газа. Освобожденный от твердой фазы газ вновь нагнетается венти­лятором в центрифугу. Транспортировка осадка может сопровождаться его подсушкой. В этом случае между вентилятором и центрифугой устанавливаются конденсатор (для выделения из газа испарившейся влаги) и пластинчатый теплообменник (для подогрева газа, идущего в центрифугу).

В трехколонной центрифуге со скребком и нижней выгрузкой (рис. 2. 14) суспензия поступает через штуцер 9 и отбрасывается к пер-

Рис. 2.14. Трехколонная фильтрующая центрифуга со скребком: / — колонка; 2 — станина; 3 — тега; 4 — конус; 5 — корпус; 6 — ротор; 7 — гидроцилиндр механизма дви­жения скребка; 5 — скребок; 9 — штуцер для подачи сус­пензии; 10 — крышка; 11 — вал приводной

фориросанному, покрытому изнутри фильтровальной тканью или ме­таллической сеткой ротору 6. Ротор смонтирован внутри корпуса 5 па приводном валу // с помощью конуса 4. Корпус укреплен на ста­нине 2, упруго подвешенной на трех стойках-колонках / с помощью тяг 3.

Жидкая фаза суспензии, пройдя через фильтрующую перегородку и отверстия ротора, собирается в нижней части станины, откуда отво­дится через соответствующий штуцер. Частицы твердой фазы образу­ют осадок, который выгружается с помощью скребка 8. Скребок вы­полнен винтообразным и приводится в движение (поворачивается) с помощью силового гидроцилиндра 7 и зубчато-реечной передачи. Оса­док, срезанный скребком, проходит через отверстия, имеющиеся в ниж­ней части конуса, и выводится из аппарата. В аппаратах данного ви­да все операции центрифугирования (загрузка, фильтрация, промывка и выгрузка осадка) автоматизированы и выполняются при различ­ных частотах вращения ротора.

Хорошо зарекомендовали себя в промышленности автоматические подвесные центрифуги с нижней выгрузкой осадка (см. табл. 2.4). Они отличаются устойчивостью и некоторой свободой колебаний ротора, сравнительно легкой и быстрой разгрузкой осадка. Кроме того, опора приводного вала и детали привода не подвергаются коррозии, так как не соприкасаются с жидкостью.

Подвесные центрифуги предназначены для разделения суспензий, требующих короткого цикла центрифугирования. Загрузка суспензии и выгрузка осадка происходят периодически при сниженной частоте вращения ротора (до-300 об/мин при загрузке суспензии и до 50— 100 об/мин при выгрузке осадка).

Отечественная промышленность выпускает подвесные центрифуги моделей ФПН (с ножевой выгрузкой) и ФПС (с гравитационной вы­грузкой). Их основные параметры:

Диаметр ротора — 100—1250 мм

Рабочая емкость ротора — 300—710 л

Частота вращения ротора — 1000—1450 об/мин

Фактор разделения — 700—1480

Горизонтальные фильтрующие центрифуги периодического дейст­вия выпускаются марок ФГН. Их основные параметры:

Диаметр ротора — 350—2200 мм

Рабочая емкость ротора — 7, 5—2700 л

Частота вращения ротора — 600—3500 об/мин

Фактор разделения — 445—2400

Отстойные горизонтальные центрифуги имеют марку ОГН. Наи­большее распространение получили горизонтальные центрифуги авто­матического действия с ножевым съемом осадка (серий АГ и АОГ). В этих центрифугах можно выгружать осадок, не снижая частоту вра­щения ротора, что благоприятно оказывается на режиме работы приво­да и способствует экономии электроэнергии. Суспензия подается в го­ризонтально вращающийся ротор (см. табл. 2.4), где разделяется на твердую и жидкую фазы. Осадок срезается ножом, который подводит­ся (путем позорота) к ротору с помощью гидроцилиндра и попадает в наклонно расположённый лоток, которым и выводится из центрифуги.

Фильтрующие автоматические центрифуги (АГ) предназначены для разделения средне- и крупнодиоперсных суспензий, зернистых, кри­сталлических и короткозолокнистых материалов, измельчение осадка которых при выгрузке допускается. Отстойные центрифуги (АОГ) при­меняются для выделения твердого вещества, из труднофильтруемых суспензий средней дисперсности.

Автоматические центрифуги нормализованы, диаметр их ротора изменяется от 800 до 1800 мм, фактор разделения составляет 520— 1300.

Основной недостаток автоматических центрифуг с ножевым съемом осадка — возможное измельчение частиц при его съеме.

Большое распространение в промышленности получили центрифуги непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка. Они могут быть осадительными и фильтрующими. Первые распространены шире.

Осадительная тисковая центрифуга (рис. 2. 15) работает следую­щим образом. Суспензия поступает через трубу 6 в полый барабан шнека 5, откуда через отверстия 3 попадает во внутреннюю полость конического или цилиндроконического ротора 4, вращающегося в ко­жухе /. Под действием центробежной силы суспензия отбрасывается к стенкам ротора. Твердая фаза суспензии осаждается на стенке ротора и с помощью шнека 5 перемещается непрерывно к разгрузочным от­верстиям 2 и далее через штуцер // выводится из машины. Жидкая фаза (фугат) собирается у широкого торца шнека, достигает отвер­стий 7, переливается через них и по штуцеру 10 выводится из центри­фуги.

Ротор и шнек вращаются с различной частотой (шнек медленнее),

Рис. 2.15. Осадительная шнековая центрифуга типа ОГШ: / — ко­жух; 2 — отверстия для выхода осадка; 3 — отверстия для суспензии; 4 — ротор; 5 — шнек; 6 — труба для подачи суспензии; 7 — отверстия для выхода фугата; 8 — цапфа полая; 9 — привод; 10 — штуцер для фугата; // — штуцер для осадка

вследствие чего твердый осадок перемещается к разгрузочным окнам. Частота вращения шнека снижается с помощью планетарного редукто­ра 12.

Шнековые осадительные центрифуги непрерывного действия отли­чаются высокой производительностью и пригодны для обработки мелкоизмельченных материалов с высоким' содержанием твердой фазы. Недостатки этих центрифуг: сравнительно высокий расход энергии па перемещение осадка и потери в редукторе, значительное измельчение осадка и загрязнение фугата мелкоизмельченной твердой фазой.

Нашли применение в промышленности шнековые фильтрующие центрифуги типов ФГШ и ФВШ, которые отличаются тем, что имеют перфорированный ротор. Жидкая фаза в этих центрифугах проходит через отверстия в роторе и выводится из машины через штуцер, соеди­ненный с кольцевой полостью, которая образована ротором и кожухом.

Твердая фаза выводится из ротора так же, как и в осадительных центрифугах. Машины могут быть горизонтальными (ФГШ) и верти­кальными (ФВШ).

Предприятия выпускают осадительные и фильтрующие центрифуги со следующими основными параметрами:

ОГШ ФГШ (ФВМ)

Диаметр ротора, мм 200—1200 160— 400

Частота вращения ротора, об/мин 6000—800 4400—2575

Фактор разделения ••000—385 1750—1500
Производительность по осадку, т/ч 0, 3—14 0, 4 — 8

В химической промышленности применяют непрерывно действую­щие центрифуги с выгрузкой осадка пульсирующим поршнем. В этил-машинах суспензия подается непрерывно, а осадок периодически вы­талкивается поршнем-толкателем из расположенного на горизонталь­ном валу перфорированного барабана, обтянутого фильтрующим си­том (см. табл. 2. 4).

Существенные недостатки центрифуг этого типа: сложность конст­рукции; загрязнение фугата осадком, частично проходящим через от­верстия сита: значительный расход энергии на перемещение осадка, а также сравнительно быстрый износ фильтрующей сетки.

В центрифугах непрерывного действия с инерционной выгрузкой осадка конический ротор вращается вокруг вертикальной оси (см. табл. 2. 4). Суспензия поступает в центрифугу сверху через воронку, отбрасывается центробежной силон к ротору с перфорированными стен­ками. Жидкая фаза проходит через отверстия и удаляется через шту­цер, а твердая фаза задерживается на стенке ротора, образуя слой осадка. Поскольку угол наклона стенок ротора больше угла трения твердых частиц о его поверхность, то осадок перемещается к нижнему краю ротора и отводится из центрифуги по каналу для твердых частиц. Для увеличения длительности периода, в течение которого жид­кость отделяется от твердых частиц, движение их тормозится шнеком, вращающимся медленнее ротора.

Эти центрифуги пригоняются для разделения суспензий крупно­зернистых материалов. Их недостаток состоит в том, что невозможно регулировать скорость движения осадка вдоль стенок ротора. Весьма перспективными являются центрифуги прецессионного типа, в которых ротор вращается не только вокруг собственной оси, но и вокруг оси прецессии, расположенной под углом, который можно изменять в пре­делах 0—5°; регулируя тем самым время пребывания осадка в рото­ре.

Изменение времени пребывания осадка в роторе можно осущест­влять в центрифугах с вибрационной выгрузкой осадка. Особенность этих машин заключается в том, что ротор имеет угол наклона стенок меньше, чем угол трения частиц о его поверхность. Следовательно, час­тицы не могут перемещаться вдоль образующей ротора под действием центробежных сил. Поэтому для перемещения осадка в роторе ис­пользуются осевые вибрации, которые создаются механическим, ги­дравлическим или электромагнитным устройствами. Вследствие невысо­кого фактора разделения вибрационные центрифуги пока не получили широкого применения в химической промышленности.

Для разделения очень тонких суспензий и эмульсий, а также для очистки лаков и масел применяются сверхцентрифуг. Их преимущест­ва — в высокой интенсивности разделения, компактности и герметич­ности. Последнее особенно ценно при обработке вредных и горючих жид­костей. Недостатками сверх центрифуг являются небольшая емкость и периодичность работы при разделении суспензий.

На рис. 2.16 показана трубчатая, сверхцентрифуга. Она имеет ро­тор 4, выполненный в виде трубы небольшого диаметра (100—200 мм), который в несколько раз меньше ее длины. Ротор подвешен на валу, приводимом от электродвигателя через ременную передачу. Внутри ротора имеется крыльчатка с тремя-четырьмя лопастями 10, которые препятствуют отставанию жидкости от стенок, ротора при его враще­нии.

Суспензия подается снизу в ротор через полый вал, вращается вме­сте с ротором, перемещаясь одновременно вдоль его осп. Твердые час­тицы осаждаются на стенках ротора, а фугат отводится через отвер­стия в головке 2 в сливную камеру. Осадок периодически удаляется вручную.

При разделении эмульсии расслоившиеся жидкости отводятся че­рез отверстия в головке 2. Более тяжелая жидкость поступает в от­верстия у стенки ротора, а легкая отводится через отверстия, располо­женные ближе к оси. Частота вращения сверхценърифуг достигает 15000 об/мин, фактор разделения — 15000.

Осадительными сверхцентрифугами непрерывного действия явля­ются жидкостные сепараторы, служащие для разделения эмульсий или осветления жидкостей;

В жидкостном сепараторе тарельчатого типа (см. табл. 2.4) об­рабатываемая смесь в зоне отстаивания разделена на несколько слоев. Эмульсия подается по центральной трубе в нижнюю часть ротора и

Рис. 2.16. Сверх­центрифуга трубчатая: 1, 3 — сборники; 2 — головка; 4 — ротор; 5 — кожух; 6 — тормоз; 7— диск; 8 — днище; 9 — корпус; 10 — радиаль­ные лопасти

через отверстия в тарелках распределяется тонкими слоями между ними. Более тяжелая жидкость, перемещаясь по поверхности тарелок, отбрасывается центробежной силой к периферии ротора и отводится через внешнее кольцевое пространство. Легкая жидкость направляет­ся к осп ротора и удаляется через внутренний кольцевой накал. Отвер­стия в тарелках располагаются примерно по поверхности раздела тя­желой и легкой жидкости (обозначена пунктиром). Чтобы жидкость не отставала от ротора, последний снабжен ребрами 5.

Ротор имеет диаметр 150—300 мм, частота его вращения — 5000— 10 000 об/мин.