Шпаркалка по "Химии"

    При промывке фильтра, когда чистая промывная жидкость фильтруется через слой осадка постоянной толщины, происходит фильтрование при постоянных разности давлений и скорости.

\Процесс фильтрования сопровождается осаждением твердых частиц, что усложняет процесс и влияет на его закономерности. Это влияние зависит от взаимного направления действия сил тяжести и движения фильтрата. Если суспензия находится над фильтровальной перегородкой, осаждение твердых частиц приводит к более быстрому образованию осадка. Если же суспензия находится под фильтровальной перегородкой, осаждение препятствует образованию осадка, что вызывает необходимость перемешивания суспензии для поддержания ее однородности.

    Осадки, получаемые на фильтровальной перегородке, подразделяют на сжимаемые и несжимаемые - в зависимости от того, уменьшается пористость осадка при увеличении разности давлений или остается практически постоянной. Уменьшение пористости сжимаемых осадков приводит к росту гидравлического сопротивления потоку жидкой фазы. Поэтому фильтрование в случае образования сжимаемых осадков проводят обычно под вакуумом или при небольшом избыточном давлении (∆р ≤ 10⁵ Па).

    Обычно  процесс фильтрования не завершается  разделением суспензии на фильтрат и осадок. Перед удалением осадка с фильтровальной перегородки его, как правило, подвергают промывке другими жидкостями для удаления остатков фильтрата и продувке холодными или нагретыми газами - для уменьшения влажности.

    Производительность фильтра и чистота фильтрата во многом зависят от используемой фильтровальной перегородки. Правильно выбранная перегородка должна обеспечивать необходимую степень задержания твердых частиц при минимально возможном гидравлическом сопротивлении. Кроме того, перегородка должна легко отделяться от осадка, обладать достаточно высокой механической стойкостью. Следует отметить, что проскок твердых частиц с фильтратом в начальный период фильтрования не является достаточным основанием для того, чтобы считать фильтровальную перегородку непригодной. Свою предельную задерживающую способность перегородка приобретает только после того, как уменьшается эффективный размер ее пор вследствие оседания в них мелких частиц и образования сводиков над входом в поры. Чтобы исключить проскок частиц в фильтрат, необходимо при снятии осадка с перегородки оставлять тонкий слой его.

    В зависимости от размера дисперсных частиц, химической агрессивности и  вязкости жидкой фазы суспензии на практике применяют фильтровальные перегородки из стеклянных, хлопчатобумажных, шерстяных и полимерных тканей и волокон, металлических сеток и т. п. До последнего времени применяли также асбестовые ткани и волокна, однако от них необходимо отказаться, учитывая канцерогенность асбестовой пыли.

    При проведении фильтрования с образованием осадка необходимо избегать закупоривания пор фильтровальной перегородки что может происходить при разделении суспензий с небольшой концентрацией твердой фазы. Для этого часто применяют вспомогательные вещества, образующие на перегородке слой, препятствующий проникновению микрочастиц суспензии в поры. В качестве вспомогательных веществ используют диатомит, перлит, древесный уголь, силикагель и т. д. Эти вещества добавляют в суспензию или наносят на фильтровальную перегородку перед ее использованием.

Скорость  фильтрования w определяют как производную объема фильтрата по времени τ, отнесенную к поверхности фильтрования.

При фильтровании суспензии вследствие небольшого размера  пор осадка и фильтровальной перегородки и малой скорости движения жидкой фазы фильтрование протекает в ламинарной области. При этом в каждый момент времени скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений ∆р и обратно пропорциональна вязкости жидкости и суммарному гидравлическому сопротивлению слоя осадка R_oc и фильтровальной перегородки R_ф.п

    3.2.2. Фильтры и фильтрующие  центрифуги

    По режиму работы различают фильтры периодического и непрерывного действия; оба типа широко применяют в промышленности для процессов фильтрования с образованием осадка. Для фильтрования с закупориванием пор используют только фильтры периодического действия.

    На  фильтрах непрерывного действия осуществляют режим фильтрования при постоянной разности давлений (в случае промывки осадка - одновременно и при постоянной скорости). На фильтрах периодического действия осуществляют любой режим фильтрования.

    По  способу создания разности давлений различают вакуум-фильтры и фильтры, работающие под давлением. Последние наиболее целесообразно использовать, когда осадок малосжимаем, но обладает высоким гидравлическим сопротивлением. В других случаях вакуум-фильтры предпочтительнее, поскольку проще по конструкции.

    По  взаимному направлению силы тяжести  и движения фильтрата различают фильтры с совпадающими, противоположными и перпендикулярными направлениями.

    Ниже  рассмотрены устройство и принцип  действия и приведены сравнительные  характеристики некоторых наиболее распространенных типов фильтров.

    Нутч-фильтры. Нутч представляет собой простейший фильтр периодического действия, работающий под вакуумом или под избыточным давлением. Направления силы тяжести и движения фильтрата в нем совпадают.

Фильтр-прессы. Они относятся к фильтрам периодического действия, работающим под давлением. Направления сил тяжести и движения фильтрата в них перпендикулярны.

Ленточный вакуум-фильтр. Фильтр представляет собой работающий под вакуумом аппарат непрерывного действия, в котором направления силы тяжести и движения фильтрата совпадают.

Дисковый  вакуум-фильтр. Фильтр представляет собой аналог барабанного фильтра, в котором для увеличения поверхности фильтрования установлены диски с фильтрующими боковыми поверхностями

3.3. ВЫБОР АППАРАТОВ  ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

При выборе аппаратуры приходится учитывать много  факторов. Прежде всего следует иметь в виду требования, предъявляемые к качеству разделения. Они могут быть вызваны экологическими соображениями (обеспечение чистоты атмосферного воздуха, водоемов и т. п.), требованиями технологии (например, защитой вентиляторов или насосов от быстрого износа в результате эрозии лопастей твердыми частичками), а также ценностью взвешенных в газе или жидкости частиц. Кроме того, необходимо учитывать концентрацию дисперсных частиц, распределение их по размерам, агрессивность среды, ее температуру и т. д.

    Аппараты  для разделения суспензий. Простейшими аппаратами для разделения суспензий являются отстойники. Они характеризуются небольшими капитальными затратами и эксплуатационными расходами. Однако из-за малой движущей силы отстойники громоздки, в них плохо отделяются мелкие частицы. Отстойники целесообразно использовать для предварительного разделения суспензий с большим содержанием твердой фазы, а также для классификации на фракции суспензий с относительно крупными частицами.

3.4 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ  ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ

    Если  процесс выделения дисперсных частиц из дисперсионной среды происходит очень медленно или желательно предварительное (достаточно грубое) осветление неоднородной системы, применяют ряд методов, таких как коагуляция *, флокуляция ** и дефлокуляция, флотация***, классификация и др.

    Коагуляция  в жидких дисперсных системах (суспензиях, эмульсиях и др.) заключается в слипании частиц в коллоидных системах при их столкновениях в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания, при добавлении в систему коагулирующих веществ (коагулянтов) и другими способами.

Коагуляция  играет важную роль во многих технологических  процессах. Так, при нагревании биополимеров (белков, нуклеиновых кислот), изменении рН наблюдается их коагуляция. Характерными примерами применения коагуляции являются очистка природных и сточных вод от высокодисперсных механических примесей, борьба с загрязнениями воздушного пространства аэрозолями, выделение каучука из латексов, получение сливочного масла и других пищевых продуктов.

    Процесс, обратный коагуляции, - процесс распада  агрегатов на первичные частицы - называют пептизацией. Этот процесс осуществляется добавлением в дисперсионную среду пептизаторов -  веществ, способствующих дезагрегированию на первичные частицы. Пептизаторами могут быть электролиты и поверхностно-активные вещества, вызывающие лиофилизацию поверхности частиц дисперсной фазы (хлорное железо, гуминовые кислоты и др.).

    Пептизацию  используют для получения жидких дисперсных систем из порошков и паст в химической и пищевой технологии. Иногда пептизация вредна, например при водоочистке, осветлении вин и др.

    Флотацией называют процесс прилипания пузырьков газа (обычно воздуха) к плохо смачиваемым гидрофобным частицам (обычно воды). Образующаяся система - пена с частицами - удаляется с поверхности жидкой фазы. Флотацию можно использовать не только для удаления частиц дисперсной фазы, но и для разделения частиц вследствие различия их смачиваемости дисперсионной средой. При этом гидрофобные частицы избирательно закрепляются на границе раздела фаз (обычно воздуха и воды) и отделяются от гидрофобных частиц, которые оседают на дно. Лучшие результаты получают, если размер частиц составляет 0,1-0,04 мм.

     Большинство процессов химической технологии протекает в заданном направлении только при определенной температуре, которая достигается путем подвода или отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты [нагревание, охлаждение, испарение (или кипение), конденсация и др.], называют тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более нагретого и менее нагретого тела. Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы, называют теплообменниками. Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, тепловое излучение и конвекция.

Явление теплопроводности - процесс переноса теплоты путем непосредственного соприкосновения между микрочастицами   (молекулами, атомами, электронами) - от частиц с большей энергией к частицам с меньшей энергией, т. е. процесс протекает по молекулярному механизму.

В твердых  телах, например диэлектриках, перенос  энергии осуществляется фотонами, в  металлах - электронами.

Явление теплового излучения  - это процесс распространения энергии с помощью электромагнитных колебаний. Источник колебаний - заряженные частицы (электроны и ионы), входящие в состав излучающего вещества. Твердые тела и жидкости излучают волны всех длин, т. е. дают сплошной спектр излучения.

Явление конвекции: перенос теплоты осуществляется вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов жидкости или газа. Большое значение имеют состояние и характер движения жидкости или газа. Наряду с этим в движущейся жидкости из-за наличия градиента температур происходит перенос теплоты перемещающимися частицами жидкости из зоны с большей температурой в зону с меньшей, т.е. за счет теплопроводности. Таким образом, конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Если массовое перемещение жидкости вызвано разностью плотностей в различных точках жидкости или газа (вследствие разности температур в этих точках), такую конвекцию называют естественной. Если же перемещение жидкости или газа возникает вследствие затраты на это механической энергии (насос, мешалка и т.п.), такую конвекцию называют принудительной, или вынужденной.

    Перенос теплоты от более  нагретой среды к  менее нагретой через  разделяющую их стенку называют теплопередачей. Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называют теплоносителями.

    Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи:

• установившийся (стационарный) процесс - температура является функцией только системы координат, т. е. t=f{x,у,z) и не зависит от времени. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с постоянным режимом (гидродинамическим и тепловым, т.е. температурным).
• неустановившийся (нестационарный) процесс - температура изменяется в пространстве времени, т.е. t = f(x,у,z,τ). Неустановившиеся процессы в аппаратах периодического действия, а также при пуске, остановке и изменении режимов работы аппаратов непрерывного действия.

Температурное поле - совокупность мгновенных значений температур во всех точках рассматриваемой среды

    Геометрическое  место всех точек с одинаковой температурой представляет собой изотермическую поверхность. Изотермические поверхности не пересекаются друг с другом, так как тогда их пересечения имели бы различные температуры. Поэтому все изотермические поверхности замыкаются или кончаются на границах рассматриваемого тела