И. Н. Белоглазов, В. О. Голубев, О. Н. Тихонов, Ю. Куукка, Эд. Яскеляйнен
ФИЛЬТРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПУЛЬП
М осква ФГУП «Издательский дом «Руда и металлы»
УДК 66.067 ББК 35.11 Б43
ПРЕДИСЛОВИЕ
Белоглазое И. Н. и др. Б43 Фильтрование технологических пульп / И. Н. Белоглазов, В. О. Голубев, О. Н. Тихонов, Ю. Куукка, Эд. Яскеляйнен. — М.: ФГУП «Издательский дом «Руда и металлы», 2003. — 320 с. ISBN 5-8216-0055-3 В книге изложены методы расчета процесса разделения пульп фильтрованием. Рассмотрены основные способы интен сиф икации ф ильтрационны х процессов и их аппаратурная реализация. Приведены краткие конструкционные и эксплуата ционные характеристики известных типов фильтровального оборудования и материалов. Особое внимание уделено описанию современных аналогов вертикальных пресс-фильтров с гори зонтальными камерами типа ФПАКМ производства финской компании «Ьагох Оу». Описан мировой опыт использования пресс-фильтров Larox в различных отраслях промышленности. Книга предназначена для инж енерно-технических и научных работников, занимающ ихся математическим описанием и моде лированием процессов разделения суспензий и участвующих в разработке, освоении и эксплуатации фильтровального оборудо вания. Она может быть полезна для преподавателей, аспирантов и студентов химико-технологических вузов. УДК 66.067 ББК 35.11 Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор кафедры процессов и аппаратов химической технологии СанктПетербургского государственного технологи ческого института (ТУ) Я. Я. Смирнов; кафедра математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов Санкт-Петербургского государст венного технологического института (ТУ).
© И. Н. Белоглазов, В. О. Голубев, О. Н. Тихонов, Ю. Куукка, Эд. Яскеляйнен, 2003 © ФГУП «Издательский дом «Руда и металлы», 2003 ISBN 5-8216-0055-3
Современный этап развития промышленности характеризуется постоянной интенсификацией производства, укрупнением машин и механизмов, поиском новых технологий. В первую очередь это относится к таким отраслям, как обогатительная и хим ическая'про мышленность, металлургия, и ряду других отраслей и производств, от состояния которых во многом зависит экономическое благо получие России. При этом необходимо помнить, что с развитием названных производств и укрупнением оборудования растет и эко логический риск. Одним из основных технологических процессов, определя ющих эффективность гидрометаллургических схем предприятий цветной металлургии, химических, обогатительных и ряда других производств, является процесс фильтрации технологических пульп и сбросных растворов (или шламов), представляющих большую опасность для окруж аю щ ей среды, преж де всего вследствие наличия в них химически активных веществ и тяжелых металлов. Утилизация взвеш енных частиц, содержащ ихся в сбрасываемых сточных водах и пульпах, требует создания шламонакопителей, которы е дорого обходятся предприятиям, заним аю т большие площади и наносят непоправим ы й вред природе, так как содержащ аяся в пульпах влага проникает в почву и, попадая в подземные воды, зараж ает токсичными веществами большие тер ритории. В сложивш ейся ситуации возникает задача скорейш его созда ния высокоинтенсивных технологичных фильтров, отвечающих тре бованиям современного производства и обеспечиваю щих опти мизацию реж имов работы уж е используемого оборудования. И то, и другое осуществимо только на основе детально разработанны х математических моделей и алгоритмов. Последние наиболее серьезны е работы по данной тематике датируются серединой 1980-х — началом 1990-х годов. Большинство представленных в них математических моделей поверхностны и затрагивают только общие черты процессов фильтрования, промыв ки и сушки, а следовательно, не могут быть использованы при про ведении расчетов какого-либо конкретного типа оборудования с присущей ему спецификой. Ввиду отсутствия надежных инж енерны х методов расчета про цессов разделения пульп на практике вынуждены устанавливать эмпирически не только отдельные параметры процесса, но и саму возможность разделения той или иной пульпы на том или ином типе оборудования. 3
И, наконец, в современной технической литературе прак тически не уделяется внимания успехам фильтрационной техники. Прекратилась публикация материалов по внедрению новых филь трационных технологий в производство. Весьма поверхностно пред ставлены в литературе системы автоматизированного контроля и управления ходом работы фильтровальных установок. Все перечисленные недостатки авторы попытались учесть и по возможности устранить в этой книге. Первые две главы посвящены обобщ ению известных теорети ческих сведений о процессах фильтрования пульпы, промывки и сушки осадка. В них излож ен алгоритм расчета этих процессов, позволяющий максимально сократить объемы экспериментальных исследований при реш ении задачи разделения конкретной пульпы. Несмотря на то, что приводимое обобщ енное математическое описание процессов фильтрования, промывки и сушки предназна чено прежде всего для расчета автоматизированных вертикальных пресс-фильтров с горизонтальными камерами (ФПАКМ), оно с успе хом может использоваться и в других случаях, поскольку незави симо от типа оборудования и способов аппаратурной реализации природа происходящих физических явлений одинакова. Как известно, эффективность процесса фильтрования опреде ляется техническим уровнем и технологическими показателями фильтровального оборудования. Для выработки инж енерного р е шения о способе аппаратурной реализации фильтрационного про цесса необходимо располагать обширной информацией о сущ ест вующих типах фильтров, их особенностях, областях применения, достоинствах и недостатках. В связи с бурным развитием и нф ор мационных технологий проблема поиска этих данных уж е не стоит так остро, как раньше. Специальные поисковые системы, дейст вующие в электронной сети Internet, позволяют выполнить такой поиск за несколько минут, но они не гарантируют достаточной полноты и достоверности информации. Мы уверены, что третья глава этой книги поможет Вам более объективно оценить качество технических решений, воплощенных в конструкции известных фильтровальных систем, осуществить подбор основного и вспо могательного фильтровального оборудования и материалов, наибо лее соверш енных и максимально отвечающих требованиям кон кретной технологии. С овременный подход к проектированию фильтров состоит в объединении нескольких разны х по физической сущности про цессов обезвоживания в одной установке, что дает ощутимый выигрыш в эф фективности разделения, обеспечивает сокращ ение энергетических и эксплуатационных затрат, позволяет полностью автоматизировать фильтрационный передел. Важно отметить, что именно в СССР был разработан первый фильтр для обезвоживания пульпы в комбинированном фильтрационном процессе — авто матизированный пресс-фильтр вертикальной конструкции с гори зонтальными фильтровальными камерами. Он стал одной из самых 4
удачных разработок НИИхиммаша и украинского завода «Про гресс», прототипом нескольких новых серий фильтров. Сегодня мо дернизированны е ФПАКМ выпускают во многих странах мира под марками Larox PF (CF), Outokum pu, FPM и др. Оригинальность этих фильтров заключена в сравнительно н е большой по разм еру фильтровальной камере, где под действием высокой разности давлений последовательно реализую тся процессы фильтрации пульпы, промывки и сушки образую щ егося кека, что обеспечивает более низкую остаточную влажность продукта по сравнению с другими фильтрами. В четвертой главе книги подробно описаны конструкционные особенности, принцип действия отдельных узлов и механизмов, технические и эксплуатационные характеристики пресс-фильтров компании «Larox Оу» (Финляндия), приобретш их сегодня наиболь шую известность в мире. Уровень технологии и автоматизации, проверенное двумя десятилетиями качество, пожизненны й сервис и неоспоримый профессионализм персонала обеспечили фильтрам Larox широчайший спрос. Они используются на предприятиях горнодобывающей, металлургической, химической промышленно сти, при производстве ферментов, пищ евых продуктов и лекарств. С их помощью реш ается ш ирокий спектр задач обезвоживания шламов конечных и промежуточных продуктов производства, э ф фективной фильтрации промышленных и бытовых сточных вод. В подтверждение сказанного мы сочли необходимым привести наиболее удачные примеры использования пресс-фильтров Larox на заводах крупнейш их мировых компаний. Ознакомивш ись с этой информацией, вы сможете оценить технико-экономическую эф ф ек тивность фильтровальных систем Larox и целесообразность их применения на вашем производстве.
5
Глава 1. Т еор ети ч еск и е осн ов ы п р оц ессов ф и льтрован ия
1.1. Классификация суспензий и осадков. Виды влаги Состав, физические и химические свойства пульпы и осадка, структура последнего и форма нахождения в нем влаги имеют первостепенное значение при выборе фильтровального обору дования, реж имов его работы и математическом моделировании процессов разделения суспензии, последующего обезвоживания осадка или осветления дисперсионной среды и сушки фильтраци онного кека. Суспензия (пульпа) представляет собой неоднородную смесь жидкости и твердых частиц. На горнодобывающих, обогатительных и металлургических предприятиях образуется большое количество разнообразных суспензий. Их принято различать по числу фаз, агрегатному состоянию и размерам (эквивалентным диаметрам) частиц. Неоднородными называю т смеси, состоящие из двух (и более) компонентов, имеющих различные агрегатные состояния, причем один из них представлен мелкими твердыми частицами макроско пических размеров, образующими дисперсную фазу смеси, а вто рой — сплошная (дисперсионная) среда, в которой они содержатся. В горнодобывающей, обогатительной и металлургической про мышленности в качестве жидкой ф азы суспензий чаще всего вы ступает насыщ енный водный раствор компонентов руды, вода или иная жидкость, представляющие собой целевой продукт или одну из его составляющих. Оборотные шламы и сточные воды таких пред приятий в большинстве своем такж е содерж ат твердые включения, но концентрация дисперсных частиц в них значительно ниже. Промышленные пульпы в зависимости от свойств принято под разделять на две группы. К первой группе относятся оборотные раст воры некоторых переделов предприятий черной и цветной метал лургии и технологические воды, образующиеся при переработке не металлического сырья и углей. Ко второй группе следует отнести жидкости, используемые в фармацевтической, пищевой и лакокра сочной промышленности, а также на ряде специальных производств. Основной характеристикой любой пульпы служит форма со единения влаги с твердым материалом. Этот показатель отраж ает величину энергии связи дисперсионной среды и дисперсной ф азы и определяет механизм разделения суспензии. Чем больше энергия связи, тем более сильное взаимодействие возникает между твер 6
дым материалом и жидкостью и тем труднее отделить влагу от твер дого вещества. Данный показатель положен в основу классифи кации форм связи влаги с материалом, разработанной П. А. Ребин дером. Он выделил три основных типа связи: химическую, ф и зи ко химическую и физико-механическую, а такж е предложил под разделять содержащую ся в суспензиях влагу на внутренню ю и внешнюю. Химической (внутренней) называю т влагу, входящую в кристал лическую реш етку минерала. Она подразделяется на кристаллиза ционную (присутствует в виде молекул Н20 ) и гидратную (при сутствует в виде ионов Н +, О Н - , НэО +). Удалить ее можно только термическим методом, т. е. прокаливанием минерала при высоких температурах. Физико-химическую и физико-механическую (внешнюю) влагу подразделяют на гигроскопическую, гравитационную, капиллярную и пленочную. Гигроскопическая влага в виде пленок удерживается на поверх ности твердых частиц силами адсорбции. Гравитационная влага не связана силовыми взаимодействиями с твердой фазой. Она полностью заполняет промежутки между час тицами, вследствие чего ее часто относят к сплошной среде, содер жащ ей твердые частицы. Капиллярная влага заполняет поры между частицами дисперс ного материала и поры внутри этих частиц. Она удерживается капиллярными силами и может перемещ аться под действием сил капиллярного давления. Пленочная влага обволакивает наружную поверхность частиц и удерживается на ней силами молекулярного притяжения. В зависимости от размеров твердых частиц суспензии принято подразделять на мути с эквивалентным диаметром частиц от 0,1 до 0,5 мкм, тонкие суспензии с размером частиц от 0,5 до 100 мкм и грубые суспензии — свыше 100 мкм. По содержанию общей влаги продукты обогащения могут быть классифицированы [99, 100] на жидкие, мокрые, влажные, воз душно-сухие, сухие и прокаленные. Ж идкие пульпы характеризую тся высоким (не менее 40 %) содержанием жидкой фазы, они текучи. Влага в них может присут ствовать во всех ранее перечисленных формах, а ее содерж ание превыш ает объемную пористость осадка, т. е. W'' > s0, или (в массовых единицах) тж> У юррж , где тж— масса жидкости, содер жащ ейся в осадке, кг; Vnop — объем пор осадка, м3; рж — плотность жидкой ф азы суспензии, к г/м 3. Мокрые продукты по содержанию влаги уступают жидким пульпам. Если образовавш ийся на перегородке осадок имеет ж ест кую структуру, такие продукты не обладают текучестью, а если твердая ф аза осадка представлена относительно мягкими и легко7
деформируемыми частицами, им присуща некоторая степень теку чести. Так же, как и в жидких пульпах, в них могут наблюдаться все формы связи влаги с материалом. Влажные продукты содержат до 1 5 -2 0 % влаги и не обладают текучестью. Им присущи все виды влаги, за исключением не связанной внешней. Сыпучие материалы, поверхность которых вследствие гигроско пичности слегка увлажнена, называю т воздушно—сухими продук тами. Обычно содерж ание влаги в них не превыш ает 5 %. Влажность сухих продуктов не может быть обнаруж ена визу ально, поскольку они не содерж ат внеш ней влаги. Прокаленные продукты — продукты, из которых удалены все виды влаги путем термического воздействия. При реш ении задач фильтрации важно априори иметь представ ление об эффективности тех или иных разделительных процессов. Величина энергии связи влаги с материалом — весьма субъектив ный параметр, точное определение которого невозможно. Кроме то го, он лишь позволяет рассчитать максимальный объем влаги, кото рая может быть удалена из материала механическими методами, но недостаточен для оценки эффективности конкретных методов. По этому в практике инж енерных расчетов пользуются иными пока зателями. Среди суспензий можно выделить трудно- и легкофильтруемые. Одна из классификаций осадков по этому признаку основана на ГОСТ 5748—79, согласно которому к труднофильтруемым отно сят все суспензии, скорость фильтрации которых не превыш ает 1,5 м3/(м 2-ч). В противном случае смесь считается легкофильтруемой. Однако такой подход не всегда оправдан, т. к. на разны х филь тровальных установках эффективность фильтрации одной и той ж е суспензии может быть различной. В основу иного принципа деления положено различие в крупности частиц твердой фазы, и к труд нофильтруемым относят все суспензии, образующ ие сж имаемые осадки с крупностью основной массы частиц меньше 100 мкм, а к легкофильтруемым — суспензии, образую щ ие несж имаемые осадки с крупностью частиц более 100 мкм. На полноту извлечения влаги из осадка, помимо всех остальных факторов, влияет характер расположения отдельных капель ж ид кости в структуре осадка. Он существенно изменяется по стадиям обезвож ивания и должен анализироваться отдельно для каждой из них [99]. Рассмотрим массив осадка, образую щ ийся на фильтрующей перегородке в процессе фильтрования сыпучих крупнокристал лических материалов (0 —2 мм), считая осадок несжимаемым. П ри мем за начало отсчета момент времени, в который уровень жидкой ф азы на перегородке совпадает с верхней границей сформ иро вавшегося осадка. Этот момент соответствует окончанию стадии формирования осадка под действием сил гравитации и разницы давлений и началу этапа сушки. 8
Влага, оставш аяся в осадке, полностью заполняет поровое про странство и представлена следующими видами: химической, ф и зико-химической и физико-механической. Из перечисленных видов непосредственно на стадии фильтрования может быть удалена только поровая влага, т. е. физико-механическая и часть ф и зи ко химической. Проанализируем процессы, протекаю щ ие при суш ке осадка. Для этого условно разобьем эту стадию на три этапа — начальный, средний и заключительный. На начальном этапе удаление влаги происходит только из относительно вертикальных каналов, при этом высвобождается примерно 1 0 -3 0 % пор. Основная ж е часть остав ш ейся влаги сосредоточена обычно в относительно горизонтальных (нерабочих) каналах, по которым не может происходить интенсив ного продвижения жидкости или воздуха (рис. 1.1). В дальнейшем структура гидродинамических потоков резко меняется ввиду каче ственных и количественных изменений характеристик протека ющей по каналам жидкости. Так, если на первой стадии по каналам движется исключительно ж идкая ф аза суспензии, то на второй ста дии ее сменяет паровоздуш ная смесь. Происходит сосредоточение остаточной влаги в локальных зонах — каплях (рис. 1.2), и остается заполненной лишь часть горизонтальных каналов (рис. 1.3). Оценим возмож ность удаления перечисленных видов влаги из мате 4 риала на стадии подсушки. Удаление влаги в этот период происходит в ос новном за счет дренирования капель, т. е. их перемещ ения под действием гравитационной силы, а такж е испа рен и я с поверхности кристаллов. Этой способностью обладают локаль ные зоны, или капли, которые с те чением времени меняют свое место положение в структуре осадка, кон центрируя влагу, испаряю щ ую ся из капилляров. В зависимости от круп Рис. 1.1. Структура несжи ности частиц осадка дренирование маемого осадка и способы за влаги может либо совсем не проис держки остаточной влаги ходить, либо продолжаться в течение 1 — локальные зоны; 2 — ка нескольких суток, в то время как про пиллярная влага; 3 — структу рированная влага; 4 — рабо должительность стадии фильтрования чие каналы на современных фильтрах обычно не превыш ает 20 —30 минут. Поэтому при расчетах фильтров процесс перемещ ения локальных зон не учитывают. К концу фильтрования в материале остается лишь влага, свя занная с его структурой, а следовательно, неподвластная движущ ей силе процесса: капиллярная, структурированная (находящаяся в полостях с замкнутым периметром) и застойная (рис. 1.4). Струк9
турные преобразования, переходы влаги из одного вида в другой так же, как и сама стадия подсушки, играют огромную роль в процессе фильтрования и оказываю т опреде ляю щ ее влияние на величину оста точного влагосодержания обезво живаемого материала. На стадии подсушки осадка при фильтровании существенное значе ние имеют поверхностное натяж е ние жидкости и смачивание твердой фазы жидкостью, характеризуемые Рис. 1.2. Остаточная поровая краевым углом смачивания. К воз влага в виде локальных зон — никновению сил поверхностного на капель 1, 2 тяж ения жидкости на границе жид кость—газ приводит неравномерное распределение частиц различной крупности в структуре осадка [110]. Поверхностное натяжение препятст вует удалению жидкости из капил ляров. Количественно это свойство характеризуется величиной «лапласовского» давления, численно равно го величине давления, необходимого для удаления жидкости с данными свойствами из капилляра заданных размеров. Чем больше поверхност ное натяжение жидкости, тем выше конечное содержание жидкости в Рис. 1.3. Структурированная структуре осадка на момент завер влага в виде застойных зон 1 на шения стадии фильтрования. горизонтальных участках крис таллов В общем случае силе Fgj, удер ж иваю щ ей жидкость в i-м капилля ре постоянного сечения, противодействуют вес жидкости в капил ляре тжд и сила F(Ap), возникаю щ ая под действием давления филь трования: = т*9 + т р)< acos927trK[. = nrKl(px ghKi + Др);
( 1. 1 )
2 a c o s 0 /r. = грЖ ah . + Др, К1 ~ К1 г ' где д — ускорение свободного падения, м /с 2; 0 — краевой угол смачивания, град.; ги. — радиус z-го капилляра, м; hKj — высота /-го капилляра (столба жидкости в капилляре), м; Др — давление филь трования, Па. 10
Для операции подсушки осад ка на стадии дренирования по следнее вы раж ение примет вид £ 2 a c o s 0 / rKi = рл 1=1 где h icp — средняя высота капли, м. Из вы раж ения (1.1) следует, что д ви ж ени е капли ж идкости возможно только в том случае, если левая часть зависимости по Рис. 1.4. Основные виды поровой абсолю тному значению больше влаги: правой части. Следовательно, вы а — капиллярная (горизонталь звать п ерем ещ ени е капли под ный канал); б — капиллярная действием силы тяж ести можно (вертикальный канал); в — струк единственным способом — увели турированная; г — застойная чением ее объема. Этот эф ф ект наблю дается при конкатенации (слиянии) капель жидкости, которая мож ет происходить само произвольно или под влиянием внеш ней силы. Из вы раж ений (1.1) и (1.2) такж е видно, что локальные зоны можно удалить из осадка, увеличив Др (см. рис. 1.1) или вызвав дополнительное возмущающее ускорение, например от вибраций, которое будет действовать аналогично д, вдобавок способствуя росту капель. Другой вид влаги, остаю щейся в осадке после фильтрования, — это жидкость, находящаяся в закупоренных порах между кри с таллами и в горизонтальных каналах (рис. 1.4, а, в, г). Эта влага удерживается слабыми молекулярными силами. Ее ж е наиболее трудно удалить под вакуумом, так как на нее не действуют силы в направлении степени свободы (рис. 1.5). В этом случае составля ющая давления фильтрования Fpl численно равная Др. = |p j — |р2|, образуется при стремлении канала к горизонтальности (имеется в виду па раллельность порового канала плос кости приложения вакуума или р аз делительной перегородке). В этом слу чае р 1 -> р2, а следовательно, Др; 0. Такую влагу можно удалить из осадка, только произведя его деструкцию, т. е. создав новые рабочие каналы, по ко торым влага из нерабочих полостей структуры сможет покинуть материал. Кроме того, в осадке имеется неболь- Рис. 1.5. Схема действия сил шое количество поровой влаги, сосре- на влагу в горизонтальном доточенной в микроизломах и углуб- канале пористой структуры: 1 — жидкость в канале 11
лениях кристаллов (рис. 1.4, г), удаление которой возможно только теплофизическими методами. Рассмотренные формы остаточной влаги присутствуют в осадке в течение ограниченного периода времени, который определяется продолжительностью релаксационных процессов, вызванных вре менным дисбалансом молекулярных и капиллярных сил. При микро скопическом анализе осадка в ходе обезвож ивания можно на блюдать, как после прохождения фронта воздуха по слою осадка остаточная влага постепенно изменяет свои формы. Капли либо дренируют, либо рассасываются, влага переходит в капиллярную менисковую форму. Далее влага, сосредоточенная на гранях крис таллов, проникает в пространство вокруг частиц. По истечении непродолжительного времени почти вся остаточная влага концен трируется в виде менисков в точках контакта кристаллов и частично заполняет капилляры и поры с замкнутым периметром. По заверш ении стадии дренирования дальнейшее обезвож и вание на вакуум-фильтрах возможно только за счет испарения капель жидкости, что сущ ественно ограничивает степень разде ления суспензий на вакуумном оборудовании. Необходимо отметить, что при выборе и расчете производитель ности фильтровального оборудования следует учитывать нестабиль ность фильтрационных свойств разделяемых суспензий и образу ющихся осадков, снижающ ую расчетную производительность аппа рата. Для этого используют так называемый коэф ф ициент воспро изводимости свойств суспензии, представляющий собой отношение минимальной производительности фильтра (на исследуемой стадии процесса) к средней (или выборочной) ее величине.
1.2. Физические свойства суспензий и осадков На ф изические свойства суспензии влияют не только свойства входящих в нее компонентов, но и концентрации твердой и жидкой фаз. При определении свойств пульпы чаще всего говорят о содерж ании дисперсной ф азы в ее составе, а при анализе осадка — о количестве жидкости в его структуре. С одержание твердых частиц может выражаться в массовых (ам) или объемных (ао) долях. Зная плотности сплошной (рж) и дисперс ной (рш) фаз, можно определить плотность смеси рс: ---------- . Рс = а 0Рш + (1 - а 0 )рж = --------- ^ Pm + а «(Рж - Рш)
Pm - QM(Pm - Рж)
12
Цс = М 1 + 2,5ао),
Согласно другим исследованиям, для суспензий с концентра цией твердого ао < 0,2 объемная доля частиц дисперсной ф азы связана с вязкостью суспензии соотношением 11с = М
1 +i
Ciao ) = М-ж)1 + с0ао + с 0а о + с 0а о + - ) .
(1'7)
1=1
где с — коэффициенты, зависящ ие от объемной доли дисперсной фазы в суспензии (при ао < 0,35 с0 = 2,5, ct = 7,17, с2 = 16,2; а при ао < 0,02 и ао > 0,4 достаточно учитывать только первый член ряда: с0 = 2,5 и с0 = 4,5 соответственно). Как видим, результаты, полученные разны ми авторами, доста точно близки, их точность составляет ± 7 % при ао = 0,2 и ± 13 % при ао = 0,5. Следует отметить, что поведение суспензий с концентрацией твердого ао > 0,2 сильно отличается от поведения ньютоновских жидкостей, что предопределяет сущ ественное услож нение расчет ных зависимостей. При значениях ао < 0,5 используется уравнение
Не (1.4)
(1.5)
где цс и цж —динамические коэф ф ициенты вязкости соответ ственно суспензии и сплошной фазы, Па-с. Для суспензий с конечной концентрацией частиц 0,1 < ао < 0,15 выраж ение для определения вязкости имеет вид Цс = ЦЖ(1 + 4,5ао). (1.6)
(1.3)
Отсюда соотношение между объемной и массовой долями равно а0 = ------------------------- .
Вязкость суспензии зависит от вязкости сплошной фазы, кон центрации и формы частиц дисперсной ф азы (фактора формы частиц), а для высококонцентрированных суспензий с частицами различной формы — ещ е и от плотностей смеси и жидкости. В силу нелинейного характера влияния концентрации дисперс ной ф азы на вязкость смеси для определения последней используют различные зависимости. Вязкость жидкости, окруж аю щ ей твердую частицу, для бес конечно разбавленных суспензий (ао < 0,1) рассчитывается по формуле
1+
2,5
1------
( 1.8)
2(1 - 1,35ас
Для смесей, состоящих из частиц различной формы, объемная доля которы х достигает 0 ,5 -0 ,6 , динам ический ко эф ф и ци ен т вязкости рассчитывается по формуле: 13
^ С = ----------i~285 f -------------- 173- — ' (1 ~ а0) + ср - 2а0(ф - 1) рж
(L 9 )
где ф — фактор формы частицы, равный отношению площади поверхности частицы к площади поверхности сф еры равного объ ема (для ш арообразных частиц ф = 1, для цилиндрических частиц при отношении диаметра цилиндра к его длине d/1 = 1,08—1,04 Ф = 1,16; для частиц кубической формы ф = 1,24). Фактор формы возрастает от ф = 1 для шаровых частиц до нескольких единиц для частиц неправильной форм ы и сн и ж ается при ум еньш ении диаметра частицы (в связи с повышением ее регулярности). В общем случае значение ф можно рассчитать по уравнению фч = 2/з = 0,205F4/ Vm , где F4 — площадь поверхности частицы, м2; Vm — объем шара, диаметр которого равен объему частицы, м3. Большинство природных и искусственно полученных мате риалов, продуктов дробления и измельчения, а такж е выделенные из растворов осадки имеют форму частиц, близкую к сферической. Данное утверж дение обычно тем ближе к действительности, чем мельче частицы (d4 -> 0). В силу этого при приближенных расчетах внешние габариты частиц условно принимаю тся совпадающими с их эквивалентными диаметрами. Однако встречаются материалы, обладающие ярко выраж енной асимметрией формы частиц, для которых такое допущение мож ет быть некорректным. Для суспензий, содерж ащ их сферические частицы, формула (1.9) примет вид 0,285 — ^ -« о )
ИЛИ V. = -
Рж
^
.
(1.Ю)
(1 _ 0 0 )
При движ ении одиночной сферической частицы получим 2 кг и з ods -(1 - а0) 9 v„
( 1 . 11 )
В этих формулах уж — кинематический коэф ф ициент вязкости сплошной среды, м/с; vc — кинематический коэф ф ициент вязкости суспензии, м /с; v4 — кинематический коэф ф ициент вязкости сус пензии при движении в ней одной сферической частицы, м /с. Для значений 0,6 < ад < 0,9 иногда используется выражение (1.12) 1 -а У 3 14
Подчеркнем, что вязкость устойчивых суспензий, состоящих из частиц одинаковой формы, незначительно зависит от соотношения размеров частиц. Формула для расчета величины вязкости смеси таких суспензий, состоящих из частиц разного размера, имеет вид
Рсм=Р'сР”с'
(1.13)
где цсм — относительный динамический коэф ф ициент вязкости смеси с объемной долей частиц а -I- а / ц'с = ц / ц и ц"с = ц2/ц — относительные динамические коэф ф ициенты вязкости суспензий с объемными долями частиц а и ао \ ц( и ц2 — динамические коэффициенты вязкости суспензий, Па с. Для жидкостей и жидких растворов рекомендуется выбирать численные значения динамического коэф ф ициента вязкости из со ответствующих таблиц и номограмм или руководствоваться экспе риментальными данными в зависимости от заданных значений температуры и давления. Вязкость смесей нормальных (неассоциированных) жидкостей может быть вычислена по формуле [108] 1пИсм =
(U 4 ) i =1
где m i — молярные концентрации компонентов в смеси; цсм и [г. — динамические коэф фициенты вязкости смеси (раствора) и г-го ком понента соответственно, Паю. Продукты, не обладающие текучестью и образую щ иеся на по верхности фильтрую щ ей перегородки, обычно называю т осадками. Основной характеристикой осадка является влагосодержание. Различают абсолютное W (количество влаги, соотнесенное с вме щающим ее количеством влажного осадка) и относительное w' (количество влаги на единицу количества сухого осадка) влагосодер жание. Оно такж е может быть массовым и объемным. Взаимосвязь между абсолютной и относительной величинами может быть уста новлена с помощью уравнений: Т4 Г М
w 'M= — =Wv —^ — ; 1 -W M Pm( l - e ) Wv pmW M w v = -------------= -----. рш(1 -в ) Рж( 1 - Н О
(L15)
где Wv — абсолютное объемное влагосодержание осадка, т. е. объ ем жидкости, приходящ ийся на единицу объема влажного осадка, %; 15
w* абсолютное массовое влагосодержание осадка, т. е. масса жидкости, приходящ аяся на единицу массы влажного осадка, %• wM относительное массовое влагосодержание осадка, т. е. масса жидкости, приходящ аяся на единицу массы абсолютно сухого осад ка, /о) w v относительное объемное влагосодержание осадка, т. е. объем жидкости, приходящ ийся на единицу объема абсолютно су хого осадка, /0; е — пористость (порозность) осадка, т. е. отношение объема пустот в структуре осадка к его общему объему. Насыщенность осадка S определяется через величину относи тельного разм ера пор, занятого жидкостью:
5 =^
= ^ P " < 1- e) = 2^Padlz_gj е
Рж ( 1 - * О е
Рж е
'
(
6)
Э ф ф ективная насыщ енность осадка Sзф составляет
5эф = (S - S J /( 1 - 5J,
(1.17)
где ^св связанная насыщенность осадка, обусловленная удер ж иванием ж идкости в порах осадка капиллярными силами. аж нои характеристикой двухфазной системы является межф азное (поверхностное) натяж ение о, Н /м . Значение о мож ет быть определено по формуле 0 = 2' 12К
-
и п м ж/ у жг \
(1.18)
где ~ критическая температура, К; tm — температура опыта, К; Мж — молекулярная масса жидкости, г/моль; Уж — объем ж идко сти, м3. Более точным является уравнение <У = (гс - Г)Щ(кр - t J / ( 2 S J ,
(1.19)
где zc число степеней свободы молекулы газа (пара); / — число степеней свободы молекулы в слое; R — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Sm — площадь, занимаемая молекулой вещества, находящегося в поверхностном слое, м2. Для смеси ж идкостей вместо txp используют псевдокритическую температуру, рассчитываемую по уравнению tx см =
, где 1=1
X
относительное содерж ание компонентов в смеси. Поверхностное натяж ение смеси жидкостей с = о 1а2/( и 1 + ст2).
16
(1.20)
Значение поверхностного натяж ения существенным образом влияет на величину критерия Вебера W e = plfil/o, где U ско рость движения твердой частицы в жидкости, м /с; 1 линеиныи размер частицы, м. Для вычисления коэф фициентов теплопроводности жидкостей можно пользоваться формулой [86] К = ВСУ/Ж(ТЖ/М Ж)1/3,
(1-21)
где с — теплоемкость жидкости, Дж/(кг-К); уж плотность ж ид кости, к г/м 3; Мж — молекулярная масса жидкости, кг/моль; В — постоянная, зависящ ая от степени ассоциации жидкости. ^ Для неассоциированны х ж идкостей (толуол, бензол) В = 1,52-10-4, для ассоциированных жидкостей (вода, глицерин, спирты) В = 1,29-10~4. При расчетах тепловых процессов в дисперсном слое исполь зуются такие параметры, как теплоемкость с, энтальпия г и кри терий Прандтля Рг для жидкости. Чащ е всего в качестве дисперсионной среды в пульпе присут ствуют вода или водные растворы солей. П риближенное опре деление физических характеристик для таких систем м ож ет быть упрощено, если использовать данные табл. 1.1. Характеристиками внутренней структуры пористых материалов, помимо пористости, служат коэф ф ициент проницаемости, коэфф иТаблица 1.1 Физические свойства воды на линии насыщения р-106, ст-104, Рг Ы 0 2, с, р, г, 1, Пас Н/м Вт/ (м2 К) кДж/(кг-К) кДж/кг кг/м3 кгс/см2 °с 756 13,7 1790 55,1 4,23 0 1000 1 0 9,52 762 1310 57,5 4,19 41,9 1000 1 10 7,02 727 1000 59,9 4,19 83,8 998 1 20 5,42 712 804 61,8 4,18 126 996 1 30 4,31 697 657 63,4 4,18 168 992 1 40 3,54 677 549 64,8 4,18 210 988 1 50 2,98 662 470 65,9 4,18 251 983 1 60 2,55 643 406 66,8 4,19 293 978 1 70 2,21 626 355 67,5 4,19 335 972 1 80 1,95 607 315 68,0 4,19 377 965 1 90 1,75 589 282 68,3 4,23 419 958 1,03 100 1,58 569 256 68,5 4,23 461 951 1,46 110 1,43 549 231 68,6 4,23 503 943 2,02 120 1,32 529 212 68,6 4,27 545 935 2,75 130 1,23 507 196 68,5 4,27 587 926 3,68 140 487 185 1,17 68,4 4,32 629 917 4,85 150 1,10 466 174 68,3 4,36 671 907 6,30 160 1,05 444 163 67,9 4,40 713 897 8,08 170 1,01 424 153 67,5 4,44 755 887 10,23 180 17
циенты диф ф узии и массопроводности. Для описания пористой структуры применяются: величина общего объема пор У , функция распределения пор по разм ерам f{dn) и удельная внутренняя поверхность пор / . При этом нужно различать удельные по верхности пор и твердой фазы. Если суммарная поверхность твердых частиц в объеме осадка равна F , а соответствующий им объем равен Va, то / ор = F J V nop и fym = F J V m = / ор/( 1 - в), где /пор — удельная поверхность пор, м -1; Fm — суммарная поверхность твердых частиц, м2; V — объем пор, м3; /ут — удельная поверхность твердых частиц, м -1; Vm — объем твердых частиц, м3. Для дисперсного анализа твердых частиц вводят понятия экви валентного, седиментационного, среднего, а такж е модального и медианного диаметров.
где ws — скорость седиментации (оседания) частицы, м /с; соц — угловая скорость вращ ения центрифуги, рад/с; т — продолжи тельность оседания частицы, с; х ^ и xs — переменный радиус кри визны, или расстояние от частицы до центра аппарата в момент начала и окончания анализа крупности соответственно. Средний диаметр частицы d cp может быть: средним арифмети,ср 1 ческим а ч , средним квадратическим (или средним поверхност ным) d c4p2 и средним кубическим (средним объемным) d cp3: dT
■
(1.25)
Под эквивалентным диаметром частицы d 3 понимают диаметр ш ара равного с частицей объема или диаметр круга, площадь которого равна площади проекции частицы:
« Г = [Х < * ф /1 * П
Ц.26)
d * = з /б т Т Т т ф ^ .
i f =[2 > 0 ' 2>Г'
d-27)
(1.22)
Если разм ер частиц определяется посредством ситового анализа, то d 3 = ^ d Rd x , где d^ и d^ — линейные разм еры отверстий сит, между которыми задержалась частица, м. О седиментационном диаметре d s4 говорят в тех случаях, когда крупность частиц, а такж е их распределение по массе и разм еру определяются посредством седиментации (осаждения дисперсии в вязкой среде под действием силы тяжести). Седиментационным называю т диаметр шара, скорость осаждения и плотность которого равны таковым для частицы. При седиментации в поле силы тя ж ести величина седиментационного диаметра d, определяется по формуле (1.23) при седиментации на центрифуге формуле ds =
9Цж
(для мелких частиц) — по л 2
2 (Рш - Р ж К т ц
18
где d4 — линейный диаметр частицы, м; s — номер фракции. Вследствие полидисперсности твердых частиц и хаотичности их оседания осадок приобретает неупорядоченную структуру, что обусловливает разн о о б р ази е разм еров и ф орм м еж зерн овы х каналов. Размеры пор, как и разм еры частиц, определяются с помощью оптического (при разм ере пор до 0,2 мкм) или электронного (при размерах пор от 0,2 до 2-10-3 мкм) микроскопа. При математическом моделировании процессов разделения обычно используются не истинные, а усредненные характеристики осадка, такие как высота осадочного слоя и эквивалентный гидрав лический диаметр пор cL Значение d3 определяется по формуле d3 = 4Vnop/F m. Если слой состоит из сферических частиц диаметром d4, то площадь поверх ности одной частицы составляет 7id42, а объем — nd \ Число частиц п в единице объема слоя равно отношению объема, занятого части цами, (1 — s) к объему одной частицы, т. е.
1 п -^ -, sO
(1.24)
^ . лd 4
,1.28,
Объем пор в единице объема слоя равен е, а поверхность час тиц — 19
п d in = -61 -—Ё . Следовательно, d ^ э
4sd„ 6(1 -
_ 2 ed4 3
е)
ц 30j
1 - е '
Для частиц неправильной формы необходимо вводить поправку, равную величине фактора формы d j = cpcL Пористость (порозность) осадка является одной из важнейш их его характеристик. Следует различать открытую и закрытую порис тости. Открытую пористость имеют твердые тела, у которых поры пересекаю тся и выходят на поверхность образца. Величина доступ ной (открытой) пористости определяется в результате взвеш ивания сухого и насыщенного водой образца: Н
соответственно, кг. Величина общей пористости определяется по формуле е = Рш ~ Рос . 10Q%|
(1-33)
ц = х ^ п , + х2г|2; Л = х,Л! +
+ Ф:) -
Ц:
(L34)
V l + Tb) Л = * 1 Л1 + * 2Л2 - к з — --------— • 1 + Л1 + л 2
(1.31)
и т сос — массы сухого и насыщенного водой образца
, 6(1 - cos (3)^1 + 2cos(3
где р — угол между линиями, соединяющими центры соседних шаров. В теории фильтрования наряду с величиной порозности s ш и роко используется такая величина, как показатель порозности, рав ный г) = е/ ( 1 — е). В ряде случаев это существенно облегчает запись математических выражений. Для слоя, составленного из частиц двух видов, показатель порозности смеси определяется как наибольшее значение, рас считанное по уравнениям:
С
т °с ~ т °с • 100%, VocP, где я С
в=1
(1.29)
Здесь t|j и ц2 — показатели порозности для слоев, образованных частицами различной крупности, рассчитанные на основе вы раж е ния (1.33) или подобных ему; х. — объемные доли частиц в общей смеси; к. — коэффициенты , величина которых определяется экс периментально:
(1 3 2 )
^(1 2^
к = + 1 £(1 + 2£) + (1 + £)2 ' где рос — плотность осадка, к г/м 3. Для установления закономерностей распределения пор по раз мерам используются методы, основанные на определении зависи мости объема адсорбированного газа от радиуса пор (при конден сации адсорбированного пара при давлениях, значительно меньших нормального давления паров адсорбированной жидкости) или зави симости объема вдавленной в поры жидкости (ртути), которая не смачивает исследуемый твердый материал, от гидростатического давления (при использовании высокого, более 100 кПа, и низкого, 2 —100 кПа, давлений). Наряду с экспериментальными методами определения порозности осадков, применяю тся и теоретические (или расчетные). Их недостатком является то, что все они могут использоваться лишь в случаях, когда осадок представлен одинаковыми по форме и раз меру частицами. Например, пористость неподвижного слоя твердых частиц, имеющих форму шаров одного размера, равна 20
к 2 = ~ 2 -------------------- a 1 £ (3 + £) + (1_ £)
3
(L35)
4(1 + 5^) + ( 1 - ^ ) 2 '
где \ — отношение эквивалентных диаметров зерен (0 < £ < 1). Для систем, представляющих собой агломераты (состоящие из соединенных между собой отдельных зерен), пористость слоя опре деляется по формулам:
s'=v'Q/ v ' = i - v t/v'
(136)
или 21
8 ' = 1 - p ' / p s = 1 - m ' / ( V ' p s ) » 1 - m ' s / ( V ' p s ),
(1.37)
где V 0' — общий объем зерен в слое, м3; V — объем слоя, м3; V 1 — объем твердого тела в частице агломерата, м3; т' — масса зерна, кг; ms' — масса твердого тела в зерне, кг; pr = m ' / V * ms' / V — плотность зерна, кг/м 3, ps — кажущаяся плотность частицы агломерата, кг/м 3. В теории разделения суспензий часто используется понятие «удельная поверхность частиц», под которым подразумевают сум марную поверхность твердых частиц, отнесенную к единице объема слоя. С учетом вы раж ения (1.29) она составит
Для теоретического описания процессов обезвож ивания сус пензий необходимо располагать информацией о крупности частиц твердой ф азы и диапазоне ее изменения. Эти значения устанавли ваются посредством ситового гранулометрического анализа, седи ментации, а такж е визуально (при помощи микроскопа). Они ока зывают ощутимое влияние на пористость слоя, разм ер капилляров, сопротивление осадка и т. п. М онодисперсные материалы харак теризую тся прямо пропорциональной зависимостью между диа метром частиц, пористостью и диаметром капилляров. Поэтому, чем крупнее частицы осадка, тем меньшее сопротивление потоку ж ид кости они оказывают. С ростом полидисперсности твердых частиц данная закономерность нарушается. Причиной тому служит за стревание мелких частиц в промежутках между частицами более крупных фракций. Поскольку реальные осадки в большинстве сво ем содерж ат частицы широкого диапазона крупности, при модели ровании процессов разделения суспензий приходится вводить соот ветствующие поправки, допущения или использовать усредненные характеристики. Наиболее распространенной методикой определения крупности частиц суспензии является ситовый анализ. Для ситового анализа и характеристики крупности в России используется следующая шкала размеров частиц, мм: + 3; —3 + 2; - 2 + 1 ; —1+0,8; —0,8+ 0,6; - 0 ,6 + 0,4; - 0 ,4 + 0,25; -0 ,2 5 + 0,1; -0 ,1 + 0 ,0 7 4 ; -0 ,0 7 4 [33]. При необходимости ф ракции —2 + 1, —3 + 2 мм и далее могут быть поделены на более мелкие классы, исходя из условий и цели получения данных. Выход класса крупности определяется рассевом материала на контрольных ситах по отношению массы каждой ф ракции к массе переработанной пробы. Чем выше необходимая точность определения, тем больше должна быть масса пробы и число разовы х определений. Рассев предпочтительно осуществлять мокрым способом, так как в этом случае в меньшей степени про является конгломерация частиц. При сухом способе рассева при 22
меняют стандартные рассеиваю щ ие машины. Выход класса может быть определен как отдельно — пофракционно, так и суммарно с минусовыми или плюсовыми фракциями. За рубежом для ситового анализа применяю т набор сит, р аз меры ячеек которых выбраны по шкале Иверса, по шкале с модулем л/2 =
1,4 1
(шкала Тайлера) — от 2,362 мм до 0,104 мм, а такж е по
шкале с модулем V2 = 1,189 — от 0,104 до 0,043 мм. Одной из характеристик крупности частиц служит средний взвеш енный диаметр. Этот показатель используют с целью учета некоторого узкого класса крупности, оказываю щ его сущ ественное влияние на реализуемый процесс. Средний взвеш енный диаметр определяется по формуле DCB =
АсуМг
/=1
/
(1.39)
где у. — выход фракции, %; йф1 — средний диаметр г-й фракции, мм; Усум — суммарный выход фракций, обычно 100 %. Не следует путать средний взвеш енный диаметр со средним диаметром частицы, определяющим ее геометрию: Dcp = (х + у + z)/3,
(1.40)
где х, у, z — геометрические разм еры частицы, мм. Наиболее часто используются три характеристики крупности дисперсной ф азы суспензии: верхняя граница крупности, отраж а ющая граничный размер зерна, в пределах которого находится основная масса материала, средний взвеш енный диаметр и со держ ание тонкой фракции, разм ер которой близок разм еру ячейки фильтровального материала. В связи с этим различаю т три основ ных класса крупности осадочного материала: тонкий с крупностью основной массы частиц меньше 100 мкм (иногда меньше 74 мкм), крупно- или грубозернистый — от 100 мкм до 3,5 —4 мм — и кус ковой — более 4 мм. Часто для характеристики осадков используют диапазон изменения крупности, например от 0,1 до 0,5 мм. Дисперсность (крупность) твердой ф азы определяется функцией распределения частиц по их размерам (эквивалентным диаметрам). В зависимости от способа оценки количества твердого вещ ества дисперсность выраж ается массовыми, объемными или численными функциями распределения. Функция плотности распределения частиц по их размерам в общем виде записывается как /(d j. Тогда доля частиц в диапа зоне d4 + dd4 будет определяться дифф еренциальным выражением f(d4)d d l Условие нормирования для данного случая имеет вид 23
J /( d ,) d d , = 1.
(1.41)
О
Зная f(d), можно определить средний диаметр частиц: dcP = ] d 4-f{d4)dd4. о
(1.42)
Иногда используют функцию плотности распределения массы частиц по их размерам g(d4) = £ ,т - /( с у .
(1.43)
Для практических целей особенно удобна интегральная ф унк ция распределения частиц по диаметрам d.
(1.44)
d ч min
где т ч— масса частицы размером d4, кг; к { — нормирующий множитель; у — относительная массовая доля частиц, имеющих эквивалентный диаметр меньше некоторой величины d 4, но больше разм ера d 4 min самой мелкой частицы смеси, м; к — коэф ф ициент пропорциональности, зависящ ий от формы частиц и их плотности. Как показали специальные исследования, d 4min * 0 и составляет 3 —5 мкм. В практических расчетах этой величиной часто можно пренебречь и считать, что d 4min » 0 и к = 1, т. е.
»
d
4
и тогда
d rnax
~
d 4
~
d m ax ■ П О Э Т О М У
W
ш ах
(1.47)
В отличие от (1.46) уравнение (1.47) хорошо описывает не все распределение частиц, а только ту его часть, для которой у < 0,8+0,9. Полученные расчетом по формуле (1.47) значения у > 0,8+0,9 обычно занижены. Это объясняется тем, что для (1.47) у всегда мень ше 1 и функция не имеет конечного предельного максимального значения, только асимптотически приближаясь к прямой у = 1. Для практических расчетов можно ещ е более упростить ф унк цию распределения (1.47), разлагая ее правую часть в бесконечный ряд М акларена. После несложных преобразований получаем урав нение Годэна—Андреева (пригодное для значений у = 0,4+0,6) У = (d 4/ d m J n '-
(L48)
(1.45) у = 2 d f / (d£aXi + d 4n ).
Большинство твердых материалов, с которыми приходится иметь дело на практике (горные породы, синтезированные твердые вещ ества и другие продукты, особенно подвергшиеся процессу измельчения), имеют функцию распределения, выражаемую эмпи рической зависимостью
24
d m ax
Аналогичным образом, пренебрегая суммой членов разлож ения в степенях выше второй, можно получить
d. 7= J d d fd jd d . о
V
величина
у = 1 - e x p [ - ( d 4/ d mJ n'].
У = к j f ( d 4)dd4,
у = 1 - ехр
где dmax — эквивалентный диаметр самой крупной в смеси частицы, м; п' — постоянная, характеризую щ ая отношение крупных и мелких ф ракций в смеси. Чем меньше п', тем больше в смеси мелких частиц. Обычно величина л' близка к единице или несколько мень ше нее. Функция (1.46) хорошо описывает распределение частиц по их размерам во всем диапазоне возможных значений эквивалентного диаметра d 4 — от 0 до dmax. Значения параметров функции (1.46) определяются экспери ментальным путем (методами оценки крупности частиц). Приведенная функция достаточно сложна для статистической обработки, поэтому в расчетах можно использовать более удобное приближенное ее вы раж ение в форме так называемого уравнения Розина—Раммлера [125]. Оно получается из (1.46) в результате следующих рассуждений: для самых мелких частиц, когда d 4 -+ О,
(1.46) чу
(1-49)
Зависимость (1.49) справедлива для значений у < 0,6+0,8.
1.3. Физические свойства газов и их смесей В промышленных фильтрах на заверш аю щ ей стадии обезвож и вания довольно часто применяю т подсушку осадка газообразными теплоносителями. Известно, что теплопередача зависит от ф изичес ких свойств теплоносителя, поэтому выбор или вычисление ф и зи ческих параметров теплоносителей в зависимости от температуры и 25
давления составляет элемент расчета фильтра как теплообменного аппарата. Основными характеристиками влажного газа являются: темпе ратура, давление, плотность, вязкость, влагосодержание, относи тельная и абсолютная влажности, теплоемкость, теплопроводность, энтальпия (соответственно tr, pr, pr, pr, xr, cpr, pn, срг, Хг, Я ). Непосред ственное влияние на процесс теплообмена оказываю т коэф ф ициент теплопроводности лг, удельная теплоемкость срг, плотность рг, дина мический коэф ф ициент вязкости цг и коэф ф ициент температуро проводности а, = gX/(cpip r). Под абсолютной влажностью газа понимается масса жидкости, приходящ аяся на единицу объема газа. Это понятие равнозначно такой характеристике влажного газа, как плотность пара рп, вы раж аемой в килограммах на кубический метр. Под относительной влажностью газа фг понимается отношение количества жидкости, реально содержащ ейся в данном газе, к мак симально возможной плотности пара при данной температуре, %. Обычно ее выраж аю т через величины упругости паров: Фг = P/P™ .
{1.50)
где рнп — давление насыщенного пара при данной температуре, Па (табл. 1.2). Влагосодержанием хг газа назы вается масса жидкости, приходя щ аяся на единицу массы абсолютно сухого газа (кг/кг). Оно может быть выраж ено через относительное влагосодержание газа уравне нием х =
(Мп/ М сг )фг рнп /(р 0 -
Фгрип).
(1.51)
Для системы воздух—водяной пар, т. е. при условии, что Мп = = 18 кг/м оль и М сг = 29 кг/моль, зависимость (1.51) может быть приведена к виду х = 0,622Фгрнл/(р 0 -
Фг р н п ).
26
к °с
р, мм рт. ст.
f, °С
р, мм рт. ст.
f, °С
р, мм рт. ст.
и °с
р, мм рт. ст.
t, °С
р, мм рт. ст.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
4,579 4,93 5,29 5,69 6,1 6,54 7,01 7,51 8,05 8,61 9,21 9,84 10,52 11,23 11,99 12,79 13,63 14,53 15,48 16,48
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
17,54 18,65 19,83 21,07 22,38 23,76 25,21 26,74 28,35 30,04 31,82 33,7 35,66 37,73 39,9 42,18 44,56 47,07 49,65 52,44
40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59
55,32 58,34 61,5 64,8 68,26 71,88 75,65 79,6 83,71 88,02 92,51 97,2 102,1 107,2 112,5 118 123,8 129,8 136,1 142,6
60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79
149,4 156,4 163,8 171,4 179,3 187,5 196,1 205 214,2 223,7 233,7 243,9 254,6 265,7 277,2 289,1 301,4 314,1 327,3 341 100
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 760
355,1 369,7 384,9 400,6 416,8 433,6 450,9 468,7 487,1 506,1 525,8 546,1 567 588,6 610,9 633,9 657,6 682,1 707,3 733,2
где рг и р0 — плотности газа в данных и нормальных условиях соот ветственно, к г/м 3; р и рн — давление газа при температуре f и 0 °С соответственно, Па; t — температура газа,соответствующая дав лению р, К; t0— температура, численно равная 273,15 °С. Плотность смеси, состоящей из нескольких компонентов, опре деляется исходя из свойства аддитивности: р см =
(1-53)
1
р^
(L54>
/=1
(1.52)
Газ является сжимаемой средой, поэтому при вычислении его параметров необходимо делать соответствующую поправку или пользоваться различными зависимостями, выбор которых ограничен некоторым диапазоном давлений [66]. Так, при вычислении плотностей газов рг и компонентов газовой смеси рсм при малых давлениях (до 10 ат) можно использовать зависимость Рг = Р о— '
Таблица 1.2 Давления насыщения водяного пара при различной температуре
где рсм — плотность многокомпонентной газовой смеси, к г/м 3; р. — плотности компонентов газовой смеси, к г/м 3; у. — объемные доли компонентов газовой смеси. При более вы соких давлениях вычисление плотности н е обходимо вести с учетом сжимаемости газа: Р'г =
ФР,-
(1-55)
где рг — плотность газа, определенная по формуле (1.53); ф — ко эф фициент сжимаемости газа. К оэффициент сжимаемости такж е является аддитивной харак теристикой и для смеси газов рассчитывается по формуле 27
II Фсм = Е Ф ;У1 ' i=i
Таблица 1.3
где ф. — коэф ф ициент сжимаемости компонентов смеси. В случае, если газовая ф аза представлена парогазовой смесью, что характерно для конвективных сушилок, плотность такой смеси рсм определяется как сумма плотностей сухого газа рсг и пара рп жидкости, находящихся в данном объеме (при условии его по стоянства): Р«
= Р,г + Рп
(1-57)
Используя уравнения состояния идеального газа, получим урав нение рсм = М к + ( Р - Р л ) ^ с .г > RT RT
(1.58)
которое с учетом формулы (1.52) примет вид _
р 0(1 + х) R T (1 / М сг + х / М
(1.59)
Азот Аммиак Аргон Ацетилен Водород Воздух Гелий Диоксид азота Диоксид серы Диоксид углерода Кислород Метан Оксид углерода Сероводород * н. у. — нормальные
Динамический коэф Постоянная фициент вязкость \ir Сатерленда при н. у.,104 ПЭ'С сс 17 9,18 20,9 9,35 8,42 17,3 18,8 — 11,7 13,7 20,3 10,3 16,6 11,66
1,25 0,77 1,78 1,77 0,090 1,293 0,179 — 2,93 1,98 1,429 0,72 1,25 1,54
114 626 142 198 73 124 78 — 396 254 131 162 100 --
условия (давление 1 ат и температура 0 °С).
-Ц -.
(1.61) 273 ) где m — постоянная величина для каждого газа (табл. 1.4). Как можно отметить, в вы раж ениях (1.60) и (1.61) изменением вязкости газа при вариациях давления пренебрегают. В случаях, когда результаты вычислений, проведенных по ф о р мулам (1.60) и (1.61), различаю тся более чем на 5 —7 %, следует прибегнуть к дополнительным экспериментам по определению вяз кости рассматриваемой смеси при данном значении температуры. М етодика проведения таких экспериментов подробно описана в специальной литературе. При высоких давлениях эти зависимости становятся неадек ватными [82], поэтому для газов, находящихся под давлением более 10 атм, наиболее точным является уравнение [52] Таблица 1.4 Значения постоянной ш в уравнении (1.61) для различных газов
(1.60)
где ц0 — динамический коэф ф ициент вязкости газа при нормальных условиях, Па-с; Сс — постоянная Сатерленда; Т — температура газа, К. Численные значения величин ц0 и Сс приведены в табл. 1.3. В некоторых литературных источниках [105] при определении вязкости газов рекомендуется пользоваться формулой 28
Плотность ц0 при н. у.', кг/м3
Газ
Иг = Ио
где М сг — молекулярная масса сухого газа, кг/моль; Мп — молеку лярная масса пара, кг/моль; рд — полное давление в системе газ — пар, Па. Согласно выражению (1.59) рост температуры Т и влагосодерж ания х при постоянстве общего давления р0 влечет за собой сни ж ение плотности смеси. На определении динамического коэф ф ициента вязкости газов и ком понентов газовы х см есей цг следует остановиться более подробно. При этом необходимо учитывать и внешние параметры системы, такие как температура и давление. При малых значениях давления газа вполне адекватной может быть признана формула С„ Л П . C r .\ I T 1+ - с = И0|1 + — 273 v Т ) \ 273
Некоторые физические свойства газов
(1.56)
Газ (пар) Азот Аммиак Бензол Водород Воздух Гелий Диоксид серы
|
m 0,68 1,06 1,00 0,678 0,683 0,68 0,912
|
Газ (пар) Диоксид углерода Кислород Метан Метанол Оксид углерода Толуол Четыреххлористый углерод
1
m 0,82 0,693 0,76 1,04 0,695 0,89 0,92 29
rPtr ЛАг
Mr =
(1.62)
Газ
гДе Ц/ — динамический коэф ф ициент вязкости газа при данных температуре и давлении, Па-с; цг — динамический коэф ф ициент вязкости газа при данной температуре и нормальном атмосферном давлении, определенный по формулам (1.60) и (1.61), Па-с; а, и к — постоянные величины для каждого газа (табл. 1.5); р — терми ческое давление, Па. Таблица 1.5 Значения постоянных аг и кг в уравнении (1.62) для различных газов Газ
аГ
Азот Аммиак Водород Диоксид углерода Метан Пропан Этан Этилен
К 1,12 1,115 1,12 1,117 1,102 1,12 1,118 i 'l l
567 550 73 930 540 1475 880 1000
Для определения термического давления газа используется ф ор мула, полученная из уравнения состояния идеального газа, вы ве денного Ван-дер-Ваальсом [52]: pt =
RT V -b '
=р+
а'
,
,, со» П-63)
Азот Аммиак Аргон Бензол Водород Водяной пар Гелий Диоксид серы Диоксид углерода Кислород Метан Неон Оксид азота Оксид углерода Сероводород Хлор Этилен
а', Н-м
Ь', м3
0,002680 0,008310 0,002680 0,03588 0,003860 0,010890 0,000068 0,133800 0,007160 0,002710 0,004490 0,000422 0,002670 0,002960 0,008830 0,01294 0,00891
0,001719 0,001660 0,001437 0,005150 0,000977 0,001362 0,001058 0,002510 0,001909 0,014210 0,001910 0,000763 0,001245 0,001799 0,001914 0,002510 0,002551
где цсм — динамический коэф ф ициент вязкости смеси при нор мальном атмосферном давлении, Па-с; асм и п см — некоторы е по стоянные, характеризую щ ие данную смесь. При нахождении рсм необходимо учитывать, что динамический коэф ф ициент вязкости является аддитивной величиной, а ко эф фициенты асм и п см этим свойством не обладают. При определении величины асм для смеси двух газов пользуются выражением 2 асм = q m f + —(«1 + а2)ш1пг2 + а2ш 2.
(1.65)
V2
где R — универсальная газовая постоянная, равн ая 8,31 Дж/(моль-К); V — объем газовой среды, мл; а и Ь' — константы (табл. 1.6). Если V выраж ено в молярных объемах, то вместо а’ следует подставлять а" = 5,03-108-а', а вместо Ь’ — Ь" = 2,24- 104*Ь'. Более подробны е сведения о величинах а' и Ь' для газов, не перечисленных в табл. 1.6, приводятся в литературе [52, 120]. Вязкость газовых смесей при высоких давлениях ц'см опреде ляют по формуле 'Ptr | 1
30
Таблица 1.6. Значения постоянных а' и Ь' в уравнении (1.63) для различных газов
(1.64)
Численное значение коэф ф ициента п можно принимать рав-ным 1,15, поскольку величина п изменяется в узких пределах. При определении термического давления газовой смеси поль зуются формулами термического давления для идеальных газов, причем коэф ф ициенты вычисляют по зависимостям: а 'с« = V < v v
Ь 'см = ( Ф ~1 + л /ь 7 ) / 2 -
( 1 -6 6 )
Вязкость газовых смесей мож но находить и приближенно по формуле — =£ — ■ I1™ 1=1 Pi
(1-67)
31
где m j — массовые доли компонентов в смеси. П ри расчете вакуумных фильтров, особенно когда глубина ва куума довольно высока, вычисление вязкостей газовых смесей по формуле (1.64) не обеспечивает должной степени адекватности. Поэтому для расчета вязкости газов при давлениях, много меньших 1 атм, когда газовую смесь можно принимать за идеальную, пользуются зависимостью ц Г * CM
1 + ------ (Ш 2А 12 + П23А , . 3 + H24A j.4 - K . .)
т. ц2 ш 3А23
+
Л
cPc„ = H c Pl9i< i=l
ш 4А24)
А, = у г / 2 7 3 ) п,
/По
и, ( 1. 68)
=11+ - Е М m i j=l
ф
)
л 0 ,5
/
\ 0 ,2 5 1
/
1 + CN Г
4
Л
Таблица 1.7 Значения постоянной п в уравнении (1.71) для различных газов Газ (пар)
где ~
(1.71)
где Т — температура, К; А,0 — теплопроводность газа при темпе ратуре 273 К, Дж/(м-К); п — постоянная для каждого газа. Значения п для некоторых газов приведены в табл. 1.7.
или, в общем виде, Л
(1.70)
где с — теплоемкость газовой смеси при постоянном давлении, Рем Дж/(кг-К); ср — теплоемкости компонентов газовой смеси при по стоянном давлении, Дж/(кг-К). Теплопроводность большинства газов при нормальных условиях Х0 может быть найдена экспериментальным путем. Влияние тем пературы на теплопроводность газов мож ет учитывается с помощью выражения
________________А ________________ + j
1 + -----(т ,А 2;1 +
ш — молярные доли компонентов в смеси; M i — молекулярные массы этих компонентов, кг/моль. Теплоемкость газовых смесей определяют либо опытным путем, либо по эмпирическим формулам, например из соотношения
\0 ,5
1+ ^ L Мl2J ,
Азот Аммиак Бензол Водород Воздух Гелий Диоксид серы
|
л 0,8 1,53 2,03 0,78 0,82 0,73 —
|
Газ (пар) Диоксид углерода Кислород Метан Метанол Оксид углерода Толуол Четыреххлористый углерод
|
п 1,23 0,87 1,33 1,74 0,8 1,8 1,21
Влияние давления на теплопроводность газов при высоких его значениях учитывается косвенным путем, через плотность газа, уравнением, которое применимо при у < укр [105]:
или, в общем виде, А,р = А +
Уг21
(1 -72)
где Xt и Xt — расчетные значения теплопроводностей при данной температуре и давлениях — данном и нормальном атмосферном соответственно, Дж/(м-К); В2 и п 2 — эмпирические константы (табл. 1.8). Для смеси газов коэф ф ициент теплопроводности Хсм мож ет быть определен только экспериментальным путем, т. к. закон аддитив33
Таблица 1.8 Значения постоянных В2 и п2 в уравнении (1.72) для различных газов В2, м3/К
кгс/м3
Газ
Кислород Природный газ Этиловый спирт
П2 1,25 2,0 1,24 2,11 1,2 1,3
1,3410-5 1,0-10-7 1,25-10“5 4,310~8 5,55-10-5 4,5-10_7
< 750 > 750 < 750 > 670 < 250 < 700
Диоксид углерода
Xсм = ЗбООЛ'сРсм^см ц /к',
ц2
2,5 1,67
(1.73) '
'
Атомность газа 1,9 1,4
1,7 1,3
1,7 1,3
{м
S
Л
~ 0,5'
1+
1+ —
т
и
1
,1 + — S2 Г )
1+ -!-
S — константа, зависящ ая от температуры (табл. 1.10).
Таблица 1.9 Значения постоянных А' и к' в уравнении (1.73) для различных газов
А’ к'
(
М 2
-
где А’ = 0,25(9 — 5Х'); к’ = с / с , — показатель адиабаты (табл. 1.9).
1
И1
Aj 2 = 0 ,2 5 1 +
ности для X не применим. Если известны теплопроводность и ди намический коэф ф ициент вязкости газовой смеси, то Хсм вычисля ется приближенно по формуле
Постоянные
\ 0,75
г
1,7 1,3
Теплопроводность смеси сильно разреж енны х газов, близких к идеальным, можно определять по зависимости, аналогичной вы раж ению (1.68) [119],
Таблица 1.10 Значение константы S в уравнении (1.74) для различных газов Газ A t, °С Лчот
118 377 71,7 114 416 240 138 198 118 325 357
Аммиак
Водород Воздух Диоксид серы Диоксид углерода Кислород Метан ( >ксид углерода Хлор Хлорид водорода
15-100 15-184 -2 0 -3 0 0 0 -300 15-100 20-300 15-190 15-100 16-100 13-100 13-100
Соотнош ение динамических коэф ф ициентов вязкости двух га зов может быть выраж ено зависимостью ср2
Ь_ ц2
[ 9 - 5 ^ ]
Для смеси неполярных газов Sj.2 = ^ S j5 2 . Если один из компо-
1 + — (hi2Aj,2 + Я13А13 + т 4А 14+...) т1 '
нентов смеси имеет неполярные свойства (аммиак, водяной пар), то ■ s i;2 = 0,733^S^s7 . Значение S можно вычислять и приближенно
1+ —
с помощью формулы 5 = 1,5Тшп, где Тшп — температура кипения газа, К [119]. Удельную энтальпию Н парогазовой смеси выраж аю т в соот ветствии с законом аддитивности как сумму удельных энтальпий компонентов смеси, например сухого газа Я сг и пара Нп [88]:
( n i j A ^ j + m 3A 2:3 + П74А 2;4+ . . . )
т2 или, в общем виде,
К* = £ ------------1=11+ — mi j=l где A.,j — некоторая постоянная, причем 34
(1.74)
Н
= Н с , + н пх ■
(1.75)
Удельную энтальпию перегретого пара определяют по урав нению Н п = сжtн + гt„ + сп [t ' п — tн
(1.76) 35
где сж — теплоемкость конденсата пара, Дж/(кг-К); tH— температура насыщения, соответствующая парциальному давлению пара в паро газовой смеси, К; г( — удельная теплота парообразования при тем пературе насыщения, Д ж /кг; tn — температура перегретого пара, К. Удельная энтальпия Ннп пара при температуре насыщ ения вы числяется по формуле Н Н.П = с Жt Н+ г.. tH
v(1.77)'
ииляются порозность и удельная поверхность частиц, а во втором — первостепенное значение имеет сорбционная емкость, определяе мая внутренней поверхностью частиц. Простейшая модель движ ения жидкости через слой осадка может быть получена, если представить этот слой в виде системы пор одинакового диаметра. В этом случае закон сопротивления слоя имеет вид 2
Для изолированной системы справедливо такж е равенство Н.Л = го + СА '
( 1-80)
где г0 — удельная теплота парообразования при О °С. С учетом вы раж ений (1.77) и (1.78) уравнение (1.75) примет вид Н = c j + (r0 + cnt)x.
d,
f1-78)
(1.79)
Уравнение (1.79) является базовым при построении диаграмм энтальпия—влагосодержание.
1.4. Гидродинамические характеристики процессов фильтрования Д вижение потока фильтрата через слой зернистых или кус ковых материалов, а такж е насадочных элементов разнообразных размеров и формы — часто встречающ ийся в промышленном про изводстве процесс. При заполнении дисперсионной средой свобод ного пространства между частицами слоя поток одновременно обте кает отдельные частицы или элементы слоя и движется внутри пор и пустот, образую щ их систему каналов переменного сечения. Распределение скорости сплошной среды в зернистом слое зависит от ее физических свойств (в первую очередь от плотности и вязкости), а такж е от физических и геометрических характе ристик дисперсного слоя. Структура зернистого слоя характери зуется порозностью слоя s; величиной удельной поверхности / т , отнесенной к единице массы или объема слоя; эквивалентным диаметром d3 и извилистостью каналов; скоростью витания от дельных частиц. Основная сложность при построении математической модели движ ения жидкости через слой зернистых материалов заключается в разграничении зернистых материалов по дисперсности и форме частиц, а следовательно, по гидравлическому сопротивлению слоя [78]. Обычно выделяют два крайних случая: 1) слой состоит из твер дых частиц, имеющих пренебреж имо малую пористость, и 2) порис тость частиц, слагающих зернисты й слой, велика (сорбенты). В пер вом случае основными гидравлическими характеристиками слоя
2
где Хсл — коэф ф ициент гидравлического сопротивления слоя; hoc — высота осадочного слоя, м; Un — скорость потока в порах осадка, м/с. При ламинарном реж им е движ ения жидкости по каналам осад ка, что для зернистого слоя соответствует значениям критерия Рей нольдса Re < 50, коэф ф ициент гидравлического сопротивления слоя определяется по формуле ка = A/Re,
(1.81)
где А — коэффициент, зависящ ий от условий взаимодействия по тока и слоя твердых частиц. С учетом этого Ар АС/ ц —— = s~ .
(1.82)
К с
Скорость жидкости в порах осадка Un связана со скоростью U, отнесенной ко всему сечению слоя, соотношением U = zUn. Подстановка значений Un и d 3 из формулы (1.30) в уравнение (1.82) с учетом ф актора формы частиц дает Л р _ 9 р жС /(1 -8 )2 р жГ (1 - в)2 . ~ А 2.2 3 ~ КК 2 3 ' К с 8 ф d4 s d 4 г
I1'88'
Выражение (1.83) назы вается уравнением К озени—Кармана, а константа к к — константой Козени. Ее численное значение, по данным различных исследователей, колеблется в пределах от 150 до 200 [19, 50]. Недостатком этого уравнения является то, что оно применимо только для достаточно медленных ламинарных течений, удовле творяющих условию ржШ /[ц ж(1 - е)] < 10, и при не слишком боль ших значениях порозности 8.
36 37
Существует ещ е один подход к определению гидравлического сопротивления A p /h oc, согласно которому Ар Кс
18(1 - е)р 17 ;Рж - /( е ) , d]
(1.84)
где
1 + - ( 1 - е ) 5/3 /(е) = ----- ~ Ц -------------------------- . 1 _ 3 (1_ £)1/з + 3 (1_ 8)5/ з _ (1_ е)2 2
(1.85)
2
Выражения (1.84) и (1.85) громоздки, но в отличие от уравнения К озени—К армана в них не содержится эмпирически определяемых параметров. Сравнив зависимости (1.83) и (1.84), можно увидеть, что в правых частях обоих выраж ений имеется множитель однако коэф ф ициенты перед этим множителем различные. Рассмо трим отнош ение этих коэффициентов: 18(1 - в )f(e)j кк{1~ £) = 18е3/(е) / k K(1 - 8).
Таблица 1.11 Средние значения константы Козени для различных засыпок Форма элементов засыпки
8
К
Округлые гладкие частицы Округлые шероховатые частицы Прямоугольные пластины Кольца Рашига Кольца Лессинга Седла Берля Пружины из проволоки Частицы неправильной формы Частицы геометрически правильной формы: монодисперсные шары цилиндры трубки диски кубы
0,35-0,45 0,40-0,50 0,20-0,48 0,60-0,82 0,87-0,89 0,60-0,77 0,68-0,77 0,37-0,54
173 184 172 158 179 174 169 180
0,37-0,41 0,32-0,43 0,82-0,86 0,34-0,45 0,32-0,43
167 166 180 157 165
• 11-8 и2 (1.88) Г = ?1сл ' з р 2 Кг d3 8 где X' — модифицированный коэф ф ициент сопротивления слоя, X' = /(Re ), a Re — модифицированный критерий Рейнольдса, Ар
(1.86)
Исследования показали [1], что в диапазоне значений порозности 0,3 < 8 < 0,6 при кк = 160 рассматриваемое отношение отличается от единицы в среднем лишь на ± 7 %, хотя функция /(е) изменяется более чем в 10 раз. Таким образом, оба подхода дают близкие результаты. Значения константы кк для зернистых слоев, состоящих из эле ментов различной формы, приведены в табл. 1.11. Закон сопротивления слоя для ламинарного реж им а движения потока удобно представлять в критериальном виде: La = АТ,
(1.87)
где La = Re-Eu — критерий Лагранжа, характеризую щ ий соотно ш ение сил давления и внутреннего трения в системе; Г = hoc/ d 3 — геометрический симплекс, равный отношению высоты слоя к экви валентному диаметру канала; А — опытный коэффициент, равный
200.
П риближенный расчет гидравлического сопротивления непод вижного зернистого слоя при 0 < Re < 200 можно провести с помощью номограммы, представленной на рис. 1.6. Потеря напора в слое при Re > 7000, что соответствует развито му турбулентному режиму, рассчитывается по схожему уравнению: 38
Рис. 1.6. Номограмма для определения Лр//го< в слое дисперсного материала при 0 < Re < 200: 1,2 — вспомогательные шкалы 39
обусловленный ф ормой mrm
= Y R p -/~ 2
' потока.
J
(1.89)
к° эффициенты, обусловленные реж имом движения
АО 2 (ри?Ф1.7)И0Что п о 7 т в % ™ е т с я “ e S значения от 1 44], в которых предложено п еп е п я л ! ^ Р ^ о м исследований [5, 6, виде суммы двух слагаемых в о ш о ^ ™ В СЛ° е пРеАставлять в потока в первой степени, а во второе - с к о р о Т т Г п о т ^ В своих работах [5, 6] ЭрГУН,„ Допуская, что зернистый слои представляет собой со вокупность извилисты х ш е роховатых трубок (причем все зернисты е слои имеют при м ерно одинаковы е х аракте ристики шероховатости), для монодисперсного слоя сф ери ческих частиц предлагает со отношение 31 сл
Ржи
1- е
(1.90)
105 Re м н й 17 \ 3аВИСИМОСТЬ показателя стеданным ЛеваРИТеРИЯ РеЙН0ЛЬ^ по
Э кспериментальны е дан ные позволяю т определить значение коэф ф и ци ен та со противления: 31сл/4 = it 1 7S |-р ГО. Тогда
е3 '
ОС
(1-91)
м ер а% Г ^ и м Т и Г н Г у“ ется, что пои п п п и « п . 1 т „
ж
*'
м
10 • Оказыва-
Аавлений в зернистом слое м о ж е Г б ы ^ Г н а ^ е н и ^ о о т Х е н и я ^
Ар = ОС
1,75рж[/2 1 - в (1.92)
которое назы вается уравнением Эргуна. При малых значениях параметра ржШ /[ц ж(1 — в)] оно переходит в уравнение К озени— Кармана, а при больших — в уравнение Бурке—Пламмера. В ряде работ [46, 80] при расчете сопротивления слоя в условиях турбулентного реж им а предлагается учитывать проницаемость слоя и шероховатость частиц: —
=^ и
1*ОС
+ 2рж— U 2,
кпр
(1.93)
d 3
где кпр — приведенный коэф ф ициент проницаемости слоя, м2; Д' — относительная шероховатость твердых частиц. Этот подход наиболее обстоятелен, поскольку входящий в уравнение параметр кпр = рж(/Лос/Д р позволяет учитывать реальные свойства пористых сред комплексно, в то время как сама пористая среда считается псевдогомогенной системой. Для засыпок, образованных монодисперсными частицами н е правильной формы, коэф ф ициент проницаемости может быть опре делен по уравнению [51] к "Р
= - — d 2. 9 к„ '■к 3
(1.94)
Для определения коэф ф ициента проницаемости засыпок, обра зованных полидисперсными частицами с известной ф ункцией рас пределения пор по эфф ективным диаметрам, используется выра ж ение g ^max
к пр = —
j d 32f(d 3)d(d3).
(1.95)
min
В критериальном виде для расчета гидравлического сопротив ления слоя зернистых материалов при турбулентном реж им е при менимы зависимости: в переходной области (60 < Re < 7000) — Eu = 7,6Re-°'2r, в области развитого турбулентного течения (Re > 7000) — Eu = 1,ЗГ.
(1.96) (1.97)
При расчете гидравлического сопротивления среды важно знать границу перехода ламинарного реж им а движ ения жидкости в тур булентный, характеризуемую величиной критического числа Рей нольдса ReKp. Сложность заключается в том, что для различных пористых сред и засыпок из частиц неправильной формы величина ReKp не является постоянной и зависит от порозности, проницае
40 41
мости и относительной ш ероховатости поровых каналов. П ракти чески неизменными значения Rекр остаются только для засыпок с схожими структурами порового пространства и одинаковой ш ерохо ватостью частиц. Средние значения критических чисел Рейнольдса для засыпок из различных материалов по данным [72] приведены в табл. 1.12. Таблица 1.12 Средние значения Reip для засыпок из различных материалов Виды засыпок
Размер частиц, мм Порозность
Активированный уголь, глинозем, силикагель Антрацит, керамзит Гравий Керамическая крошка Металлургический шлак Однородные сферические частицы Однородный песок Щебень
Reкр
1,50-10,0
0,48-0,52
0,29
• 0,25-10,5 2,50-16,0 0,20-7,5 0,20-1,5 0,25-30,0 0,25-5,5 3,00-11,0
0,38-0,48 0,30-0,43
0,16 0,55 0,11 0,12 0,59 0,27 0,39
— —
0,35-0,52 0,35-0,44 0,40-0,45
Значения Rexp мож но найти и через приведенный коэф ф ициент проницаемости слоя £пр, используя зависимость [115] ^■е хр = P*U ijk np Д гж .
(1.98)
Результаты графической обработки опытных данных [5] в виде зависимости ReKp = f(knp/ e 2/3) представлены на рис. 1.8. Рассмотренные выше уравнения К озени—Кармана, Бурке— Пламмера и Эргуна относят к группе так называемых капиллярных моделей, сопротивление слоя в которых зависит от извилистости каналов lnop/ h oc, пористости б и удельной поверхности пор / . Однако кроме них в литературе предложено множество иных иде ализированных моделей фильтрации [6, 41, 44, 46, 80, 90], обзор которых дан в работе [48]. Согласно струйным моделям фильтрации, основным фактором, определяющим характер движ ения потока в пористой среде, явля ется эф ф ект сж атия и расш ирения струй, возникаю щ ий под вли янием конфигурации отдельных ячеек слоя [6, 44, 90]. Для системы со сложной структурой порового пространства уравнения струйной модели малопригодны, поскольку требуют громоздких расчетов э ф ф екта сж атия и расш ирения струй. В моделях внешнего обтекания частиц дисперсной ф азы ж ид костью, фильтруемой через слой, течение рассматривается как со вокупность последовательных обтеканий отдельных частиц либо в 42
Рис. 1.8. Аппроксимации экспериментальных зависимостей ReKp = f(knp/e2'3) для различных материалов: 1 — засыпки из полированных сферических частиц; 2 — пористые материа лы из округлых гладких частиц; 3 — крупнозернистые засыпки из шерохо ватых частиц неправильной формы; 4 — мелкозернистые засыпки
предположении квазистационарности поля скоростей вокруг от дельной частицы, либо с учетом влияния пульсаций скорости в условиях стесненного обтекания частиц в абсолютно однородных слоях. Эти модели такж е предполагают определение формы и ко эф фициентов гидравлического сопротивления одиночных частиц, что является непростой задачей для частиц неправильной формы.
1.5. Тепломассообменные процессы в зернистом слое Теоретического описания закономерностей тепло- и массообмена в пористых средах на данный момент пока не предложено, что можно объяснить сложностью математических расчетов и большим числом влияющих факторов, учесть которые не представ ляется возможным даж е в идеализированных случаях. Поэтому в основу расчета интенсивности тепломассообмена в ходе фильтра ции пульпы на ф ильтрах полож ены идеализированны е мате матические описания, базирую щ иеся на критериальных регресси онных уравнениях и позволяющие проводить технические расчеты 43
в строго ограниченном диапазоне значений критериев Re, Рг, Ре и других. П рименяемые уравнения носят эмпирический характер, что потребовало большого объема экспериментальных исследо ваний. О тсутствие общ епризнанны х и норм ативно закрепленны х методик анализа тепло- и массообменных процессов в пористых средах затрудняет исследования в этой области и препятст вует созданию комплексной теории тепломассообмена в пористых слоях. Обзор литературы показывает, что при обработке опытных данных по тепломассопереносу при фильтрации различные ис следователи в качестве определяю щ их парам етров процесса используют разны е величины. Приводимые в литературе регрес сионные уравнения отраж аю т ход процесса в различных диапа зонах определяющих критериев, поскольку каждый из исследо вателей разбивал области Re, Рг, Ре, Gr, Sh и других критериев посвоему. Вдобавок, удовлетворительная воспроизводимость резуль татов экспериментов зачастую достигается лишь в той пористой среде, для которой получено данное критериальное уравнение [37, 38]. Большой вклад в обобщ ение экспериментальных данных по тепломассообмену в пористых средах внесли Г. А. Витков, Л. П. Хлопанов и С. Н. Ш ерстнев [45 —48], которые графическим путем сопо ставили приводимые в литературе критериальные уравнения и по лучили усредненные регрессионны е зависимости. Поиск аналогичных обобщ ений в литературе оказался безус пешным, поэтому сопоставить результаты работ [4 5 -4 8 ] оказалось не с чем. В связи с этим ниж е приводится краткое изложение результатов исследований Г. А. Виткова, Л. П. Хлопанова и С. Н. Ш ерстнева с некоторыми дополнениями и замечаниями. В целях достиж ения максимальной воспроизводимости р е зультатов эксперимента и упрощ ения вычислений на практике при анализе процессов тепломассообмена в зернистом слое исполь зуются идеализированные модели. Основные упрощ ения касаются формы и размеров частиц дисперсного слоя (засыпки). Обычно применяю т засыпки, состоящие из частиц правильной геометри ческой формы (шар, цилиндр и т. д.), имеющих одинаковые размеры или определенный диапазон размеров. Н аибольш ее число критериальны х уравн ен ий тепломассопереноса получено для засыпок, состоящих из сферических частиц, более всего приближенных по форме к дисперсным частицам реаль ных технологических пульп. Зависимости для конвективного теплои массопереноса в таких слоях носят сходный характер. Как известно, тепломассоперенос в дисперсных слоях напрямую связан с гидродинамическими особенностями обтекания элементов структуры слоя. Модель стесненного обтекания сферических час тиц, изложенная в работах Д. Хаппеля [118], Р. П ф еф ф ера [17, 18], К. К асика [13], Д. К арберри [3] и других авторов, легла в основу
теоретического реш ения задачи тепломассообмена в зернистом слое, образованном из шаров. Однако полученные ими описания весьма приближенно характеризую т процесс. Точного реш ения этой задачи до настоящего времени не найдено. Приближенные аналитические реш ения, предложенные авто рами названных выше работ для описания тепломассообмена в условиях стесненного обтекания частиц, в критериальной форме излагаются ниже. Каждой из приводимых зависимостей соответ ствует свой диапазон изменения эквивалентного критерия Рей нольдса. Включенный в состав регрессионны х зависимостей кри терий Прандтля, наряду с гидродинамикой обтекания, позволяет учесть ещ е и температурный фактор. Ограниченность прим ени мости приводимых уравнений узкими диапазонами чисел Re, Рг и Ре является следствием сложного влияния большого числа факторов, определяю щ их законом ерности гидродинамики и тепломассопереноса в пористой среде и не учитываю щихся полностью и в явном виде в критериальных уравнениях. При значениях 102 < Res < 103, когда течение жидкости по каналам соответствует развитому турбулентном режиму, величину критерия Nu, характеризую щ его интенсивность конвективного теплообмена, можно определить из уравнений: Nu = 0,93[е - 0,75(1 - е)(е - 0,2)]~1/2Pr1/3Re1/2;
(1.99)
Nu « Pr1/4Re1/2;
(1.100)
[1 - (1 - е ) 1 /3 ] Рг1/3 R e1/3 1 -------- Г75------------- 2 ' N u = 1.26-----2 - 3(1 - e) + 3(1 - e) - 2(1 - s)2
(U 0 1 )
М ожно заметить, что в области развитого турбулентного тече ния большое влияние на интенсивность теплообмена оказывает показатель порозности слоя, соответствующий доле объема осадка, не занятого твердой фазой. О бъясняется это тем, что с умень шением эквивалентного диаметра каналов сущ ественно возрастаю т скорость и турбулентность потока жидкости. При меньших скоростях движения жидкости в уравнения необходимо вводить поправку на испарение жидкости с поверх ности непористых частиц, растворение элементов зернистого слоя в потоке различных жидкостей, сублимацию зерен в газовом потоке, нагревание и охлаждение потока или слоя, в то время как пока затель порозности теряет свое первостепенное значение [32]. Для таких условий мож но использовать обобщ енны е вы раж ения, основанные на обширном экспериментальном материале. В приводимых уравнениях в качестве характерного разм ера использован эквивалентный диаметр пор йэ. За скорость газа U принято ее усредненное значение по сечению слоя. При 10“ 2 < Re < 30 45
44
N u3 = l,2 P r1/3 R e3/3;
( 1. 102 )
при 0,6 < Рг < 10 и 1 < Re3 < 2 N u3 = 0,515 Рг1/3 Re°'85;
(1.104)
при 0,6 < Рг < 6 4 0 4 и 0 < Re3 < 5 1 0 5 N u = 0,395Pr1/3Re:j;
(1.105)
(1.107)
ри
I
пр
Z FiK p 1 = 1 __________
р [/
рак пр
(1.108)
рU
(1.106)
где Агэ — эквивалентное значение критерия Аррениуса. Теоретические решения, полученные Д. Хаппелем, Р. П феффером, К. Касиком и Д. Карберри для частиц сферической формы, дают сопоставимые результаты, удовлетворительно согласующиеся сэкспериментом в области переходных чисел Рейнольдса, и подтверждают сущ ествование аналогии между процессами переноса тепла или вещ ества в слое при Re -» 0, Рг » 1 и Рг » 1. Узость диапазонов Re, Рг и Ре в уравнениях (1.99) —(1.106) и при менимость только для сферических частиц, слагающих слой, затруд няют использование этих формул при проведении численных расче тов для реальных технологических пульп [87]. В связи с этим очевидна необходимость поиска модели, которая устранила бы указанны е недостатки. Попытка создания таковой предпринята Г. А. Витковым, Л. П. Хлопановым и С. Н. Ш ерстневым [45 —48]. Разработанная ими модель тепломассопереноса в пористых средах построена на безразм ерны х комплексных величинах, учитывающих относительную значимость известных критериев Архимеда, Грасгофа, Прандтля, Рейнольдса, Ш мидта и Шервуда. Предположим, что среда является псевдогомогенной, в качестве определяющих параметров примем ^&пр (кпр — константа проница емости, м2), среднюю скорость фильтрации U и особенности внут ренней структуры пористой среды, учитывающиеся коэф ф и ци ентом дополнительных сопротивлений турбулентной фильтрации п. Критериальное уравнение межфазного переноса может быть записано в виде 46
рак.пр
где J — отнесенная к единице объема сила, которая для случая переноса импульса равна Др /1 и вызывает перенос тепла или массы в пористой среде; р — вязкость жидкой фазы, к г/м 3; р — дина мический коэф ф ициент вязкости жидкости, Паю; а — удельная поверхность слоя, м2/м 3. Обозначим
А = Re 1 + —— Re+ i=i yfk р [/
при 10-2 < Re3 < 2 и 10-2 < Рг-Агэ < 5 4 0 7 Nu3 = 0,32(РгАгэ)1/4,
tV n p t F,k пр I 3/2„ п i=i______ , i=i 1 + Re+ J - * £ - Re р [/ р [/ л[к ц
(1.103)
при 2 < Re3 < 30 N u3 = 0,725 P r1/3 Re°'47;
/
,3 /2
S =J ^ . Ц
(1-109)
Безразмерны й комплекс (1.108) имеет смысл обобщ енного критерия гидродинамического подобия для процессов конвектив ного переноса в пористых средах, инвариантного по отношению к виду и особенностям структуры пористой среды. В частных случаях (при п = 0) он переходит в критерии подобия Рейнольдса, Ар химеда, Грасгофа и др. С учетом принятых обозначений на основании (1.107) справед ливо равенство S = А. Сила, вызвавш ая перенос массы, будет равна з 3 tc liD
J = ( p 7 / D) 3 — V
(1. 110)
где р — усредненный по объему слоя коэф ф ициент массообмена, м/с; 1 — толщина слоя, м; D — коэф ф ициент молекулярной диф фузии, м2/с; V — объем жидкости, находящейся в порах осадка, м3. Выделим в объеме пористого слоя некоторый единичный объем в виде куба со стороной, равной толщине слоя
1 = ^ к пр , внутри
которого осущ ествляется элементарный перенос массы. О бъем жид47
кой фазы, находящейся внутри этого элементарного объема, с уче том коэф ф ициента порозности е будет равен V = в * 372 . Тогда, под ставив в вы раж ение (1.109) значение J из уравнения (1.110), получим S =
Зк
Dp D
где и/Ар = рг
каких-то внешних воздействий. Если пренебречь воздействием внешних факторов, то эти слагаемые можно опустить. С учетом этого допущения уравнение (1.113) примет вид 1/3
I
( 1. 111)
Nu т(д) = Рг.щ(ег)'
Re+ Зп
/ D - Nu? — дифф узионное число Нуссельта (Шервуда).
В кРитеРиальном виде формула (1,111) может быть записана следующим образом:
( 1. 112)
Рг
т е ч е ™ ™ ™ ^ 1^ - 5 ^ ' 107’ И УЧ" ТЫВ“ ' " го ’Трбуденш ог» Г.ГЧОЛО величина к - 32, для процесса массопереноса в пористой среде окончательно получим
ш{дг) ~
<3пJ
п Re 1 + - — Re+ л[к
пр
пр
i=i
(=1
HU
ни
рак пр ни
(1.113) Ввиду подобия процессов тепло- и массопереноса, кри те риальное уравнение теплопереноса мож ет быть записано анало гичным образом, с заменой дифф узионны х критериев Nu и Рг со ответствующими им критериями подобия для процессов тепло обмена- Согласно этому обобщ енное критериальное уравнение межфазного тепломассопереноса в пористых средах можно записать в ЬИДс 1/3
NUTW^ Ргга(?)
-) .3 п )
.1 /3
(1.114)
где Л
функция пористости зернистого слоя.
п
п о с л е Ан и х слагаемых уравнения (1.113) отвечают наличию
внутренних течении в порах осадка, возникаю щ их вследствие
' £ V/3
m(g)'
•Re
1/3
(1.116)
37Г
Для удобства сопоставления уравнений (1.103) и (1.116) п ере пишем уравнение (1.103) в виде ,1 /3
Nura(ff) = U P r Рг
(1.115)
Выражение (1.115) по ф орме отвечает тепломассопереносу в изолированной системе в условиях турбулентного течения ж идко сти или газа по каналам осадка. Для ламинарного реж им а (Re < Rexp) в уравнении (1.115) исчезает поправка на турбулентность потока и уравнение упрощается: ту 1/3
S = 371
Nu 9 =
-Re 5,65
И
дифф узионный критерий Прандтля (Шмидта);
1/3
л 1/3
/ Е Л"3
1
•R e173.
(1.117)
\ к кК /
Нетрудно заметить, что уравнения (1.116) и (1.117) внеш не сход ны. Отличие состоит в наличии коэф ф ициента пропорциональности и характерны х параметрах в критериях Нуссельта и Рейнольдса. Поскольку величина константы К озени—К армана кк зависит от формы, сечения и извилистости пор, а для уравнения (1.103) в работе [32] не приведены диапазон значений пористости и виды засыпок, для сравнения коэфф ициентов в вы раж ениях (1.116) и (1.117) можно принять средние значения к к = 4,65 и е = 0,39, что справедливо для стационарных зернистых слоев с неупорядоченной укладкой частиц. В этом случае значения коэф фициентов в урав нениях будут равны 0,34 и 0,29 соответственно. Заметим, что р аз ница между ними составляет 15 %. Анализ конвективного теплообмена в слое частиц включает два аспекта: определение коэф ф ициентов теплообмена между теплоно сителями и установление закономерностей распределения тем пе ратур в объеме слоя. Здесь основное внимание уделяется оценке интенсивности теплопереноса; вопросы расчета теплоносителей подробно рассматриваю тся ниже. Характерной особенностью конвективного теплообмена в слое частиц является высокая интенсивность переноса теплоты между теплоносителями. Она объясняется ранней и довольно сильной
48 49
турбулизацией газовой ф азы из-за сложной формы каналов для прохода газов со случайным чередованием суж ений и расширений, поворотов и т. д. В целом, теплообмен в слое — сложное явление, определяю щ ееся многими факторами [84], главными из которых являю тся следующие: 1) температура на поверхности и в глубине дисперсного слоя определяется не только передачей теплоты от газа к частицам материала (внешний теплообмен), но и отводом теплоты внутрь его (внутренний теплообмен); 2) внеш ний теплообмен в плотном слое осадка включает пере дачу теплоты от частицы к частице за счет теплопроводности и конвекции; 3) внутренний теплообмен определяется размером и формой частиц, их теплопроводностью и интенсивностью развития тепло вых явлений на их поверхности. При расчетах теплообмена в неподвижном слое рекомендуется использовать формулы В. Н. Тимофеева, которые позволяют вычис лить средний для всего слоя коэф ф ициент теплоотдачи: N uM = 0,106Reci при 20 < ReM < 200;
(1.118)
N uM = 0,61 R e ^ 7 при ReM > 200.
(1.119)
Формулы В. Н. Тимофеева дают хорошие результаты для тер мически тонких частиц правильной сферической или близкой к ней формы [43]. В них отсутствует величина порозности слоя е. Влияние £ на интенсивность теплопереноса от газа к поверхности частиц слоя можно выявить из формулы Р. Ешара: N u3 =
2б
/ (1 - s) + Re°'5+ 0,005R e3,
НУ, / V, d 1 / d i ) = У, / V + (У2 / y )(d t / d 2)2+...+(Vn / V)(d, / d j 2 Vi / У + (V2 / y )d j / d 2 +.. .+(У„ / У )dt / d n п эквивалентный диаметр частиц слоя, входящий в числа Ren и Nun, d, = [У/lV d ,) + V2/(V d 2) + ...]->. Строгое реш ение задачи теплообмена в слое при неравно мерном газораспределении может быть обеспечено лишь на основе достоверной информации о поле скоростей газа в агрегате. При этом для вычисления локальных коэф фициентов теплоотдачи а Рл (значений a F в данной точке) в условиях неподвижного слоя может быть рекомендована формула В. Б. Щ ербатского Ыид = [0,31 - 0,3ехр(-0,0076 Re^)] - R e^+0’66ехр(-° 0175Re-)!, (1.123) и которой в качестве определяющих параметров при расчете ло кальных чисел N u3 и Rea приняты эквивалентный диаметр частиц и локальная скорость газа в слое. Для слоя шероховатых частиц неправильной формы коэф ф ициент п = 0,67, а для слоя ш аро образных частиц п = 0,625. Все указанны е формулы характеризую т конвективный тепло обмен в слое термически тонких частиц. В тех случаях, когда на результирующую интенсивность теплопереноса заметно влияет вну тренний теплообмен, следует использовать суммарный ко эф ф и циент теплопередачи k v определяемый по формуле [103]
(1.120) k v = [ а ' 1 + d 2 / [А( 1 - s)XH]]~\
где N u3 = (<хД А г)б/(1 - в); Re3 = ( U d / v ) / ( 1 - е); a F — коэф ф ициент конвекции близ поверхности частиц, Вт/(м2 К); Хг— коэф ф ициент теплопроводности газа (воздуха), Вт/(М'К); vr — кинема тический коэф ф ициент вязкости газа, м /с. Формула (1.120) спра ведлива для однородного по размерам частиц слоя при Рг = 0,7 и 100 < ReM < 4000. Число Рейнольдса рассчитывается по скорости фильтрации, теплофизические свойства соответствуют средней тем пературе системы. Для полидисперсного неподвижного слоя, включающего час тицы ф ракций d v d2, ..., dn, формула Ешара принимает вид N u3 =
[ 2 s cm/ ( 1
- e J ]/(У/У, d/d,.) + Re05 + 0,005Re3. (1.121)
Здесь s cm — средняя порозность смеси частиц (слоя); У. и У — объем соответственно ф ракции и слоя в целом: 50
(U 2 2 )
(1.124)
и которой коэф ф ициент А = 60 для частиц сферической формы и 75 — для частиц неправильной формы, а км — теплопроводность вещества частиц.
1.6. Общие закономерности процессов фильтрования Ранее уж е отмечалось, что движ ение сплошной среды сквозь слой дисперсного материала — достаточно распространенное явле ние в промышленных технологиях, и в первую очередь это отно сится к процессу фильтрования. Под фильтрованием понимают процесс разделения неодно родных систем (суспензий и аэрозолей) при помощи пористых перегородок, пропускаю щ их сплошную (дисперсионную) среду и задерживающ их дисперсную твердую фазу. 51
Аппарат для проведения этого процесса назы вается фильтром, осевш ий на перегородке слой твердых частиц с некоторым содер жанием жидкости между ними — осадком, а прошедшая через него жидкость — фильтратом. Н а практике могут представлять ценность либо оба продукта фильтрования (осадок и фильтрат), либо один из них. Как указывалось, движущ ей силой процесса является разность давлений в разделяемой суспензии и за фильтрующ ей перего родкой. О на расходуется на преодоление гидравлических сопротив лений слоя осадка и перегородки. На рис. 1.9 представлена схема процесса фильтрования, где р, > р2 и движущ ая сила Др = р, — р2. Фильтрование и филь тры можно классифици ровать по нескольким признакам [106]: Суспензия 1) по действую щ ей силе: а) гидростатический Осадок напор (дренирование), б) повышенное давление Фильтрующая перегородка перед перегородкой или вакуум позади нее, в) цен Фильтрат тробеж ная сила; 2) по целенаправлен ности: получение а) сухо го осадка, б) чистого Рис. 1.9. Схема процесса фильтрования фильтрата, в) сухого осад ка и чистого фильтрата одновременно; 3) по реж им у фильтрования: а) непрерывное, б) периодическое (последнее, в свою очередь, может протекать с постоянной ско ростью, при постоянном давлении или при изменении обеих величин); 4) по механизму процесса фильтрования: а) с образованием осадка на поверхности фильтрующ ей перегородки, б) с закупоркой пор фильтрующ ей перегородки; 5) по характеристикам осадка: а) сжимаемый и б) несж и маемый. Ф ильтрование используется для разделения суспензий, содер ж ащ и х тверды е частицы, крупность которы х не превы ш ает размеров пор фильтрующ ей перегородки. С овременное фильтра ционное оборудование способно отделять частицы крупностью от единиц микрометров до нескольких миллиметров. Фильтрование сопровождается химическим и физико-хими ческим взаимодействием между жидкой средой, дисперсной фазой, перегородкой и корпусом фильтра. В подавляющем большинстве случаев это взаимодействие приводит к нежелательным последст52
пням, например быстрому росту гидравлического сопротивления, разрушению перегородки, наруш ению целостности фильтра и пр. Поэтому структура осадка и перегородки, а такж е свойства ж ид кости играют важную роль при фильтровании. От этих факторов зависит в итоге и реж им процесса [4, 58]. Общая теория фильтрования описывает лишь те законом ер ности, которые свойственны всем перечисленным в классификации типам и режимам протекания процесса. Ее основой является эм пирический закон Дарси, открытый на основе изучения фильтрации жидкости сквозь естественные грунты ещ е в 1852—1855 гг. С о гласно этому закону объем фильтрата, проходящего через единицу поверхности фильтра за единицу времени, прямо пропорционален разности давлений и обратно пропорционален общему сопротив лению осадка и фильтрующ ей перегородки. Д арси установил, что при постоянном сопротивлении грунта расход жидкости, прохо дящей через поперечное сечение слоя, прямо пропорционален гидравлическому уклону, равному потере напора по высоте слоя, и обратно пропорционален сопротивлению грунта: FAH Q = ---------= Fi / RCJl, Л А
(1.125)
где О — объемный расход фильтрата, м3/с; АН — потери напора в слое, м; Лсл — высота слоя, м; Ra — сопротивление слоя грунта, м^е/м3; F — площадь фильтрации, м2; i — гидравлический уклон. При рассмотрении закономерностей общей теории фильтро вания вводится допущение, согласно которому поры осадка имеют цилиндрическую форму, причем диаметры всех цилиндров одина ковы, а их длина равна толщине фильтрую щ ей перегородки (так называемый идеальный фильтр). При переходе к реальным случаям вводят поправки (например, при помощи эмпирических ко эф ф и циентов фильтрования). На основании закона Дарси и в предположении, что значение морозности фильтрую щ ей перегородки постоянно по сечению, уравнение кинетики фильтрования, согласно (1.83), можно пред ставить в виде [57] dV Fdx
е3
Др
(1.126)
k K{1 - е ) 2 ц жЛ0
где V — объем фильтрата, м3; т — продолжительность фильт рования, с. В действительности уравнение кинетики фильтрования имеет б<>лее сложную форму, поскольку величина г мож ет изменяться как но сечению слоя, так и во времени, что обусловлено непостоянством скорости движ ения фильтрата и зависимостью порозности от 53
состояния поверхности, на которой происходит образование осадка. Влияние скорости фильтрования особенно значимо на начальном этапе ф ормирования осадка, поскольку в этот период мелкие час тицы суспензии проникаю т в поры перегородки, вызывая ее за купоривание. Забивка пор фильтрующ ей перегородки мож ет вы зывать резкий скачок ее сопротивления, что негативно отраж ается на всех последующих стадиях разделения и сниж ает регенера тивную способность фильтроткани. Х арактеристики осадка сказываю тся на эффективности филь трования в неменьш ей степени. Как уж е отмечалось, основным влияющим фактором является показатель сжимаемости осадка. С о противление несж имаемых осадков неизменно во времени вследст вие постоянства порозности и незначительно зависит от перепада давлений и скорости осаждения. У сжимаемых осадков по мере роста давления фильтрования происходит уменьш ение порозности и, как следствие, наблюдается рост сопротивления движению фильтрата. Отметим также, что у сжимаемых осадков, в отличие от несжимаемых, зависимость между порозностью и давлением филь трования носит нелинейный характер, а у сильно сжимающихся осадков (гидроксидов ж елеза и меди, волокнистых, высокопористых материалов и др.) увеличение Ар сверх некоторого критического значения приводит к уменьш ению скорости фильтрования (рис. 1.10). Рисунок демонстрирует наличие некой оптимальной величины движущ ей силы, при которой производительность фильтра О = AV/Дт в случае сжимаемого осадка максимальна. При фильтровании с закупориванием пор образования осадка не происходит, а дисперсные частицы закупоривают поры фильтру ющей перегородки. Для реализации этого реж има необходимо, чтобы крупность твердых частиц не превышала диаметра межзерновых каналов. Следствием этого будет проскок некоторой части дисперсной ф азы в фильтрат, что приведет к повышению его мутности. П редельную зад ер ж и вающую способность п ере городка приобретает после непродолжительной работы в результате ум еньш ения эффективного разм ера пор осевшими в них мелкими частицами или из-за обра зования сводиков над вхо дом в поры. Поэтому мутРис. 1.10. Влияние давления фильтро- ность фильтрата в начале вания на производительность фильтра процесса ещ е не свидетельдля несжимаемого 1 и сжимаемого 2 ствуют о непригодности исосадков пытываемой перегородки. 54
Если подобная картина наблю дается при фильтровании с образованием осадка, то для того, чтобы исключить появление мутного фильтрата в начале процесса, при снятии осадка оставляют его тонкий слой на перегородке или начинаю т фильтрование при низком перепаде давлений. Изменение давления при фильтровании не всегда целесооб разно, так как это требует использования дополнительных регу ляторов, в широких пределах варьирую щ их мощность насосных установок. В связи с этим наиболее часто используемым режимом протекания процесса является ф ильтрование с образованием осадка, проводимое при постоянном перепаде давлений. Для определения типа процесса фильтрования при постоянном давлении устанавливаю т линейные зависимости между различными переменными, которые могут быть измерены в реальном процессе. Ниже приведены линейные зависимости для различных типов филь трования [81]: с полным закупориванием пор — q— и; с постепенным закупориванием пор — х—x/q; промежуточный — т— 1/и; с образованием осадка — V—т/V, здесь q — удельная производительность фильтра, т. е. объем филь трата, получаемый с единицы поверхности фильтрующей перего родки, м3/м 2; и — объем осадка, отложившегося на фильтрующей пе регородке при прохождении единицы объема фильтрата, м3/м 3, т — продолжительность фильтрования, с; V — объем фильтрата, м3. Во всех случаях процесс фильтрования стремятся организовать гак, чтобы он протекал с образованием осадка и по возможности исключалась закупорка пор фильтрую щ ей перегородки. Для этого в последнее время широко используются специальные вспомога тельные вещества, образую щ ие на перегородке осадок, улавлива ющий мелкие частицы, что особенно эф ф ективно при фильтрова нии разбавленных суспензий. Сопротивление фильтрования R в общем случае мож но пред ставить в виде суммы сопротивлений осадка Roc и фильтрующ ей перегородки Rn : R = Roc + Rn. Сопротивление осадка пропорционально его толщине h : Кс = Ч с ° С (!-127) где Roc — сопротивление осадка при фильтровании под действием разности давлений, Н'С/м3; г — удельное сопротивление осадка, 11-с/м4, т. в. сопротивление осадка высотой 1 м, отложенного на площади 1 м2. Объем осадка, отложившегося на фильтре, мож но выразить как произведение площади F фильтра на толщину hoc осадка или через объем V прошедшего фильтрата. Тогда объем осадка будет равен uV. ( Следовательно, 55
Fh^ = uV,
(1.128)
Решив уравнение относительно q, определим удельную произ водительность фильтра:
откуда толщина осадочного слоя составит h o c = u — = uq. F
(1.129)
Подставив значение Лос в уравнение (1.127), найдем сопро тивление осадка Я с = ruq
(1.130)
и получим следующее вы раж ение для сопротивления ф ильт рованию: R =
Яос+ Rn = ruq + Rn.
(1.131)
Отсюда скорость движ ения жидкости в расчете на свободное пространство аппарата составит гг= — v= -2-Я = -Ар U ^. Fx х R
(1.132)
Как видно из уравнений (1.131) и (1.132), сопротивление R по мере образования осадка и увеличения его толщины возрастает, а скорость фильтрования уменьшается. Перепиш ем уравнение (1.132) в дифф еренциальной форме с учетом (1.131). Тогда U =
dq dx
Ар = ---£---- , ruq + Rn
(1.133)
или dx
ruq + R„ = ------- d q . Ap
Интегрируя это вы раж ение в пределах от 0 до т и от 0 до q, определим продолжительность фильтрования: Ч x = J ШЯ , К ' dq. Ар о Ч Ар После интегрирования получим
1= п 2Ар 56
н Vги )
2Ар
т
ги
Ар
(1,134)
(1.135)
уГи
Из уравнений (1.134) и (1.135) следует, что сопротивление, встречаемое потоком фильтрата, по мере накопления осадка воз растает, поэтому постоянство этого потока во времени (следова тельно, и максимальная производительность фильтра) м ож ет поддерживаться лишь при непреры вном увеличении разности давлений. Такой рабочий реж им обеспечивается путем нагнетания сус пензии поршневым насосом. При использовании сжатого газа и вакуумирования Ар = const и с ростом высоты слоя скорость дви ж ения фильтрата снижается, а производительность фильтра падает. Если суспензия подается центробежным насосом, то в пределах его рабочей характеристики по мере нарастания слоя осадка проис ходит увеличение Ар, которое сопровождается уменьш ением потока фильтрата.
1.7. Фильтрование с образованием несжимаемого осадка К ак уж е отмечалось, основны м свойством несж им аем ы х осадков является постоянство их пористости и сопротивления потоку движущ ейся по каналам жидкости в течение всего процесса фильтрования. Данное утверж дение справедливо и для несж им а емых фильтрующ их перегородок (например металлических, порис тых керамических или стеклянных), но численное значение их удельного сопротивления мож ет сущ ественно отличаться от тако вого для осадка. Раздельный ж е учет Rx и Rn сильно усложняет модель. Для упрощ ения расчетов допускают, что перегородка имеет небольшую толщину и ее сопротивление потоку фильтрата пре небрежимо мало [94]. В таком случае в уравнении (1.126) можно объединить посто янные величины, характеризую щ ие свойства данного осадка, и с учетом R * Roc получить
R = М 1 з~ 2£)2 • s dЧ
+M
ч
I1' 136»
После соответствующего преобразования уравнение (1.126) при мет вид 57
dV
Ар
= ----- *— . Fdx R p x h oc
(1.137)
Выразим толщину отложившегося осадка hoc через объем про шедшего фильтрата, учитывая пропорциональность объемов осадка и фильтрата. Связь между массовой долей дисперсной ф азы в исходной сус пензии ам и толщиной осадка описывается уравнением ам = hocFpm•(1 — s). М ассовое отношение Т : Ж можно выразить как
ам
_ KcFpmi1-*
1 ~ ам
РЖ(У + *РК с)
где Урж — масса фильтрата; hocFzрж — масса жидкости, задерж ав шейся в порах осадка. Используя последнее уравнение, определим высоту осадка:
Таким образом, фильтрованию при постоянном перепаде дав лений отвечает линейная зависимость между отношением х / 7 и V. Итогом интегрирования вы раж ения (1.137) при постоянной скорости будет т Д р жп — = , V. V ApF
Последнее уравнение свидетельствует о наличии прямо про порциональной зависимости между Ар и V. Если фильтрующая перегородка не отвечает условию, приня тому в начале раздела, и ее сопротивлением потоку фильтрата пренебречь нельзя, вы раж ение (1.126) необходимо переписать в общем виде с раздельным учетом сопротивлений осадка и пере городки:
№ h
=. °мУРж F [ ( l - E ) ( l - a J p m - а мерж]
и его объем после прохождения единицы объема фильтрата: и = --------------Р£«---------------. ( 1 - е ) ( 1 - х ) р ш - а мерж Окончательно связь между толщиной осадочного слоя и объ емом фильтрата выраж ается зависимостью ЛОС = Vu/F.
(1.138)
т _ КРЖЦ у V 2Аp F 2 58
(1.139)
[1.141)
dV
Ар
Fdx
гцж (Л0С+ Л п)
(1.142)
В соответствии с уравнением (1.138) запишем dV
Д ифф еренциальное уравнение (1.138) можно проинтегрировать для двух реж имов фильтрования (при постоянном давлении и при постоянной скорости). В результате интегрирования (1.138) при Ар = const получим
= ____ *£ _____ . + « ,)
Следует учитывать, что под сопротивлением перегородки по нимаются не только помехи, создаваемые ее материалом, но и препятствие со стороны тонкого слоя осадка, оставшегося на ней после предыдущего цикла. При фильтровании суспензии с н еи з менными во времени свойствами на конкретной фильтрующ ей перегородке в условиях устоявш егося процесса сопротивление Rn можно считать постоянным. Для того чтобы проинтегрировать уравнение (1.137) и выявить закономерности кинетики процесса с учетом Rn, необходимо видоизменить его, учтя толщину фильтру ющей перегородки Лп и допустив приблизительное равенство удельных сопротивлений осадка и перегородки:
На основании полученного соотношения уравнение кинетики фильтрования приведем к виду ^ = dx Rpx uV
(1.140)
ApF Vu + hи — vF /
ApF2
(1.143)
um
П олученное вы раж ен и е н азы вается основны м уравнением процесса фильтрования. Путем его интегрирования определяется связь между объемом получающегося фильтрата и продолжи тельностью процесса, учитывающая характеристики суспензии (рж), 59
т,
осадка (г, Лос) и фильтра (RJ. Так же, как и уравнение (1.138), его интегрирую т для двух случаев. Для фильтрования с постоянным перепадом давлений после интегрирования в пределах от V = V, и т = до V = V2 и т = т2 получится зависимость
гр и
VV, = ApF
и
(U47)
ApF
Выражение (1.146) можно привести к виду
(1.144) 2
гржл„
и
щ жи
(1.148)
Ц1Ж11
аналогичному известному уравнению Рутса [49] ИЛИ
V2 + 2CV = Кх, То
т. (V 2 - Vi) +
V2 - Vj
ApF
гРжц у + £ p A l A pF 2 1 ApF
(1.145)
В реальном процессе достичь постоянства давле ния на начальном этапе фильтрования практически невозможно, следовательно, на основании уравн ен ия (1.145) можно сделать вывод о наруш ении линейности зависимости между
V2 -V 1
( в этот период И V2 (рис. 1.11). Поэтому уравне ние (1.145) применимо для Рис. 1.11. Кривая фильтрования несжи описания процесса ф иль маемого осадка на несжимаемой филь трования при постоянном трующей перегородке при Др = const перепаде давлений только по истечении некоторого времени т, от начала фильтрования, необходимого для стабилизации давления в агрегате. Фильтрованию с постоянной скоростью подобный эксцесс не свойственен, и в качестве пределов интегрирования уравнения (1.143) можно взять т = О, V = 0 и т = т,, V = V,. После инте грирования получим ApF
г»жи V1 + или 60
где К — константа, комплексно учитывающая физико-химические свойства осадка и фильтрата, м3/с; С — объем фильтрата, который, проходя через 1 м2 фильтрующ ей поверхности, образует осадок, со противление которого равно сопротивлению фильтрую щ ей п ере городки, м3. Отличие между ними заключается только в отсутствии коэф ф ициента 2 перед V, в уравнении (1.148). Рутсом тож е был предложен раздельный учет сопротивлений осадка и перегородки, причем ^
= KV,
(1.150)
Rn = КС.
(1.151)
где
Используя введенные обозначения, для реж им а фильтрования при Ар = const уравнение (1.141) можно представить в виде
dr
Л-Р— . K (V + С)
и У
(1.146)
(1.152)
Обозначив А р /К = к', получим общее уравнение скорости фильтрования: (V + Q d V = k'dt.
(1.153)
Проинтегрируем выраж ение (1.153) в пределах от 0 до (V + С) и (т + т0): V +С
F1
(1.149)
J
о
т+ то
(V + C)d(V + С) = к'
Jdx
(1.154)
о
и в результате получим параболический закон фильтрования 61
V
+ C)2 = i'(T + T0),
av _ л dx 2(V + С ) '
(1.155)
Уравнение (1.160) удобно представить в виде
где т0 — продолжительность образования слоя осадка с сопро тивлением, равным сопротивлению фильтрующ ей перегородки, с. Обозначив 2к' через К, перепиш ем уравнение (1.155) в виде (У + С)2 = К( т + т0).
С2 = Кх.
(1.157)
Выведенное Рутсом уравн ен ие (1.149) удобно использовать для определе ния констант фильтрования С и К, которое может вы полняться как с прим ене нием математического ме тода, так и графически. В Рис. 1.12. Кривая фильтрования в коор любом случае для реш ения динатах У, х и (У + С), (т + т0) задачи потребуются опыт ны е зн ачен ия объемов фильтрата У( и У2 и данные о времени, за которое они собраны, и т2 [68]. М атематический подход реализуется путем реш ения системы уравнений, составленной на основе (1.149): V* + 2CVj = Кхг 2 • V22 + 2СУ2 = Кх2
dx
2 = — (V + C). dV К
(1.156)
Графическое изображ ение полученной зависимости в коор динатах У—т и (У + С )— (т + т0) представлено на рис. 1.12, откуда следует, что верш ина кривой будет совпадать с началом координат лишь в том случае, если, кроме сопротивления осадка, учитывается сопротивление фильтрующ ей перегородки. Для начального момен та, когда х = 0 и У = О, уравн ен ие (1.156) п ри н и мает вид
(1.160)
(1.161)
Последнее уравнение и является основой графического определе ния констант К и С.Для этого на оси ординат откладывают вели чину, обратную скорости фильтрования, d x / d V * Ат/А У, а на оси абсцисс — объемы собранного с единицы поверхности перегородки фильтрата V (рис. 1.13). Экстраполируя построенную по опытным точкам прямую до пересечения с абсциссой, находят величину константы С, а тангенс угла наклона прямой отвечает К. В некоторых случаях априори известно удельное сопротивление осадка и перегородки г. Так, сопротивление перегородки может быть указано фирмой-производителем, а сопротивление осадка при проведении оценочных расчетов мож ет быть принято в соответст вии со справочными данными. Если все эти сведения имеются, константы фильтрования могут быть определены при совместном рассмотрении уравнений (1.148) и (1.149). Константа фильтрования К, отнесенная к 1 м2 фильтрующ ей поверхности, связана с удельным сопротивлением осадка зависи мостью Куд = 2Др/(цжгц),
(1.162)
к „ = 2Др(1 - еам)/(цжгамрж).
(1.163)
И ЛИ
(1.158)
Для простоты графического реш ения предварительно продиф ференцируем уравнение (1.149) по переменным У и т: 2(У + Q d V = Kdx или 62
(1.159) Рис. 1.13. Экспериментальная зависимость Ах/АУ = /(V) для определения констант фильтрования К и С 63
Если константа Куд известна, то два последних выраж ения могут такж е использоваться для определения удельного сопротивления слоя. Аналогично С уд =
Гп/ Ш <
(1Л64)
^
^ л У К Р ж )'
( 1Л 6 5 )
ИЛИ С уд =
“
где Суд = C /F — константа С, отнесенная к 1 м2 фильтрующей поверхности, м3/м 2; гп — удельное сопротивление перегородки, Н'С/м4. Выражения (1.164) и (1.165) можно использовать и для опре деления т и гп. Забегая вперед, отметим, что в случае процесса фильтрования с образованием сжимаемого осадка при вычислении констант К и С такж е пользуются подобными зависимостями [40, 62]. При наруш ении структуры пор во время фильтрации удельное сопротивление осадка г растет. М ожно предположить, что
г = г0Дрй,
2Др 2Др'~ь = ---------^ — = — , У? ИжГ0ДР °м РжГ0ам
(1.167)
или К
2Д р(1-е)
2Др1-Ь(1 - s)
= ------ \ = ------ -■ РжГ0Ржам УЯ РжГ0АР Ржам
(1.168)
Константа С в меньшей степени зависит от перепада давления при фильтрации, и для инж енерны х расчетов с достаточной долей точности можно пользоваться уравнением С 79 64
(1.1.69) ™
Г0Ржа м
V = у / с 2 + К х - С,
(1.170)
F = Q/V. Число стандартных фильтров i можно определить, исходя из поверхности фильтрации одного фильтра F' и коэф ф ициента запаса г|з, который для фильтров различных типов и в зависимости от фильтруемых сред колеблется в широких пределах [85]: «# = £ Лз-
(1-171)
(1.166)
где г0 — удельное сопротивление осадка при Ар = 1 ат; b — показатель сжимаемости осадка, 0 < Ъ < 1. Для осадков, которые не изменяю т свою структуру во время фильтрации, Ъ ® 0, а для осадков, изменяю щ их свою структуру (сжимаемых), Ъ * 1. Так, для осадка гидроксида алюминия b « 0,95. Следовательно, константа Куд для сжимаемых осадков будет иметь вид К
Уравнения (1.167) и (1.168) наиболее часто используются для определения сопротивления ткани и осадка при известных констан тах фильтрования. Необходимая поверхность фильтрования F определяется как отношение общей производительности передела по фильтрату О к удельной производительности V, рассчитываемой по основному уравнению фильтрования
1.8. Фильтрование с образованием сжимаемого осадка Уравнения кинетики процесса фильтрации с образованием н е сжимаемого осадка (1.138) и (1.143) непригодны в случаях, когда сжимаемостью осадка пренебречь невозможно, что объясняется непостоянством давления жидкости в ходе процесса. В сжимаемом осадке наибольшей деформации подвержены ближайш ие к перегородке слои, а слои, более близкие к поверх ности осадка, сжимаю тся значительно меньше. Ввиду неравно мерного сж атия пористость осадка становится переменной по высоте слоя, а уменьш ение ее во времени вызывает значительное услож нение расчетов. Часто наряду со сжимаемостью осадка приходится учитывать и сжимаемость фильтрую щ ей перегородки, что требует введения дополнительных поправок. Таким образом, удельное сопротивление сжимаемого осадка возрастает по направлению от его наруж ной поверхности к п ере городке. Ввиду этого зависимость давления в слое от его толщины отклоняется от линейной, характерной для несж имаемых осадков, и изображ ается выпуклой кривой. Усилие, вызываю щ ее сж атие осад ка в произвольном его сечении, определяется разностью давлений на поверхности осадка рс и в рассматриваемом сечении. С умень шением толщины слоя осадка снижаю тся сжимаю щ ие его усилия (рис. 1.14). В произвольном сечении слоя осадка (показано на рисунке пунктиром) толщиной 62 перепад давления Др2 больше, чем перепад давления Др, в более тонком слое толщиной 5,, при условии, 65
что 8j леж ит внутри 82. Отсюда следует, что с уменьшением тол щины слоя сжимаемого осадка его пористость при прочих равных условиях возрастает [63]. И зм енение давления, а сле довательно, пористости и удель ного сопротивления по толщине слоя осадка обусловливается свойствами последнего, экспери ментальное определение кото рых по высоте слоя представляет больш ие трудности. П оэтому способ расчета процессов филь трования с образованием сж им а емого осадка требует введения ряда допущений: 1) давление на границе р аз дела осадка и ф ильтрую щ ей перегородки р, мало по сравне нию с давлением фильтрования р, т. е. удельное сопротивление Рис. 1.14. Изменение давления р по ф ильтрования г + гп мож но толщине 8 слоя осадка: 1 — несжимаемый осадок; 2 — считать постоянным; сжимаемый осадок 2) давление не изменяется (не подвергается возмущениям) в ходе процесса; 3) влажность осадка неизменна на протяжении всего процесса. Эти допущения обычно неправомерны для начальной стадии процесса, когда осадок имеет малую толщину [28]. Случай фильтрования с образованием сжимаемого осадка мо ж ет быть рассмотрен с позиции общей теории фильтрования. Для этого из уравнения (1.126) необходимо исключить высоту осадка Лос на основании материального баланса (высота осадка может быть вы раж ена через объем фильтрата, необходимый для образования данного количества осадка): (1.172) - £)Pm = 9'(V + e h F ), где д' — масса твердой ф азы в исходной суспензии, приходящаяся на единицу объема жидкости в этой суспензии. Тогда уравнение (1.126) можно записать в виде з Ар в dV (1.173) ,2 Y9
FPr и для сжимаемого осадка, т. е. при условии зависимости в от Ар, получим (при к'к =5)
66
Fdt
5g'gV
i
(1 - 8)4 ,
(1.174)
Последнее уравнение можно записать в виде dV
F
F dx~ g 'p V
P' J 2 dp I
(1.175)
Roc’
где R’oc — удельное сопротивление осадка, м/кг. Соотношение между Л' , е и Ар определяется экспериментально |22|. Для этого проба исследуемой суспензии помещ ается в цилиндр г пористым дном, на котором осадок задерживается, а фильтрат вытекает. В цилиндр устанавливаю т порш ень и медленно сдавли вают осадок. Нагрузка на поршень может изменяться в заданных пределах. При каждой нагрузке определяется пористость осадка (по отметке положения поршня). Фильтрат вновь подается на слой осадка. При этом для каждой нагрузки по уравнению (1.175) рассчи тывается R'ot как постоянная величина. Зная г и R' ОС, можно рассчитать S . На рис. 1.15 приведены типичные для фильтрования с образованием сжимаемого осадка зависимости s, Syg и R'oc от Ар, полученные описанным выше методом испытания проницаемости. Результаты таких опытов могут быть использованы и для расчета процесса фильтрования в промышленных условиях. Уравнение скорости фильтрования по Дарси можно расширить, ч тобы учесть движ ение твердых частиц в сжимаемом осадке [97]: 4 = ™ т - — '9р,
(1.176)
где д — вектор локальной скорости жидкости в осадке, м /с; w — вектор локальной скорости твердых частиц, м/с; е — пористость осадка; к — коэф ф ициент проницаемости (по уравнению Дарси), м2; р - динамический коэф ф ициент вязкости фильтрата, кг/(мщ); Vp — оператор давления, под которым проводится фильтрование. Первый член правой части уравнения (1.176) соответствует чле ну, учитывающему конвективный поток в первом законе Ф ика для диффузии. Для процесса фильтрования, в котором q и Vp солинейны, в уравнение (1.176) можно ввести вектор мгновенной локальной ско рости твердых частиц г = (1 — £)vrm: 67
где рх — давление, сжимаю щ ее частицы осадка на расстоянии х от фильтрующей перегородки, Па; тх — масса твердых частиц осадка, приходящаяся на единицу площади на расстоянии х от фильтру ющей перегородки, к г/м 2; рт — п л о т н о с т ь твердых частиц в осадке, кг/м 3; ц — динам ический ко эф ф и ци ен т вязкости фильтрата, кг/(м.с); Rx — локальное сопротивление осадка, м/кг; qx — локальная скорость фильтрования на расстоянии х от фильтрующ ей пере городки, м /с. В результате интегрирования уравнения (1.178) по толщине слоя осадка получены следующие зависимости: д 1= — = ----- - ----- , dx 2{V + и0)
в
(1.179)
где д, — скорость фильтрования на выходе из осадка, м /с; V — объем фильтрата, отнесенный к единице площади фильтра, м3/м 2;
^ф.п(1 ~~ас)
и0 = — ------------ ;
м 10Л1 (1.180)
RcpPc
К =
(1.181) l^cp Рс
Рис. 1.15. Характеристики сжимаемого осадка а — зависимость пористости осадка от удельной поверхности частиц; б — зависимость пористости осадка от Ар; в — зависимость удельного сопро тивления осадка от Ар; 1 — СаСОэ (флокулированный), pH = 9,8; 2 — СаСОэ, pH = 10,3; 3 — ТЮ2 (флокулированный), pH = 7,8; 4 — ТЮ2, pH = 3,5; 5 — ZnS, pH = 9,1 к Я = е г
Vp,
(1 177)
ц где е = е/(1 — б) — локальное отношение свободных объемов. Из уравнения (1.177) следует зависимость, описывающая про цесс фильтрования с образованием сжимаемого осадка [58]: ^ = ------ ------- ^ = -n R x(gx - е хгх ), dmx р_(1-Е.) dx 68
(1.178)
где Яфп — сопротивление фильтрующ ей перегородки, м -1; R — среднее удельное сопротивление фильтрования, м/кг; с — массовая доля твердой ф азы в суспензии, дол. ед.; а — отношение массы млажного осадка к массе сухого; р — плотность фильтрата, к г/м 3; р — давление фильтрования, Па. При фильтровании с постоянным давлением допустимо считать R неизменным, так как при образовании слоя осадка значительной толщины давление р, на границе раздела осадок—фильтрующ ая среда мало по сравнению с давлением на поверхности осадка. .Значения а такж е становятся постоянными вскоре после начала процесса. Следовательно, и значения К и и0 приобретаю т смысл констант фильтрования [94]. В начальной стадии фильтрования, когда толщина слоя осадка незначительна, сопротивление Rcp = f(p — р,) и непреры вно изм е няется с увеличением количества фильтрата V. Изменения давления и величины а такж е вызываю т изменения К и о0 в начальной стадии процесса. Чтобы проинтегрировать уравнение (1.179), необходимо ввести поправки на изменение констант К и и0 в начале процесса. Перепишем уравнение (1.179) в виде 69
После подстановки значений К и и0 из уравнений (1.180) и (1.181)
dx
-(У + и 0) + Ф(У).
dV
(1.182)
К
Здесь К и » , имеют постоянные значения, достигаемые после окон чания начальной стадии фильтрования, которой соответствует зна чение объема фильтрата У ач; ср(V) — функция объема фильтрата, учитывающая поправку к d x / d V в начальной стадии процесса. При этом необходимо учитывать, что при 0 < V < V функция cp(V) # О, а при V > VHm ф ункция cp(V) = 0. Уравнение (1.182) можно проинтегрировать в пределах от V = 0 для т = 0 до V = V для х = х: 2
х = -
к
^+О 0
„J
получим
„
1
аИ
Vс
При допущении, что сопротивление фильтрую щ ей перегородки не
тхнач
7-«ОСН
л
меняется и н ф,п ~ R
V нач
(V + u 0)d(V + v 0)+ j
R
R
Урр Ф(У ) =
Урр R
(1.183)
Vc
ф (У ):
®ОСН
Vc п нач
R OCH
1 — а
Vc
'
1
—- а
После интегрирования получим продолжительность фильтро вания:
|
'
VC
® О СН
(1.189)
/
п осн
Так как аиач > аосн и Rlp.n s к ф п , то можно сделать вывод, что — (V2 + 2Vu0) + х0, К
(1.184)
где V нач
х0 = Jcp(V4dV. о
(1.185)
R„ = Ар",
При V = 0 в уравнении (1.184) получим х = х0, которое назы вают временем начала выделения фильтрата. Недостатком этого метода расчета является трудность вычис ления d x / d V с необходимой точностью, однако для обработки опыт ных данных, собранных в основной стадии процесса, мож но исполь зовать уравнение (1.184). П роанализируем функцию ф(V): dx Л
Ф(^) = | — ,d V y
(1.186)
d V j OCH'
или в соответствии с уравнением (1.182) cp(v) = 2V
1 \ V к нач
70
1
{
+2
член уравнения в квадратных скобках, а следовательно, функция ф(V) и х0 могут быть отрицательными. Экспериментально установлено, что удельное сопротивление сжимаемого осадка Roc мож ет быть вы раж ено эмпирической ф о р мулой
нач
Кк \ нач
(1.187)
(1.190)
где А и п — постоянные для данного материала величины; р — давление фильтрования, Па. В результате исследований, проведенных в НИИхиммаше, вы явлено сущ ественное влияние концентрации твердой ф азы в сус пензии на основные параметры процесса фильтрования. Установ лено, что удельное сопротивление осадка уменьш ается с увели чением содерж ания твердой фазы. Это необходимо учитывать при выборе реж им а работы фильтра периодического действия или условий разделения на фильтре непрерывного действия [101]. Характер влияния концентрации на кинетику фильтрования несколько отличается от приведенных выше данных, но исследо вания, углубляющие наши представления о механизме процесса и влиянии отдельных параметров на скорость фильтрования, про должаются. Уравнение кинетики фильтрования мож ет быть представлено в виде 71
dV dx
=
Ар
x— ------------- , ц(Ас q mBV + Кф п )
(1.191)
где V — объем фильтрата с единицы фильтрующ ей поверхности, м3/м 2; Ар — перепад давлений, Па; ц — динамический коэф ф ициент вязкости фильтрата, Па-с; qna — слой твердой фазы, отлагающийся при получении единицы объема фильтрата, м /м 3; с — объемная доля твердой ф азы в суспензии; А — коэф ф ициент пропорциональности; к — показатель степени; Яфп — сопротивление фильтрующ ей пере городки, (Н-с)/м3.
1.9. Фильтрование с закупориванием пор фильтрующей перегородки При разделении вязких суспензий, содерж ащ их небольшие количества мелкодисперсных частиц твердой фазы, происходит проникновение твердых частиц в пористый фильтрующ ий слой и отложение их на стенках пор. В природных условиях такой процесс наблюдается очень часто (проницание грунтовых вод в геологи ческие массивы). Кроме того, он широко применяется для очистки сточных вод (при использовании песчаных и других фильтров, называемых глубинными из-за большой толщины фильтрующей перегородки). Закономерности фильтрования с закупориванием пор ещ е недостаточно изучены [9]. Х арактеристика наиболее распространенны х видов фильтрова ния с закупориванием пор фильтрующ ей перегородки приведена в табл. 1.13 [49]. В потоке разбавленной суспензии, проходящем через пористый фильтрую щ ий слой, концентрация твердой ф азы постепенно уменьшается. Зависимости, показывающ ие изменение концентра ции через определенные промеж утки времени, могут быть вы ра ж ены двумя способами: с помощью пучков кривых с. = /(т, Л) или а = f (т, Л), где с — объемная доля твердой ф азы в суспензии; а — задерж ка (накопление) твердой ф азы в порах фильтрующ ей пере городки (доля объема слоя, занимаемая осевш ими частицами); h — толщина слоя фильтрующ ей перегородки, м (рис. 1.16). Для определения вида функций с = /(т. Л) и ст = f (т, Л) необхо димо знать уравнение материального баланса и уравнение кинетики процесса фильтрования для случая постепенного закупоривания пор фильтрую щ ей перегородки. Выделим элемент ф ильтрую щ его слоя толщ иной Ah. В начальный момент процесса пористость слоя б0 представляет собой долю свободного объема, которая может быть заполнена потоком суспензии. Ч ерез некоторый промежуток времени при прохож72
Таблица 1.13 Особенности процесса фильтрования с закупориванием пор фильтрующей перегородки Тип Размер Места за Возмож Способ Удержи Меха- ность принуди филь фильтруе держки вающие низм трова мых твердых твердых самотельной силы захвата очистки очистки ния частиц, мкм частиц Механи ческий
>30
Сужения, расщели ны, пусто ты в слое
Физикохимичес кий
А (<3)
Поверх ность пор
Вандерва- Прямой Воз альсовы, захват можна электрокинетические силы
Увеличе ние ско рости потока
<0,1
Поверх ность пор
Вандерва- Прямой Воз альсовы, захват, можна электроки- диффу нетические зия силы, химические связи
Увеличе ние ско рости потока
Колло идный
Трение, давление потока
Осажде Невоз Измене ние, можна ние на прямой правления захват потока
дении суспензии начинается выделение твердых частиц на стенках пор фильтрующего слоя и пористость е0 уменьшается до б. Долю объема, занятого осевшими в слое частицами и застойными зонами жидкости, захваченной этими частицами, можно выразить урав нением Суспензия
I ++ Фильтрат
Рис. 1.16. Выходные кривые фильтрования с закупориванием пор филь трующей перегородки 1 -5 кривые, снятые последовательно через равные промежутки времени 73
е0 — е = аа.
(1.192)
Здесь а — задерж ка твердой фазы; а — коэф ф ициент (а > 1), причем (а — 1) представляет собой объем жидкости, захваченной осевш ей твердой фазой. Другая доля объема £ занята подвижными твердыми частицами (ес, где с — объемная доля твердой фазы в суспензии) и подвижной жидкостью (е(1 — с)). Таким образом, в элементе фильтрующего слоя с площадью сечения F и толщиной ДЛ будет содержаться следующее количество твердой фазы:
Случай 3. Иногда можно не учитывать число подвижных частиц (е0с) в суспензии, если оно пренебреж имо мало по сравнению с числом частиц, осевш их в слое: Ё 1 + а ф — = 0. 5т dh
(1.198)
Количество твердой фазы, прошедшей через выделенный элемент слоя, составит:
Последнее упрощ ение неприемлемо для начального периода фильтрования с закупориванием пор фильтрующего слоя. Продолжительность закупоривания пор. Перемещ ение фронта задерж ки твердой ф азы в данный момент времени можно харак теризовать зависимостью
дс n 2 = F m
Еh т — — = const, ЙФ
п, = F(a + ес)ДЛ.
(1.193)
(1.194)
где <оф — фиктивная (в расчете на пустое сечение аппарата) скорость дс потока, м/с; со с — конвективный поток твердой фазы; D — 9 dh
—
дифф узионны й поток твердых частиц (согласно закону Фика); D — коэф ф ициент диффузии, м -1. Уравнение материального баланса (в условиях равенства ско рости накопления твердых частиц в слое и изменения расхода твер дой фазы) будет иметь вид д дс — (ст + ес) + сол 5т Ф dh
д2с „ D — - = 0. dh2
,, (1.195)
Это уравнение мож ет быть упрощено введением некоторых до пущений [67, 94]. Случай 1. В первом приближении можно пренебречь диф ф у зионным потоком, так как в большинстве практических случаев конвективный поток во много раз превыш ает диффузионный. Тогда уравнение (1.188) примет вид д — (о + 5т
ес) + соа
дс — = 0. dh
(1.196)
Случай 2. Для разбавленных суспензий (с * 0,001) можно такж е пренебречь изменением пористости слоя и считать s = s0. Тогда 74
(1.199)
где £0Л/юф представляет собой время, необходимое для перемещ ения суспензии сквозь слой. Если процесс фильтрования длится несколь ко часов, то этой величиной можно пренебречь, однако в общем случае ее нельзя считать ничтожной (например, при скорости суспензии соф = 0,1 см /с и е0 = 0,4 для прохождения суспензии через фильтрующ ий слой толщиной h = 50 см требуется 200 с). Кинетика процесса закупоривания пор. В течение малого про межутка времени Дт в элементе пористого фильтрующего слоя, в котором перемещ ается ес твердых частиц, задерж ка твердой ф азы 'д а л — Дт \д х Вероятность задерж ки одной твердой частицы в единицу вре мени
будет изменяться в соответствии с выражением
1 5ст к '= ---------ЕС 5т
(1.200)
сравнима с вероятностью задерж ки одной частицы при прохож дении потока через единицу толщины слоя со скоростью ш = соф/е. Вероятность задерж ки частицы на единицу толщины слоя к = = к ’г / а .ф, или
Скорость закупоривания пор фильтрующего слоя обычно срав ниваю т со скоростью реакции первого порядка в химической ки н е тике: процесс характеризуется концентрацией, а взаимодействием между частицами суспензии можно пренебречь. В действительности вероятность задерж ки к одной частицы зависит от количества уж е осевш их на стенках поры частиц, т. е. от величины задерж ки о. Таким образом, к = *0Ф(ст),
(1.203)
где стмакс — максимальное значение задерж ки (когда все поры на сыщены твердой ф азой обрабатываемой суспензии и вероятности задерж ки не существует). Однако экспериментально установлено, что в ряде случаев за держ ка проходит через максимум, преж де чем начнет резко уменьшаться. Это имеет место тогда, когда первые выделившиеся из суспензии твердые частицы блокируют входы в поры фильтру ющего слоя, увеличивая возможность захвата следующей порции твердых частиц, поступающих в ту ж е точку. Учесть первоначальное увеличение ф(ст) и все возможные виды экспериментальных кривых можно введением функции от трех параметров [14]:
На выходе из слоя в сечении (Л + dh) за это ж е время объем твердой фазы составит Зи2 -dh. dh
о, = о2 - о3,
(1.205)
С момента начала фильтрования до момента т через входное сече ние Л пройдет следующее количество твердой фазы: 76
'1 |ш фссгт dh V0
СТ + ЕС =
(1.209)
Выразим объемную долю твердой ф азы с с помощью уравнения (1.202) и, так как h = const, получим ?J c o 0 cdT w
do . d r = Jf —
= J
k
( 1. 210 )
Следовательно, ст + sc =
® макс
и, = (ст + ec)Fdh.
(1.208)
или
5
/
%8а
л
dh \о кК )
где b — положительный коэффициент, учитывающий начальное увеличение задержки; д — показатель степени, характеризую щ ий криволинейность функции. Общий баланс задержки ст. Если к моменту времени т, поры фильтрующего пористого слоя частично заполнены твердыми час тицами, выделившимися из суспензии, то объем частиц в эле ментарном слое между сечениями h и [h + dh) будет равен
(1.207)
Тогда баланс по твердой ф азе для рассмотренного элементар ного слоя будет иметь вид
[1.204)
ф(ст) = (1 + Ьст)
(1.206)
(1.202)
где к 0 — вероятность закупоривания чистого слоя (в начальном периоде фильтрования); ф(ст) — функция задержки. Вид функции задержки ф(ст). Самая простая математическая ф ор ма функции ф(ст) — это закон линейного уменьшения: Ф(ст) = 1 ----- —— ,
•1 U2 =
1 ( 5сЛ
( 1 . 211 )
к U hJ
или ^астл
-k(a +
ec ).
( 1.212 )
ah л Уравнение (1.212) строго отраж ает баланс задерж ки твердой фазы в пористом фильтрующем слое при допущении, что диф ф узия ничтожно мала (случай 1). Таким образом, процесс фильтрования при закупоривании пор фильтрующей перегородки может быть описан трем я уравнениями: 77
до
= -ю
ск
г дсл
(1.213)
'дс4
С 7 ._ _
= -кс;
(1.214)
= -к о .
(1.215)
dh S i
dh S i
Профили изменения объмной доли твердой фазы и задержки. Изменения объемной доли твердой ф азы и задерж ки по высоте фильтрующ ей перегородки в процессе фильтрования с закупори ванием пор описываются уравнениями (1.214) и (1.215), имеющими одинаковую математическую форму. М ожно установить соотношение между с и а для данного момента времени т, исключив к\
1f5cl
ГS a ^ J О la j
(1.216)
lgc = lga + С.
(1.217)
1 = ---
—
с
Для простого случая, когда ф (а,) = 1 ----------- , получим
\d h
<дх; т
После интегрирования получим
( 1. 221 )
Обозначим
f
с,
da
где ct и ст. — объемная доля твердой ф азы и задерж ка на входе в слой соответственно. Задерж ка на входе возрастает по экспонен циальному закону в зависимости от времени и достигает пре дельного значения при максимальном насыщ ении слоя (стмакс * 1 %). Величина ст. определяется интегрированием кинетического урав нения (1.202), записанного для h = 0 в виде = *0 ЮфС,-£*Т.
(1.219)
= *0©фС,Т.
( 1. 220 )
ф(о,-; При интегрировании имеем
ФК 78
da,.
— = ~k oh ' о
(1.223)
полученного интегрированием дифференциального уравнения ба ланса задерж ки (1.214) при условии, что к = &0ср(а). Для ф(а) = 1 — (а/ст ) в результате интегрирования получим т/т. л
1 -е
т /т .
knh
(1.224)
с- е 0
Аналогично вычисляют профили задерж ки для других функций ф(о).
d a,
da.
( 1.222 )
J
о СТФ(СТ) (1.218)
\
где тс — константа времени для фильтрующ ей перегородки. Профили объемной доли твердой ф азы и задерж ки (коэф ф и циента объемного осаждения) для ряда значений т/тс при простой зависимости т(а) = 1 — ( а /а макс) представлены на рис. 1.17. Значе ния т/т (рис. 1.17, а) вычислены на основе уравнения
J
о.
_ i
1 - е т'
Константа интегрирования С определяется соотношением С_ _ о
через т , тогда
Рассчитав задерж ку для ряда значений Л и т , можно определить объемные доли твердой ф азы с для тех ж е Л и т , используя со отношение (1.219), и получить пучок кривых (рис. 1.17, б), харак теризую щ их продвижение фронта концентрации для выбранной формы ф ункции ф(а). Скорость перемещения фронта задержки. Профили изменения задерж ки по высоте фильтрующего слоя для различной продолжи тельности фильтрования приведены на рис. 1.18 [123]. 79
а
С корость продвиж ения фронта отработки фильтрующе го слоя быстро уменьшается от бесконечности в начальный мо мент процесса фильтрования (при сг = 0) до постоянного зна чения при достижении насыще ния слоя твердой ф азой на входе:
« f =0V
-. (1.227)
На рис. 1.19 приведен приРис,;м1Л8- Профиль задержки ст = мер графического определения = £> Г с ^ а к ^ скорости продвижения фронта нием Пдр отработки слоя при фильтро вании с постепенным закупори ванием пор фильтрую щ ей перегородки. На основании проведенного анализа работы глубинных филь тров можно реш ать такие взаимосвязанны е проблемы, как выбор фильтрующ ей перегородки (определение разм ера зерен, толщины фильтрующего слоя h), оптимальной производительности (по ф и к тивной скорости соф) и продолжительности фильтрования т. П одроб ный пример расчета характеристик глубинного фильтра приведен в специальной литературе [114]. Гидравлическое сопротивление фильтра. П ри постепенном закупоривании пор фильтрую щ ей перегородки глубинного фильтра перепад давления в слое изменяется во времени [85]:
б
k0h Рис. 1.17. Профили объемной доли твердой фазы и задержки Цифры на кривых соответствуют значениям т/т
_Др_
(1 -а т )
, (1.228)
ДРо Из уравнения (1.216) следует, что все профили параллельны и ско рость продвижения фронта закупоривания пор фильтрующего слоя определяется по формуле (1.225) \д х j С учетом уравнений (1.214) - (1.216) и (1.220) получим
80
с
£l
ст
ст,
(1.226)
где Ар — перепад давления в закупоренной твердыми час тицами фильтрующ ей пере городке, Па; Др0 — гидрав лическое сопротивление фильтрую щ ей перегородки в начале п роцесса или при фильтровании чистой ж ид кости (не содерж ащ ей твер дых частиц), Па; х — продол жительность фильтрования, с; а и т — постоянные, при-
Рис. 1.19. Скорость продвижения фрон та задержки в зависимости от продол жительности фильтрования 81
чем
=
-(В - 1)со&Др
В-1
-1
; к и В — постоянВ -1 ные, к и В больше 1; со — средняя скорость суспензии, м /с. Изменение гидравличес кого сопротивления в зави симости от продолжительно сти фильтрования показано на рис. 1.20 [67]. П ерепад давлений Др0 может быть рассчитан по уравнению К озен и —К ар мана. т =
Рис. 1.20. Зависимость Др/Др0 от т для фильтрования с закупориванием пор: 1 — а < 0 при —с о < т < 0 ; а > 0 т = 1,0; 3 при 1,0 < т < со; 2 0 < т <1,0
а
1.10. Промывка осадков на фильтрах Осадок, получаемый при разделении суспензий путем филь трования, содержит сплошную фазу, которая при необходимости обеспечения высокой степени разделения должна быть из него удалена. Это достигается с помощью промывки осадка, для которой обычно используется растворитель, являющ ийся основным компо нентом сплошной ф азы суспензии. П ромывка представляет собой процесс выделения растворенных вещ еств из влаги осадков и пульп замещ ением маточного раствора промывным, в частности чистой водой, и служит средством по выш ения извлечения ценных компонентов в растворы из твердой ф азы или повышения чистоты твердого продукта. Процесс извлечения целевого компонента из пор и межзерновых каналов происходит преимущественно за счет молекулярной диффузии. М еханизм процесса промывки осадка определяется формой свя зи жидкости с твердыми частицами. По этому признаку различают свободную жидкость, заполняющую относительно большие по объ ему промежутки между наружными поверхностями частиц, и свя занную жидкость, удерживаемую силами поверхностного натяж ения или адсорбционными силами на поверхности частиц и во внут ренних капиллярах. Соотношение между количествами свободной и связанной жидкости определяется структурой осадка и частиц. Эффективность работы аппарата для промывки существенным образом зависит от характера распределения жидкости в пористом материале, обусловленного гидродинамикой процесса. Для характе ристики гидродинамики процесса промывки используются осред-
ненная скорость, функция распределения частиц твердой ф азы по размерам, скоростям и координатам, пористость слоя, а такж е коэффициент продольного перемеш ивания твердой ф азы [107]. Для измерения скорости движ ения частиц в двухфазном потоке можно использовать меченые непрозрачны е частицы, величина интенсив ности хаотического движения которых оценивается с помощью фактора интенсивности хаотического движ ения и коэф ф ициента лагранжевой временной корреляции. Удовлетворительное описание гидродинамики обтекания твердых частиц дает методика гологра фической интерферометрии. С ее помощью экспериментально были определены распределения скоростей и концентраций в слое, обтекающем твердую частицу. При выборе аппаратурно-технологического оформления про цесса промывки исходят из свойств осадка и промывной жидкости и учитывают требования, предъявляемые к промытому осадку. По способу проведения различаю т вытеснительную (фильтрационную) и так называемую репульпационную промывку. Первая заключается в промывке слоя осадка на фильтре, вторая — в перемеш ивании осадка и промывной жидкости (получении пульпы) с последующим разделением жидкой и твердой ф аз. Поскольку реализация репульпационной промывки на фильтре не имеет смысла, останавливаться на этом вопросе не будем [42]. Существует несколько вариантов промывки осадка на фильтрах, различающихся характером потока промывного раствора в капил лярах осадка. В варианте, осуществляемом на фильтрах непре рывного действия, промывная жидкость подается на поверхность осадка разбрызгиванием, тогда при движ ении ее в порах образуется двухфазный воздушно-жидкостный поток. При промывке осадков па периодически действующих фильтрах происходит просачивание однофазного потока промывной ж идкости через слой осадка. В последние годы получил применение способ промывки, при котором одновременно происходят разбавление и вытеснение маточного раствора промывной жидкостью. Он осущ ествляется в мепрерывнодействующих колонных аппаратах с кипящим слоем промываемых твердых частиц; при этом промывная жидкость подается снизу вверх со скоростями, обеспечивающими состояние кипящего слоя. Наиболее эф ф ективно процесс промывки осадка организуется на пресс-фильтрах (с вертикальными и горизонтальными камерами), где могут быть применены простой и полный способы промывки. При первом способе промывная жидкость проходит по тому ж е пути в каналах осадка, по которому проходила суспензия; в этом случае имеет место эрозия осадка. При втором способе промывки, реализуемом обычно в рам ны х п ресс-ф ильтрах (ф ильтрах с вертикальными камерами), жидкость поступает в отдельные каналы, расположенные в так называемых промьтвньтх плитах, и протекает через всю толщу осадка, вначале навстречу движению фильтрата, а затем в том ж е направлении, что и фильтрат. Площадь такой 83
промывки вдвое меньше площади фильтрования, и, кроме того, промывная жидкость дважды проходит через слой осадка. Таким образом, скорость промывки составляет примерно четвертую часть конечной скорости фильтрования (рис. 1.21). 1
2
3
2
4
Рис. 1.21. Схема движения промывной жидкости по каналам рамного прессфильтра 1 — салфетка; 2 — промываемая плита; 3 — непромываемая плита; 4 — рама На пресс-фильтрах с горизонтальными камерами типа ФПАКМ процесс промывки организуется только по простой схеме [34]. Промывная жидкость направляется по тем ж е каналам, что и шлам на стадии фильтрации, однако благодаря равномерности распре деления промывной жидкости над осадком в верхней части камеры достигается большая эффективность промывки осадка (рис. 1.22). Поскольку промывке на фильтрах ФПАКМ предшествует стадия прессования, кек деформируется сж атием и движение промывной |
[ Ф ильтрат
Щ И
Промывная жидкость
Рис. 1.22. Принцип реализации процесса промывки на пресс-фильтре типа ФПАКМ 84
жидкости затрудняется. В связи с этим промывку проводят под дав лением 5 —6 ат. О тжатые осадки, сформированные в пресс-филь трах, имеют высокое содерж ание твердого и низкую пористость. Вакуумное фильтрационное оборудование такж е позволяет осу ществлять промывку, но эффективность ее существенно ниж е из-за невозможности создания достаточно глубокого вакуума, т. к. при этом возникает опасность появления трещ ин в осадке, что может неблагоприятно сказаться на ходе вакуумной промывки. Нарушение целостности осадочного слоя вызвано действием внутренних сил, ко торые не в состоянии скомпенсировать прилагаемые внешние силы. Промывка осадка на фильтрах реализуется на основе модели идеального вытеснения, т. е. ее стремятся организовать таким об разом, чтобы моющая жидкость полностью заменяла весь маточный раствор, вытесненный из кека [57]. В целом, процесс промывки твердой ф азы на фильтрах можно рассматривать по аналогии с процессом фильтрования при условии неизменной толщины осадка на фильтре. Скорость промывки описывается уравнением dV
К
dx
2(Уф + С)
Р пр
(1.229)
где цф — динамический коэф ф ициент вязкости фильтрата, Па-с; цлр — динамический коэф ф ициент вязкости промывной жидкости, Па-с. Продолжительность промы вки на ф ильтре периодического действия рассчитывается по формуле V = ^ ( а Л , + * ф, К / Р d '23°) Здесь V , ^ — объемы промывной жидкости и фильтрата соот ветственно, м3; р — давление фильтрования, Па; Яфп — сопротив ление фильтрующ ей перегородки, Н -с/м 3; аф = Кж/У общ — среднее удельное сопротивление (по фильтрату), Н -с/м 6, Rgc — полное сопро тивление осадка, Н -с/м3, Уоб1ц — общий объем фильтрата, м3, аф А = иа v = ита, где и, ит — отношения соответственно объема и массы осадка к объему и массе фильтрата; a v, а — среднее объемное и массовое от носительное сопротивление фильтрованию соответственно, Н -с/м3. Для определения величины а ф проводят фильтрование до исчез новения суспензии с поверхности осадка, после чего из уравнения скорости промывки определяется величина параметра М как тан генс угла наклона прямой. Далее рассчитывается значение а ф по формуле а ф = 2Мр/\хф при х/У = (М/У) + N. 85
Для обеспечения достаточной глубины промывки ее проводят при значениях Ар, меньших, чем при фильтровании, с целью устранения явления сж имания осадка, приводящего к каналообразованию [56]. При промывке на фильтрах периодического действия зависи мость степени отмывки осадка тпp/ m Q (где тпр — масса вымыва емого вещ ества в промывном растворе, т 0 — масса вещ ества в маточном растворе, заключенном первоначально в порах осадка) от количества промывной воды Vnp/ V Q (где Vnp — объем промывного раствора, VQ— объем маточного раствора в порах осадка) имеет вид, показанный на рис. 1.23 [117]. -
1
-
0,8
-
0,6
- 0,4 } -
0,2 0
1
2
3
z5
Vn.P/VQ Рис. 1.23. Характерные кривые зависимости степени отмывки осадка и концентрации раствора от объема промывного раствора: 1 - т, Р/ то = Я V v o): 2 - CJ C 0 = W , / v 0)
основном за счет диф ф узии растворенных веществ из пленок, адсорбированных на поверхности твердых частиц, в раствор. Грани цы стадий не постоянны, зависят от свойств промываемого мате риала, толщины и структуры осадка, скорости промывки. Переход от первой ко второй стадии имеет место при пропус кании примерно 0,5 —0,7 объема промывного раствора на один объем маточного раствора в порах осадка, а переход от второй к третьей стадии происходит при отношении указанны х объемов 1,3—1,5. Для полной отмывки осадка требуется более 25 объемов промывного раствора, т. е. эфф ективность промывки на последней стадии очень мала, поэтому обычно промывку заканчиваю т при пропускании около трех объемов промывного раствора на один объем маточного раствора в порах осадка. Каждой из трех рассматриваемых стадий соответствует собст венное уравнение [79]: первая стадия — т / т 0 = a'{Vnp/ V Q); вторая стадия — т / т 0 = V + c'(V p/V 0) + i'(Vnp/ V 0)2; третья стадия — т / т 0 = 1 — k'(V / V 0). Здесь т, т0 — массы вещества, растворенного соответственно в промывной жидкости и фильтрате, содержащ емся в порах осадка, кг; V и У0 — объем промывной жидкости и фильтрата перед промывкой, м3; а', Ь', с', г", к' — константы, значения которых зависят от физико-химических свойств системы. Для описания реж им а движения жидкости на первой стадии используются модели идеального вытеснения или идеального п ере мешивания. Для нахождения количества промывной жидкости на второй стадии используется зависимость У щ / К = А19(с<Л)
(1.231)
Wnp/ h oc = A(lgc - lgc0)/(x - х,),
(1.232)
ИЛИ
Процесс делят на три стадии [42, 64, 91]. Первая стадия харак теризуется простым вытеснением маточного ратвора из пор осадка. О на заканчивается, когда на выходе из наиболее крупны х капилляров слоя осадка появляется промывная жидкость. Концен трация вымываемого компонента в растворе, вытекающ ем из филь тра в этот период (Спр), постоянна и примерно равна его концен трации в маточном растворе С0. Вторая стадия — переходная — характеризуется продолжением вытеснения маточного раствора из мелких капилляров осадка и про теканием промывного раствора через крупные капилляры. Концен трация раствора, выходящего из фильтра, резко падает. На третьей стадии промывки из всех капилляров осадка выте кает разбавленный промывной раствор, концентрация которого ме дленно сниж ается до нулевой. В этот период промывка идет в 86
где hoc — толщина слоя осадка, м; с0 — начальная концентрация растворенного вещества в фильтрате, к г/м 3; с — концентрация растворенного вещ ества в промывной жидкости в момент времени х, к г/м 3; х, — продолжительность первой стадии промывки, с; А — коэффициент. Для повышения суммарной эффективности промывки на филь трах непрерывного действия ее можно повторять многократно. О рганизация многократной промывки на фильтрах периодического действия сопряж ена с необходимостью использования дополни тельных емкостей для сбора раствора в период работы фильтра в реж им е фильтрования и сушки. На практике наиболее часто встречаю тся схемы промывки с полным отбором промывных вод и с полным присоединением про 87
мывных вод к основному раствору. По первой схеме обычно рабо таю т в тех случаях, когда промытую ф азу направляют в отвал, а укрепленную промывную воду используют в предшествующих тех нологических операциях. В таких системах, помимо достижения об щ их высоких показателей промывки (снижения числа каскадов и технологических потерь с отвальным шламом), желательно получать укрепленную промывную воду с наиболее высокой концентрацией технологического реагента. Схемы с полным присоединением промывных вод к рабочему раствору выбираю т при затруднениях с оборотным использованием промывных вод или при промывке ценного твердого материала и сливе получаемых промывных вод в отвал, когда необходимо макси мально снизить степень загрязнения твердой ф азы вредными ком понентами раствора. Состав отвальных промывных вод определя ется главным образом задачей максимального снижения расхода свеж ей воды на промывку. В более сложных технологических вариантах применяю т совме щ енные схемы промывки. Их рассматриваю т аналогично, составляя материальные балансы жидких ф аз и реагентов. При последовательной промывке свеж ий промывной раствор непреры вно подается в репульпаторы на все ступени промывки, с фильтра каждой ступени выводится промывной раствор, а твердый материал непрерывно передвигается от первой ступени к по следней. По такой схеме достигается хорош ее качество отмытого твер дого материала, но при этом образуется большой объем промывных растворов, из которых только небольшая часть с первой ступени яв ляется достаточно концентрированной. Обычно эту схему приме няют, когда главную ценность представляет твердая ф аза и к ее чистоте предъявляются высокие требования. Если цель промывки — повышение извлечения полезного компонента в растворы, которые затем перерабатываются, стоит задача сокращ ения их объема и, соответственно, повышения концентрации ценного компонента. В этом случае применяю т противоточную промывку [54]. Для расчетов процесса промывки осадков по последовательной и противоточной схемам можно использовать соответственно формулы: Сп = С 0\ *------------------------------------ (1.233) [i + V n .p /W Сп = с о -------------------- ГГГl - ( V „ . p / V )n+1
(1.234)
'
где С0 и С — концентрации отмываемого вещества в исходном и промытом продуктах соответственно, к г/м 3; Vnp и V — объемы про 88
мывного раствора, соответственно добавляемого на промывку и удерживаемого твердой фазой, м3; п — число ступеней промывки. Для расчета процесса отмывки твердого материала от целевого компонента с помощью промывной жидкости или растворителя используется дифф узионная модель [36], которая описывает про цесс с помощью уравнения D £ L дх2
u
Ё 1 .Ё . =о дх дх ’
(1-235)
где и0 — средняя скорость промывной жидкости, м /с; / = и ,/и 2 — доля поперечного сечения слоя, через которую свободно проходит поток жидкости, и, — объем крупных пор частицы и меж зерновых каналов, м3, и2 — объем мелких и тупиковых пор твердой частицы, м3; D3 — коэффициент, характеризую щ ий скорость выравнивания границы раздела целевой компонент—растворитель. Для описания диф ф узионной промывки твердого пористого вещества можно использовать зависимость ^
+ V a c + i 1a a c L = 0
дхдх
г э дх
(1 236)
и1 дх
Здесь Cj — концентрация целевого компонента в крупных порах и меж фазовы х каналах (в объеме и ф к г/м 3; — коэф ф ициент пере носа; a — удельная поверхность частицы, м -1; еэ = (ре — пористость частиц; ср— коэффициент; и, — линейная скорость промывной жидкости (растворителя) в расчете на свободное сечение слоя, м /с. При образовании сжимаю щихся осадков проницаемость филь тра меняется во времени, а процесс изменения проницаемости может быть описан зависимостью [35, 36] Г0С = Г0 + г,Лр" (п = 0 ,6 -0 ,9 ).
(1.237)
Величина разности давлений мож ет быть определена по урав нению s3/ (1 - е2) = ADff‘",
(1.238)
где А — константа; е — пористость. В ходе процесса фильтрования наблюдается пленочное течение жидкости в пористой среде, н а которое оказываю т влияние разм еры и форма меж зерновы х каналов, характер укладки частиц и их удель ная поверхность, а такж е степень взаимодействия частиц [25, 27]. Для описания профиля скоростей в падающей пленке использу ется формула, полученная при реш ении уравнений Навье—Стокса: 89
Р£
и =
“
2Л hy ~ —
(1.239)
2
И
где и — скорость жидкости вдоль оси х, м /с; р — плотность ж идко сти, к г/м 3; ц — динамический коэф ф ициент вязкости жидкости, Па-с; h — толщина пленки, м. Расход жидкости будет равен (1.240)
О = Ju(y)dy = pgh 3 / Зц.
L + 2 L 2 у 2 In т 2ц
Г \ R
п2 +у - R
Промывка осадка никогда не может быть идеально полной, и со шламом последнего сгустителя всегда будет уноситься некоторое количество реагента. Для характеристики эф фективности промывки используется величина Е, равная отношению количества отмытого целевого компонента к общему его количеству в жидкости перед промывкой [34, 39]: Е = 1 -
Уравнение неразры вности для рассматриваемого случая имеет
“ 2
(1 - £,)” ,
(1.247)
dh
80
от
дх
где т — модуль промывки, равный количеству промывной ж ид кости, отнесенному к количеству жидкости, находящейся в твердой пористой ф азе (при т = 1 Е = £,); Е{ — эф фективность промывки при величине модуля промывки т = 1. Величина Е{ обычно состав ляет 0,35 —0,85, или, в среднем, 0,7.
Для случая, когда начальная форма пленки имеет вид ступеньки, получим два реш ения уравнения (1.241):
1.11. Конвективная сушка осадков на фильтрах
вид (1.241)
h = h0 = const и Л = д/хр / (p g r).
(1.242)
При стекании пленки по каналу цилиндрической формы урав нение, описываю щ ее ее течение, запишется в виде d ( du\ р — г — = -pgr, d r \ dr J
(1.243)
тогда расход жидкости определится по формуле 0 = лр9Г = у 4 ,In 2ц
'R - y V - y 2) + V 4
- y 4)
(1.244)
Уравнение неразры вности для рассматриваемого случая имеет вид ду 8т
1
1 8 0 ду
= 0.
(1.245)
2пу ду дх
В результате его реш ения получим уравнение, описывающее кинетику стекания жидкости в каналах цилиндрической формы: 90
Последовательное осущ ествление процессов фильтрации и про мывки, характерное для целого ряда фильтрационных установок, далеко не всегда позволяет достичь приемлемых для последующих технологических процессов значений остаточной влажности осадка и степени его очищенности от растворенных в жидкой ф азе при месей. Традиционный подход к реш ению этой проблемы состоит в термической подсушке осадков во всевозмож ны х печных и внепечных тепловых агрегатах, что позволяет снизить влажность сухого остатка до весьма низкого уровня, но не освобождает осадок от н е желательных примесей. Термическая суш ка предполагает выпари вание жидкости, в ходе которого растворенны е в ней вещ ества оста ются в осадке в твердой форме и уж е не могут быть удалены. Такой способ сушки характеризуется большим потреблением сушильного агента и топлива, высокими эксплуатационными расходами и оказывает ощутимое влияние на себестоимость готовой продукции. Современный подход к реш ению задачи предусматривает орга низацию процесса подсушки осадка непосредственно на фильтре путем продувки сушильного агента сквозь слой дисперсного ма териала. При этом стадия сушки является одной из составляющих полного цикла обезвож ивания. С ниж ение влажности осадка при суш ке на фильтре достигается совместным действием двух меха низмов: замещ ения поровой влаги сушильным агентом и испарения жидкости при повышенной температуре [113]. 91
В общем случае сушкой назы вается процесс удаления влаги из веществ путем ее испарения и отвода образующ ихся паров. Уда ляемым компонентом сушки обычно является вода или иной легко летучий компонент. По физической сущности суш ка является процессом совмест ного тепломассопереноса и сводится к перемещ ению влаги под воздействием теплоты из глубины высушиваемого материала к его поверхности и последующему ее испарению. В процессе сушки влажное тело стремится к состоянию равновесия с окруж аю щ ей парогазовой средой, поэтому его температура и влагосодержание в общем случае являются функциями времени (х) и пространственных координат (х, у, z): t = /,(х, у, z, х);
(1.248)
wv = /2(x,y,z,x).
(1.249)
Уравнения (1.248) и (1.249) описывают динамику нагрева и удаления влаги из твердого тела. Их реш ения при конкретных условиях взаимодействия, дополненные начальными и граничными условиями, дают информацию о профилях температур и влагосодержаний. Основной характеристикой процесса сушки служит суммарный коэф ф ициент теплопередачи к г который, как известно, является обобщ енным показателем, учитывающим все три возможных вида переноса энергии (теплопроводность, конвекцию и диффузию). Большое внимание расчету этого показателя уделено в разделе «Тепломассообменные процессы в зернистом слое» главы 1. П ри веденная в нем зависимость (1.124) позволяет определить численное значение суммарного коэф ф ициента теплопередачи. Доля энергии, передаваемой каждым из перечисленных способов, зависит от типа и конструкционных особенностей сушилки [113]. В зависимости от способа подвода теплоты выделяют следу ющие виды сушки: конвективную, контактную (кондуктивную), р а диационную, сублимационную и диэлектрическую. Сушка осадка на фильтрах носит конвективных характер и ве дется в условиях непосредственного контакта материала и сушиль ного агента. Подвод теплоты осущ ествляется газовой ф азой (чаще всего воздухом или продуктами сгорания топлива), которая в про цессе сушки охлаждается с увеличением своего влагосодержания. Определяющ ее влияние на ход процесса сушки оказываю т свойства обезвоживаемого материала и сушильного агента (оценке которых было уделено обширное внимание в предыдущих разделах) и условия контакта фаз. В результате контакта с влажным материалом газ-теплоноситель насыщ ается парами жидкости и становится влажным. Скорость этого процесса описывается кинетическими функциями. 92
Под кинетикой процесса сушки понимают изменение средних по объему влагосодержаний wv и температур
t . Вобщей
форме
кинетические уравнения имеют интегральный характер и записы ваются в следующем виде [104]: w v = J J J /3(x,y,x,x)dxdydz; v
(1.250)
t = JJJ74 (х, у, х, x)dxdydz. v
(1.251)
Под интенсивностью сушки понимают скорость удаления влаги (~dwv / d x ). Знак «минус» перед дифф еренциалом свидетельствует о сниж ении скорости сушки по мере перехода системы твердое тело—газ к состоянию равновесия. В случае если материал имеет дисперсную структуру, скорость сушки зависит от формы и размеров частиц, порозности слоя, формы и состояния м еж ф азной поверхности, теплофизических свойств материала и газа, вида связи влаги с материалом и иных факторов [47, 87, 102]. Рассмотрим влажное тело, находящ ееся в контакте с газовым потоком. При постоянном давлении и неизменной температуре такой поток характеризуется величиной относительной влажности ф. Если давление пара в жидкости станет в некоторый момент времени отличным от парциального давления пара этой жидкости в газовой фазе, то между ф азам и будет протекать массообменный процесс вплоть до достижения равенства этих давлений. После этого массообмен прекращ ается и наступает состояние динамичес кого равновесия, характеризуем ое новым значением равновесной влажности сор. Направление массопереноса определяется абсолютными значе ниями давлений пара в газовом потоке рп и в материале рм. Удаление влаги из материала (десорбция) возможно только при рм > рп. В случае если соотношение противоположно — рм < рп, влага сорби руется материалом [75]. В условиях постоянства давления и температуры достиж ение динамического равновесия говорит о том, что каждому значению относительной влажности ф соответствует определенная величина равновесного влагосодержания сар материала. На основе этих дан ных строят изотерму сорбции (рис. 1.24). Если тело с влагосодержанием юнач > юнас находится в контакте с потоком газа, имеющим относительную влажность ф, то сушка будет протекать до тех пор, пока влагосодержание материала не 93
где Я — энтальпия изотермического процесса, или энергия отрыва связанной воды, Дж. В дифференциальной форме запишем О = Д Г 2[(01прп / дТ) - (дШрнп / дТ)] = Q (w'v ) - О0, (1.254) где 0'(w'v) — теплота испарения влаги из материала при влагосодерж ании w'v, Д ж /кг; О0 — теплота испарения свободной воды, Д ж /кг. Формула (1.254) довольно сложна, поэтому обычно ее упрощают, допуская, что в узком диапазоне температур О = RT2
= const.
(1.255)
дТ С учетом этого упрощ ения между давлением пара связанной воды, температурой и теплотой испарения жидкости наблюдается зависимость
Рис. 1.24. Диаграмма состояния влажного материала достигнет величины юр. Дальнейшего снижения влажности мате риала не произойдет, сколь бы продолжительным ни было время сушки. Разность влагосодержаний (содач — о р) представляет собой отно сительное количество влаги, которое может быть удалено при отно сительной влажности газовой фазы, равной ф. С точки зрения теории сушки упоминавшуюся ранее клас сификацию форм связи влаги с материалом следует рассматривать под несколько иным углом. Поскольку процесс сушки материала сопровождается разруш ением связей между дисперсной ф азой и жидкостью, целесообразно оценить величину энергии, затрачи ваемой на разруш ение этих связей. Согласно исследованиям А. В. Лыкова [75, 102], работа отрыва 1 моля воды А при изотерми чески обратимом процессе без изменения состава будет опреде ляться зависимостью А = - A F = ЯПп(рнп/ р п) = -Д71шр,
(1.252)
где AF — изменение свободной энергии системы, Дж; рнп — давле ние насыщенного пара при температуре Т, Па; рп — давление р е ального пара при температуре Г, Па; ф — относительная влажность. На основании уравнения Гиббса—Гельмгольца получим 0(AF) d H = dF - Т —— дТ 94
(1. 253)
Р п = Рн.п е х Р
КТ
(1.256)
В процессах, где давление р постоянно и удовлетворяет со отношению p d V = d(pV), бесконечно малое количество теплоты dQ можно представить в виде полного диф ф еренциала dQ = dH.
(1.257)
И зм енение энтальпии в процессах, протекаю щ их при по стоянном давлении, равно количеству теплоты, подведенному к системе. Если теплообмен с окруж аю щ ей средой отсутствует, то ее энтальпия при изобарно-адиабатическом процессе постоянна (Я = = const). В условиях взаимодействия газа и жидкости процесс теп лообмена осложняется переносом массы в виде пара с поверхности жидкости, поэтому уравнение (1.257) принимает вид dO = d H - H JL W = 0,
(1.258)
где Нж = сж1ж — энтальпия жидкости, Д ж /кг; d W — изменение массы жидкости, отнесенное к массе абсолютно сухого газа. Величина d W характеризует перенос влаги в виде пара с поверхности испарения в газовую фазу. При этом влагосодержание газовой ф азы изменяется на бесконечно малую величину dx, т. е. d W = dx и дифф еренциальное уравнение (1.258) приобретает следующий вид: 95
d H = H Jtx.
(1.259)
После интегрирования уравнения (1.259) в пределах некоторых состояний 1 и 2 получим Н2 - Н, = Нж(х2 - х.) = c j j x 2 - х,).
(1.260)
М оделирование процесса сушки состоит в составлении системы уравнений на основе материального и теплового балансов сушки. М атериальный баланс имеет целью определение количества (расхода) испаренной влаги и расхода сушильного агента. Его со ставляют для потоков высушиваемого материала и газа. При составлении баланса по высушиваемому материалу в ка честве исходного параметра чаще всего используют влажность со материала. Для стационарного слоя дисперсного материала, про дуваемого потоком сушильного агента, уравнение массообмена мо ж но составить, обозначив через т 1 и т 2 массы исходного и вы сушенного материалов, через со, и со2 — их влажности, а через W — массу удаляемой из материала влаги, при этом получим матери альный баланс в форме системы из двух уравнений: f n i j f l - со,) = ш 2 (1 - со2 );
1 w 1ш2 = m i - W .
(1.261)
Отсюда мож но определить массу удаляемой влаги: W = гпДсо, — со2)/(1 — ю2).
(1.262)
Эта влага в процессе сушки в виде паров поступает в сушильный агент, повышая его влагосодержание. В таком случае для газовой ф азы справедливым будет уравнение Lx, — W = 1х2, (1.263) гдеI — масса абсолютно сухого газа, кг; х, и х2 — влагосодержания газа на входе и выходе из фильтра соответственно в расчете на 1 кг абсолютно сухого газа. Отсюда масса абсолютно сухого газа, необходимого для сушки материала до заданной температуры, определяется по формуле L = W /(x2 - х,).
(1.264)
Х арактеристикой эф ф ективности рассматриваемого способа суш ки мож ет служить масса подаваемого абсолютно сухого газа 1, обеспечивающая испарение единицы массы воды: 1 = L / W = 1(х2 - х,). (1.265) Тепловой баланс процесса сушки осадка на фильтрах несколько отличается от теплового баланса основного варианта конвективной 96
сушки, реализуемой в специальных сушильных устройствах, однако его математические формулировки в обоих случаях аналогичны. Рассмотрим тепловой баланс суш ки осадка на фильтре исходя из особенностей аппаратурного оформления процесса. В общем случае для организации процесса суш ки необходимо наличие двух устройств: калорифера, в котором поступающий на сушку воздух подогревается до заданной температуры, и сушильной камеры [47]. Если исключить возможность любого химического взаимодейст вия в слое дисперсного материала, то все тепло, поступающее в систему, складывается из физического тепла влажного материала и физического тепла сушильного агента. В свою очередь, ф изическое тепло влажного материала включает энтальпию влаги и энтальпию абсолютно сухого материала. Подведенная в сушильную камеру энергия тратится на нагрев влаги, ее удаление и нагрев подсушен ного материала, следовательно, расходная часть теплового баланса содержит четыре статьи: энтальпию влажного воздуха, энтальпию подсушенного материала, энергию, затраченную на испарение жидкости, и потери тепла во внеш ню ю среду. Обозначим параметры сушильного агента до калорифера индек сом «0» (х0, Н0), после калорифера — индексом «1» (х,, Я,), после су шильной камеры — индексом «2» (х2, Н2). Пусть влажный материал массой М ] в процессе сушки меняет свою энтальпию от до Я . Тогда количество теплоты, по ступившей в сушильную камеру с материалом, будет характери зоваться зависимостью = М2сме, + WcQv
(1.266)
где см — теплоемкость высушенного материала, Дж/(кг-К); 0, — температура материала, поступающего в сушильную камеру, К; св — теплоемкость воды, Дж/(кг-К). Отводимое с материалом тепло определяется по формуле М - Л г = М 2СА '
(1-267)
где 02 — температура высушенного материала, уходящего из су шильной камеры, К. Энергия, подводимая с сушильным агентом, складывается из его энтальпии перед калорифером 1Н0 и энергии, переданной ему в калорифере, Ок. Расход энергии с сушильным агентом мож ет быть оценен величиной его энтальпии после сушильной камеры 1Я 2. Учитывая все возможные пути поступления и отвода энергии для системы калориф ер—сушильная камера, можно записать общее уравнение теплового баланса процесса сушки: Щ
+
+ Wfc.0, +
= LH2 + G 2C 0 2 + Ов,
(1.268) 97
где Оп — потери тепла во внешнюю среду, Дж. Потери тепла во внешнюю среду, в свою очередь, можно р аз ложить на три составляющие: потери, связанные с нагревом стенок фильтровальной камеры; тепло, теряемое вследствие конвективного теплообмена внеш них частей камеры с окружаю щ им воздухом; и тепло, уносимое движущ имися частями фильтра (фильтрационной тканью, ж елезной сеткой, резиновым ковриком и др.). Доля тепла, затрачиваемого на нагрев окружающ его воздуха, в таких аппаратах обычно невелика, и ей в технических расчетах пренебрегают. Двумя другими составляющими пренебрегать не следует, несмотря на то, что учет их ввиду большого числа нагреваемых конструкционных элементов фильтра сложен. Общие потери энергии в таком случае можно записать в виде о п = 1 , щ с (а г
- t r ),
d -269)
i
где т. — массы элементов конструкции, кг; с. — теплоемкость конструкционного материала, Д ж /(кг'К ); tHm и tK0H — средние тем пературы элементов конструкции до и после окончания сушки. Общий расход теплоты на суш ку составит (?х = Ц Н 2 - Н0) + М2см(02 - 0() -
WcQ, + Оп.
(1.270)
Разделив обе части вы раж ения на массу удаляемой влаги W, получим уравнение для удельного расхода теплоты (т. е. отнесенного к 1 кг испаряемой влаги): як = Щ
- Щ + qM + qn - CB0 „
(1.271)
где qM — удельный расход энергии на нагрев высушенного мате риала, Д ж /кг; qn — удельные потери энергии на нагрев элементов конструкции, Д ж /кг; св — теплоемкость влаги, Дж/(кг-К). Выражения (1.270), (1.271) дают только общее представление о процессе сушки, но никак не отраж аю т его механизм, кроме того, реш ение этих уравнений возможно лишь при наличии данных о ф изических парам етрах дисперсного материала и сушильного агента по заверш ении сушки, что требует проведения эксперимента. Расчет этих параметров теоретическим путем осуществляется на основе уравнений кинетики сушки [70, 75, 76], которая, как уж е отмечалось, характеризуется изменением средних влагосодержаний материала и температур, что в общем случае описывается вы раж е ниями (1.250) и (1.251). Если рассмотреть упрощенную математическую модель сушки сферической частицы, величина которой столь мала, что градиен тами температуры и влагосодержания внутри нее можно прене бречь, предполагая, что процесс сушки лимитируется подводом теплоты и что вся теплота, подводимая к ней, идет на испарение влаги, можно составить следующий тепловой баланс: 98
and2(t — 0) = (dco°/dT)(7id3/6 ) p Mrn,
(1.272)
где а — коэф ф ициент теплоотдачи от газа к частице материала, Вт/(м2-К); d — диаметр частицы, м; t и 0 — температуры сушильного агента и материала соответственно, К; рм — плотность материала, кг/м 3; гп — теплота парообразования жидкости, Д ж /кг. Определим по этому уравнению скорость сушки: dco°/dT = 6 a
it —
.
(1.273)
аРмгп Из уравнения следует, что с уменьшением разм ера частиц дисперсного материала, увеличением температуры газа и ко эф фициента теплоотдачи скорость суш ки возрастает. Для изучения кинетики сушки могут использоваться два под хода. В первом случае анализирую т внутренний механизм движения потока влаги, во втором — воздействие внешних условий (как пра вило, параметров сушильного агента) на скорость сушки матери алов. При этом первое направление требует фундаментального изучения механизмов образования и перемещ ения влаги внутри материала. Их может быть несколько: 1) диф ф узия в сплошном гомогенном твердом теле; 2) капиллярный поток в зернисты х и пористых твердых материалах; 3) поток, вызванный уменьш ением объема и давления; 4) поток, вызванный силой тяжести; 5) поток, образующ ийся в результате последовательной смены процессов испарения и конденсации [54]. При суш ке осадка на фильтре перечисленные механизмы п ере мещения влаги сменяют друг друга, поэтому для осуществления расчета необходимо располагать достоверны м и сведениями о каждой из этих стадий. Исследования в этой области продолжаются, но пока трудно говорить о достижении ощутимых результатов в силу сложности составления соответствующ их математических моделей. Поэтому на практике к этому методу расчета прибегают крайне редко, что, однако, ничуть не умаляет значимости и перспективности анализа внутреннего механизма движ ения потока влаги. Гораздо чаще используется второе направление, основанное на учете влияния внеш них воздействий на скорость сушки, так как ('го результатами можно с высокой степенью надежности вос пользоваться при расчете и проектировании сушильного обору дования. В настоящ ее время наибольшую известность получила предло женная А. В. Лыковым теория углубления зоны испарения, исполь зуемая при математическом описании сушки [75, 76]. В ее основе леж ит условное разделение объема влажного мате риала на две зоны — зону испарения и влажную зону, которые 99
непостоянны и определенным образом изменяю тся во времени. М ежду этими зонами сущ ествует некий пограничный слой, толщина которого такж е меняется. Предполагается, что испарение жидкости протекает не только на поверхности этого слоя, но и по всей его толщине, причем наибольшее количество жидкости испаряется на поверхности влажной зоны, а по мере приближения к поверхности тела интенсивность испарения снижается. Характер силового взаимодействия между влагой и материалом в пределах пограничного слоя различен. В зоне испарения преоб ладает адсорбционная влага, а во влажной зоне — капиллярная (испарение здесь происходит с поверхности менисков). Полагают, что на границе влажной зоны и зоны испарения газ полностью насыщен (ср = 100 %), а в зоне испарения влажный газ находится в равновесии с влагой материала. На основании этих заключений А. В. Лыков делает вывод о наличии связи влагосодержаний мате риала и газа, подчиняющейся закону равновесия, что позволяет вы раж ать движущ ую силу суш ки через газовую фазу. Рассмотрим кривые сушки и нагрева влажного материала, изо браж енны е на рис. 1.25. Теоретически влагосодержание тела мож ет достигнуть мини мального значения (о°р за бесконечно большой промежуток вре мени. Причем скорость процесса при стремлении влагосодержания к равновесному значению уменьшается, а в момент равновесия становится равной нулю, и кривая сушки асимптотически стремится о к горизонтальной прямой ®р :
100
lim _ т —>0
= 0.
(1.274)
dr
На кривой кинетики сушки можно выделить три участка: пе риод прогрева АВ, период постоянной скорости суш ки ВС — период I — и период падающей скорости CD — период II. В период прогрева АВ подводимая к телу теплота расходуется на нагрев материала от начальной температуры 0j до температуры мокрого термометра tM и испарение небольшой части влаги. Этот период обычно незначителен по сравнению с другими периодами сушки. Скорость сушки в это время возрастает от нуля до неко торого значения. В период постоянной скорости сушки ВС влажность материала интенсивно уменьшается по линейному закону и вся теплота, под водимая к телу, затрачивается на интенсивное поверхностное испа рение влаги. Температура материала остается постоянной, практи чески равной температуре испарения жидкости со свободной по верхности tH. В период падающей скорости сушки уменьш ение влагосодер жания материала выраж ается некоторой кривой CD, которую в об щем случае можно в свою очередь разделить на два участка. В конце второго участка влагосодержание асимптотически стремится к равновесному, достижение которого означает полное прекращ ение дальнейшего испарения влаги из материала. В этот период испа рение влаги с поверхности материала замедляется, его температура начинает повышаться и мож ет достигнуть температуры газовой ф азы tr. Сниж ение скорости сушки при уменьш ении влажности мате риала обусловлено ростом внутреннего дифф узионного сопротив ления процессу, снижением влагосодержания материала у его поверхности вплоть до гигроскопического, падением концентрации пара у поверхности испарения. Скорость суш ки в каждый момент времени мож ет быть опре делена по кривой ABCD путем графического дифф еренцирования. Для этого к произвольной точке кривой проводят касательную до пересечения с осью абсцисс. Тангенс угла наклона этой касательной к оси абсцисс соответствует скорости суш ки в данный момент времени. Данные о кинетике сушки отображаю тся в виде кривых в координатах влагосодержание материала—скорость сушки. Чаще всего кинетические кривые суш ки получают на основе экспериментальных данных при постоянных параметрах (t и х) сушильного агента. Однако непосредственное применение этих кривых ограничено тем обстоятельством, что температура и влаго содерж ание газовой ф азы при организации суш ки с просачиванием изменяются по толщине дисперсного слоя, причем закон этого 101
изм енения определяется гидродинамическими и тепломассооб менными параметрами процесса. Существуют и приближенные способы расчета продолжитель ности сушки, основанные на закономерностях тепломассопереноса в системе твердое тело—газ [75]. Наиболее точным способом явля ется усреднение по объему влагосодержаний и температур, опре деленных по уравнениям динамики сушки (1.248) и (1.249). Общего математического описания на их базе построить невозможно, по этому получаемые этим методом закономерности представляют собой частные реш ения, использование которых весьма ограничено. Ф актически теоретические методы расчета разработаны только для дисперсных слоев с частицами правильной геометрической формы: шара, бесконечного цилиндра, симметричной пластины, достаточно редко встречаю щ имися на практике. Кроме того, входящие в подоб ные уравнения величины, например коэф ф ициент эффективной диффузии, трудно определимы. П о-преж нему наиболее приемле мым способом математического описания кинетики сушки, а следо вательно, и расчета ее продолжительности является аппроксимация кривой сушки, для построения которой необходимы эксперимен тальные данные. Попробуем описать процесс сушки с точки зрения явлений, происходящих при меж фазовом контакте в объеме дисперсного материала [75]. Полезные затраты энергии, подводимой с сушиль ным агентом, включают теплоту, расходуемую на нагрев влажного материала, и тепло, идущее на испарение жидкости. Ф изические параметры системы влажный материал—газ, как отмечалось ранее, непостоянны как во времени, так и в пространстве, что описано уравнениями (1.248) и (1.249), поэтому для осуществления дальней шего расчета необходимо перейти к интегральным характеристикам системы и составить тепловой баланс сушки, основываясь уж е на них [54]. Используя принятые выше обозначения для массы влаги — W , массы подсушенного материала — М 2, теплоемкости влаги и сухого материала — св и см соответственно и другими и обозначив через S общую поверхность влажного материала, выразим затраты теплоты на нагрев материала в единицу времени: (смМ 2 + cBW)dQ / дг.
(1.275)
Количество энергии, затраченное на испарение влаги, опреде ляется формулой rd W /d x = rM2d(o°/dz.
(1.276)
Будем считать, что потери тепла вовне отсутствуют, тогда по закону сохранения энергии количество теплоты, расходуемой на нагрев материала и испарение влаги, равно количеству теплоты, подводимой в единицу времени ко всей поверхности тела S. Сред102
ний удельный поток теплоты на единицу поверхности тела составит S(1 / S )JqrdS = Sq.
(1.277)
Сложив уравнения (1.275) и (1.276) и приравняв их к (1.277), получим d0 (С м М 2 + C BW ) ------
+ ГпМ 2
dco
= Sq,
(1.278)
dx
dx.
или M , C„ + c_
W M .2
dco + r*M 2 - Sq. dx dx
d9
(1.279)
Отнесем все члены уравнения (1.279) к объему тела и, учитывая, что W / M 2 = со0 и M 2/ V c = рс, получим вы раж ение для удельного расхода энергии:
Я =
где
dco о dB (см + свсо )рMRV — + P„RVrn dx dx.
(1.280)
= V /S — приведенный радиус тела, м. Поскольку теплоемкость влажного тела с = см + св-со°, то
Rv
Г Яп = P M R V rn
, о! dco Г , , del l+(c/rj — dx_ dx
(1.281)
или оЛ (1+Rb), dx
dco Яп =
P itR V rn
(1.282)
где Rb = cdO /rdx — критерий Ребиндера. Выражение (1.282) является основным уравнением кинетики сушки, но, чтобы его использовать, необходимо знать зависимость влагосодержания от времени. Эту зависимость можно получить, р е шая систему дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса. Наибольшую сложность представляет математическое описание массообмена при испарении жидкости в объеме дисперсного слоя. Интенсивность испарения жидкости и ее перехода из объема мате103
риала в газовую ф азу определяет скорость процесса сушки [54, 84]. В теории суш ки под скоростью массопередачи о при сушке пони мают массу влаги, испаряемой с единицы поверхности материала в единицу времени, в принятых ранее обозначениях она выражается зависимостью dW М7 da 0 о = ----- = — *-------- , Sdx S dx
(1.283)
или -® °)'
где и — скорость массопередачи, кг/(м2-с); ^ массопередачи в твердой фазе, кг/(м2'С).
(1.284)
— коэффициент
Вместе с тем скорость массопередачи может быть вы раж ена и через газовую фазу: и = У Р „ р - Р п)'
(1.285)
где qr — коэф ф ициент массопередачи, выраж енный через газовую фазу, кг/(м 2'С); рпр — плотность (концентрация) пара в газовой фазе, о находящейся в равновесии с телом с влагосодержанием юр ; — текущ ее значение плотности (концентрации) пара в газовой фазе. Приравняв правые части выраж ений (1.284) и (1.285), получим 5 т в К - ® ° ) = ^r(Pn.p - P J -
(1.286)
Необходимо отметить, что коэф ф ициенты и ^г, входящие в уравнение (1.286),зависят от площади испарения S.Однако испа рение жидкости происходит не со всей поверхности дисперсного материала, особенно в капиллярно-пористых средах, а только с по верхности менисков жидкости, находившейся в порах и капиллярах. В процессе постепенного испарения влаги глубина и конфигурация менисков меняются, а значит, меняется и площадь испарения. Это положение является ключевым в разработанной А. В. Лыковым теории углубления зоны испарения. Естественно, определить истин ную поверхность испарения не представляется возможным, поэтому скорость массопередачи принято относить к геометрической по верхности тела, условно принимая ее за поверхность испарения. Часто при определении скорости массопередачи в процессе испарения ее выражаю т через коэф ф ициент массопередачи в га зовой ф азе и парциальное давление паров: и
104
=
У Р „ .р
-
Рп)'
(1.287)
где £p — коэф ф ициент массопередачи, выраж енный через парци альное давление паров, к г / (м2-с). При проведении численных расчетов скорость массопередачи удобнее выражать через влагосодержание сушильного агента: и = у х р - х),
(1.288)
где £ , — коэф ф ициент массопередачи, выраж енный через вла госодержание сушильного агента, кг/(м 2-с). Стадиями массопереноса при суш ке являются перенос в твер дой ф азе (внутренний) и перенос в газовой ф азе (внешний). П ере нос пара в газовой ф азе — от поверхности материала в ядро потока сушильного агента — осуществляется конвективной дифф узией. Кроме внеш ней и внутренней задач массообмена, при сушке выделяют такж е смешанную задачу, когда диф ф узионное сопротив ление и сопротивление пограничного слоя сравнимы по величине. В этом случае реш ать внутренню ю и внеш ню ю задачи необходимо в совокупности. Количественным фактором, позволяющим определить задачу переноса влаги и теплоты, является критерий Био
£рс(Эсо° / 0рп) где 8 р (Вр , (3) — один из коэффициентов массоотдачи, кг/(м 2'с); X ( З а 0 / дрп ), (5со° / 8рн ) или (Зю° / дх) — производная, соответст вующая данному коэф ф ициенту массоотдачи; 1 — характерны й гео метрический разм ер тела, м. При сравнительно больших значениях критерия Био (Bi’ > 20) условия массообмена определяются в большей мере свойствами материала (внутренняя задача), а влияние внешних факторов на процесс незначительно, что представляет серьезны е трудности для интенсиф икации сушки. Такая задача характерна для материалов, имеющих ультрамикропоры, в которых влага перемещ ается в р е зультате твердофазной диф ф узии (гранулированные полиамиды, полиэфиры, полипропилен и др.) [54]. Для Bi’ < 1 скорость процесса практически полностью опре деляется внешними условиями массообмена, что позволяет легко воздействовать на нее путем создания соответствующ ей гидродина мической обстановки в аппарате. Внешняя задача реш ается при удалении влаги из сыпучих крупнопористых материалов со свобод ной или слабо связанной влагой (блочных полистиролов, некоторых сополимеров стирола, минеральных солей). При 1 < Bi’ < 20 внутридиффузионное сопротивление и сопро тивление пограничного слоя сопоставимы по величине (смешанная задача). П роцесс можно интенсиф ицировать воздействием как на 105
внешние, так и на внутренние параметры. При этом существует ряд способов преодоления диффузионного и теплового сопротивлений материалов (сушка токами высокой частоты, суш ка со сбросом давления и др.). Смеш анная задача — наиболее трудный для реш е ния случай тепло- и массопереноса. Поэтому часто, если позволяют условия, задачу упрощают — сводят либо к внутренней, либо к внешней. Плотность потока пара, проходящего через пограничный и дифф узионный слои, определяется законом массоотдачи [76, 121] dW
= р (рЛ - р) = Р (рп - рп) = Р*(х’-х ),
(1.289)
териальными зависимостями, аналогичными по форме приведенным в разделе «Тепломассообменные процессы в зернистом слое». В общем виде они могут быть выраж ены формулами [71]: Nu = 2 + / ,(Re, Pr, Gu, ...);
(1.293)
Num = 2 + /2(Re, Prm, Gu, ...),
(1.294)
где Gu = (T —T J /T — критерий Гухмана, учитывающий термоди намическое состояние влажного газа. На основе анализа большого количества экспериментальных данных были получены следующие корреляционные выражения:
Sdx где Р — коэф ф ициенты массоотдачи, средние по поверхности ис парения, вы раж енны е через соответствующие величины в скобках, кг/(м 2-с). В период постоянной скорости сушки внутренний перенос массы практически не влияет на процесс, скорость которого опре деляется дифф узионным сопротивлением в газовой фазе. Поэтому коэф ф ициенты массопередачи в газовой ф азе можно заменить соответствующими коэффициентам и массоотдачи. При этом за равновесные значения можно принять параметры, соответствующие состоянию насыщ ения пара у поверхности материала: dW =
Sdx
Рр ( Р н .л
-
Р л ) = Р Р (Р и .п -
Р п ) = Р * ( * ж ,с
-
х )■
(1 - 2 9 0 )
При конвективной сушке тепло на испарение влаги поступает к материалу от сушильного агента и тепловой поток можно выразить уравнением теплоотдачи: dQ/(Sdx) = <x(fr - 0),
(1-291)
где а — коэф ф ициент теплоотдачи от газовой ф азы к влажному материалу, Вт/(м2'К); tr — температура газовой фазы, К; 0 — темпе ратура материала, К. В период постоянной скорости сушки, как уж е отмечалось ранее, все тепло, подводимое к высушиваемому материалу, идет на испарение жидкости, следовательно, a(tr - 0) = rn
dW
(1.292)
Sdx Из уравнения (1.292) следует важный вывод: в период посто янной скорости сушки интенсивность процесса определяется в первую очередь подводом теплоты. К оэффициенты тепло- и массопроводности Nu и Num для случая испарения жидкости из дисперсного материала описываются кри106
Nu = 2 + A. R e“‘• P r0,33- G u0,175; Nu
= 2 + A, Re°2 • Pr
0,33
Gu
0,135
(1.295) (1.296)
где A v A 2, а, и a2 — коэф ф ициенты корреляции (табл. 1.14). Таблица 1.14 Коэффициенты корреляции в уравнениях (1.295) и (1.296) Re Аг 1 -2 1 0 2 1,07 0,48 0,83 0,57 3-103—2,2104 0,51 0,61 0,49 0,61 2,2-104—2-105 0,027 0,90 0,0248 0,90 Показатели степени при Re, Pr и Prm в уравнениях (1.295) и (1.296) превосходят таковые у критерия Gu, исходя из чего можно сделать вывод о слабом влиянии термодинамики сушильного агента на процесс сушки. В литературе приводятся и иные критериальные уравнения тепломассообмена при сушке, в которых критерий Gu не используется. Например, уравнение Num = 2 + 0,51 R e0,52 P r°'33
(1.297)
удовлетворительно аппроксимирует опытные данные по массопереносу при изменении критерия Re от 0 до 7-105. Все приведенные закономерности отраж аю т процесс внешнего массопереноса и применимы лишь в тех случаях, когда именно эта стадия лимитирует процесс сушки. Если ж е сушку лимитирует массоперенос в твердом материале, т. е. внутренний массоперенос, то поток влаги мож ет быть определен в дифф еренциальной форме по формуле о = ^pc.g ra d K ),
(1.298) 107
где Е, — коэф ф ициент массопроводности, кг/(м-с); рс — истинная плотность сухого материала, к г/м 3. Д ифф еренциальное уравнение массопроводности имеет вид c Mpcdt / dt = d iv (k c ■gradB),
б
(1.299)
где см — теплоемкость материала, Д ж / (кгК); Хс — теплопроводность сухого материала, Вт/(М'К). Уравнение (1.299) по форме аналогично дифференциальному уравнению теплопроводности и тождественно ему при смрс « 1. Применимость уравнения (1.299) ограничена изотермическими усло виями, поскольку при наруш ении равенства температур в материале наблюдается так называемое явление термодиффузии, что подтвер ждается исследованиями А. В. Лыкова. При этом для определения поля влагосодержаний необходимо иметь данные о распределении температур, а следовательно, уравнения тепло- и массопереноса должны рассматриваться совместно. В таком случае суммарный поток влаги в дифф еренциальной форме мож ет быть описан выражением о + um = 4Pcgrad(co°) + ^mpc-grad0 = qpc[grad(ra°) -I- q'mgrad0], (1.300) где иш — термодиффузны й поток, кг/(м 2ю); — коэф ф ициент тер модиффузии, м2/(с-К); — относительный коэф ф ициент термо диффузии, 1/К. Как следует из приведенных уравнений, получить зависимость влагосодержания от времени, используемую в уравнении (1.282), — процесс, достаточно трудоемкий. Чтобы избеж ать слишком слож ных расчетов, иногда целесообразно пользоваться приближенными зависимостями между этими величинами. Один из методов такой оценки предложил А. В. Лыков [75, 76]. М етод состоит в замене действительной кривой в период падающей скорости суш ки прямой линией (рис. 1.26). В результате такой за мены критическая точка смещается от истинного значения в гори зонтальном направлении влево (а) или вправо (б) в зависимости от формы кривой. Период падающей скорости суш ки можно описать уравнением ~— = К(со0 -о э °), dx
а
Рис. 1.26. Графическое определение приведенного критического влаго содержания 1д(ю° - Юр) = 1д(ю°рлр - ю°) - 1 / 2,3%Nx,
(1.302)
0 Лр — равновесное где ю°п — текущ ее значение влагосодержания; юкр значение влагосодержания в критической точке, аппроксимировано ное отрезком прямой; ®р — равновесное влагосодержание; % — от носительный коэф ф ициент сушки, зависящ ий от природы высуши ваемого материала; N — скорость сушки в период ее постоянства, определяемая режимом сушки; т — продолжительность сушки. В первом приближении для определения относительного ко эф ф ициента сушки используется формула Х =
1 ,8 /ю ° ,
(1.303)
о где сон — начальное влагосодержание материала.
(1.301)
где К — коэф ф ициент пропорциональности, называемый ко эф ф и циентом сушки. Этот метод позволяет получить достаточно простое прибли ж енное уравнение кривой сушки 108
109
Глава 2. И н тен си ф и к ац и я п р оц ессов ф и льтрован ия
2.1. Основные принципы интенсификации процессов фильтрования Повышение эффективности фильтрационных процессов при соответствующем аппаратурном оформлении представляет собой сложную задачу, оптимальное реш ение которой ещ е не найдено. В первую очередь, необходимо иметь стандартную методику испыта ний, позволяющую определять эффективность не только нового, но и многократно использованного фильтра и учитывающую такие характеристики осадков, как распределение частиц по размерам, пористость, или сжимаемость, и другие. Большое значение для повышения эффективности работы фильтра имеют предваритель ная подготовка пульпы, а такж е тип и свойства фильтрующ ей пере городки. Фильтруемость пульпы может быть повышена путем изменения некоторых ее свойств. С этой целью перед фильтрованием проводят специальную подготовку пульпы, которой предшествует качествен ная оценка ее устойчивости. Этой проблеме посвящены работы Б. В. Дерягина [53], проводившего исследование условий равновесия между вандерваальсовыми силами притяж ения и электрическими силами отталкивания. Согласно его работам сущ ествование труднофильтруемых пульп обусловлено тем, что твердые частицы, рас положенные близко друг к другу, оказываю тся в потенциальной энергетической «яме», соответствующ ей минимальной энергии (рис. 2.1). При этих условиях окруж аю щ ая частицы вода находится в неравновесном состоянии, а следовательно, скорости релаксации оказываю тся весьма низкими. Вода обладает способностью в течение длительного времени сохранять свои измененные свойства. Этим активно пользуются при сниж ении устойчивости некоторых пульп перед фильтрацией, на пример, с помощью магнитной обработки [53]. Обработанная в магнитном поле (напряженностью 8-104 А/м) вода обладает плохой смачивающей способностью, что позволяет интенсифицировать процессы разделения пульп. Кроме магнитной обработки, для сниж ения устойчивости пульп применяют различные коагулянты и флокулянты. Раскрытие механизма их действия и его количест венное описание такж е являются довольно трудной задачей, пока не имею щ ей реш ения. Фильтруемость некоторых пульп в агрегированном состоянии оказывается ниже, чем в диспергированном. Поэтому для предот 110
вращ ения слипания частиц и с целью разруш ения агре гатов вводят добавки, кото рые наводят заряды на час тицах, препятствующие их сближению . Такой способ и зм ен ен и я устойчивости пульпы называю т дефлоку ляцией. В некоторых случа ях фильтруем ость пульпы мож но повы сить простым изменением pH среды. Наряду с физико-хими Рис. 2.1. Зависимость общей потенци ческим и и химическими альной энергии W от расстояния 1 меж способами подготовки пуль ду двумя шарообразными частицами пы широко используются и пульпы механические, такие как предварительная классифи кация (в гидроциклонах либо классификаторах) и флотация мелких фракций с помощью пузырьков воздуха. Уже в процессе фильтрации условия ее протекания могут быть улучшены за счет повышения температуры, уменьшающ ей вязкость пульпы. С целью удаления высокодисперсных взвесей в ф ильтро вальный агрегат вводятся вещ ества различного происхождения, называемые вспомогательными. В качестве таких веществ ис пользуют кизельгур, диатомит, бумажную массу, уголь, асбест, отбеливающую землю и др. Эти вещества, накапливаясь на фильтре, задерж иваю т очень мелкие частицы осадка (диаметром 1 мкм и менее), увеличивают пористость осадка и снижаю т его гидравлическое сопротивление, а некоторые из них, например активированный уголь, силикагель и отбеливающая земля, адсорбируют на поверхности мельчайшие твердые частицы (до 0,01 мкм) и имею т свойство обесцвечивать жидкую ф азу пульпы. Используемые вещ ества должны быть химически инертны по отношению к пульпе и не растворимы в ее жидкой фазе, имея при этом узкий ф ракционны й состав (частицы близких размеров). Вы бор вспомогательных веществ и способа их применения осу ществляют опытным путем. Существует два способа ввода вспомогательных веществ в фильтровальный агрегат. П ервый заключается в непосредственном добавлении их к фильтруемой пульпе в количестве 0,1—0,5 % (ино гда до 2 %) от массы пульпы, второй — в тонкослойном намывании вспомогательных веществ на рабочую поверхность фильтра или горизонтальную опорную реш етку с образованием насадки. В промышленных стоках и гидрометаллургических пульпах, н а ряду с твердыми частицами неорганического происхождения, могут 111
содержаться такж е растворенны е соли, органические вещества и биогенные элементы. В процессе разделения таких пульп механи ческое фильтрование часто является только начальной стадией очистки, а удаление примесей неорганического происхождения ве дется в других аппаратах. Сейчас разработаны конструкции филь тров, позволяющие удалять биогенную ф азу и органические при меси непосредственно в ходе фильтрации (биофильтры). Эти агре гаты конструктивно очень похожи на фильтры с насыпным слоем. Принцип их действия заключается в нанесении на поверхность осадочного слоя тонкой пленки микроорганизмов, способствующих удалению органики и иных биогенных элементов. Если микроорга низмы относятся к аэробным бактериям, количества растворенного в жидкости кислорода недостаточно для их жизнедеятельности; в этом случае применяют аэрофильтры, в которых под слой осадка нагнетают воздух. В процессе фильтрации микроорганизмы активно поглощают органику, быстро увеличивая свой объем. В результате этого происходит закупоривание межпорового пространства. Для возобновления фильтрации био- и аэрофильтры необходимо реге нерировать (промывать) с целью разруш ения и удаления с зернис той загрузки биологической пленки. Активный ил, вышедший из биофильтра, механически отделяют от очищ енной жидкости или промывных вод на барабанном вакуумфильтре, рамном пресс-фильтре, камерном фильтре типа ФПАКМ или на центрифуге. После этого его сжигают, например, с помощью погружной горелки или утилизируют. Предварительная биологическая обработка жидкости необхо дима, в частности, при удалении из нее растворенных веществ неорганического происхож дения (катионов N a +, С а2+, М д2+, анионов С Г , N 0 3~) на ионитовых фильтрах, поскольку сорбцион ные процессы невозм ож ны при наличии следов органики в жидкости. Конструкция ионитовых фильтров подобна конструкции ме ханических фильтров с насыпным слоем. В качестве сорбента в них используются высокомолекулярные полимеры (катиониты и анио ниты). Ионитовые фильтры позволяют проводить глубокое обессоливание воды. Общая задача в инж енерны х расчетах фильтров с зернистым слоем независимо от механизма очистки сводится к определению оптимальных условий работы, при которых время до получения фильтрата с заданными свойствами минимально. Работа фильтров в оптимальном реж им е характеризуется условиями, при которых за некоторое время исчерпывается защ итное действие фильтра или достигается допустимый перепад давления на фильтре. Нередко задачу определения времени максимального защитного действия фильтра при очистке сточных вод можно свести к определению времени появления порции жидкости с заданной концентрацией удаляемой примеси. 112
2.2. Ф изико-химические методы интенсификации В последнее время предпринимаются многочисленные попытки повысить фильтруемость пульп путем введения в пульпу или на несения на поверхность фильтра веществ, способствующих интен сификации фильтрования, и воздействием на осадок физическими методами. Действие специальных добавок может быть основано на и з менении свойств (вязкости, поверхностного натяжения) жидкой ф азы либо на изменении поверхностных свойств (смачиваемости, агрегируемости) твердой фазы [62, 92]. П рактика показывает, что, несмотря на высокую эф фективность высокомолекулярных добавок, использование их не всегда оправ дано и в отдельных случаях вместо сниж ения влажности осадка, напротив, наблюдается ее рост, хотя скорость фильтрации может повышаться. Объясняется это тем, что влага, заключенная внутри агрегатов частиц, попадает в область большего силового взаимо действия, чем та, которая расположена вблизи одиночных частиц. Вещества, способствую щие интенсиф икации фильтрования, наш ли ш ирокое практическое прим ен ен ие на ж елезорудны х обогатительных фабриках. Особый интерес представляют органи ческие вещ ества дифильного строения — соединения, гидрофобизирую щая часть которых состоит из углеводородного радикала и группы неорганического происхождения, обеспечиваю щих хоро шую растворимость добавки в воде. Адсорбируясь на поверхности твердого вещества, добавки этой группы резко изменяю т свойства поверхности раздела фаз. Такие вещ ества широко применяю т для обезвож ивания уголь ных шламов. В их число входят, в частности, «Сульфоника 95» и флокулянт «Суперфлок», используемые при обезвож ивании шлама крупностью 70 % класса —44 мкм. С их помощью влажность осадка снижается с 45 —50 до 33 %. В литературе имеются сведения об испытаниях добавок «Тергинол», «Сепаран-2910», «Аэрофлок» и других, а такж е ионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ), эф ф ективно работающ их при фильтровании и центрифугировании [61]. Суть действия химических добавок состоит в изм енении поверхностных натяж ений на границах межфазового контакта, изменении вязкости пульпы и образовании флокул из мелких частиц твердой фазы. Все эти ф акторы проявляются на уровне капиллярных явлений в осадке и оказываю т наибольшее влияние на процесс при обезвоживании тонкодисперсных осадков, в первую очередь несжимаемых. М еханизм действия флокулянтов основан на склонности частиц пульпы к слипанию (вследствие коагуляции и адгезии), сила которого зависит от расстояния между частицами. Коагуляция и адгезия проявляются на расстояниях, соизмеримых с величиной ИЗ
молекул, и для слипания двух частиц требуется, чтобы они сбли зились на необходимое расстояние. По этой причине механизм действия флокулянтов имеет вероятностный характер и определя ется вероятностью столкновений частиц между собой и способ ностью их слипаться. Слипание частиц вызывает следующие явления: 1) нейтрали зацию электрических зарядов, окруж аю щ их частицу; 2) осаждение объемных флокул (например гидроксидов металлов), улавливающих мелкие частицы; 3) создание «мостиков» между мелкими частицами (с помощью добавок высокомолекулярных поверхностно-активных веществ). При выборе флокулянта необходимо учитывать его химическую природу и возможность загрязнения конечного продукта н еж е лательными примесями (табл. 2.1). Кроме химических реагентов, повышению фильтруемости пуль пы могут способствовать и иные вещества, химически нейтральные по отношению к ней. Ш ирокое применение вспомогательные вещ ества находят при фильтрации пульп с высокодисперсной и Таблица 2.1 Характеристика флокулянтов, снижающих устойчивость пульп [100] Флокулянт
Область применения
Механизм действия
Активированный кремневый золь
Обработка отходов
Электролити ческий и коа гуляция То же Коагуляция Электроли тический Связка «мос тиком» Электролити ческий и коа гуляция Связка «мос тиком» То же
Альгинаты Обработка воды Алюминат натрия Обработка воды Животный клей Обработка отхо дов Камедь Минеральные процессы Квасцы A12(S04)3- Обработка воды •хН20 Кукурузный крахмал Полиакриламид Полиэтиленоксид Сульфат железа Fe3(S04)2-xH20 h 2s o 4
Na-карбоксиметилцеллюлоза 114
рн
Эффективная концентрация
4 -6
1 -2 0 %
4 -1 1 3 -1 2 1 -9
До 5 % 2 -1 0 % 5 -3 0 %
2 -1 2
9 —140 г/т
5 -1 0
15 %
2 -1 0 4,5 кг/т Минеральные процессы Химические 2 -1 0 0,2-10 % процессы Химические То же 2 -1 0 1 -5 0 % процессы Обработка воды То же Любое 5 —100 % и химические процессы Обработка отхоЭлектролити1 -5 В широком дов ческии интервале Минеральные Коагуляция и 3 —9 14-220 г/т процессы связка «мостиком»
легкодеформируемой твердой фазой, при разделении пульп с разм е ром частиц менее 5 мкм и с массовой долей твердой ф азы до 0,5 %, когда основны м продуктом производства является ф ильтрат (очистка сточных вод, химические технологии). В качестве вспо могательных можно использовать волокнистые (асбест, целлюлоза, древесная мука) и высокопористые (диатомит, перлит, уголь) материалы. М ожно такж е применять эти материалы в различных сочетаниях. Вспомогательные материалы должны иметь крупность, мень шую, чем разм еры тканевых отверстий, чтобы они не могли проникнуть в фильтрат, но большую, чем крупность дисперсных частиц. Находясь непосредственно на фильтрую щ ей перегородке, эти вещ ества способствуют созданию благоприятных гидродина мических условий для фильтрации и уменьшению удельного со противления осадка. Для повышения эф фективности вспомогатель ных веществ их классифицируют, стремясь получить максимально монодисперсные фракции. Крупность порош кообразных матери алов составляет 10 —50 мкм, диаметр волокнистых — до 30 мкм [96]. В ходе фильтрации поверхностный слой вспомогательного ве щ ества постепенно закупоривается твердой ф азой пульпы и его периодически срезают. Такой способ используют на барабанных вакуум-фильтрах. М еханизм действия вспомогательных веществ сложен и не вполне изучен. Очевидно, что элементарное механическое закупо ривание не позволило бы достигать столь высоких показателей очистки, поскольку размер частиц дисперсии обычно значительно меньше размеров пор в структуре вспомогательного вещества. Замечено также, что обработка вспомогательного вещ ества электро литами или их добавление в пульпу сущ ественно влияют на э ф фективность процесса, что подтверждает первоначальное предпо ложение. Скорее всего, положительный эф ф ект от использования вспо могательных веществ достигается благодаря взаимодействию частиц пульпы и вспомогательного вещ ества посредством поверхностных и электростатических сил. В ряде случаев этому способствует до бавление к разделяемой пульпе поверхностно-активных веществ. Данные о физических характеристиках и фильтрационных свойствах вспомогательных веществ отечественного и импортного производства мож но найти в специальной литературе [62]. Вспомогательные вещ ества подразделяют на несколько сортов, различающихся физико-механическими свойствами и крупностью частиц. Выбор вспомогательного вещ ества производится с таким расчетом, чтобы при условии максимальной степени очистки процесс фильтрации протекал в реж им е образования несжимаемого осадка. При расчете количества вводимого вспомогательного вещества следует учитывать, что до достижения некоторой критической толщины слоя вспомогательное вещество способствует увеличению 115
скорости фильтрации вследствие повышения порозности, а пре выш ение этой толщины ведет к тому, что скорость образования фильтрата начинает снижаться. К этому обстоятельству необходимо отнестись с особым вниманием, если фильтрация ведется при по стоянном давлении. В этом случае чрезмерная толщина слоя вспомо гательного вещ ества мож ет заметно снизить производительность установки. Оптимальная толщина слоя отвечает условиям, при ко торых единица массы вспомогательного вещ ества позволяет по лучить максимальное количество фильтрата. Окончанию процесса фильтрации соответствует момент полной закупорки пор вспомогательного вещ ества частицами обезвож и ваемой пульпы. При этом изменится первоначальная порозность осадка, а объем его останется неизменным и равным объему вспо могательного вещества. Тогда количество вспомогательного вещ е ства, расходуемого за один цикл фильтрования, может быть опре делено по формуле Мв = m F + Л2?(1 + и)У,
(2.1)
где т п — масса предварительно наносимого на фильтрующую перегородку вспомогательного вещества, отнесенная к единице поверхности перегородки, к г/м 2; У — объем фильтрата, получаемого за один цикл фильтрования, м3; и — объем осадка, отнесенный к единице объема фильтрата, м3/м 3; т д — масса вспомогатель ного вещества, добавляемого к единице объема фильтруемой пуль пы, к г/м 3. Отсюда выход фильтрата на единицу массы вспомогательного вещ ества будет равен У V 1 Ув = -----= ---------------------------= ----------------------- , Мв m nF + m g (l + u)V Е п . + т { 1 + и) 9т 9
(2.2)
Ув
9т
+ ш д (1 + ц) = ^ 9т
+ - ^ - Рв(1~ £д) ,
(2.3)
рв ( 1 - б в ) - т д
где ps — плотность вспомогательного вещества, к г/м 3; гв — по ристость вспомогательного вещества. Это вы раж ение носит экстремальный характер: 116
1
л
dm„ к У .у
т -----dm 9 9 2т
2м
\2
Рв(1 - 8 в)
(Рв(1-
0.
(2.4)
т„
Поскольку р8(1 - ев) >> т д (обычно к пульпе добавляется н е сколько процентов вспомогательного вещества), то Рв(1 - £в)2 - тп„ (Рв(1
(2.5)
и условие экстремума величины У определяется равенством 9п2
т
d 9 / dm„
т
( 2 .6 )
При т = 0 (вспомогательное вещество вводится вместе с пуль пой) равенство (2.6) выполняется лишь при 9 = 0, что позволяет заключить, что экстремальный характер зависимости объема филь трата от массы вспомогательного вещ ества имеет место только при нанесении последнего непосредственно на фильтрую щ ую по верхность. Если ж е фильтрование проводится без нанесения пред варительного слоя вспомогательного вещества, то с увеличением его концентрации значение У уменьш ается [73]. При расчете скорости фильтрации с использованием вспомо гательного вещ ества в большинстве случаев сжимаемостью осадка и сопротивлением перегородки можно пренебрегать [74]. Тогда ско рость образования фильтрата определяется выражением 9 =
где 9 = У /(Fx) — средняя за цикл скорость фильтрации, м3/с; т — продолжительность цикла, с. Согласно сделанным ранее замечаниям на основании уравнений (1.1) и (1.2), максимум величины У , определяемой уравнением (2.2), соответствует минимальному значению функции — =^
d9
с
2Лрт
(2.7)
(xru Здесь г — удельное сопротивление осадочного слоя, зависящ ее от количества добавляемого в пульпу вспомогательного вещ ества тд, Н -с/м6.Связь между г и т д устанавливаю т посредством экспери мента или получают расчетным путем по упрощенным моделям. Подставляя функцию г = f(mg) в вы раж ение (2.7) при требуемом значении и, а полученное усредненное значение скорости филь трации — в уравнение (2.6), можно определить оптимальный расход вспомогательного вещ ества на единицу объема фильтрата. При нахождении массы вспомогательного вещества, обеспе чивающ ей максимальную скорость фильтрации, можно воспользо117
ваться уравнением (2.7), рассматривая его в пределе ? и -> 0, т. к. максимум скорости фильтрации отвечает минимальной величине удельного сопротивления. Сложность при расчете необходимой массы вспомогательного вещ ества представляет только определение параметров зависимостей г = f(mg) и и = f(m ). М инимум функции г и = f(mg) мож ет быть найден путем дифференцирования. Поскольку инж енерны х методов расчета влияния различных добавок на технологические пульпы до настоящего времени не предложено, на практике пользуются только экспериментальными данными.
2.3. Физические и физико-механические методы интенсификации Ф изические и физико-механические методы интенсификации процесса фильтрации ш ироко используются на практике. Одним из наиболее перспективных и в то ж е время самым малоизученным ф изическим методом интенсиф икации является магнитная обработка пульп, водных и щелоковых систем, промыв ной жидкости перед промывкой, фильтрованием или центрифуги рованием. Существует мнение, что магнитогидродинамическая (МГД) об работка способствует повышению растворимости солей в жидкости. И зменение равновесного состояния растворов солей в момент ин тенсивного испарения жидкости на развитой поверхности пористой структуры осадка сниж ает вероятность выпадения кристаллов со лей, что способствует оттоку жидкости при фильтровании. Хотя влияние магнитного поля на свойства жидкостей до н а стоящего времени практически не изучено, вместе с тем отмечается, что при о безвож и вани и некоторы х пульп м агнитогидродина мическое воздействие позволяет ускорить процесс фильтрации [31, 62, 65, 77]. Если эти данные будут подтверждены, магнитная об работка сможет найти свое место в практике разделения пульп и преж де всего в тех случаях, когда использование химических до бавок недопустимо. Ш ирокого практического применения МГД обработка пока не получила. Гораздо большее распространение приобрели физико-механи ческие методы воздействия. Их используют при обезвоживании полидисперсных пульп и осадков с крупностью твердой ф азы до 4 мм. Эта группа методов включает подогрев осадка в процессах фильтрования и подсушки, вибрационные воздействия различной частоты колебаний и механические воздействия (прессование, удар ное действие, пульсационные нагрузки на осадок и пульпу). Д ейственный способ интенсиф икации процессов фильтрования и промывки — сниж ение вязкости жидкой фазы. Этого можно достичь либо добавлением в пульпу специальных химических ве 118
ществ (физико-химический метод интенсификации), либо повыш е нием температуры. Д аж е незначительное изменение температуры фильтруемой пульпы мож ет вызвать значительное сниж ение ее вязкости. Согласно основному уравнению фильтрации (1.143) снижение вязкости ведет к пропорциональному увеличению скорости филь трации. Для сравнения показателей фильтрования при разной тем пе ратуре был поставлен эксперимент, повторявшийся несколько раз при температурах 60 и 90 °С и различной продолжительности процесса. И змеряемыми величинами являлись объем фильтрата и время, необходимое для его образования. Экспериментальные данные, полученные в ходе работы, были обработаны методом наименьш их квадратов, а численны е значения всех величин, входящих в основное уравнение фильтрации (1.143), сведены в табл. 2.2. Таблица 2.2 Сводная таблица величин, входящих в уравнение (1.143) Численное значение при Величина | 90 °С 60 °С Площадь фильтрования F, м2 Разность давлений Др, Па Динамический коэффициент вязкости жидкой фазы цж, Па-с Отношение объемов осадка и фильтрата а0, м3/м 3 Сопротивление перегородки Яфп, м-1 Удельное сопротивление осадка гоб, м-2
3,85-10_3 6,67-104 1,027-Ю-3
3,85-10“3 6,67-104 0,668-10“3
9,625-10"2 9,206-10~2 5,464-1010 5,464-10ю 9,966-1013 1,522-1014
Как мож но заметить, при возрастании температуры пульпы с 60 до 90 °С ее вязкость сниж ается на 35 %, что весьма значительно. Динамический коэф ф ициент вязкости водных растворов солей КС1 и NaCl при изменении температуры жидкой ф азы всего на 10 °С изменяется в среднем почти на 30 %. На основании собранных экспериментальных данных были построены графические зависимости для процесса фильтрования с образованием осадка (рис. 2.2). Как следует из рисунка, скорость ф ильтрации с увеличением тем пературы возрастает довольно заметно и по прошествии достаточно длительного времени с мо мента начала процесса расхождение экспериментальных кривых фильтрации становится существенным. При повышении температуры наряду со снижением вязкости наблюдается и уменьш ение поверхностного натяж ения жидкости. У водных растворов солей КС1 и NaCl при нагревании воды с 20 до 30 °С величина поверхностного натяж ения снижается с 72,75 до 71,2-10“3 Н /м . 119
<7-102, м 3/
м2
Рис. 2.2. Экспериментальные зависимости для фильтрования с образова нием осадка: 1 и 2 — в координатах V — q; 3 и 4 — в координатах т — 1/V; 1 и 3 — при температуре 60 °С; 2 и 4 — при температуре 90 °С На окончательной стадии процесса обезвоживания осадка часто осуществляют его подсушку сушильным агентом. Выбор типа и характеристик сушильного агента такж е относится к задачам интен сификации процесса фильтрования. В производственной практике в качестве сушильного агента, как правило, используется атмосферный воздух, который в ряде случаев подогреваю т в теплообменны х аппаратах. И мею тся прим еры использования в качестве теплоносителя отходящих топочных газов и перегретого пара. В литературе описываются и иные методы подогрева осадка, не нашедшие широкого применения, например радиационный нагрев. Исследованиями показано, что подсушка осадка перегретым паром вполне мож ет быть использована вместо традиционной суш ки воздухом [93]. В промышленном масштабе этот способ впер вые был применен в Германии для подсушки угольного концентрата. В наш ей стране его испытывали для фильтрации калийных кон центратов на барабанных вакуум-фильтрах в конце 1980-х годов. П ри этом было отмечено сниж ение влажности концентрата на 2 —2,5 % и повышение его качества на 1,5 —2 %. При пропускании перегретого пара сквозь осадочный слой он частично конденсировался и отдавал свое тепло осадку и, в первую очередь, жидкости. Параллельно с передачей тепла протекал про цесс растворения некоторых компонентов осадка в высокотем пературном конденсате. В итоге наряду со снижением вязкости и 120
повышением скорости фильтрации достигалось получение более чистых осадков с меньшим содерж анием влаги и растворимых примесей. Тем не менее на калийном производстве от использо вания пара в качестве теплоносителя пришлось отказаться по эко номическим соображениям, т. к. его получение связано со значи тельным расходом энергии [33]. Гораздо более экономично использовать в качестве теплоно сителя отходящие топочные газы, например после сушки. При этом целесообразно, чтобы газы охлаждались в осадке до точки росы. В этом случае процесс пойдет по описанному механизму, а затраты на тепло будут близки к нулю. К инетика подобного процесса хорошо описана Ю. А. М ихайловым и В. Н. Крохиным и для каждого кон кретного случая должна проверяться экспериментально. В последнее время большое внимание уделяется использованию для интенсиф икации процесса обезвож ивания вибраций различной частоты и интенсивности [55]. Основным рабочим органом при этом является колеблющаяся фильтрующ ая перегородка. Колебания перегородки предупреждаю т процесс осаждения частиц пульпы под действием адгезии. В общем случае под адгезией понимают слипание между собой двух твердых частиц или твердой и жидкой фаз. Применительно к пульпам, в качестве дисперсионной среды которых выступает ж ид кость, под адгезией следует понимать только слипание частиц твердой дисперсной фазы. Адгезия происходит в результате межмолекулярного взаимодействия, поэтому сила адгезии, помимо всего прочего, является функцией расстояния между частицами и р аз меров этих частиц. Основным законом адгезии является уравнение Дюпре, со гласно которому соприкосновение двух твердых тел единичной площади ведет к уменьшению энергии Гиббса AG, в результате чего выделяется эквивалентное ей количество энергии La, называемой свободной энергией адгезии: La = -A G = о20 + о 10 - о 12,
(2.8)
где о 10 и ст20 — силы поверхностного натяж ения на границе раздела твердое—жидкость, Н /м 2; о 12 — сила поверхностного натяж ения на границе двух твердых тел, Н /м 2. В соответствии с уравнением (2.8), чем больше поверхностное натяж ение исходных тел и меньше поверхностное натяж ение на границе их контакта, тем больше работа адгезии и прочнее адге зионный контакт. Кроме сил межмолекулярного взаимодействия (типа вандерваальсовых), проявляю щихся на расстоянии от 1 до 100 нм, силы адгезии включают в себя капиллярные силы, возникаю щ ие в порах между твердыми частицами, кулоновские силы и другие: 121
р ад = р ад + рад + р ад
+ ....
(2.9)’
'
Сила межмолекулярного взаимодействия зависит от кривизны поверхности частиц и для частиц правильной геометрической формы мож ет быть определена по следующим формулам: для двух шаровых частиц —
пн2
9
( 2 - 10 )
для шаровой частицы и плоскости, например стенки фильтра, — 2
^ад ~ 2г 2 '
(2.11)
где Н — расстояние между телами, м; а — константа, Н-м; г — радиус частицы, м. Кулоновская составляющая силы адгезии значительно больше молекулярной. При условии, что радиус частиц много больше рас стояния между ними, гк у
2
Ч 2 г2 '
(2-12)
где q — заряд частицы, Кл. Адгезия под действием капиллярной силы определяется по формуле = 4 Яаг.
(2.13)
На основании формул (2.10) —(2.13) можно сделать важный вывод: поскольку сила адгезии Fq? пропорциональна радиусу час тицы в первой и во второй степени, а силы разруш ения агрегата из нескольких частиц (силы инерции или тяжести) пропорциональны радиусу в третьей степени, то относительная роль силы адгезии при агрегации частиц возрастает с уменьш ением их размера. Приведенные формулы дают только приблизительную оценку сил адгезии. На практике эти силы определяются экспериментально. Адгезия играет двоякую роль — иногда положительную, иногда отрицательную . Адгезия повы ш ает эф ф екти вн ость осаж дения частиц, но меш ает очистке фильтрующ их поверхностей. При обезвож ивании тонкодисперсных труднофильтруемых осадков она ж е препятствует удалению жидкости из осадка, виной чему яв ляется капиллярная сила. 122
Силу адгезии при отрыве частиц от поверхности обычно вы раж аю т в долях ускорения свободного падения д. Такое пред ставление удобно при выборе устройств для регенерации п ере городки. Часто для этих целей используют вибраторы, основными техническими характеристиками которых являются амплитуда и частота колебаний. Например, вибраторы с частотой колебаний 50 Гц и амплитудой 1,2 мм развиваю т ускорение до 120дг. Для удаления слабо прилипшей пыли иногда достаточно 2д. Однако сила адгезии зависит от многих факторов, и часто необходимое уско рение отрыва находится в пределах (ЮСЫООО)дг. Прилежащ ий к поверхности фильтра слой представляет собой зону, в которой сосредоточивается ж идкая ф аза или пульповоз душная смесь. Такие фильтры имеют высокую производительность. Однако в настоящ ее время нет достаточно четкой и проверенной теории моделирования данных процессов, что затрудняет проекти рование промышленных аппаратов. Закономерности обычного про цесса фильтрации для рассматриваемого способа обезвоживания неприменимы, так как стабильного слоя осадка на фильтрующ ей перегородке этих фильтров не образуется. Тем не менее исполь зование подобных установок мож ет оказаться весьма перспек тивным ввиду простоты изменения гидродинамических характе ристик (порозности, удельного сопротивления). Важной составляющей исследований является изучение про цесса регенерации фильтроткани. В конструкции пульсационных фильтров не предусмотрено специального устройства для регенера ции перегородки, а очистка осадительной поверхности произво дится посредством все тех ж е вибраций. Для надежной регенерации ячеек перегородки необходимо, чтобы колебания соверш ались со строго заданной частотой и амплитудой. Исследования в области соверш енствования вибрационны х фильтров ведутся по двум основным направлениям. Оценивается влияние частоты колебаний вибратора и направленность вектора создаваемых им ускорений на фильтруемость различных техно логических пульп. Результаты этих исследований позволили спро ектировать и выпустить усоверш енствованные модели низкочас тотных и высокочастотных фильтров с продольным и поперечным относительно плоскости перегородки направлением колебаний. В низкочастотных вибрационных фильтрах применены электро магнитные и электродинамические (эксцентриковые и дебалансные) вибровозбудители с рабочим диапазоном частот 0 —2000 Гц, а такж е пульсаторы с частотами 0 —10 Гц. В высокочастотных аппаратах обычно используют магнитострикционные или пьезокерамические источники с диапазонами частот 18 —23 и 20 —700 кГц соответст венно. К конструкционным особенностям вибрационного фильтра от носят способ сообщ ения колебаний осадку и перегородке. Аппарат мож ет быть оснащ ен так называемой ж есткой связью (когда сер дечник пульсатора ж естко соединен с мембраной) или гидродина 123
мической связью (перегородка непосредственно не соединена с источником, а колебания передаются через пульпу и осадок, при этом на поверхность пульпы опускается гидравлическая пята или поршень). Интенсивность фильтрации и эффективность очистки ткани в первом случае напрямую зависят от частоты пульсаций и свойств перегородки, а во втором случае определенный дисбаланс вносит пористый осадок, что требует учета его характеристик. В связи с этим предпочтение следует отдавать вибраторам, ж естко связанным с мембраной, обеспечивающим удовлетворительную очистку пере городки независимо от наличия осадка на ней (при повторном пуске фильтра после удаления осевшего слоя). Они ж е имеют и наиболь ший коэф ф ициент полезного действия, т. к. в них не происходит диссипации энергии в объеме осадка и пульпы. Большой объем экспериментальных данных по фильтруемости тонкодисперсных пульп в условиях воздействия низко- и высоко частотных колебаний собрал С. М. Стоев. Он исследовал различные способы передачи колебаний вибровозбудителя перегородке и уста новил, что кривая зависимости эффективности процесса обезвож и вания от вибраций в целом имеет пологий вид, однако при ампли туде А = 4 мм и частоте колебаний 3300 Гц и 23 кГц наблюдаются два четко вы раж енны х пика. При этих параметрах колебаний про изводительность мембраны по ж идкой ф азе удалось увеличить на 80 %, а влажность осадка снизить на 25 —30 % по сравнению с фильтрацией без возбудителя. Значительных расхождений в э ф ф ек тивности фильтрации при жестком и гидродинамическом способах передачи колебаний им зафиксировано не было. Очевидно, основ ное преимущество пульсационных агрегатов перед традиционными типами фильтров состоит в большей скорости фильтрации. Практический и научный интерес представляет исследование закономерностей пульсационной фильтрации в аппаратах, где п ере городка и поток пульпы колеблются в одних и тех ж е направлениях. В таких аппаратах наблюдается накопление осадка, который в результате действия вибраций находится в динамичном состоянии. Существуют такж е фильтры с поперечным перемещ ением фильтроткани. Их используют в основном для сгущения и осветления низкоконцентрированных пульп, при фильтрации которых накоп ления осадочного слоя практически не происходит, поэтому оценки остаточной влажности осадка на них и определения условий ее достижения не требуется. Процесс фильтрации с использованием вибровозбудителя кар динально отличается от традиционного способа. Действие пульсаций таково, что в непосредственной близости от фильтрующ ей п ере городки создаются условия, в которых закупорка ячеек ткани становится невозможной. В фильтрах с ж есткой связью пульсиру ю щее движ ение перегородки вызывает создание кратковременных гидродинамических ударов, под действием которых осадочный слой на границе с ней приходит в неупорядоченное состояние и возни 124
кает пульсирующее движение потоков обеих фаз. М ожно предпо ложить, что ввиду инерционности жидкой ф азы она беспрепят ственно проходит сквозь перегородку, в то время как частицы дисперсии соприкасаю тся с нитями ткани и под действием толчков возвращ аю тся обратно в объем пульпы. Это предположение подтверждается данными скоростной ми крофотосъемки, которые показывают, что в различные моменты времени твердые частицы из прилежащ его к перегородке слоя оказываются то прижатыми к ней, то за счет сил инерции от деленными от нее. Пульсация сказы вается на основных показателях фильтрации двояко. С одной стороны, она препятствует забиванию пор перего родки, что увеличивает срок ее службы и исключает необходимость в остановке фильтра для очистки. С другой стороны, под действием пульсационного ускорения и в зависимости от условий соударения, частоты и амплитуды колебаний может возникнуть ситуация, при которой частица проникнет сквозь ткань, даж е будучи более круп ной, чем разм ер ячейки сетки. Задерживаться перегородкой будут только те частицы, диаметр которых отличается от разм ера ячейки на величину, определяемую параметрами колебаний и прочност ными свойствами сетки. Критический размер частицы, при котором ещ е возможен ее проскок в фильтрат, определяется из условия ^ ^ Ь к д,
(2.14)
где dKp — критический диаметр частицы, м; Ъ — разм ер ячейки, м; кд — безразмерный коэф ф ициент дифракции, отраж аю щ ий изм е нение разм ера ячейки за счет упругих свойств. К оэф ф ициент дифракции определяют по формуле к д = (Ъ - АЬ)/Ь,
(2.15)
где ДЬ — изменение разм ера ячейки при ударе одиночной частицы, м (определяется экспериментально). При условии стабильности колебаний и абсолютной жесткости перегородки (кд < 1) она подверж ена лишь временной закупорке «трудными» частицами, имеющими клиновидную и пластинчатую форму. Забивание пор возможно, только если перегородка движется в том ж е направлении, что и фильтрат, поскольку при ее уско ренном движ ении в обратном направлении возникает гидроудар и частицы, вызвавш ие закупорку, проникаю т в фильтрат. Следова тельно, продолжительность закупорки составляет половину периода колебаний. На основе сказанного можно сделать важны й вывод: зависи мость производительности пульсационного фильтра от частоты и амплитуды колебаний вибровозбудителя носит экстремальны й характер и мож ет быть определена с учетом инерционности колеб лющихся масс и жесткости перегородки. 125
Высокая скорость фильтрации — важное достоинство пульсационного фильтра, однако практическое внедрение фильтров такого типа ввиду малых их разм еров мож ет быть экономически выгодно только на небольших производствах. Идея использования пульсаций была подхвачена многими энтузиастами. Их усилиями разработаны и сконструированы при способления (виброприставки) для дополнительного обезвоживания осадков на фильтрах различного типа [60, 112]. Предлагаются устройства в виде отжимных валков, пневматических прессов или, наоборот, разры хлителей. И спользую тся и ком бинированны е методы. Институтом «Механобр» создана виброприставка к барабанно му фильтру в виде ролика, закрепляемого на опорах над поверх ностью фильтроткани и соединяемого с источником колебаний. Имеются данные, что благодаря использованию колебаний в диа пазоне частот 50 —500 Гц при обезвож ивании медного концентрата (55 % класса -0 ,0 7 4 мм) влажность сниж ается с 20,3 до 17,5 %, при обезвож ивании железного концентрата (90 % класса -0 ,0 7 4 мм) — с 11,5 до 8,5 %. Информация об изменении производительности фильтра после установки виброролика отсутствует. Проведены исследования влияния вида перфораций поверх ностей, сообщающих вибровоздействие осадку непосредственно. П ри этом сниж ение влажности осадка происходит за счет умень шения объема порового пространства и деструкции осадка в р е зультате сдавливания [89]. Эти два механизма главенствуют с пере менным успехом в зависимости от прочности осадка. У слабосжимаемых кристаллических осадков дополнительный отток влаги воз мож ен только за счет структурных изменений, сильносжимаемые осадки подвержены уплотнению, а значит, уменьшению доли пус тот. Эти предположения справедливы лишь для мелкодисперсных осадков, т. к. аналогичные исследования грубодисперсных осадков показали отсутствие корреляции между снижением влажности осадка и коэфф ициентом его сжимаемости. Действие сил на жидкость в вертикальном капилляре пористой структуры (см. раздел 1) следует рассматривать как частный случай фильтрования под влиянием гравитационного поля Земли. При сообщении перегородке и осадку периодических колебаний ве личина и направление равнодействую щ ей силы изм еняю тся. Ускорение, придаваемое осадку при совместном действии силы гравитации и вибрации, запишем в виде gz = д + дв, где дв — ускорение вибраций, м /с 2, тогда уравнения (1.1) могут быть при ведены к виду rKj = 2acosQ/[pmgLhKi + Др].
(2.16)
Ускорение, вызываемое вибрацией, можно определить по и з вестной формуле 126
дв = ABco2sin(®f), или дв = Ав(2тс/) sin(co t),
(2.17)
где А в — амплитуда колебаний, м; ш — угловая частота, Гц; t — про должительность вибровоздействия, с; / — частота колебаний, с -1. С учетом выраж ения (2.7) получим г,. = 2асоз0/[рждЛк|. + ржА (2л/)2з т М ) Л , + + Др(1 - h j h j - Дрфп], где Дрфп — перепад давлений на границах фильтрующ ей пере городки, Па. Отсюда Ав.кр = v т/Р, в
'
(2.19) v '
2 а cos0 / rKi - рx ghki - Др(1 - h Kj / h oc) + Арфп Здесь = ------------------------------ ---------------------------------------• (2nf ) 2 sm (a t)h Ki А — критическая амплитуда колебаний вибровозбудителя, при превыш ении которой возможна фильтрация пульпы под действием вибраций, м; ц/в — коэффициент, зависящ ий от свойств осадка, чаще всего определяемый эмпирически, м-с2. Численное реш ение уравнений (2.18) и (2.19) затруднено, по этому при нахождении значений rKj и Авкр используют ЭВМ. В работе [33] приведен пример численного реш ения уравнения (2.18), которое было просчитано на ЭВМ для промышленных усло вий обезвож ивания мелкозернистого калийного флотационного концентрата. П родифференцировав уравнение (2.18) по переменой времени, окончательно получим где
у
________ 2 а со5 0ржАв(2к/)3 c o s (cjt)hKi________________ [рждЛК1. + ржАв(2тс/)2 sin(
Численный расчет уравнения (2.20) был произведен для условий: рж = 1325 к г/м 3; а = 80-10-3 Н /м ; cos© = 1; д = 10 м /с 2; Лос = = 100 мм; Ав = 10~3 м; / = 50 с -1; Др = 8 4 0 4 Па; hKj = 5 4 0 ~ 4 м; Арфп = 0. Поскольку для практических целей наибольшее значение имеет величина совокупной силы, являю щ ейся суммой сил р(д), р(дв) и р(Др), то имеет смысл проанализировать их совместное действие. На рис. 2.3 и 2.4 показаны силы, участвующие в удалении влаги из капилляра, и зависимость оптимального гидравлического радиуса частиц от периода колебаний, отвечающая уравнению (2.20). 127
П ри условии непреры вности ф ункции rxi = /(f) знаменатель вы раж ения (2.18) не равен 0, поскольку (рxghKj + Др(1 — h j h oc) — - Арфп) > |pjKAj5(2n/)2sin(of)Ai(|.|. При этом функция будет определена во всем периоде, а составляющая возмущающего ускорения р(дв) при всех значениях способствует удалению влаги и направлена на преодоление сил поверхностного натяж ения жидкости. Величина критического радиуса будет удовлетворять следующим условиям: 1
sin(cof) = 1 2ю rKi; sin(cof) = 0;
=
(
2 . 21 )
— < f < — ; sin(cof) = -1 . со 2ю Согласно оговоренным ранее исходным данным для численного m ax
m in
п го л л
fi
расчета rKI = rKI - rKj = 2,52-10 6 м, что означает возможность о б езвож и вани я тех капилляров, радиус которы х превы ш ает 5,51-10-6 м, удаление влаги прекратится при разм ере капилляров гKf. = 2,9910-® м. ' Если ж е приведенное выше условие выполняться не будет, что соответствует случаю р{д) + + р(Др) < р(дв), то функция (2.20) потеряет определенность. При выборе частоты пуль сации необходимо учитывать, что применение высоких час тот хотя и улучшает показатели фильтрования (возрастает ко эф ф ициент задерж ки твердых частиц), но в то ж е время сн и ж ает производительность фильтра. Оптимальную частоту Д 1 /ш ) обычно находят эксперим ен тально в результате построения графиков зависимостей Wn = Рис. 2.3. Зависимость составляющих = ф(/) и % = ф(/), где I — ко давления pt от периода Г приложен эф ф ициент задержки, равный ных колебаний: отношению числа оседающих 1 — результирующая Ър:, 2 — на перегородке частиц к их р(Др0) — составляющая давления общему количеству. фильтрования; 3 — р(д) — составля Применительно к реальным ющая ускорения свободного паде ф ильтрационны м процессам ния; 4 — р(д) — составляющая воз учтенные в выраж ениях (2.18) мущающего ускорения 128
и (2.19) параметры: поверхностное ^■•10-° натяжение, ускорение свободного падения, возмущающее ускорение вибраций, а такж е давление филь трования — далеко не все состав ляющие равновесной силы. О гра ничение вводится в связи с труд ностью определения хар актер а влияния иных факторов на реоло гические свойства пульп. Это объ ясняет несовпадение в ряде слу чаев экспериментальных данных с Т/2 Д 1/со) расчетами по формулам (2.18) и (2.19). Рис. 2.4. Зависимость оптималь Приводимые в литературе р е ного гидравлического радиуса капилляра г . от периода Г прило зультаты экспериментальных ис следований сильно рознятся м еж женных колебаний ду собой. Анализ этих работ под тверждает, что вибрации оказы ваю т неодинаковое действие на ход процесса фильтрации. С оздание у поверхности раздела су сп ен зи я—перегородка особого слоя с переменными характеристиками — не единственный ф актор интенсиф икации фильтрационных процессов с помощью пульсаций. Приложение вибровоздействия к системе вызывает рост так называемой «подвижности» жидкости на молекулярном уровне. Пульсация относится к типичным физико-механическим воздейст виям, искусственно провоцируя повышение уровня энергетического состояния системы молекул, хотя этот эф ф ект возникает в ло кальном масштабе. Искусственное провоцирование состоит в повы шении энтальпии системы, что сопровождается изменением по верхностного натяж ения жидкости, коэф ф ициента вязкости и смачиваемости поверхности осадка жидкостью. В работе [33] приводятся обобщ енные данные о влиянии вибра ций различной амплитуды и частоты на поверхностное натяжение, краевой угол смачивания и вязкость жидкости. Исследования показали, что колебания звукового диапазона частот не оказываю т значимого влияния на смачивание, а такж е на поверхностное натяж ение и вязкость жидкости [55]. Источником колебаний служил диск-агитатор диаметром 80 мм, жестко соеди ненный с сердечником вибратора. Объем жидкости (насыщенных солевых растворов NaCl и КС1 и Н20 в опытах 1 и 2 и бидистиллированной воды в опытах 3 и 4) составлял 2000 мл, амплитуда колебаний — 0 —1,4 мм, частота — 20, 30, 40 и 50 Гц. Поверхностное натяж ение жидкости определяли двумя мето дами — отрыва (метод Вильгельми) и капиллярного поднятия ж ид кости [95]. Графические зависимости, полученные в ходе опытов, приведены на рис. 2.5.
129
Дст-10'3 Н/м
ст-10'3 Н /м
Рис. 2.5. Влияние амплитуды Ав и частоты вибраций на поверхностное натяжение о различных жидкостей: 1 и 2 — водные растворы солей, частота виброимпульса — 50 Гц ; 3 и 4 — дистиллированная вода, частота — 20 и 30 Гц соответственно
Рис. 2.6. Зависимость изменения поверхностного натяжения раствора солей от амплитуды колебаний А возбудителя при частоте 50 Гц: 1 — измерение методом Вильгельми; 2 — измерение методом капиллярного поднятия (пунктирная линия — расчетная зависимость; сплошная — экспериментальная)
П римененные в работе методы оценки поверхностного натяж е ния жидкости дали различные результаты. Так, расхождения в значениях поверхностного натяж ения жидкости при амплитуде колебаний 1 мм составило 2,5-10_3 Н /м , что весьма значительно. Экспериментаторы видят причину такой неточности в изменении периметра смачивания пластинки при искаж ении зеркала жидкости под действием вибраций (рис. 2.6). В связи с этим следует в большей мере руководствоваться р е зультатами, полученными методом капиллярного поднятия, менее подверженным возмущениям жидкости. В качестве приближенной зависимости поверхностного на тяж ения жидкости от частоты и амплитуды колебаний вибратора предлагается функция
чивания при частотах до 103 Гц и амплитуде до 1,5 мм заф и к сировано не было ни в одном из случаев. Однако было замечено, что при значительных ускорениях вибраций (дв > 8д) поверхность капли изменяла свой профиль на пикообразный. В случае небольшого наклона пластинки капля начинала перемещ аться по ней при достижении некоторого критического объема. М ожно предполо жить, что такое состояние возникает ввиду достижения каплей веса, достаточного для преодоления гистерезиса смачивания, и никак не связано с изменением краевого угла смачивания. Влияние вибраций на вязкость жидкости изучалось методом истечения через калиброванное отверстие. Колебания прикладыва лись как к самому сосуду, так и к жидкости, находящейся в нем. Источником вибраций жидкости в первом случае были стенки сосуда, во втором — колеблющийся диск, погруженный в жидкость. Амплитуда прилагаемых вибраций составляла 1,5 мм, частота варь ировалась от 0 до 1 кГц. Существенной разницы в продолжитель ности истечения 2000 мл жидкости отмечено не было. На основании результатов описанных выше экспериментов можно сделать однозначный вывод, что на данном уровне развития техники изменять физические свойства жидкости (вязкость, поверх ностное натяж ение, краевой угол смачивания) с целью интенси фикации фильтрационных процессов нецелесообразно. Для изучения кинетики обезвож ивания в работе [52] исполь зовалась лабораторная установка (рис. 2.7), представляющ ая собой вакуум-камеру, разделенную фильтрую щ ей перегородкой, лежащ ей на перфорированном основании. Н иж няя часть камеры соединена с
Дст = 55А/,
(2.22)
где / — частота колебаний, приложенных к жидкости, с -1; А в — их амплитуда, мм. Изменения краевого угла смачивания после приложения ви браций различной частоты и амплитуды, вопреки всем ожиданиям, обнаружено не было. В работе [55] краевой угол смачивания опре деляли методом измерения угла на проекции капли при наблю дениях через оптическую систему. Колебания прикладывались как перпендикулярно плоскости стеклянной пластинки, так и парал лельно ей. Дисперсионной средой суспензии в ходе опытов служили вода и различные ф ракции нефти. И зменений краевого угла сма 130
131
W, % 9 _1
j
т
. 4 - ----------- |-------------| - -
7 5
|-------
I ° х_о I
Г
_ о _ .£
2 . !_Р
‘Т х х 1*_ х * Ж х1*
3 - I --------1—• — I I 1 5
Iх 1 I
_
Н---------------- I----------- 1 - I «I I 10 15 20 пзкс
I° 2 I
I* 3 I
Рис. 2.8. Поле распределения средних значений влажности осадка при фильтровании на колеблющейся фильтрующей перегородке в различных режимах: 1 — без вибраций; 2 — вибрации с частотой 50 Гц (амплитуда 0,6 мм); 3 — вибрации с частотой, равномерно изменяющейся от 10 до 50 Гц (амплитуда 1 мм) Рис. 2.7. Лабораторная установка для изучения кинетики обезвоживания пульп и осадков сыпучих материалов под действием вибраций: 1 — самописец-милливольтметр; 2 — генератор сигналов; 3 — датчик инер ционного типа; 4 — контактные пластины; 5 — вибровозбудитель; 6 — фильтрующая перегородка; 7 — вакуум-камера; 8 — весы-динамометр; 9 — усилитель; 10 — скоростной самописец
вакуумной линией. Влажность осадка регистрировалась кондуктометрическим методом по кривой электропроводности с контролем весовым методом. Глубина вакуума составляла 2-104 Па. На внут ренней поверхности рабочей камеры установлены электроды для измерения электропроводности осадка. По кривой электропро водности можно судить об изменении влагосодержания массива, о продолжительности и временной точке приложения виброимпульса. Источником колебаний служил вибростенд ВЭДС-200 с ф иксиру емой частотой и амплитудой колебаний. Исследования проводили на рабочих пульпах обогатительных ф абрик ПО «Уралкалий». Вакуумную остановку включали до и после формирования осад ка. В обоих случаях независимо от интенсивности вибраций жидкая ф аза мгновенно отсасывалась (т < 1 с). Остаточное содерж ание влаги в осадке было на 20 —25 % выше, чем при обычном филь тровании в тех ж е условиях. При высокой амплитуде колебаний осадок терял целостность, начиналось образование трещин, через которые просачивался воздух. В этот период наблюдалось частое повторение гидроударов (рис. 2.8). Кристаллический осадок — мелкозернистые отходы флотации хлористого калия (85 % класса —1 мм, 20 % класса —0,25 мм) филь тровался в трех режимах: 1 — под действием вакуума без вибрации; 132
2 — на стабильно колеблющейся перегородке; 3 — на колеблю щ ейся перегородке при монотонном росте частоты с 10 до 50 Гц в течение 120 с. Исследованиями показано, что при фильтрации под действием вибраций максимальное сниж ение влажности осадка наблюдается при переходе через резонансны й режим. Резонансная частота определяется характеристиками упругости системы и зависит от коэф ф и ци ен та упругости перегородки, массы и прочностны х свойств накопленного на ней осадка. Резонансный реж им отли чается противофазным движением потоков масс и ритмичными гидроударами. Вероятно, в таких условиях осадок претерпевает значительные перегрузки и знакопеременны е ускорения, что может приводить к деструкциям и инерционному выводу влаги. При виброобезвоживании влажность получаемого осадка выше, чем при обычном фильтровании, хотя скорость фильтрования до статочно высока. Известно, что при таких условиях в случае прило ж ения вибраций снизу могут возникать нестабильные гидравли ческие явления, называемые «поршневыми». Колебания подобных систем сопровождаются частотными и фазными переходами колеб лющихся масс, что и является причиной успешности эксперимента. Влагу, находящуюся в слабом взаимодействии с материалом (структурированную и часть капиллярной), можно удалить из него путем многократных механических воздействий, ведущих к р аз рушению его структуры (деструкции), или приложением к мате риалу значительных инерционных нагрузок. О наличии явления деструкции говорит тот факт, что влажность осадка мож ет снижаться как при включенной, так и при опущенной 133
на осадок, но неработаю щ ей виброприставке. В опытах, постав ленных с осадками калийных суспензий, сниж ение влажности при неработаю щ ей виброустановке на глубину проникновения деструк торов С, составило 2,5 % (с 6 до 4,5 %), некоторое снижение влажности наблюдалось и в прилегающем ниж нем слое до глубины С2, что, вероятно, может быть объяснено действием сил трения. При включении вибровозбудителей происходило сниж ение влажности всего осадка, при этом верхнего слоя — с 4,5 до 4,1 % (рис. 2.9,
а
б
в
2 . 10).
Исследование явления деструкции и сопутствующего ему уда ления влаги было проведено методом прямого приложения коле баний к осадку. В ходе опыта на поверхность осадка опускался ри ф леный диск, ж естко соединенный с источником возбуждения. В качестве деструкторов использовались конусы с различными углами при вершинах. Имевш ее место мехаW,% ническое воздействие н е избежно приводило к лом ке структуры осадка. Вви ду упругости перегородки она совершала колебатель ные движ ения, сообщ ая переменное по знаку уско рение осадку и поровой жидкости. Целью исследований являлось определение ве личины угла при верш ине конуса и минимальной остаточной влажности при %% данной толщине осадка в оптимальном режиме. Бы ло установлено, что при толщине слоя осадка 55 мм оптимальным является угол конусности примерно 90° (рис. 2.11). Как показали исследо вания, именно этот угол обеспечивал наиболее эф ф ективную деструкцию всего объема осадка при Рис. 2.9. Зависимость влажности W осадка от длины L и ширины В фильтра: 1 — без виброприставки; 2 — с виброприставкой; 3 — приставка опущена на осадок (без вибраций) 134
н и ^ н а го у зк и в^бртикальНИИ нагРУзки в вертикальном и гоРи зОНтальном на~ правлениях. Опыты позволили определить и опти-
Рис. 2.10. Кривые распределения влажности W по высоте слоя осадка йос: а — без виброприставки; б — приставка опущена на осадок (без вибраций); в — с вибрациями (Cj — глубина проникновения деструкторов; С2 — глубина сдвига слоев) мальную величину нагрузки вибровозбудителя. Для осадка калий ного шлама толщиной 55 мм она составляет 15-10~3 Н /м 2 (рис. 2.12). При удельных нагрузках более 25-10“ 3 М Па заметен некоторый рост остаточной влаж ности, являю щ ийся следствием начавш егося переуплотнения структуры осадка (рис. 2.12). Экспериментальных данных о фильтрации гидрометаллурги ческих пульп под действием вибраций в литературе практически не приводится, во всяком случае предпринятые авторами попытки поиска не увенчались успехом. Поэтому о характере влияния час тоты и амплитуды приложенных колебаний на фильтруемость пульп металлургических производств можно судить лишь по косвенным данным. В работе [33] исследо вана зависимость оста точной влажности осадка калиевой пульпы при ф ильтрации под дей ст вием вибраций на дебалансны х и электром аг нитных вибровозбудите лях. В ходе эксперимен тов устанавливались час тоты колебаний, которым отвечает минимальная остаточная влаж ность осадочного слоя, образо Рис. 2.11. Зависимость влажности AW осадка от угла заточки а конусов рабочей вавш егося на фильтре. поверхности Эксперименты проводи 135
лись в диапазоне низких частот — 25, 50, 75 и 100 Гц для электромагнит ных и 16 и 24 Гц для дебалансных вибровозбудите лей. Амплитуда колеба ний, как и в предыду щих случаях, составляла 1,5 мм. При постановке эксперим ентов, снятии показани й и обработке опытных данных пользо Рис. 2.12. Зависимость остаточной влаж вались стандартными ме ности W осадка от удельной нагрузки тодиками по фильтрации. вибровозбудителя рп при условиях: Результаты графичес давление фильтрования — 0,0210~6 Па; кой обработки собранных продолжительность фильтрования — данны х в виде зави си 1 мин; амплитуда — 1 мм; частота — 50 Гц; мости влажности осадка с продолжительность возбуждения — 4 с; различной крупностью время «запаздывания» — 0 —1 с частиц твердой фазы, а такж е мелкозернистых от ходов от частоты прило ж енны х колебаний приведены на рис. 2.13. Н а рисунке явно просматривается взаимосвязь между крупностью частиц осадка, частотой п рилож енны х вибраций и величиной остаточной влажности. Очевидно, что вибрации эф ф ективны в большей сте пени для осадка с полидисперсным составом (на рис. 2.13 — фло тационные отходы). Нетрудно заметить, что при частотах, пре вышающих 50 Гц, остаточная влажность изменяется незначительно, а для монофракций вообще не зависит от частоты вибраций. W,%
8
7
"о
20
40
60
80
f, с'1
Рис. 2.13. Зависимость остаточной влажности W осадка различной крупности от частоты колебаний: 1—3 монофракции крупностью соответственно 0,5, 0,7, 0,9 мм; 4 — флотационные отходы БПКРУ-2 ПО «Уралкалий» крупностью 0,627 мм 136
Очевидно, сниж ение влажности монодисперсных осадков п р е кращ ается по достижении некоторой критической частоты вибра ций ввиду их незначительной склонности к деструкции. Э ф ф ектив ное удаление влаги за счет уплотнения осадка, представленного монофракцией частиц, возможно только из капилляров, средний диаметр которых составляет: dc , мм AW, %
0,5 ± 0,15 0,4
0,7 ± 0,15 0,8
0,9 ± 0,15 0,8
0,627 2
О влиянии амплитуды колебаний вибратора на влажность осадков при различных частотах можно судить по рис. 2.14. Н а этом рисунке приводится зависимость, характерная для флотационных отходов калиевого производства (dcp = 0,63 мм). Во всех опытах вибровоздействие н а чиналось в момент и с чезновения жидкости с поверхности осадка. Влияние амплитуды колебаний исследова лось на частотах 20, 30, 40, 50 и 60 Гц. Со бранны е эксперим ен тальные данны е сви детельствую т о том, что амплитуда колеба ний вибратора оказы вает влияние на ход п роцесса ф ильтрации Рис. 2.14. Зависимость остаточной влажности лишь при малых зна W осадка от амплитуды колебаний Ав: чениях (до 1 мм). Даль 1—5 — частота соответственно 20, 30, 40, 50 и нейш ий рост и н тен 60 Гц сивности колебаний не приводит к заметному изменению остаточной влажности осадка. В ходе экспериментов были сняты кинетические кривы е процесса. Суть опытов состояла в установлении взаимосвязи между продолжительностью приложения вибраций и остаточной влаж но стью осадка. Результаты опытов подтверждают, что спустя не который промеж уток времени влага, находящ аяся на «горизон тальных» поверхностях частиц (dcp = 0,627 мм), перераспределяется под действием молекулярно-кинетических и электрических сил (рис. 2.15 и 2.16). Э ф ф ект действия вибраций практически пропадает спустя н е продолжительное бремя с момента вклю чения виброустановки. После этого любые механические воздействия с целью допол137
нительного сниж ения влаж ности не э ф ф е к тивны. Для испытуемых осадков показано, что по истечении 5 с поровая влага в них полно стью отсутствует. Сни ж ение влажности в оп тимальном реж име со ставило 25 %. Предпринятый в ра боте [33] математичес кий анализ изложенных выше результатов экс периментальных иссле Рис. 2.15. Зависимость остаточной абсолют дований позволил опре ной W (1) и относительной AW (2) влажности делить степень влияния осадка от времени запаздывания т рассмотренны х ф акто ров на интенсивность фильтрационных процессов, установить значимость каждого из ко эф фициентов регрессии и предложить следующее регрессионное уравнение: W = 8,2 -
l,5d
- 0,0075/ -
1.25А,
(2.23)
где W — остаточная влажность осадка, %; dcp — средний диаметр частиц осадка, мм; / — частота приложенных колебаний, Гц; Ав — амплитуда колебаний вибратора, мм. Промышленная апробация способа, по свидетельству С. М. Ба ландина, подтвердила возможность снижения остаточной влажности грубодисперсны х кристаллических осадков при вибрационны х воздействиях непосредственно на них. Объединением «Уралка лий» был сконструирован опытный образец вибропри ставки к ленточному филь тру с площадью поверхно сти 10 м2. Действие установ ки основано на приложении вибраций непосредственно к осадку. Устройство пред ставляет собой скользящий ролик с рифлениями. Гене рация виброимпульса осу ществляется двумя электроРис. 2.16. Зависимость остаточной влаж- магнитными вибровозбудиности W осадка от продолжительности t телями^ мощностью 1,3 кВт вибровоздействия каждый (рис. 2.17). 138
2
Рис. 2.17. Виброприставка к фильтру с шириной полотна 900—1000 мм: 1 — рифленый полуцилиндр; 2 — вибровозбудитель; 3 — штанга держателя; 4 — держатель; 5 — конус Виброприставка испытана в диапазоне производительностей по осадку от 50 до 100 т /ч при толщине осадочного слоя до 110 мм. С целью проверки гипотезы о том, что месторасположение приставки оказывает заметное влияние на величину остаточного влагосодерж ания осадка, ее перемещали по длине фильтра (рис. 2.18). В р е зультате такого эксперимента была определена оптимальная точка приложения вибраций — начало зоны воздушной подсушки осадка. П роведенны е испытания полностью подтвердили, что при вибровозбуж дении осадка происходит дополнительное сниж ение его влажности. При некоторых реж им ах изменение влажности достигает порядка 1,8 —2,2 %, а в отдельных случаях доходит до 139
Рис. 2.18. Схема фильтра с виброприставкой: 1 — виброприставка; 2 — осадок; 3 — фильтр Таблица 2.3 Техническая характеристика виброприставки Характеристика Габариты виброприставки, мм Габариты поверхности взаимодействия, мм Площадь поверхности взаимодействия, м2 Напряжение тока (переменного однополупериодного), В Сила тока (на вибровозбудителе), А Угол конусности, градус Масса, кг: приставки с двумя вибровозбудителями одного вибровозбудителя
|
Значение 700x1500x900 850x150 1275-10-4 0 —220 0—6 90 290 115
2,7 —2,8 %. Технические характеристики виброприставки приведены в табл. 2.3. После установки виброприставки влажность осадка калийной суспензии снизилась до 4,5 % при неизменном значении произво дительности. Активная мощность установки при работе в оптимальном р е жиме составляет 420 Вт, номинальная — 2640 Вт. Мощность, затра ченная на обезвож ивание единицы массы осадка, определяется по формуле N yg = W U I/(PocF h J ,
(2.24)
где N yg — удельная мощность, Вт/(см2-м); U — напряж ение питания, В; I — сила тока, А; рос — каж ущ аяся плотность осадка, к г/м 3; F — площадь взаимодействия, м2; hoc — высота осадочного слоя, м. В оп тимальном реж им е N yg составляет обычно 3,5 —4 Вт/(см2-м). Промышленные испытания установки подтвердили первона чальное предположение о двойственном механизме обезвоживания под действием вибраций за счет создания дополнительного воз мущающего ускорения, направленного против сил поверхностного натяжения, а такж е вследствие уплотнения и деструкции оса дочного слоя. 140
В укрупненном масштабе удалось получить кривые распределе ния влажности осадка по ш ирине фильтровального полотна. М ень ш ая ж есткость полотна по краям в сочетании с плохими условиями оттока влаги и большей амплитудой колебаний способствуют более эффективной деструкции осадка на краях полотна. Наряду с деструкцией под действием вибраций существуют и иные методы разруш ения структуры осадков с целью интенси фикации процесса обезвож ивания на фильтре. Одним из таких методов является диф ф ер ен ц и р о ван н о е о б езвож и вани е слоев осадка. Суть этого метода заключается в рыхлении верхнего слоя, иногда сочетаемом с продувкой сушильным агентом. Положительный эф ф ект от применения таких механизмов со стоит в наруш ении или частичном снятии верхней части слоя осадка. По образую щимся каналам в глубь осадка устремляется атмосферный воздух или специальный сушильный агент, снижается удельное сопротивление осадка и создаются благоприятные условия для протекания фильтрационных процессов. П редложено несколько конструкций устройств-разрыхлителей. П ерф орация верхних слоев может осуществляться валками, специ альными волокушами и др. Глубина их проникновения обычно н е велика, но в отдельных устройствах достигает двух третей толщины осадка [60]. Для приближенной оценки повыш ения интенсивности филь трации при снятии верхней части осадка можно допустить, что зависимость удельного сопротивления осадка от толщины носит линейный характер. Это допущ ение весьма незначительно, если осадок имеет несжимаемую структуру. Соответственно, изменение влажности осадка по его толщине такж е может быть описано линейной зависимостью. В таком случае в условиях постоянного давления фильтрования сниж ение толщины осадка вызовет про порциональное сниж ение его сопротивления, а значит, возрастет движущ ая сила процесса, что позволит удалять влагу из капилляров меньшего диаметра. В конечном счете это вызовет сниж ение остаточной влажности осадка (рис. 2.19). При фильтрации сжимаемых осадков уменьш ение их толщины такж е вы зовет рост движущ ей силы процесса, но при этом структура осадка уплотнится и рост движущ ей силы будет менее значительным, чем в первом случае. Тем не менее, этот метод признан более эффективным при фильтрации крупнокристалли ческих осадков с большой толщиной и весьма высокой сж им а емостью. Их преимущество заключается в простоте удаления верх него слоя. Известно, что наибольшая влажность осадка наблюдается в непосредственной близости от перегородки. Ее значение стремится к величине влажности этого ж е осадка с полностью заполненными водой порами Wmax. М инимальная влажность Wmin наблюдается на верхней границе осадочного слоя. 141
W.hK = W m a x IW — W m .i n )h./h ; 0 < h.i < hк ', ' m ax ' i к'
(2.28) ' '
средняя влажность оставшегося осадка составит
1 к
(Л,)dh, = 0,5(Wmax - Wmln) = W hi!.
,2 29)
hK 0
а
В итоге может быть рассчитано значение окончательного влагосодержания получаемого продукта Wv Сложив влагосодержания снятого слоя и слоя, оставшегося на перегородке после заверш ения фильтрации, получим Wz = W y + W 2, или
б
Рис. 2.19. Изменение распределения давления фильтрования Др. (а) и остаточной влажности W (б) при «мгновенном» уменьшении высоты слоя осадка Лос
h
Ф ункция влажности по толщине осадка имеет вид = \Y
W =
-
(^шах ~ WmJ h / K c- 0 < Л, < Л„с,
1 ^ос W h = ----- \W d h ,lOC L J i ^ос
0
h
{ IV
max
—
W max - Wr min .
K c V
2
*
—
K
wmax
\| hI ili |
hк
h - W min ■
(2.25)
гДе Wmax — максимальная влажность осадка, %; Wmin — минимально возможная влажность осадка, %; h О С — исходная высота слоя,' ЛО С = h к (см. рис. 2.19); hK — высота оставшегося слоя, м; Л; — высота ус ловного г-го слоя, м. Среднюю влажность исходного осадка можно определить по формуле
W ш ах - W mm ■
w z = ^ w h + h°c + h« /
{2.30)
V
^OC
М инимальная влажность суммарного продукта оценивается из условия dW n
W max - W min ■
(W I max - W
mm>\h к
i опт
Так как оптимальная высота оставшегося слоя п к то эф ф ект от интенсиф икации составит
"
h °c Ao
(2.26) Ц/-ОПШ _ ЦТ _ « Л,..
= 0,5{Wm ax+ W miD).
(2.31)
0.
dh„
W max - W . v l min „
_ 3W оуутах
- 5W J ,lmn л
I
/о
= п ос / г ,
(2.32)
Влажность снимаемой верхней части осадка Wc будет равна к. ------ f W dh = ------—-------W К с - к 1 ' ho c - K max
(^max
^min )h i 2 h oc
= ^max - 0,5(Wmax - WmiJ ( 1 + h R / h oc) = ~ ^ л ос ~ 0,5(Wmax - Wmin)hK / h oc, (2.27) где hoc—hK — толщина удаляемого слоя, м. Оставшемуся на перегородке осадку будет соответствовать иная функция распределения влажности по высоте: 142
Численное значение, отвечаю щее W °nm , следует рассматривать как минимально возможный эф ф ект интенсиф икации. На практике расчетная величина снижения влажности может быть превышена. Описанный способ интенсиф икации процесса фильтрации тех нически реализуем на барабанных или ленточных фильтрах при условии, что вакуумная система имеет резерв по производитель ности. В отсутствие такового от разрыхления слоя на стадии филь трации следует ожидать менее значительного эфф екта. Более раци ональным конструктивным реш ением в данном случае будет использование ры хлителей при продувке осадка суш ильным агентом.
143
Глава 3. Ф и льтровальн ое о б о р у д о в а н и е и м атериалы
3.1. Карусельные и тарельчатые фильтры Карусельные и тарельчатые фильтры обладают схожими кон струкциями и применяются в одних и тех областях. Карусельные фильтры (рис. 3.1) применяю тся для разделения грубодисперсных суспензий и при необходимости продолжительной и тщательной промывки осадка. Карусельные фильтры относятся к наливным фильтрам. П ро цесс фильтрации на них сопровождается свободным осаждением на
Рис. 3.1. Общий вид и конструкция карусельного фильтра: I — паллеты; II — гибкие шланги; III — распределительная головка 144
фильтровальную ткань наиболее крупных частиц осадка (шлама), при этом создается дополнительный фильтрующ ий слой. Толщина слоя осадка таких фильтров больше, а следовательно, производи тельность по твердой ф азе при прочих равных условиях выше. Данный фильтр представляет собой горизонтальный вращ а ющийся вакуум-фильтр непрерывного действия с кольцевой рамой, на которой ш арнирно укреплены ячейки-противни, называемые нутчами. Каждый противень соединен гибким шлангом с централь ной распределительной головкой. Основными узлами карусельных фильтров являются: подвижная рама, паллета, неподвижная рама, лоток для залива пульпы, лотки для подачи горячей воды и рас пределительная головка (рис. 3.2, а). Подвижная рама представлена двумя концентрическими коль цами, соединенными между собой восьмью спицами. Наружное кольцо рамы опирается на 20 опорных роликов, внутреннее — на 12. Подвижная рама центрируется по внутреннему диаметру при помощи восьми роликов. На ней в сф ерических подшипниках уста новлены 24 фильтрующих паллеты (ковша). На внутреннем кольце подвижной рамы крепится приводное зубчатое колесо. Паллета выполнена в виде горизонтального нутча высотой 20 —30 мм с ложным днищем, на котором располагаются дренаж ная основа (ков рик) и фильтровальная ткань. Дно паллеты плоское с центральным продольным желобом, который имеет незначительный уклон для лучшего стока фильтрата. Для отвода фильтрата из паллеты на внутренний конец полой оси надет гибкий шланг, который соеди няется с неподвижной распределительной головкой. На наружном конце полой оси закреплен двуплечий рычаг с роликами на концах. При работе фильтра ролики катятся по рельсам, закрепленным на неподвижной раме фильтра и выполняющим роль копира. Ф орма рельсов обеспечивает опрокидывание ковш ей в зоне выгрузки осадка и промывки ткани струей воды. Н еподвижная рама необходима для крепления направляющих рельсов, опрокидывания ковшей, а такж е для подвески лотков и устройств для залива пульпы и промывной воды. Лоток для залива пульпы — емкость прямоугольного сечения внизу с регулируемой ш ириной загрузочной щели. Пульповой лоток распределяет суспензию по трем каналам, каждый из которых заканчивается веерообразной насадкой для равномерного залива пульпы по длине паллеты. Лотки для подачи горячей воды на отфильтрованный от раст вора твердый материал (2 —3 штуки) состоят из емкостей с п ере ливной зубчатой стенкой. Лотки могут перемещ аться по рельсам для изменения места промывки. Распределительная головка служит для осуществления трех опе раций: фильтрации (вакуум), промывки и суш ки (вакуум) и отдувки осадка (давление). Н иж няя часть головки (коллектор) имеет 24 па трубка (по числу ковшей). Роль золотниковых шайб исполняют кольцо и ячейковая шайба. 145
Рабочий цикл (полный оборот карусели) включает следующие операции (рис. 3.2, б): 1) равномерную загрузку пульпы в ковш (на паллету); 2) основную фильтрацию шлама до образования сухой поверхности материала; 3) первую промывку шлама либо промыв ной водой после второй промывки, либо горячей водой, подаваемой равномерно из промывных лотков на всю ш ирину паллеты; 4) вто рую промывку шлама горячей водой после отжатия влаги первой промывки; 5) сушку осадка продувкой воздухом; 6) сброс промытого шлама с паллеты в шламовый бункер при повороте паллеты вокруг собственной оси на 180 °С с одновременной отдувкой материала сжатым воздухом или промывной водой в противоположном н а правлении; 7) промывку (регенерацию) фильтровальной ткани и деталей паллеты горячей водой; 8) воздушную суш ку фильтроваль ной ткани; 9) возвращ ение паллеты в первоначальное положение под загрузку суспензией. Отечественные карусельные фильтры имеют рабочую поверх ность 1,5 —240 м2. Зарубеж ны е фирмы выпускают карусельные фильтры с площадью фильтрования от 2,5 до 200 м2. Фильтры изго тавливают из обычной (для щелочных сред) и кислотостойкой стали. Техническая характеристика некоторых отечественных карусель ных фильтров приведена в табл. 3.1.
5
Таблица 3.1 Техническая характеристика карусельных фильтров Параметр Общая площадь фильтрования, м2 Площадь активных зон, м2 Число паллет (ковшей) Возможная скорость вращения, мин-1 Наружный диаметр по фильтрующей поверхности, м Масса фильтра, т Мощность электродвигателя, кВт 6 Рис. 3.2. Схемы действия карусельного фильтра: а — конструкционная; б — принципиальная: I — паллеты; II — гибкие шланги; III — распределительная головка; 1 — паллета под загрузкой; 2 — первая промывка осадка; 3 — вторая промывка осадка; 4 — третья про мывка осадка; 5 — разгрузка паллеты; 6 — регенерация ткани и промывка паллеты Привод фильтра состоит из электродвигателя, цепного вари атора, редуктора и приводной шестерни, входящей в зацепление с зубчатым колесом подвижной рамы. В зоне опрокидывания паллеты находится бункер для сбора осадка и смывной воды, а такж е брызгальное устройство для смыва твердого осадка с ткани. 146
Тип фильтра К-50-lly К-240-20у 50 44 24 0,13-0,73 11
240 200 30 <0,5 20
40 4,5
240 10,6
Достоинства карусельных фильтров: 1) высокая производитель ность при разделении грубодисперсных суспензий; 2) весьма тщательная промывка осадка; 3) длительный срок службы филь тровальной ткани (благодаря отсутствию съема осадка ножом) и легкость ее замены; 4) низкие эксплуатационные расходы. Разновидностью карусельного вакуум-фильтра является тарель чатый вакуум-фильтр, или план-фильтр (рис. 3.3). На план-фильтре обезвож иваю т крупнокусковые и грубодис персные осадки, когда возможно применение шпальтовых сит и допускается проскок тонкого материала. Конструкционно он пред ставляет собой горизонтально расположенный чугунный диск, вра щающийся на неподвижной колонне. Д иск фильтра имеет два коль147
В отдельных случаях вся полость тарели напитывается от ва куум-системы. В этом случае осадок в зоне выгрузки снимают не полностью, чтобы избеж ать потери вакуума. Тарельчатые фильтры имеют диаметр от 1,3 до 4,2 м и рабочую поверхность 1 —12 м2. Техническая характеристика и показатели обезвож ивания планфильтра площадью 6 м2 приведены в табл. 3.2 и 3.3. Таблица 3.2 Техническая характеристика план-фильтра завода им. К. Либкнехта (Германия) Параметр
Рис. 3.3. План-фильтр с площадью фильтрования 6 м2: I — чугунный диск; 2 — фильтрующее основание (листовая бронза с про резями); 3 — неподвижное ограждение; 4 — приводная шестерня; 5 — ре дуктор; 6 — электродвигатель; 7 — распределительная головка; 8 — труба для подвода сжатого воздуха; 9 — пружина; 10 — неподвижная колонна; II — шланги для подсоединения к вакууму (отвод фильтрата); 12 — направ ляющие втулки; 13 — центральный коллектор; 14 — конический патрубок; 15 — соединительные трубки; 16 — радиальная перегородка; 17 — ролик; 18 — венцовая шестерня; 19 — желобок цевых углубления, разделенных радиальными перегородками на 16 отсеков. Каждый отсек соединяется трубками с коллектором. С верху диск закрыт листами фосфористой бронзы со щелевидными прорезями ш ириной 0,2 —0,3 мм. Для жесткости конструкции диск соединен с коллектором коническим патрубком. На колонне кол лектор, а с ним и диск центрируются с помощью направляющих втулок. К торцу коллектора снизу пружинами приж ата распредели тельная головка, обеспечиваю щая отсос фильтрата и подвод сжатого воздуха. П ериф ерическая часть диска опирается на восемь роликов, расположенных на раме. У края диска имеется желобок. Он служит для отвода жидкости, выделяющейся в зазор между поверхностью диска и кольцевым ограждением. Для сброса обезвоженного про дукта установлен нож в виде лемеха. Питание подается непо средственно за ножом. Привод осуществляется от электродвигателя через редуктор и расположенную на диске венцовую шестерню. За один оборот диска его ячейки последовательно соединяются с линиями вакуума и сжатого воздуха. Суспензия подается на по верхность диска сверху. Осадок снимается ножом после почти полного оборота диска, т. е. возле места ввода суспензии. 148
|
Значение 6 3,34 0,5 5 13
Площадь фильтрования, м2 Диаметр тарели, м Частота вращения тарели, мин-1 Мощность электродвигателя, кВт Масса фильтра, т
Таблица 3.3 Технологические показатели обезвоживания магнетитового концентрата на план-фильтре площадью 6 м2 Параметр Содержание, %, класса + 3,36 мм —3,36+1,68 мм —1,68 + 0,6 мм —0,6 + 0,3 мм —0,3 + 0,15 мм —0,15 + 0,1 мм —0,1+0,074 мм —0,074 мм Содержание твердого в питании, % Толщина слоя обезвоженного продукта, мм Влажность обезвоженного продукта, % Производительность по твердому, т / (м2-ч)
|
Значение 0,7 5,5 23,4 15,8 14,5 8,6 7,1 24,4 7 0-80 <200 11,5-13 5
Достоинства тарельчатого фильтра: 1) совпадение направления движения фильтрата с направлением осаждения твердых частиц; 2) хорошая промывка осадка; 3) возможность фильтрования н е однородных суспензий. Недостатки: 1) громоздкость установки; 2) небольшая фильтру ющая поверхность; 3) сложность снятия осадка и очистки ткани; 4) смеш ение фильтрата с промывной жидкостью при промывке осадка вследствие задерж ки фильтрата в ячейках.
149
3.2. Патронные и листовые фильтры Патронные и листовые фильтры имеют однотипное строение фильтровальных элементов, каждый из которых представляет собой металлический каркас, обтянутый фильтровальной тканью. Патронные и листовые фильтры состоят соответственно из серий цилиндрических или плоских фильтровальных элементов, установленных в цилиндрическом герметично закрываемом кор пусе, в который под давлением закачивается суспензия. Филь тровальные ж е элементы соединены с атмосферой или вакуумом. За счет разности давлений суспензия устремляется из объема фильтра сквозь фильтровальную ткань внутрь фильтровальных элементов. Н а наруж ной поверхности ткани образуется слой осадка, а филь трат отводится из фильтра. По окончании процесса фильтрования при необходимости осадок промывают. Предварительно из корпуса и фильтровальных элементов сжатым газом вытесняют фильтрат. Выгрузка осадка производится преимущественно двумя спо собами. П ервый состоит в том, что извлеченные из аппарата филь тровальные элементы продувают подаваемым внутрь их сжатым газом, тем самым отделяя осадок. При использовании второго спо соба осадок сбрасывают внутрь аппарата обратным током фильтра та или промывной жидкости и выгружают полученную сгущенную суспензию. Такой подход позволяет обходиться без пневмоуста новок, но ведет к неизбеж ным потерям продукта со сгущенным шламом. О характеризуем каждый из фильтров более детально. Патронные фильтры собраны из фильтровальных элементов в виде узких, закрытых снизу вертикальных цилиндров (патронов или свечей). Для изготовления патронов применяю тся различные мате риалы: стекло, пористая керамика, угольная масса, прессованные диатомит или кизельгур и др. (рис. 3.4, а). Пучок таких патронов, состоящий из нескольких десятков единиц, помещается в герме тичный цилиндрический корпус с откидными крыш ками и плотно вставляется в гнезда толстой реш етки с внутренними параллель ными каналами (рис. 3.4, б). Фильтрование протекает так, как было описано ранее. Затем подача суспензии автоматически прекращ ается и начинается уда ление осадка, сопровождающ ееся изменением направления движ е ния фильтрата и резким ростом давления внутри патрона. Сле дующая операция — регенерация фильтровальной ткани чистой водой — протекает в том ж е направлении, что и предыдущая, но уж е при более низком давлении. Площадь фильтрования патронных фильтров достигает 50 м2; пористость п а т р о н а 40 %, его длина — до 2 м, толщина накап ливаемого слоя о с а д к а 15 —20 мм. Эти фильтры часто снабжаю тся автоматическим управлением и не требую т постоянного наблюдения. 150
а
б
Рис. 3.4. Патронный фильтр а — схема фильтра: 1 — корпус; 2 — крышка; 3 — дно; 4 — шарнир; 5 — плита; 6 — канал в плите; 7 — канал в патроне; 8 — патроны; 9 — коллектор; 10 — перфорированная перегородка; 11 — труба для ввода суспензии; 12 — канал в плите; 13 — штуцер для циркулирующей суспен зии; б — фильтропатрон: 1 — пористое кольцо; 2 — труба; 3 — радиальные отверстия; 4 — осадок; 5 — ребро; 6 — вертикальный канал Разновидностью патронного фильтра являю тся фильтры-сгусти тели (рис. 3.5), предназначенные для фильтрации пульп с одновре менным отстаиванием. В фильтрах-сгустителях можно фильтровать и промывать полидисперсные пульпы широкого класса крупности. Они обеспечивают непреры вны й процесс разделения суспен зий, высокопроизводительны, поэтому имеют ш ирокое распростра нение. Их рекомендуется использовать в тех случаях, когда н е обходимо достаточно быстро отделить твердую ф азу от жидкой и не требуется высокой чистоты слива (например при отделении и про мывке тонкого нефелинового и бокситового шламов после выщ ела чивания спеков). Само название фильтров говорит о том, что они непригодны для получения сухих твердых продуктов. Образую щ ийся в них шлам содержит большое количество жидкости и для окончательного обезвоживания должен быть направлен на другие фильтры или сгустители. Однако они могут эф ф ективно использоваться на про изводствах, где основную ценность представляет ж идкая ф аза суспензии. 151
Фильтр-сгуститель состоит из цилиндрического резерву ара с коническим днищем, в котором работает скребковая мешалка для удаления сгущен ного продукта. Сверху р езер вуара радиально установлены 23 секции, на которых вер тикально крепятся патроны — перф ори рован ны е металли ческие цилиндры, обтяну тые фильтровальной тканью (рис. 3.6). Патрон может быть выполнен из колец, нанизан ных на закрытую снизу цен тральную трубу с радиальны ми отверстиями и продоль ными ребрам и, из тонкой ж ести с отверстиями или из различны х пористы х м ате риалов. В верхней части к патро нам примыкают коллекторы, Рис. 3.5. Фильтр-сгуститель: соединяющие их с распреде 1 — цилиндрический резервуар с ко лительной головкой, посредст ническим днищем; 2 — распредели вом которой патроны сообща тельная головка; 3 — скребковая ме ются с вакуумом (при филь шалка; 4 — фильтрующие патроны; трации) и источником сжатого 5 — подача пульпы; 6 — отвод филь воздуха (при удалении остат трата; 7 — разгрузка шлака ков фильтрата, отдувке осадка и регенерации фильтроваль ной ткани). Распределительная головка расположена по центру в верхней части фильтра-сгустителя. Д вигатель через редуктор осущ ествляет вращ ение головки, благодаря чему каждый патрон последовательно подключается к линиям вакуума и сжатого воздуха. Поэтому, хотя в каждой свече процесс прерывист, в целом фильтр осущ ествляет разделение суспензии непрерывно. Один оборот головки соответствует полному циклу работы одной секции, который, например, для фильтра-сгустителя с площадью фильтро-
вания 76 м2 при отделении нефелинового шлама от алюминатного раствора включает: фильтрацию — 1 мин 15 с; отдувку — 2 с — и паузу — 8 с. Изменение продолжительности отдельных стадий производится заменой распределительного устройства. Переход на иную продол жительность всего цикла возможен путем замены ш естерен привода головки. Вал скребковой мешалки мож ет приводиться во вращ ение тем ж е электродвигателем или другим, если это необходимо. Сгущенный шлам скребковой мешалкой транспортируется к разгрузочному конусу, где подхватывается шнековым разгрузчиком с шиберным затвором. Содержание взвеси в отфильтрованном растворе — не более 3 г/л; шлам сгущается до Т : Ж = (0,7—1,0) : 1. Устойчивая работа фильтра-сгустителя возмож на только при равномерном питании в стабильном режиме, для чего обязательно должен быть обеспечен перелив пульпы из фильтра в самосто ятельный репульпатор с подачей ее обратно на этот ж е фильтр. Должны поддерживаться постоянными Т : Ж , крупность помола, температура и концентрация исходной пульпы. Площадь фильтрования фильтров-сгустителей может достигать 250 м2. Производительность по фильтрату аппаратов с площадью фильтрования 76 м2 при фильтрации алюминатного раствора состав ляет 1,0—1,2 м3/(м 2-ч), а при промывке шлама — около 2 м3/(м 2-ч). Замена капроновой фильтровальной ткани на основной фильтрации производится не реж е одного раза в сутки, а на промывке — через 2 —4 сут. Р егенерацию ткани осущ ествляю т слабой соляной кислотой (3 —5-процентный раствор) в ваннах. Техническая характеристика фильтров-сгустителей с различной площадью фильтрования приведена в табл. 3.4. Листовые фильтры имеют несколько модификаций. К ним относятся горизонтальные фильтры типа Келли и вертикальные ЛВ130 и ЛВАЖ-125. Основным рабочим элементом этих фильтров служит рама, изготовленная из стали желобчатого профиля со щ е лью, обращ енной внутрь, в которую вставлен рифленый металлиТаблица 3.4 Техническая характеристика фильтров-сгустителей с площадью фильтрования 76 и 115 м2 Характеристики
| -i Рис. 3.6. Патрон фильтра-сгустителя 152
Диаметр фильтра, мм Площадь фильтрования одного патрона, м2 Число патронов Число секций Объем патрона, л Вакуум, мм рт. ст.
Площадь фильтрования, м2 75 | 115 4300 0,55 138 23 6 550
5730 0,55 210 21 6 600 153
ческий лист или специальная сетка (рис. 3.7). Рама через штуцер со общается с соответствующим гнездом коллектора фильтра. Листы размещ аю тся на некотором расстоянии друг от друга в герметизи рованном цилиндрическом резервуаре, в процессе работы фильтра заполняемом суспензией.
1
2
3
4
Рис. 3.7. Структура рабочего элемента листового вертикального фильтра ЛВ-130: 1 — осадок; 2 — сетка; 3 — фильтровальная ткань; 4 — рама
Фильтр Келли состоит из двух цилиндрических резервуаров, расположенных на общей основе, набора из 10 фильтрующих рам, запорного герметизирующ его устройства и устройства для выкаты вания тележ ки с фильтрующими рамами при промывке, осна щ енного пневм атическим приводом. П оверхность ф ильтрации фильтра Келли мож ет достигать 100 м2. Отечественный фильтр ЛВ-130 (рис. 3.8) представляет собой вер тикальный цилиндрический сосуд, внутрь которого заключены 42 рамы, соединенные с коллекторами для отвода фильтрата. Сверху сосуд плотно закрывается крышкой, подъем и опускание которой осуществляются с помощью двух гидроцилиндров. Дополнительное уплотнение корпуса обеспечивает резиновы й шланг, наполняемый воздухом под давлением 8 —10 атм. Съем осадка в этих фильтрах производится вращающимися ножами. По конструкции и принципу действия фильтры ЛВАЖ-125 ана логичны фильтрам ЛВ-130. Однако в последних осадок удаляется гидравлически, фильтрующ ие рамы несколько облегчены, гидрав лический привод клапанов заменен пневматическим и установлен дополнительный донный клапан. В табл. 3.5 приведены технические характеристики фильтров Келли, ЛВ-130 и ЛВАЖ-125. На многих предприятиях эти фильтры используют для контрольной фильтрации алюминатного раствора. Роль фильтрую щ ей поверхности в них выполняет целлюлоза, на носимая на металлическую сетку. Для осуществления этой задачи хорошо подходит и немецкий вертикальный пластинчатый фильтр, работаю щ ий под давлением до 6 ат и отличающийся высокой производительностью. Имеющаяся на фильтре паровая рубаш ка позволяет вести разделение при повы шенной температуре (до 170 °С). Поверхность фильтрации таких фильтров — 8 м2 при высоте установки 1,6 м и ширине 1,2 м. 154
Рис. 3.8. Общий вид листового вертикального фильтра ЛВ-130: 1 — корпус; 2 — крышка; 3 — набор фильтровальных рам; 4 — байонетный затвор; 5 — механизм гидросмыва; 6 — коллекторы для отвода фильтрата; 7 — механизм выгрузки осадка, состоящий из трех вращающихся ножей и маслосистемы для управления клапанами запорной арматуры В Германии такж е выпускаются дисковые центробеж ные филь тровальные установки, способные работать на полностью автома тизированны х линиях. Фильтрация в них осуществляется за счет давления пульпы, подаваемой в резервуар диаметром 1320 мм. Филь трат проходит через фильтрующ ие диски в сторону полого вала и удаляется вниз. По окончании фильтрации включается двигатель вращ ения дисков со скоростью 222 м ин-1 и образовавш ийся на дисках осадок сбрасывается под действием центробеж ной силы. Фильтрующая поверхность фильтра — 40 м2, число дисков — 43 шт., мощность двигателя — 30 кВт, высота установки — 3800 мм. Для лучшего отделения осадка от ткани фильтра применяю тся специальные промывочные жидкости (в тех случаев, когда твердый продукт является отвальным). Наиболее эф ф ективно применение вспомогательных фильтрующ их средств, препятствующих забивке пор фильтровальной перегородки, например ПВХ-порошка и др. Так, бельгийская ф ирма «Dikalit» предлагает для этого такие вещ е ства, как перлит, кизельгур и солька-флок. Первые два практически полностью состоят из кремнекислоты, а третье вещество представ ляет собой порошок из альфа-целлюлозы. 155
Технические характеристики листовых фильтров Основные характеристики Площадь фильтрования, м2 Рабочее давление, кгс/см2: фильтрации промывки воды в трубе гидросмыва воды в уплотнительном шланге воздуха пневмоуправления (или масла в гидроприводе) Емкость, м3 Число фильтровальных рам, шт. Габаритные размеры, мм: диаметр ширина высота (длина) Масса, кг
Таблица 3.5
Фильтры Келли ГЛВ-130 I7ФДЖ-125 50 130 125 3 — — — —
3 3 8 -1 0 6 -1 0 12
до 4 до 4 8-10 10-12 6
5,2 10
15,6 42
13,5 38
1350
2200
—
—
3675 —
5110 8430
2200 3800 5400 7000
Достоинства патронных и листовых фильтров: 1) компактность и герметичность; 2) возможность создания больших перепадов дав ления, достигающих нескольких десятков атмосфер; 3) хорошее осветляющее действие; 4) простота промывки и сушки осадка и быстрое удаление его со всей фильтрующ ей поверхности; 5) пригод ность для фильтрования химически активных веществ; 6) легкость автоматизации процесса. Недостатки: 1) возможность забивания фильтровальных элемен тов мелкодисперсными осадками; 2) недоступность элементов для осмотра.
3.3. Ленточные вакуум-фильтры Ленточные вакуум-фильтры конструктивно подобны конвейеру, несущ ая лента которого покрыта фильтровальным материалом и леж ит на дне коробообразного дренажного основания. Помещаемая на фильтровальную перегородку суспензия подвергается воздейст вию вакуума, создаваемого под перегородкой, и дисперсная среда просасывается сквозь отверстия, попадая в сборник фильтрата. Ленточные вакуум-фильтры, используемые в обогатительных цехах в настоящ ее время, имеют ш ирокий диапазон эффективной поверхности фильтрования. Наиболее популярные серии ленточных фильтров — ЛК с площадью фильтрования от 1,6 до 10 м2 и Лсх с площадью фильтрования от 2,5 до 100 м2. В отличие от барабанных, дисковых и многих других фильтров ленточные более просты в изготовлении и обслуживании, имеют большую производительность по суспензии и получаемому осадку и занимаю т меньшую установочную площадь. 156
В общем случае ленточный фильтр (рис. 3.9) состоит из привод ного (ведущего) и ведомого барабанов, на которые натянута н е сущая дренаж ная резинокордовая лента, назы ваемая коробом. Важ ное значение в конструкции ленточного фильтра имеют схема само центрирования фильтровального полотна и особенности устройства дренажного основания. При неточной центровке несущ ей ленты происходит смещ ение фильтрую щ ей перегородки, что приводит к появлению зазора между бортами короба и перегородкой, а следо вательно, к проскоку твердых частиц в фильтрат. П ерекос филь тровальной ткани вызывает такж е возникновение чрезмерны х натяж ны х усилий в ней и служит причиной быстрого выхода п ере городки из строя.
1
по А -А
д .д
Рис. 3.9. Ленточный вакуум-фильтр: 1 — приводной барабан; 2 — натяжной барабан; 3 — лента; 4 — вакуумкамера; 5 — коллектор; 6 — подача суспензии; 7 — подача промывной жидкости; 8 — заградительный ролик; 9 — борт; 10 — осадок; 11 — вакуумный стол; 12 — поддерживающие ролики Поверхность ленты от периф ерии к центру перф орирована канавками, а посередине (иногда в два ряда) имеет сквозные от верстия для отвода фильтрата. Последние соединены со сборником фильтрата и предназначены для удаления отфильтрованной ж ид кости из рабочей зоны фильтра. Верхняя ветвь ленты скользит по вакуум-камерам. Имею щиеся в ней отверстия соединяют зону фильтрования с вакуум-линией. Поверх рифлений резина покрыта фильтровальной тканью. После выхода резинового основания из зоны фильтрования оно опускается вниз (под фильтр), где подвер гается регенерации промывной водой, подаваемой посредством 157
брызгал. Вода после стадии регенерации стекает в расположенный ниж е поддон для сбора промывной жидкости. Секционирование вакуумных камер и коллекторов для сбора фильтрата и промывной жидкости поперечными перегородками позволяет отводить отдельно фильтрат и промывную жидкость, что исключает их смешивание. Для сниж ения износа движущ ихся частей конвейера и потерь мощности на трение поверхность вакуумного стола изготавливается из текстолита, что обеспечивает низкий коэф ф ициент трения. Н аи более распространены вакуумные столы, имею щие профиль ж ело ба, заставляющего несущую резину прогибаться в поперечном направлении, образуя лоток, где размещ аю тся обезвоживаемая суспензия и осадок. Размеры ж елоба и угол наклона боковых стенок могут быть различными. Фильтровальная ткань прикрепляется к несущ ей резине с помощью резиновы х жгутов, расположенных в пазах. Загрузка суспензии производится посредством специального устройства. Чаще всего используются загрузочные устройства по лочного типа, наиболее равномерно распределяющ ие исходный про дукт по поверхности ленты. Двигаясь вместе с фильтровальным полотном и дренаж ной лентой, суспензия проходит стадии загрузки, образован ия осадка, интенсивной ф ильтрации ж идкой фазы, промывки и сушки осадка. В зависимости от технологических требований промывка может быть одно-, двух- или трехкратной. Экономное расходование промывной воды достигается за счет ее многократного использования (рис. 3.10). Для промывки приме няю тся брызгальные устройства. Две последние операции обычно ведутся поочередно. Благодаря этому повышается степень чистоты осадочного продукта или обеспечивается дополнительное отделеВода [пром вода 1 П ром вода 2
^ итание
Ф ильтрат
Рис. 3.10. Схема промывки кека на ленточном вакуум-фильтре: 1 — дренажное основание; 2 — фильтровальная ткань; 3 — ведущий барабан; 4 ведомый барабан; 5 — направляющий ролик; 6 — натяжной ролик; 7 — вакуум-камера; 8 — вакуум-линия; 9 — бункер 158
ние и возврат в процесс полезного компонента, растворенного в жидкой фазе. Стадия суш ки начинается после полного исчезновения ж идко сти с поверхности осадка. Отсасываемая жидкость проходит через слой осадка, фильтрующ ую перегородку, дренаж ны е канавки, отверстия резиновой ленты и отводится через вакуум-камеры в линию сбора фильтрата. Съем промытого осадка осуществляется при огибании лентой приводного барабана. При этом фильтровальная ткань с помощью направляющего ролика отводится от резиновой ленты, и осадок под действием силы тяж ести падает в приемный бункер. Для снятия осадка такж е можно использовать воду или специальные устройства (хлопуши, вибровозбудители и др.). Для удаления липких осадков применяю т пустотелый перф орированны й валик, в отверстия которого продувается сжатый воздух, что облегчает отделение осад ка от ткани. Дополнительно предусматривается скребок для очистки ленты от приставшего материала. Регенерация фильтрующ ей ткани осущ ествляется на холостом ходу путем ее промывки горячей водой из специальных брызгал, расположенных в ниж ней части рамы. На некоторых ленточных вакуум-фильтрах для этой цели используются механические щ етки и паровые форсунки. Ленточные фильтры такж е снабжаю т приспособлениями для затирания трещ ин в осадке и вибраторами для обезвоживания осадка (однотипными с приспособлениями, применяемыми на барабанных фильтрах). Фильтры Л-типа имеют низкую степень регенерации фильтру ющей перегородки, в результате чего сетка минерализуется или покрывается слоем флотационных реагентов. При этом прони цаемость перегородки резко сниж ается и ее сопротивление потоку фильтрата возрастает. Данный недостаток устранен в ленточных фильтрах со сходящим полотном, ш ироко используемых в обо гатительной промышленности. В отличие от ленточных фильтров Л-типа, фильтровальная ткань которых на всем протяж ении цикла примыкает к дренажному основанию, в фильтрах со сходящим полотном в зоне разгрузки осадка полотно отделяется от несущ ей дренаж ной ленты и отдельно поступает в зону регенерации, где тщательно промывается с обеих сторон и, восстановленное, вновь загруж ается суспензией. Регене рация ткани на таких фильтрах происходит с большей эф ф ек тивностью, что продлевает срок службы фильтровального полотна. В качестве критерия эфф ективности стадии регенерации для лен точных фильтров мож но использовать величину конечной влаж ности осадка (рис. 3.11). Первые конструкции фильтров со сходящим полотном были выпущены в Германии (рис. 3.12). Их отличительная черта — ис пользование особой схемы натяж ения фильтровальной ленты, вклю чающей натяж ную станцию и дополнительный регулирующий 159
ролик. Ц ентри рова ние полотна осущ ест вляется поворотом ролика, как у автомо бильного колеса. Позже были раз работаны отечествен ные аналоги филь тров со сходящим по лотном (Асх), в кото рых роль дренажного основания выполняет обычная конвейерная резина с установлен ными на ней д ре нажными ковриками. Благодаря этому дре наж ное основание фильтров типа Лсх дешевле и проще в изготовлении. Однако использование ж ест ких дренажных ков Рис. 3.11. Зависимость конечной влажности риков обусловило от осадка W от срока эксплуатации х фильтро каз от схемы натяж е вального полотна (1 — без регенерации; 2 с ния и центровки, регенерацией): применяемой в филь а — на фильтре ЛК при обезвоживании фло трах F-10. В качестве тационного концентрата с высоким остаточным альтернативы была содержанием реагентов; б — на фильтре F-10 использована систе при обезвоживании мелкозернистых флотаци ма, состоящая из под онных отходов с низким остаточным содержа держивающего стола нием реагентов и ролика с «опере жающим» приводом для подтяжки фильтровального полотна. Другая отличительная особенность фильтров Лсх — центрирование полот на в колее несущ ей резины при помощи специального устройства, выполненного в виде двух половин ролика с отдельным приводом смещ ения в стороны (рис. 3.13). В состав фильтра входят датчики смещения, регистрирующ ие отклонения полотна и подающие сиг нал на исполнительный механизм. При этом соответствующая половина ролика (находящаяся в контакте с полотном) смещается в обратную сторону, возвращ ая полотно в исходное положение. По оценкам обслуживающего персонала, фильтры с дренажным основанием в виде резинового короба значительно удобнее, однако им присущ общий недостаток — крайне низкий срок службы филь тровальной ткани. Основные причины быстрого износа фильтровальных поло тен — низкая надежность направляющей системы, значительные 160
Суспензия
Рис. 3.12. Ле [точный вакуум-фильтр F-10 (Германия): 1 ведущи [ барабан; 2 — вакуум-камера; 3 — ведомый барабан; 4 — загрузочное ; стройство; 5 — направляющий ролик; 6 — натяжная станция; 7 — поддерж шающий ролик; 8 — фильтрующая перегородка; 9 — поддон; 10 — форсуг <а для подачи регенерирующей жидкости; 11 — бункер для осадка; 12 — коробообразное дренажное основание; 13 — гофрированный борт дренажь ого основания; 14 — осадок; 15 — вакуум-стол растягиваюп ие усилия, неправильный подбор полотен по прочност ным свойст яI,м . В частности, малая надежность направляющей системы об1 словливается частым выходом из строя датчиков и рабочих шов системы автоматического регулирования (САР), работающих в условиях агрессивной среды. Сокращ ение растяги-
8 /9
L " Л
"
a
: - \ e - |
5
г - Г
10
А-А
7
Рис. 3.13. Ленточгый фильтр со сходящим полотном Лсх: 1 — осадок; 2 подтягивающий ролик; 3 — поддерживающий стол; 4 — ведущий барабаг 5 — вакуум-камера; 6 — устройство для подачи промывочной жидко ти; 7 — загрузочное устройство; 8 — ведомый барабан; 9 — датчик след::щей системы центрирования полотна; 10 — разрезной регулировочный ; олик; 11 — натяжная система; 12 — дренажное основание; 13 — филь' ровальное полотно; 14 — поддон; 15 — поддерживающий ролик; 16 — фоА‘сунки для подвода регенерирующей жидкости; 17 — бункер; 18 — вак} ■~'ный стол 161
вающих усилий такж е невозможно без соверш енствования системы слежения. Это связано с тем, что во время эксплуатации полотно должно быть довольно сильно натянуто, чтобы обеспечить достаточ ную силу давления кромки полотна на рычаги датчиков следящей системы. Не всегда удается обеспечить и равномерное распреде ление нагрузки по ш ирине ленты, что ведет к неизбежному смещ е нию полотна, трению его краев о борта дренаж ной основы, раз рушению кромки полотна и швов поперечного соединения. В связи с этим подавляющее число изменений, вносимых в конструкцию ленточных фильтров, касается соверш енствования системы лентопротяжки. В работе [33] путем кинематического анализа сил, действующих на фильтровальное полотно в процессе эксплуатации, показано, что при отклонении любого из поддерживающ их роликов системы лентопротяжки на 1 —2 градуса при общей длине полот ta 10 —35 м смещ ение его кромки за один оборот фильтра составляв г примерно 4 —5 см. При таком смещении обнажается дренажь ая система несущ ей резины и увеличивается проскок твердого в ф гльтрат. В результате исследований, проведенных У ральски [ филиалом ВНИИГ и НИИхиммаш, для фильтров типа Асх разр< ботаны две схемы лентопротяжки. В первом случае предлагается пропускать фильтровальную ткань в ненатянутом состоянии. Рол > центриру ющего органа при этом выполняет направляющий жел >б щелевого типа. Эту функцию способны выполнять и направляю: щ е роликиограничители. Указанные фильтры могут работать к а ; с эластич ными, так и с жесткими дренажными ковриками. Кардинально иным реш ением явилось созданш ленточных вакуум-фильтров со сходящим полотном, в основу раб )ты которых положен принцип самоцентрирования фильтровальной ткани. Были разработаны две конструкции таких фильтров, расе ш танные на обезвож ивание тонкодисперсных (рис. 3.14, а) и грубодисперсных (рис. 3.14, б) осадков. Средний срок службы фильтр о е е л ь н ы х поло тен при такой организации лентопротяжки достигает i месяцев. Роль регулятора перемещ ения полотна в этих фш ьтрах выпол няет щелевой направляю щий ограничитель (рис. 3/15), который мож ет изготавливаться из трубок (рис. 3.15, а) или гнутых полуци линдров (рис. 3.15, б). Параметры распространенных шелевых огра ничителей приведены в табл. 3.6. Ц ентровка полотна] происходит в тот момент, когда оно в несколько ослабленном состоянии проходит сквозь щель, разм еры которой незначительно превышают размеры сечения шва. При такой конструкции боковое смещение полностью исключается, а растягивающие усилия в полотне образуются только за счет его провисания и сил трения на роликах. Регенерация ткани протекает в две стадии: на первой форсунками сбивается большая часть прилипшего осадка, а на второй стадии, когда ткань погру ж ена в ванну, из структуры сетки удаляются микро: ислючения. Технические параметры резинотканевы х дренаж зых оснований, исполняющих роль несущ ей основы фильтроткани, i о многом опре162
Осадок
Суспегзия |
Рис. 3.14. Схе: а ленточного вакуум-фильтра со сходящим полотном, работающего по ринципу самоцентрирования фильтровального полотна, для обезвоживания! суспензий с тонкодисперсной (а) и грубодисперсной (б) твердой фазой: 1 — поддержи| ающий стол; 2 — привод подтягивающего ролика; 3 — поддон для смыва и сбора продуктов регенерации; 5 — форсунки; 4 поддон для пр ывки полотна; 6 — направляющее щелевое устройство (ограничитель с! ещения); 7 — поддерживающий ролик; 8 — полотно D/2
7Ъ /г
■о
Н
2 ..
к
Рис. 3.15. Щеле ф й ограничитель смещений фильтровального полотна, изготовленный из трубок (а) и гнутых полуцилиндров (б) деляют продолжительность эксплуатации изнаш иваю щ ихся частей ленточного фил.тра, в том числе и собственный срок службы. Дренаж ны е осн< вания, используемые на фильтрах ЛК-3,2, ЛК-4, ЛК-10, ЛУ-... и F 10, показаны на рис. 3.16. Сравнение к инструкций дренаж ны х основ (систем) отечественных и немецких фильтров свидетельствует о преимущ ествах пер163
Таблица 3.6 Параметры щелевых ограничителей Марка фильтра F-10 Лсх 4-0,5К Асх 10-1,4К
Размеры щелевых ограничителей (рис. 3.15). мм Я D 950
8
1200
10
1950
12
57 57 80
1600 1650 2400
вых, поскольку их конструкция позволяет удалять жидкую ф азу по всей ш ирине ленты за счет рифлений — канавок. Канавки направ лены к центру, где они соединяются с дренажными отверстиями. Д ренаж ны е отверстия располагаются по всей длине резины, и при движ ении фильтра они соединяют рифления с вакуум-камерой. Благодаря особой конструкции вакуумного стола пс риферийны е участки резины на фильтрах отечественной констру сции загибаются вверх (примерно под углом 45° к плоскости ваю 1ум-стола), за счет чего несущ ая резина приобретает форму желоба над которым размещ ается фильтрующая перегородка, что является одновременно и преимуществом, и недостатком конструкции, Г эеимущество состоит в том, что в пазу при загибе заж имается кро*{ка со жгутом фильтровальной ткани, а недостаток — в том, что ериферийная часть резины выполнена без канавок дренажа, а следовательно, находящийся на ней осадок подвергается обезвож ш ш ию со зна чительно меньшим эффектом , что ощутимо для аппаратов с ш ирокими лентами (1600 мм и более). Д ренаж ная система фильтра F-10 выполняется в виде короба, снабженного гофрированными бортами высотой 15С мм, располо-
Рис. 3.16. Конструкции дренажных систем ленточных ва! уум-фильтров: а — фильтры ЛК и ЛУ: 1 — вакуум-стол; 2 — дренаж|о<е резиновое основание; 3 — осадок; 4 — фильтровальное полотно; б фильтр F-10: 1 — вакуум-стол; 2 — гофрированный борт дренажного осж вания; 3 — фильтровальное полотно; 4 — осадок; 5 — ограничитель смеце:ния дренажного основания; 6 — рифления на дренажном основании 164
женными под прямым углом к дренаж ному основанию, рабочая часть ленты шириной 950 мм покрыта рифлениями и эф ф ективно работает на удаление жидкой ф азы в линию сбора фильтрата. Для лучшей герметизации бортов и предотвращ ения поперечного сме щения дренажной основы на фильтрах F-10 предусмотрены спе циальные ограничители. Благодаря такой конструкции на фильтре обычно не наблюдается подтеков и переливов. Ленты для таких фильтров изготавливают из резинокордового материала, устойчивого к различного рода механическим нагрузкам и действию слабощелочных или слабокислых сред. Отечественной промышленностью выпускаются ленты нескольких типоразмеров, наиболее распространены ленты с ш ириной рифленой части 0,55 и 1,25 м. С рой службы дренаж ны х систем — более пяти лет. Стои мость резин; [ составляет примерно две трети стоимости фильтра. Более щ эстая дренаж ная система, основанная на применении обычной ко] вейерной резиновой ленты и дренаж ны х ковриков, упоминавша5 ся ранее, не получила широкого распространения, несмотря на гростоту изготовления и низкую стоимость, т. к. обла дала сущест ;енным недостатком — при эксплуатации несущая лента смеща .ась в стороны, отверстия при этом выходили из со единения с в жуум-камерой. Кроме того, надежность узлов крепле ния коврика ia резине была низкой. Поэтому эыл предложен другой вариант, объединивший вы сокую герме 'ичность дренаж ной системы с удобством эксплуа тации, простс гой и деш евизной изготовления. Компромиссом стала дренаж ная с стема с плоским основанием и перемещающ имися бортами (рис. 3.17). Существе! ное значение во всех описанных {ренаж ны х системах имеет ширина и взаимное располо ж ение фильтр тощей перегородки и резины. У жел )бообразных несущих резиновых лег г полотно полностью перекрывает лзнту на всю ширину (перфорированную и периферийную части), что исключает возможность попадания ди персных частиц в фильтрат, одна со ввиду малой вы соты бортов же \оба в зоне загрузки возможно разС рызгивание пульпы. Рис. 3.17. Дренажная система с Из-за попереч» то перегиба полотно плоским дренажным основани подвержено згечительным растяже ем и перемещающимися бор ниям, что сокращает срок его экс тами для осадка: плуатации. Коре бообразное дренаж 1 — вакуум-стол; 2 — переме ное основание ге имеет этого недо щающиеся борта; 3 — фильт статка, но требу эт при эксплуатации ровальное полотно; 4 — осадок; особо точного I ентрирования поло 5 — плоское рифленое дренаж ное основание тен в колее. 1 165
05
ri
(0 !=Г VQ Я «И Н а н А
о- ж £ В 5 сг Эх ft гО оЙ X
еI
я
ТГ аГ
Л1,60,5/3,2
Площадь фильтрования, м2 1,6 Рабочая длина вакуум-камер, мм 3200 Диаметр барабанов, мм 800 Ход натяжного ролика, мм 400 Размеры ленты, мм: ширина рабочая 500 ширина полная 700 длина 10704 Скорость движения ленты, м/мин 0,8 —4,8 Мощность электродвигателя, кВт 3,0 Масса, т 3,61
Марка филы за Л2,5л: 2 0,5/4,8 0,5 '6,4 2,5 4800 800 400 500 700 13920 0,8 —4,8 2,8-3,0 4,17
6- 00
Площадь фильтрования, м2 Ширина ленты, мм: рабочая полная Длина вакуум-камер, мм Скорость движения ленты, м/мин Мощность привода, кВт Габаритные размеры, мм: длина ширина высота 166
со
СО
со
со
1Л
as
4 8000
со со
сч
1200
£ >0 4Ю
700 500 700 23376 1.5-9 4.5-5,5 6,6
Тип }ильтра Асх 10-1,4К | F-10 10
10
1400 2000 8000 7; 10,5; 13,3; 21 20
950 950 10520 31 22
13250 3850 2600
16400 2900 3000
И £О S Ж а» 101 о[ К
II X,
Л (в X О ЕЗ V X X vv X о < о X X £
сч
ю
СЧ
Л40,5/8
Таблица 3.8 Техническая характеристика ленточных фильтров со схоДящим полотном Параметры
со
сч
сч“
Таблица 3.7 Техническая характеристика ленточных вакуум-фильтров Параметры
ральном классификаторе
Особое внимание при расчете ленточных фильтров необходимо уделять разм ерам дренаж ны х отверстий. Чаще всего при расчете руководствуются правилом, что примерно 90 % жидкой ф азы сус пензии должно быть удалено за третью часть времени, необхо димого для прохождения осадком зоны фильтрования и сушки при скорости оттока в сечении отверстия около 3 м /с. Технические характеристики ряда ленточных вакуум-фильтров приведены в табл. 3.7 и 3.8, а соответствующие им технологические показатели обезвоживания концентратов — в табл. 3.9; Достоинства ленточных фильтров: 1) совпадение направлений фильтрования и осаждения; 2) простота конструкции, в частности отсутствие распределительной головки; 3) хорош ее разделение фильтрата и промывных вод; 4) достаточная полнота промывки и обезвож ивания осадка; 5) возможность обработки труднофильтруемых материалов благодаря многообразию и совершенс гву способов съема осадка и регенерации ткани.
о
со
о
г*-
I
I о
о
о
я ^ я
о I
со СО
I гI
40 со
& | 03 О н Xн V СГх § &
, >я аЯ зPQ
1
°
сч со
40 о СО
(О X я ft VO (О е
X и я я кя V O ф < 167
Недостатки: 1) небольшая поверхность фильтрования и непол ное использование фильтровальной ткани; 2) большая установочная площадь; 3) быстрый износ ленты; 4) непригодность для обработки веществ, разруш аю щ е действующих на резиновую ленту, а такж е плохо смачивающих резину и металл (смачивание необходимо для поддержания достаточного вакуума).
3.4. Рамные пресс-фильтры Рамный пресс-фильтр (рис. 3.18) является наиболее простым фильтром периодического действия и достаточно универсальным. Состоит он из нескольких чередующихся друг с другом йлит и рам. И те, и другие имеют боковые ручки, которыми они оп граются на параллельные брусья станины пресса (рис. 3.19). На ст ш ине име ю тся концевая неподвиж ная и перем ещ аю щ аяся i а роликах подвижная плиты. М ежду ними при помощи специальн зго устрой ства плотно заж имается комплект плит и рам, межд] которыми помещаются перегородки (салфетки) из фильтровальной ткани. При сборке фильтра салф етки навешиваются на плиты и по рывают их боковые поверхности. Боковые поверхности плиты пресс-фильтра 3 (рис 3.19, а) по краям плоские и гладкие, что обеспечивает плотную c t i ковку плит, а внутренняя их часть 4 делается рифленой для увез ичения эф ф ективной поверхности фильтрования. Вдоль бортов п ит имеются ж елобки для отвода фильтрата 6, которые сообщаются ; каналом в ниж ней части плиты, оканчивающимся краником (или жробкой) для отвода фильтрата 5. У верхней кромки плиты распс ю жены три отверстия: центральное 2 для прохода суспензии и ,ва крайних 8 — для промывной жидкости. Плита покрыта салфет: ой из ткани
Рис. 3.18. Рамный пресс-фильтр: 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 168
Рис. 3.19. Плиты и рамы пресс-фильтра (а — плита, справа — разрез по фильтровальной плите, слева — по промывной плите; б — рама): 1 — фильтрующая ткань (салфетка); 2 — отверстие для суспензии; 3 — гладкая поверхность; 4 — рифленая поверхность; 5 — краны для слива фильтрата и промывной жидкости; 6 — канавки для стока фильтрата; 7 — боковые ручки; 8 — отверстия для промывной жидкости 1, в салфетке прорезаны отверстия, совпадающие с отверстиями плиты. | Полая ран а пресс-фильтра (рис. 3.19, б) помещ ается между дву мя плитами и образует камеру для осадка. Отверстия, имею щ иеся в рамах, совпадаю т с отверстиями плит, благодаря чему в пресс-филь тре создаются сквозные каналы для прохода суспензии и промыв ной воды [11]? Эти каналы заканчиваю тся у концевой плиты. Канал для суспензии сообщается через отверстия с внутрен ними полостями рам. Поэтому фильтруемая суспензия поступает только внутрь рам пресс-фильтра. С успензия подается в пресс-фильтр под давлением при помощи насоса или монтежю либо поступает под гидравлическим давлением из напорного| бака. Под воздействием этого давления фильтрат проходит сквозь ткань, устремляется по канавкам в плитах и через отводные крацики сливается в корыто, установленное на полу вдоль фильтра. Из корыта фильтрат стекает в сборник или, если фильтрат не представляет ценности, выводится из процесса. Твердые частицы задерж иваю тся на ткани и постепенно заполняю т свободное пространство рам, за счет чего происходит рост толщины осадка. Фильтрование Обычно заверш аю т после почти полного заполнения рам осадком. П|ри необходимости осадок промывают и подсушивают путем продувки пара или воздуха по каналам, по которым проходит промывная жидкость. После этого плиты и рамы размыкают. О са док под действием силы тяж ести падает в предварительно уста новленный под фильтром сборник. Оставшуюся часть осадка счи щают с рам и плит вручную лопаткой. Ручные пресс-фильтры изготавливаются в двух исполнениях. Различие между ними заключается в наличии или отсутствии стадии промывки осадка. Последние конструктивно более просты и имеют 169
только фильтровальные плиты. Для фильтрования, сопровожда ющегося промывкой осадка, применяю т пресс-фильтры, имеющие плиты двух видов — фильтровальные и промывные. Промывная плита 3 (рис. 3.20, а) отличается от фильтровальной плиты 1 только тем, что в первой каналы для стока воды соединены отверстиями с боковыми поверхностями плиты. При промывке (рис. 3.20, б) слив ные краники промывных плит закрываются. Вследствие этого вода проходит через ж елобки промывной плиты и покрывающую ее ткань в осадок и движ ется последовательно через слой осадка, ткань и ж елобки фильтровальной плиты, после чего сливается через кра ник. Расположение промывных плит и путь, проходимый промыв ными водами сквозь осадок, показаны на рис. 3.20, б. Фильтруемая
Промывные воды
б Рис. 3.20. Схема работы пресс-фильтра: а — фильтрование; б — промывка осадка. 1 рама; 3 — промывная плита
фильтровальная плита; 2 —
Плиты и рамы пресс-фильтров изготавливают и з чугуна или древесины. Пресс-фильтры с деревянными плитами;и рамами р ас считаны на абсолютное давление до 5 ат, пресс-фильтры с чугун ными плитами и рамами — до 15 ат. f Для сж атия плит и рам ручного пресс-фильтра Останавливается винтовой, электромеханический или гидравлический зажим. При помощи винта со штурвалом комплект рам и плит заж и мается вручную, что требует значительных физических усилий. Ввиду этого при винтовом заж им е количество одновременно уста навливаемых плит ограничено 30 —35. При большем их числе до стичь плотного контакта в местах соединений невозможно [27]. Электромеханический заж им приводится в действие электро двигателем через редуктор. Стопорение заж им а происходит авто матически после достижения определенного давления сжатия. Гидравлический заж им (рис. 3.21) состоит из цилиндра 1 и плунжера 2, который выдвигается давлением воды, нагнетаемой в цилиндр, и упирается упорным валиком 3 в подвижную пли 170
ту 4, сж имая все плиты и рамы. Д остоинства рамны х пресс-фильтров: 1) боль ш ая поверхность ф иль трования на единицу пло щади, занимаемой фильт ром; 2) значительная дви ж ущ ая сила (перепад дав ления) процесса; 3) воз можность контроля рабо ты и отключения отдель ных плит (путем закрытия краника, через который вы текает мутный ф иль трат); 4) простота и на деж ность эксплуатации благодаря отсутствию дви жущ ихся частей. Недостатки: 1) ручное обслуж ивание; 2) боль ш ая продолж ительность цикла; 3) недостаточно полная промывка осадка; 4) быстрый износ филь тровальной ткани вслед Рис. 3.21. Гидравлический зажим прессствие частой разб орки фильтра: фильтра и его работы под 1 — цилиндр; 2 — плунжер; 3 — упорный давлением; 5) ограничен валик; 4 — подвижная плита ная производительность, что не позволяет и с пользовать рамные прессфильтры на производствах большой мощности. Технические характеристики сущ ествую щ их ныне рамны х пресс-фильтров приведены в таблице 3.10. Таблица 3.10 Технические характеристики рамных пресс-фильтров Метод Площадь филь Размер рамы, Число . Число под Масса, зажима кг рам вижных плит мм трования, м2 30 35 36 42 56 83
820x820 820x820 820x820 820x520 820x520 100x1120
22 26 27 32 42 42
21 25 26 31 41 41
Ручной 6575 То же 7350 —«— 7525 —«— 8500 —«— 10100 16200 Гидравли ческий 171
3.5. Барабанные и дисковые фильтры В настоящ ее время барабанные фильтры являются одним из самых распространенны х видов фильтровального оборудования для разделения твердожидкостных систем. Барабанный вакуум-фильтр успешно применяется для фильтро вания пульп с высоким содерж анием твердых частиц, образующих осадки с достаточно хорош ей проницаемостью и стабильностью свойств, Барабанный фильтр удобен в обслуживании, обеспечивает достаточно хорошую промывку. П рименяемые в гидрометаллургии барабанные фильтры имею т поверхность фильтрования от 1 до 40 м2, толщина слоя осадка в зависимости от его свойств составляет 5 —40 мм, влажность отфильтрованного осадка колеблется в пре делах от 10 % (для крупнокристаллических осадков) до 30 % и более, величина вакуума составляет 450 —600 мм. рт. ст. Барабанные фильтры бывают нескольких типов: с наружной фильтрую щ ей поверхностью; магнитные; с внутренней фильтру ю щей поверхностью; фильтры, работаю щ ие под давлением. Наиболее ш ирокое распространение в промышленности полу чили барабанные вакуум-фильтры с наруж ной фильтрующ ей по верхностью (рис. 3.22). Толщина осадка на ней должна быть не менее 5 мм, твердая ф аза — кристаллической или аморфной, но не коллоидной структуры. В этих фильтрах барабан с внеш ней сто роны по всей длине разделен на неглубокие ячейки, снаруж и по крытые перфорированны ми решетками. М ежду реш етками со седних ячеек имеются пазы. Внутренние полости ячеек соединены трубами с концевыми ячейковыми цапфами. По всей поверхности барабан обтянут тканью, сшитой в общее полотнище. М ежду ячейками ткань резиновы ми жгутами утоплена в пазы (этим устраняется сообщ ение ячеек под тканью), кроме того, барабан обматывают с шагом 30 —40 мм мягкой проволокой. П ро волока приж имает ткань к реш еткам и удерживает жгуты в пазах. Н иж няя часть барабана погружена в ванну. На торцовых стен ках ванны крепят опорные подшипники цапф. В одной из торцовых стенок ванны имеется переливное окно, через которое удаляется избы ток загруж аемой в ванну пульпы. С низу на цилиндрической части корыта или в торцовых стенках имеются люки для выпуска пульпы при остановке аппарата. Вдоль длинных сторон корыта размещ ены с одной стороны нож для съема кека, а с другой — устройство для намотки проволоки. В ванне для поддержания твердого пульпы во взвешенном состоянии разм ещ ена мешалка. М ешалка приводится в движение от электродвигателя через редуктор, эксцентрики и тяги. К торцам ячейковых цапф барабана примыкают распредели тельные головки (фильтры небольших размеров имеют по одной цапф е и одной головке). Головка представляет собой литой фигур ный блок с несколькими камерами, разделенными перегородками
(рис 3 23, б). Число камер определяется количеством операции, выполняемых фильтром. Обычно в головке имеется три или четыре полости. Если фильтр предназначен для фильтрования с промывкой кека, то две полости, находящиеся под разреж ением, служат, со1
2
Рис. 3.22. Барабанный вакуум-фильтр с наружной фильтрующей поверхностью 1 — барабан; 2 — трубы для отвода фильтрата; 3 — цапфа; 4 — рас пределительная головка; 5 — устройство для намотки проволоки; 6 нож (скребок); 7 — переливное окно с коробкой перелива; 8 — мешалка, У корыто; 10 и 11 — приводы барабана и мешалки соответственно; 12 — дренажный люк 173
172
ответственно, для отвода маточного раствора и промывных вод. В две меньшие по разм еру полости подается сжатый воздух. Если кек не промывается, то перегородка между двумя первыми полостями может отсутствовать. При вращ ении барабана торец цапфы трется о распредели тельную головку. Для предотвращ ения износа цапфа и головка снабжены сменными шайбами. Подвижная шайба цапфы имеет ок на, число которых соответствует числу ячеек барабана (рис. 3.23, а). У неподвижной шайбы головки число окон соответствует числу полостей головки. К цапфе головку прижимаю т пружиной (от проворачивания головку удерж ивает тяга). На головке устанав ливают вакуумметр и манометр для замеров разреж ения и давле ния. За один оборот барабана соверш ается полный цикл фильтро вания.
Рис. 3.23. Подвижная шайба (а) и распределительная головка (б) вакуумфильтра 1 неподвижная шайба; 2 — ребро жесткости; 3 — штуцер для отвода про мывных вод; 4 — перегородка в зоне вакуума; 5 — полость вакуума; 6 — мост разделения зон; 7 и 8 — окна подачи сжатого воздуха соответственно для отдувки кека и регенерации ткани; 9 — штуцер для отвода фильтрата Каждая ячейка барабана после погружения в пульйу через окно цапфы совмещается с находящейся под вакуумом полостью головки, происходит отсасывание жидкости и набор кека на ткани. После выхода ячейки из пульпы действие вакуума продолжается — про исходит подсушка кека. Фильтрат, выделившийся во время набора и подсушки кека, удаляется через вакуумное окно головки. При со вмещ ении окна рассматриваемой ячейки с полостью головки, нахо дящ ейся под давлением, происходит отдувка кека и регенерация ткани. Вращение барабана фильтра осуществляется от электродви гателя через редуктор, часто с бесступенчатым вариатором ско ростей. 174
При вращ ении барабана часть его ячеек постоянно погружена в суспензию и сообщается через распределительную головку с ваку умом, поэтому фильтрат отсасывается и твердые частицы образую т осадок на поверхности фильтровальной ткани. Далее эти ячейки выходят из корыта, продолжая сообщаться с вакуумом, и слой осад ка несколько обезвож ивается за счет просасывания воздуха. Затем осадок промы вается, причем пром ы вная ж идкость благодаря сообщению ячеек с вакуумом уходит через свои каналы в р ас пределительной головке. Ч ерез слой осадка с целью его подсушки снова просасывается воздух, после чего ячейки сообщаются с линией сжатого воздуха для отделения осадка от фильтровальной ткани и его разрыхления. На короткое время ячейка отключается от линии сжатого воздуха для съема осадка и вновь подключается к ней для продувки с целью регенерации фильтровальной ткани. Совершив полный оборот, ячейка снова погружается в суспензию, и ее рабочий цикл повторяется (рис. 3.24). Процесс фильтрования включает семь стадий: 1) образование осадка и отсасывание фильтрата; 2) просасывание воздуха через слой осадка для частичного удаления остатка фильтрата; 3) промыв ку осадка; 4) просасывание воздуха через слой осадка для частич ного удаления остатка промывных вод; 5) отделение и разрыхление осадка; 6) съем осадка; 7) регенерацию фильтровальной ткани. На стадиях 1—4 ячейки барабана присоединены к вакуумной линии, а на стадиях 5 и 7 — к линии сжатого воздуха. В каждой отдельной секции фильтрование происходит пери одически, в целом ж е фильтр выдает фильтрат и осадок н еп ре рывно. Осадки снимают с фильтрую щ ей поверхности различными способами. Способ удаления осадка зависит от его структуры и толщины (рис. 3.25) Плотные осадки толщиной 8 —10 мм снимают ножом в виде наклонной широкой металлической полосы, устанавливаемой вдоль образующ ей барабана на некотором расстоянии от его по верхности. Для удаления слоя осадка толщиной 2 —4 мм используют тонкие параллельно расположенные бесконечные шнуры с рассто янием между ними 6 —25 мм. Ш нуры перемещ аю тся по замкнутому пути, огибая натяж ной и направляю щий ролики. При огибании натяжного ролика шнуры отделяются от ткани вместе с осадком и освобождаются от него. Более тонкие слои осадка удаляются съем ным резиновым валиком, вращ аю щ имся в направлении, проти воположном вращению барабана; с валика прилипший осадок сни мается ножом. Наконец, очень тонкие слои осадка (около 1 мм) снимаются так называемым методом сходящего полотна. Здесь фильтровальная ткань соверш ает тот ж е путь, что и бесконечные шнуры. В точке окончания цикла фильтрования ткань сходит с поверхности барабана и, пройдя разгрузочный ролик, где осадок снимается ножом, а такж е ролик для промывки, возвращ ается на поверхность барабана. 175
Фильтрование
Рис. 3.24. Схема действия барабанного вакуум-фильтра с наружной по верхностью фильтрования: |~ " Г С оТИ РаспРеАелительного устройства, сообщающиеся с источником вакуума, 2 - разбрызгивающее устройство; 3 - полости распределитель ного устройства; 4 — распределительное устройство; 5 — нож для съема С соеАИнительной трубкой; 7 — барабан; 8 — корыто для суспензии, 9 — емкость для пульпы Нож
Ш нуры
П олотно
Рис. 3.25. Способы снятия осадка 1 — ножом; 2 — бесконечными шнурами; 3 — резиновым валиком- 4 сходящим полотном 176
К онфигурация фильтрующ ей поверхности барабанных филь тров позволяет не только промывать кек, но и монтировать п ри способления для дополнительного удаления влаги из кека — устрой ства для заглаживания трещин, хлопуши, рыхлители в виде цилин дрических ершей, отжимные ролики и вибраторы. Эти фильтры могут быть изготовлены с глубоким погружением барабана в пуль пу, что обеспечивает длительный набор кека, и, наоборот, с малым погружением и большой зоной подсушки. Барабанные фильтры по сравнению, например, с дисковыми более приспособлены для обезвож ивания трудноф ильтруемы х продуктов, когда образуется относительно тонкий слой кека. Для рудных пульп верхним пределом крупности, ограничива ющим применение барабанных фильтров, можно считать 65 —70 % класса —0,074 мм. Для поддержания твердого во взвешенном состоянии при фильтровании относительно крупного материала иногда пульпу подают через днище ванны насосом. Твердые частицы тонкодисперсных суспензий очень быстро закупориваю т поры фильтровальных тканей, поэтому последние заменяю т намывной зернистой фильтрующ ей перегородкой из вспомогательного материала (например из зерен кизельгура) тол щиной 50 —75 мм. С этой целью в корыто фильтра загружаю т густую суспензию вспомогательного материала и при нормальном реж им е работы фильтра, но с выключенным съемным устройством в течение 30 —60 мин накапливают осадок указанной толщины. После этого начинают подачу фильтруемой суспензии и при по мощи передвижного нож а с острым лезвием постепенно снимают намывной слой вместе с задерж анны м в его порах осадком. Н ож обычно перемещ ается со скоростью 0,01—0,05 мм за один оборот барабана. Намывной слой периодически возобновляют. Барабанные фильтры изготавливают в обычном (типа БОУ) ис полнении из углеродистой стали и в кислотостойком с применением сталей Х18Н10Т, Х18Н9ТА и кислотостойкой резины. Техническая характеристика барабанных фильтров с наружной фильтрующ ей поверхностью приведена в табл. 3.11. К числу достоинств барабанного ячейкового вакуум-фильтра относятся: 1) универсальность, т. е. пригодность для обработки р аз нообразных суспензий; 2) возможность использования для их изго товления материалов, стойких в химически активных средах; 3) лег кость обслуживания. В то ж е время фильтр обладает такими недостатками, как: 1) небольшая фильтрующая поверхность; 2) сравнительно высокая стоимость; 3) затруднительность тщательной промывки и сушки осадка; 4) отдаленность распределительной головки от фильтрую щей поверхности, что приводит к задерж ке фильтрата и промывных вод внутри барабана и усложняет их раздельный отвод, т. е. полу чение неразбавленного фильтрата. Помимо широко распространенны х барабанных вакуум-филь тров с наруж ной фильтрую щ ей поверхностью в классическом 177
Таблица 3.11 Техническая характеристика барабанных вакуум-фильтров с наружной фильтрующей поверхностью Ма ока фильтра БОУ5- БОУ 10- БОУ20- БОУ40- БОУ 100Параметры 4,2 3 2,6 2,6 1,75 100 40 20 10 Площадь фильтрования, м2 5 Размеры барабана, мм: 4200 3000 2612 2612 1762 диаметр 7600 4400 2700 1350 960 длина 0,12 — 0,097 — 0,13 — 0,13 — 0,413 — Частота вращения 0,69 3,258 2 2 барабана, мин-1 1,8 21 21 ' 20 22 22 Число двойных качаний мешалки в минуту Мощность электродвига 3,3-4,1 теля, кВт 14 4 2,8 1 1,7 привода барабана 17 17,77 2,8 1,7 1 привода мешалки 65,85 13,05 8,37 4,62 Масса, т Пензенский завод Уральский завод хим. Завод изготовитель хим. машиностроения машиностроения исполнении, разработаны такж е конструкции барабанных магнит ных фильтров, фильтров со ш нуровой (струнной) разгрузкой кека, со сходящим полотном, с намывным слоем и др. М агнитные фильтры предназначены для обезвож ивания магнетитовых концентратов. Внутри этих фильтров расположены маг нитные системы. Барабанные фильтры со ш нуровой разгрузкой кека послужили прототипом для фильтров со сходящим полотном. Последние применяю т для обезвож ивания труднофильтруемых пульп при наборе кека незначительной толщины. Разгрузка кека производится в момент резкого изгиба сходящего с барабана по лотна (или шнуров) на ролике малого диаметра. У фильтров со сходящим полотном ткань подвергается двусторонней промывке. Фильтры с намывным слоем предназначены для выделения фильтрата высокой чистоты. На барабан поверх ткани намывают слой кизельгура, целлюлозы или других фильтрующ их материалов. Затем через этот слой фильтруют исходный продукт, как правило, содержащ ий небольшое количество твердого. Намывной слой с застрявш ими частицами твердого снимается ножом. Для хорошо фильтрующ ихся пульп разработаны конструкции барабанных фильтров с верхним питанием. На таких фильтрах ино гда совмещают операции механического обезвож ивания и сушки. Барабанный вакуум-фильтр с внутренней фильтрующ ей поверх ностью (рис. 3.26) представляет собой барабан с глухой крыш кой на одном торце и с кольцевым бортом — на другом. Внутренняя поверхность по длине разделена металлическими полосами на ячейки (обычно на 16), каждая из которых соединена 178
грубой, расположенной снаруж и крышки, (или каналом в крышке) с цапфой, к которой примыкает распределительная головка. О т дельные ячейки закрыты перфорированны ми листами, или в них уложены деревянные пластины с рифлениями на поверхности (ма трацы). На ячейки накладывают ткань (как правило, полотнищами на четыре ячейки внахлестку), которая крепится накладками, при жимаемыми клиньями.
Рис. 3.26. Барабанный вакуум-фильтр с внутренней фильтрующей поверх ностью: 1 барабан; 2 — кольцевой борт; 3 — воронка (бункер) для приема кека; 4 — распределительная головка; 5 — труба для соединения ячейки с рас пределительной головкой; 6 — торцовая крышка; 7 — конвейер; 8 — пита ющая труба; 9 — лоток для приема перелива; 10 — обслуживающая площад ка; 11 — матрац; 12 — ткань; 13 — тяга; 14 — бандаж; 15 — ролик; 16 — привод 179
Барабан снабж ен двумя бандажами, опирающимися на ролики. Одна пара роликов ведущая, им передается вращ ение через р е дуктор от электродвигателя. Барабан наполняется пульпой до уровня кольцевого борта. Избыток пульпы переливается через борт. Таким образом, внутри фильтра создается бассейн из пульпы, дном ко торого является внутренняя поверхность барабана, покры тая тканью. Нижние, боковые и часть верхних (по ходу вращения) ячеек барабана находятся под вакуумом. На ниж них ячейках барабана набирается кек, который затем подсушивается. При отдувке кек под действием силы тяж ести падает в воронку и разгруж ается кон вейером или шнеком. Для более полной разгрузки кека фильтр часто оборудуют пульсатором, встряхивающим ткань в зоне отдувки. В описанном фильтре осаждение твердых частиц совпадает по направлению с движением фильтрата. Поэтому на фильтрующей перегородке отлагаются в первую очередь более крупные частицы осадка, что облегчает фильтрование (в фильтрах с наружной филь трующей поверхностью сначала отфильтровываются мелкие час тицы, забиваю щ ие ткань). В барабанных фильтрах с внутренней фильтрующ ей поверх ностью проводится разделение грубых, быстро расслаивающихся суспензий. При их разделении не требуется тщательной промывки осадка. Техническая характеристика барабанных фильтров с внутрен ней фильтрующ ей поверхностью приведена в табл. 3.12. Таблица 3.12 Техническая характеристика барабанных вакуум-фильтров с внутренней фильтрующей поверхностью* Параметры
ВУ10-2,5
Марка Фильтра I ВУ20-2.5 I ВУ40-2.5
Площадь фильтрования, м2 10 20 40 Размеры барабана, мм: диаметр 2700 2700 2680 длина 1240 3300 5160 Частота вращения барабана, м и н '1 0,35—1,43 0,26—1,04 0,33—1 Мощность электродвигателя, кВт: привода барабана 1,7 2,8 4 разгрузочного конвейера Мотор-редуктор MP-V-3-40B 3,2 Масса, т 7,08 11,52 21,09 * Завод-изготовитель — Уральский завод химического машиностроения. Фильтры с внутренней фильтрующий поверхностью применяют для пульп, содержащ их значительное количество быстро оседа ющего твердого, которое не удается удержать во взвеш енном со стоянии при перемеш ивании мешалкой. 180
Барабанный фильтр, работаю щ ий под давлением (рис. 3.27), имеет ячейковый барабан со сходящей тканью, заключенный в за крытый кожух. Суспензия подается в кожух насосом или давлением сжатого воздуха через ниж ний патрубок и отводится через п ере ливной патрубок. Сжатый воздух поступает сверху через патрубок под тем ж е давлением, что и суспензия (Др = 2 —3 ат). Фильтрат продавливается через поверхность барабана и удаляется через пустотелую цапфу и распределительную головку. Осадок сбрасы вается с ткани при огибании ею валика с отверстиями, проду ваемого изнутри сжатым воздухом. Этим облегчается отделение осадка, который удаляется шнеком. Фильтры, работаю щ ие под дав лением, имеют ограниченную фильтрующую поверхность (до 9 м2) и отличаются сравнительной сложностью устройства. 4
8
3 Рис. 3.27. Барабанный фильтр, работающий под давлением: 1 — барабан; 2 — кожух; 3 — патрубок для подачи суспензии; 4 — патрубок для подачи сжатого воздуха; 5 — цапфа вала; 6 — распределительная головка; 7 — переливной патрубок; 8 — валик; 9 — шнек
Для разделения суспензий, содерж ащ их однородные и медленно осаждающ иеся твердые частицы, применяю тся дисковые вакуумфильтры, общий вид и конструкционная схема которых представ лены на рис. 3.28 и 3.29. Они имеют тот ж е принцип действия, что и рассмотренные выше барабанные фильтры, но отличаются от по следних тем, что вместо барабана на вращ аю щ ийся вал насаж ен ряд фильтровальных дисков. Д исковы е вакуум -ф ильтры прим еняю тся для ф ильтрации концентрированных пульп, когда необходима большая поверхность фильтрации и не требуется тщательной промывки осадка. Филь трующая поверхность дисковых фильтров составляет от 1 до 260 м2, число дисков — 1 —14. 181
диске следует зона просушки и отдувки осадка воздухом; промывка осадка в дисковых фильтрах производится крайне редко. При продувке изнутри сжатым воздухом ткань на секторе выпучивается, осадок разрыхляется и сбрасывается, когда ткань проходит между
Рис. 3.28. Дисковый вакуум-фильтр: 1 — труба для удаления фильтрата; 2 — трубки для подачи сжатого воздуха; 3 — распределительная головка; 4 — диски; 5 — карманы корыта; 6 — скребки Дисковый вакуум-фильтр отличается развитой поверхностью фильтрования. Ею служат боковые стороны дисков, набранных из секторов. Секторы (обычно по 12 в диске) вставлены в пустотелый ячейковый вал и закреплены длинными шпильками (спицами) и накладками (рис. 3.30). Каждый сектор обтягивают тканевым чехлом. Чехол на штуцере сектора обматывают мягкой проволокой или шпагатом, а широкую сторону обычно зашивают. Вал укреплен на цапфах. С торца к валу с одной или двух сторон, как и у барабанного фильтра, приж аты распределительные головки. Двумя головками оборудованы фильтры с шестью и более дисками. Н иж няя часть дисков опущена в ванну, на одной из сторон которой имеется переливной порог, обеспечивающий постоянство уровня пульпы. Со стороны входа секторов в пульпу при вращ ении вала с дисками ванна имеет форму карманов. На карманах с обеих сторон каждого диска установлены ножи или валики, которыми снимается оставш аяся после отдувки часть кека. При движ ении суспензия перемешивается, причем известное перемеш иваю щ ее действие оказываю т диски. Фильтрование проис ходит при вращ ении дисков с частотой 0,1—3 м ин-1 (иногда до 20 м ин-1), фильтрат отсасывается через ткань, радиальные желобки секторов, обойму, дренаж ны е трубки, соответствующие каналы вала и камеры головки. В большинстве случаев за зоной фильтрования на 182
Рис. 3.29. Схема дискового вакуум-фильтра: 1 — диск; 2 — ячейковый (пустотелый) вал; 3 — нож (скребок); 4 — элек тродвигатель привода мешалки; 5 — вакуумметр; 6 — шпилька (спица); 7 — сектор; 8 — накладка; 9 — тканевый чехол (рубашка); 10 — распредели тельная головка; 11 — гибкий шланг для подсоединения к вакуум-приводу; 12 — дренажный люк; 13 — тяга для удержания головки от проворачивания; 14 — привод ячейкового вала с дисками; 15 — желоб для сбора перелива; 16 — трубопровод сжатого воздуха; 17 — ванна (корыто); 18 — мешалка 183
5
валиками. Осадок падает в пространство между камерами корыта и поступает в желоб или на транспортер, при помощи которого производится выгрузка. П ри снятии толстого слоя осадка пользуются скребками вместо валиков, причем скребки служат главным образом направляющей плоскостью. Если нужна промывка осадка, к поверх ности дисков подводятся радиальны е трубки, через которые разбры згивается во да; промывные воды отводятся через от дельную кам еру распределительной го ловки. Диски обычно изготавливают из древе Рис. 3.30. Сектор диска сины твердых пород или ж е отливают из непрерывнодействую чугуна или цветных металлов. щего фильтра 1 — сектор; 2 — полая Ф ильтры изготавливаю т в обычном обойма; 3 — дренажная (типа ДУ) и кислотостойком (типа ДК) трубка; 4 — шпилька; исполнении. Техническая характеристика 5 — накладка фильтров приведена в табл. 3.13. Достоинства дисковых фильтров: 1) на ибольшая фильтрующая поверхность на единицу производственной площади по сравнению с фильтрами других типов; 2) возможность Таблица 3.13 Технические характеристики дисковых вакуум-фильтров1 Марка фильтра
Пло щадь филь трова ния, м2
ДУЭ-1,82 ДУ18-1,8 ДУ27-1.8 ДУ34-2.5 ДУ40-2,7 ДУ51-2,5 ДУбО-2,7 ДУ68-2.5 ДУ80-2,7 ДУЮО-2,5
9 18 27 34 40 51 60 68 80 100
Диа Часто метр Чис та вра дис ло щения ков, дис дисков, ков мин-1 м 1,8 1,8 1,8 2,5 2,7 2,5 2,7 2,5 2,7 2,5
2 4 6 4 4 6 6 8 8 12
0,22 — 0,973
Мощность Число электродви Мас двойных гателя, кВт са, качаний мешалки привода привода кг за 1 мин дисков мешалки 40 40 40 25 отсутствует 25 отсутствует 25 отсутствует 1754
3
2,2 2,2 2,2 3 4 4 4x2
3,97 4,91 5,86 8,58 7,75 10,14 9,27 12,00 11,19 16,93
1Завод-изготовитель — Бердичевский завод «Прогресс». 2Фильтры площадью фильтрования 9, 18, 27, 34, 51, 68 м2 изготавлива ются также в кислотостойком исполнении. 3 По согласованию с заводом-изготовителем частота вращения дисков может быть выбрана в диапазоне 0,41 —0,45 мин-1. 4Мешалка вращающаяся лопастная. 184
замены отдельных дисков и ткани на них и, соответственно, меньший расход последней; 3) сравнительно небольшой расход анергии. Недостатки: 1) плохая промывка осадков; 2) возможность сме шения промывной воды с суспензией в корыте фильтра; в связи с этим дисковые фильтры работают, как правило, без промывки осадка. Верхний предел крупности обезвоживаемого на дисковых филь трах материала тот же, что и для барабанных фильтров с внеш ней фильтрующей поверхностью, — 65 —70 % класса —0,074 мм.
3.6. Пресс-фильтры типа ФПАКМ В рассмотренном ранее ручном пресс-фильтре с вертикальным расположением фильтровальных камер для лучшего обезвоживания осадка используют прессование. Этот фильтр уникален тем, что в нем впервые в качестве фильтровальных камер применены плиты и рамы. В силу несоверш енства конструкции рамного пресс-фильтра разделительные процессы в нем протекаю т с низкой эф ф екти в ностью. Значительные трудности возникаю т и при механизации таких фильтров. Принципы, заложенные в основу конструкции рамных прессфильтров, были с энтузиазмом подхвачены многими исследо вателями. Дальше всех в своей работе продвинулись сотрудники НИИхиммаша, разработавш ие качественно новый автом а тизированный пресс-фильтр. В его конструкции они отказались от вертикального располож ения камер, поскольку осаж дение осадка в них под действием силы гравитации происходит неравно мерно. Их автоматизированный пресс-фильтр с горизонтальными каме рами (ФПАКМ) — это фильтр периодического действия, работаю щий под давлением (рис. 3.31). В нем обеспечены более благопри ятные условия для фильтрования, так как направления силы тя ж ести и движения фильтрата совпадают, что способствует оседанию частиц суспензии в гравитационном поле. Конструкционно ФПАКМ представляет собой набор горизон тально расположенных плит, заж аты х между верхней и ниж ней неподвижными упорными плитами и соединенных между собой четырьмя стержнями (стяжками). Фильтровальные плиты могут перемещаться вдоль стяж ек вверх и вниз. При опускании плит м еж ду ними образуется зазор. П еремещ ение плит и их сж атие про изводятся электромеханическим заж имом через нажимную плиту. Ш ирина образую щегося зазора для пресс-фильтров различных кон струкций колеблется от 23 до 45 мм. Рабочая плита состоит из двух частей (рам). Верхняя рама по крыта перфорированны м листом и леж ащ ей на нем фильтровальной 185
Рис. 3.32. Диафрагменное прессование: 1 — резиновая диафрагма; 2 — фильтровальная ткань
Рис. 3.31. Камерный автоматический пресс-фильтр ФПАКМ: 1 — фильтрующие плиты; 2 — стяжки; 3 — плита верхняя упорная; 4 — коллектор для отвода фильтрата; 5 — коллектор для подачи пульпы; 6 — натяжное устройство; 7 — фильтровальная ткань; 8 — привод для пере тяжки ткани; 9 — камера регенерации; 10 — желоб; 11 — нижняя опорная плита; 12 — зажим электромеханический; 13 — нажимная плита; 14 — ролики; 15 — ножи для съема осадка тканью. Последняя представляет собой бесконечное полотно, про ходящее между плитами и направляемое роликами, которое под держ ивается в натянутом состоянии гидравлическим устройством. Верхняя рама является камерой для отвода фильтрата, заполня ющего пустое пространство под ней. Н иж няя часть, выполненная в виде целиковой плиты, совместно с верхней плитой и разделяющей их рамой образует при сж атии камеру для суспензии и осадка. М ежду верхней и ниж ней частями фильтровальных плит распо ложены такж е эластичные водонепроницаемые диафрагмы, которые при подаче на них воды служат для отжатия влаги и кека (рис. 3.32). К фильтровальным плитам приварены патрубки. При сжатии плит они образую т два коллектора. Плиты пресс-фильтра могут находиться в трех предельных поло ж ениях (рис. 3.33). В положении А, изображенном на этом рисунке, по коллекторам и боковым каналам в каждую камеру из общего коллектора последовательно поступают суспензия, промывная жид186
кость и воздух для продувки образовавш егося осадка. Фильтрат, промывная жидкость и воздух с уносимой им влагой удаляются че рез расположенные напротив боковые каналы в свои приемные коллекторы (фильтрование и промывка ведутся под давлением до 6 ат). После этого осадок отжимается (положение Б). Операции промывки осадка и отжима последнего с помощью эластичной диафрагмы производятся после заверш ения цикла фильтрования, для чего в пространство между диафрагмой и дном плиты подается вода под давлением до 15 ат. По заверш ении стадии фильтрования и образования осадка давление внутри шланга снижают, при этом шланг сжимается, плиты автоматически раздвигаются и между ними образуется зазор,
Рис. 3.33. Конструкия фильтровальных камер: 1 — верхняя часть плиты 2 — перфорированный лист; 3 — прием филь трата; 4 — нижняя часть плиты (в виде рамы); 5 — камера для суспензии и осадка; 6 — эластичная диафрагма; 7 — фильтровальная ткань; 8 — подача суспензии, промывной жидкости и воздуха; 9, 10, 13 — каналы; 11 — отвод фильтрата, промывной жидкости и воздуха; 12 — камера для воды 187
достаточный для свободного перемещ ения фильтровальной ткани со слоем осадка, толщина которого составляет 5 —20 мм (положение В). Далее системой роликов фильтровальное полотно приводится в движ ение (рис. 3.34). При вращ ении системы роликов осадок на ткани выходит из пространства между плитами и снимается ножами 6 в месте огибания тканью роликов. Дополнительная очистка фильтровальной ткани от осадка производится ножами 7. Кек сбрасывается по обе стороны фильтра на транспортеры. После каждого цикла ткань приводным барабаном перемещ ается на один или два марша и проходит камеру регенерации, где она промы вается водой и очищается скребками. При перемещ ении ткани на один марш направление движ ения фильтрата на каждой после дующей стадии противоположно движению на предыдущей, а при перемещ ении на два — оно не изменяется. С последней (нижней) плиты ткань поступает в камеру регенерации 8, где промывается и окончательно очищается скребками. Затем фильтровальное полотно промывается струями жидкости и чистится щетками. Д вижение его прекращ ается, пакет плит снова стягивается, и начинается сле дующий рабочий цикл фильтрования. Управление пресс-фильтром осуществляется электрогидравлическим автоматом. Допускается полностью автоматическая работа со сменой операций при помощи реле времени или кнопочное пооперационной управление с пульта. Фильтры типа ФПАКМ могут быть использованы для филь трования тонкодисперсных суспензий (с крупностью твердых част иц менее 3 мкм и концентрацией от 5 до 500 г/л ). Они работают под избыточным давлением до 15 ат при температуре до 80° С.
днище; 5 — резиновый шланг; 6, 7 — ножи; 8 — камера регенерации 188
ФПАКМ достаточно универсален и может быть использован в производстве полимерных материалов, диоксида титана, для очист ки промышленных и коммунальных сточных вод, в нефтехими ческой промышленности, черной и цветной металлургии, химичес ких производствах. В настоящ ее время он широко применяется при производстве синтетического каучука. На одном из пресс-фильтров первого выпуска (ФПАКМ 25-45), установленном на Усть-Каменогорском свинцово-цинковом комби нате для обезвоживания труднофильтруемого цинкового продукта с массовой долей твердого 30 %, получены следующие результаты: производительность по питанию — 25 м3/ч, толщина кека — 3 — 4 мм, влажность кека — 15 %, содерж ание твердого в фильтрате — не выше 0,5 %, общая продолжительность цикла — до 48 мин, в том числе фильтрование — 25 —30 мин, просуш ка воздухом при дав лении до 4 ат — 9 мин, остальное время — промывка и разгрузка кека. Наблюдается тенденция выпуска различных по конструкции фильтров ФПАКМ, специализированных для определенных про изводств. Для ряда процессов с повышенной коррозией и взрывоопас ностью разработаны специальные гуммированные пресс-фильтры с вертикальными плитами, механическим отжимом осадка, перем ещ е нием плит и автоматическим сбросом осадка. Площадь фильтро вания таких гуммированных пресс-фильтров — от 1 до 40 м2, отдувка осадка пульсирующая. Таблица 3.14 Техническая характеристика фильтров ФПАКМ Марка фильтра ФПАКМ ФПАКМ ФПАКМ Параметры 25-45 10-45 5-45 2,5-45 25 10 5 2,5 Площадь фильтрования, м2 16 12 6 6 Число фильтровальных плит 45 45 45 45 Зазор между плитами, мм 700-750 845-920 845-920 1100-1200 Ширина фильтровальной ткани, мм Давление, ат: 15 15 15 15 максимально допустимое 12 12 12 12 рабочее Мощность электродвигателя, кВт: 7,5 5,5 5,5 3 механизма зажима плит 5,5 3 1,5 3 привода для передвижения ткани 1,5 1,5 1,5 1,5 маслонасосной станции 22 13 13 13 водонасосной станции Масса, т: 14,3 8,7 6,9 4,8 пресс-фильтра 16,6 10,2 8,4 6,3 установки в комплекте 189
Работы по адаптации ФПАКМ к условиям анилинокрасочной промышленности направлены на создание фильтров для тиксотропных материалов, сохраняющ их текучесть при высоких концен трациях твердой ф азы в условиях интенсивного перемешивания, и суспензий с низкокипящ ей жидкой фазой. Техническая характеристика автоматических камерных прессфильтров, изготавливаемых Бердичевским машиностроительным за водом «Прогресс», приведена в табл. 3.14. Достоинства фильтров типа ФПАКМ: 1) высокая производи тельность (превосходит производительность некоторых фильтров в 6 —15 раз); 2) развитая поверхность фильтрования в сочетании с малой установочной площадью; 3) возможность регулирования тол щины и влажности осадка при помощи диафрагмы; 4) незначи тельные затраты времени (около 2 мин) на вспомогательные опе рации (раздвижение плит, их затяжку, выгрузку осадка); 5) реге нерация ткани без остановки аппарата; 6) полная автоматизация, благодаря чему сокращ ается численность обслуживающего персо нала (один аппаратчик обслуживает до 10 прессов). Недостатки: 1) сложность изготовления; 2) высокая стоимость; 3) сложность расчета.
3.7. Специальные типы фильтров Описанные ранее фильтры получили широкое распространение в промышленности ввиду их универсальности, но кроме них сущест вует большое число менее известных специализированных типов фильтров, использование которых часто ограничено рамками отдель ного производства или конкретной технологии. Ниже представлена краткая информация о наиболее интересных из этих фильтров. Нутч—фильтр можно назвать, пожалуй, самым простым аппа ратом периодического действия из всех ныне существующих. Он используется обычно в производствах малой мощности. Различают два вида нутч-фильтров: 1) открытые, работающ ие при разрежении; 2) закрытые, работающ ие под избыточным давлением до 4 ат. Открытый нутч-фильтр (рис. 3.35) представляет собой прямо угольный или цилиндрический аппарат с фильтрующ ей пере1
Рис. 3.35. Открытый нутч-фильтр: 1 — фильтрующая перегородка; 2 — корпус 190
городкой, закрепленной несколько выше его днища. Перегородка состоит из пористых керамических плиток или ткани, уложенной на решетке. Подача суспензии осущ ествляется через верхню ю часть ф иль тра. Ж идкость заполняет пространство над перегородкой и под действием собственного столба дренирует сквозь перегородку, а осадок оседает на ней. При необходимости осадок промывают и удаляют из фильтра сверху вручную. Достоинства открытых нутч-фильтров: 1) простота и надежность конструкции; 2) возможность тщательной промывки осадков; 3) лег кость защ иты от коррозии. Недостатки: 1) малая скорость фильтрования (ввиду ограничен ности высоты давление фильтрования редко превыш ает 0,75 ат); 2) низкая эффективность разделения; 3) громоздкость установки; 4) ручная выгрузка осадка. Последний недостаток устранен в открытых нутч-фильтрах с откидными днищами и в опрокидывающихся нутч-фильтрах, где стадия снятия осадка значительно упрощ ена и ускорена. Откидное днище обычно крепится к корпусу фильтра на болтах и откиды вается на ш арнире. В опрокидывающихся нутч-фильтрах перево рачивается весь корпус. Это может осуществляться вручную (при помощи червячного устройства) либо посредством гидравлического механизма. Нутч-фильтры закрытого типа более эф ф ективны благодаря использованию сжатого воздуха или инертного газа, но и конст рукция их несколько слож нее (рис. 3.36). Суспензия и сжатый воздух подаются по переменно через отверстие в крыш ке фильтра. Слой осад ка образуется на перегород ке 3. Для контроля толщины осадочного слоя и уровня жидкости в системе (ведется с целью сбереж ения инерт ного газа) предусмотрено смотровое окно 5. Выгрузка осадка производится через откидное днище 6, ж естко прикрепленное к перегород ке, или боковой люк 4. Д остоинства закрыты х нутч-фильтров: 1) значитель ная скорость фильтрования; 2) возмож ность отделения Рис. 3.36. Закрытый нутч-фильтр: труднофильтруемых осадков; 1 — крышка; 2 — корпус; 3 — филь 3) пригодность для разделе трующая перегородка; 4 — люк; 5 — смотровое окно; 6 — откидное днище ния суспензий, выделяющих 191
огнеопасные или токсич ные пары. Н едостатком таких фильтров является огра ниченная производитель ность, обусловленная тем, что изготовление их с больш ой фильтрую щ ей поверхностью затрудни тельно, поскольку аппара ты работают под избыточ ным давлением. Другим примером спе циализированны х ф иль тров являются горизон тальные мешочные филь тры с прямоугольными или круглыми ф ильтро вальными элементами. Рис. 3.37. Горизонтальный мешочный Горизонтальны й м е фильтр: шочный фильтр с прямо 1 — корпус; 2 — фильтровальные эле угольными элементам и менты; 3 — ролики; 4 — съемная крышка (рис. 3.37) представляет собой цилиндрический, слегка наклонный аппарат, в котором расположены 6 —12 пря моугольных фильтровальных элементов 2. Элементы ж естко при креплены к передней съемной крыш ке 4 и перемещ аются вместе с ней на роликах 3 по рельсам, расположенным вдоль корпуса аппарата. Используемые прямоугольные элементы полностью ана логичны таковым для вертикальных листовых фильтров. Фильтр автоматизирован на низовом уровне, и большинство вспомогательных операций осущ ествляется вручную. П еред началом фильтрования элементы вдвигают в корпус, съемную кры ш ку плотно закрепляю т болтами и корпус заполняют суспензией под давлением до 5 ат. Фильтрат, проходя через ткань и каркасы элементов, сливается через отводные трубки в общий желоб, установленный возле фильтра. Если качество фильтрования ниж е требуемого, после накопления достаточного слоя осадка кор пус фильтра освобождают от суспензии и промывают осадок водой, поступаю щ ей под давлением. П ромы вны е воды и ф ильтрат сливаются в общую емкость. После промывки осадка из корпуса сливают воду и просушивают осадок сжатым воздухом. Снятие осадка с поверхности фильтровальных элементов производится по заверш ении сушки. Для этого их выдвигают из корпуса вместе с откидной крыш кой при помощи ручной лебедки и направляют внутрь их струю сжатого воздуха. Горизонтальный мешочный фильтр с круглыми элементами (рис. 3.38, а) имеет корпус в виде двух полуцилиндров 1 и 2, плотно 192
6
Вы вод ф ильтрата
Рис. 3.38. Горизонтальный мешочный фильтр с круглыми элементами (а) и конструкция фильтровального элемента (б): 1 верхняя половина корпуса; 2 — нижняя (откидная) половина корпуса; 3 фильтровальные элементы; 4 — откидные болты; 5 — коллектор для отвода фильтрата; 6 — противовес соединенных откидными болтами 4, причем ниж няя половина 2 мож ет свободно откидываться вниз на ш арнире. Для снижения усилий на ее подъем и опускание в конструкцию фильтра включен противовес 6, а откидны е болты скреплены общ ей осью и поворачиваются одновременно при помощи передаточного меха низма. Фильтровальные элементы — диски 3 — подвешены в верх ней половине корпуса параллельно друг другу и представляют собой круглые металлические сита, обтянутые фильтровальной тканью (рис. 3.38, б). В верхней половине корпуса имею тся патрубки, со193
единенные с общим коллектором 5. Их число соответствует коли честву фильтровальных элементов. Осадок разгруж ается под действием струи воздуха, поступа ющей изнутри элементов, или смывается водой, подаваемой через сопла, установленные на трубе. С целью интенсиф икации продувки предусмотрена возможность возвратно-поступательного перем е щения трубы над элементами. Достоинства мешочных фильтров: 1) простота обслуживания; 2) низкий износ фильтровальной ткани; 3) малый расход воды на промывку; 4) большая производительность на единицу фильтру ющей поверхности вследствие быстрой сборки фильтра, промывки и выгрузки осадка. Недостатки: 1) сложность изготовления; 2) высокая стоимость; 3) трудность контроля конечной толщины слоя осадка на элементах; 4) недостаточное перемеш ивание суспензии (только путем ее рецир куляции), вследствие чего при большой концентрации твердой ф азы в суспензии осадок отлагается неравномерно, что сниж ает эф фективность промывки; 5) сложная и длительная замена ткани. Для осветления тонких суспензий в некоторых фильтрах пред ложено использовать упругие волны как слышимого диапазона (20 Гц — 16 кГц), так и ультразвуковых (более 16 кГц) частот. Филь тры, работающ ие по этому принципу, называю тся виб рационными. С хематичное изображ ение вибрационного (ультразвукового) фильтра приведено на рис. 3.39. Фильтр представляет со бой вертикальный цилиндри ческий сосуд с коническим днищем. Суспензия подается в ниж ню ю часть разъемного корпуса 1 фильтра через бо ковой штуцер и поднимается к фильтрующ ей перегородке 2, состоящей из двух ж ест ких решеток, между кото рыми пролож ена ф ильтро вальная ткань. Перегородка закреп лен а на рези н овой мембране 4, заж атой между верхней и ниж ней частями корпуса фильтра. Реш етки Рис. 3.39. Вибрационный фильтр: перегородки 2 ж естко со1 корпус; 2 фильтрующая переединены посредством вертигородка; 3 — стержень электронпгп ГТР£ Ж„ Я з с вибоамагнитного излучателя; 4 — резиновая Р Р мембрана; 5 - вибратор; 6 - кожух тором 5 (магнитострикционвибратора ного или электромагнитного 194
чипа), который заключен в кож ух 6, охлаждаемый водой. Фильтрат проходит сквозь фильтрующую перегородку, которой сообщаются упругие колебания, поступает в верхню ю часть корпуса аппарата и отводится через верхний боковой штуцер. Осадок задерж ивается нижней поверхностью перегородки, стряхивается с нее посредством упругих колебаний и удаляется через штуцер на днище фильтра. Описанный фильтр может длительное время работать без чистки и замены фильтрующ ей перегородки.
3.8. Фильтрующие перегородки При реш ении вопросов аппаратурного оформления процесса фильтрации особенно пристальное внимание необходимо уделять выбору фильтрующ ей перегородки, которая в первую очередь опре деляет эффективность фильтрации, а значит, и технико-экономичес кие показатели процесса. Предъявляемые к перегородкам требова ния зависят от свойств обезвоживаемой пульпы, а такж е типа и тех нических характеристик фильтра. Э ффективность разделения ф аз определяется коэффициентом порозности перегородки, типом пле тения (формой и размером пор), химической стойкостью материала перегородки к действию среды, теплостойкостью при температуре фильтрования, механической прочностью и износостойкостью. Успехи мировой науки и техники, прежде всего в химической промышленности, в последние годы привели к быстрому расш и рению ры нка фильтрационных материалов, появлению качественно новых видов перегородок и материалов для фильтрации. Поэтому единой классификации фильтрующ их перегородок до настоящего времени не существует. Основным критерием классификации, по всей видимости, следует признать прочностные свойства тех пре пятствий, на которых происходит задерж ка твердых частиц пульпы. В зависимости от прочности можно выделить три группы фильтрующих перегородок: — гибкие; — жесткие; — негибкие и нежесткие. Гибкие фильтрующие перегородки изготавливаются из тканей, плетеных сеток и перф ори рован ны х листов и использую тся главным образом на барабанных фильтрах и фильтрах со сходящим полотном. К гибким перегородкам следует относить: 1) хлопчатобумажные и льняные — фильтродиагональ, бельтинг, чефер, миткаль, саржа, бязь, парусина; 2) шерстяные — сукно, войлок, байка; 3) синтетические — хлориновые (поливинилхлоридные), лавса новые' (полиэфирные), капроновые (полиамидные), виньоновые (со'Известны и другие варианты названия лавсана: терилен (в Англии), дакрон (в США), свитлен (в Чехии), ланон (в Германии). 195
полимеры винилхлорида с винилацетатом или с акрилонитрилом), сарановые (сополимеры винилхлорида), орлоновые (полиакрилонитриловые), совиденовые, нитроновые, тефлоновые, фторлоновые и др.; 4) резиновые; 5) металлические — тонкие перфорированны е листы, проволоч ные сетки из стали, цветных металлов и сплавов; 6) смеш анные — например, витые хлопчатобумажные и син тетические нити, резинокордовы е перегородки, перегородки из капростали и др. Ж есткие фильтрующие перегородки могут выдерживать боль шие перепады давления, но не способны изгибаться. К ним относятся: 1) металлические — перфорированны е листы, ж есткие сетки; 2) керамические; 3) угольные; 4) кизельгуровые; 5) эбонитовые. Нежесткие и негибкие фильтрующие перегородки представляют собой фильтровальные материалы, не имею щ ие связи между отдельными элементами. Среди них можно выделить: 1) песочные; 2) гравийные; 3) угольные; 4) асбестовые; 5) диатомитовые; 6) перлитовые; 7) стеклянные. Ш ироко использую т и многослойные фильтрую щ ие п ер е городки, состоящие из слоев различного происхождения. Например, для повышения срока службы перегородок из стекловолокна, плохо сопротивляющихся истиранию, под ткань подкладывают п ерф ори рованные резиновы е листы, а сверху покрывают металлической сеткой или непроклеенной фильтровальной бумагой, чтобы пред отвратить повреж дение ткани при снятии осадка. До 1970-х годов для оснащ ения фильтров использовались хлопчатобумажные и льняные технические ткани. Под тонкие тканевы е перегородки приходилось дополнительно подкладывать парусину. В ряде случаев, главным образом в процессах филь трования с закупориванием пор, в качестве фильтрующих п ере городок использовались плетеные ленты из целлюлозных волокон (нетканые перегородки). Такие фильтроткани пригодны для работы в нейтральных и слабощелочных средах при температурах не выше 80 °С и в сла бокислых средах (при кислотности не более 5 %) при температурах не выше 40 °С. Общий недостаток этих тканей — низкие меха ническая прочность и износостойкость, ограничивающ ие срок службы полотен 6 —8 сутками. В процессе эксплуатации нити ткани 196
набухали и меняли свои свойства, кромки полотен расплетались, снижая эффективность механизмов протяж ки и центровки полотна. М атериал быстро забивался мелкими частицами осадка, шламами, флотационными реагентами, и через 5 —10 мин после начала эксплуатации фильтра поток жидкой ф азы через полотно зна чительно снижался, а гидравлическое сопротивление перегородки возрастало в несколько раз. По истечении срока эксплуатации ткань не имела отверстий «в свету» как таковых. Относительное гидрав лическое сопротивление хлопчатобумажных и льняных тканей вели ко и может достигать 30 % от общего сопротивления фильтра. Для фильтрации кислых пульп, разруш аю щ их хлопчатобумаж ные ткани, фильтрующ ие перегородки изготавливали из ш ерстяных тканей, широко использующихся и в настоящ ее время. Для этих целей хорошо подходит овечья и верблюжья шерсть, сохраняю щ ая кислотостойкость при температурах ниж е 60 °С. В щелочных средах шерстяные ткани быстро разруш аются. При фильтровании химически агрессивных ж идкостей и с пользуют такж е тканевы е перегородки из волокон минерального происхождения — асбестового (при небольшом перепаде давлений) и стеклянного волокна. В качестве фильтрующих перегородок используются и перф о рированные резиновы е листы с отверстиями 0,1 —0,3 мм. Резиновые перегородки отличаются устойчивостью к температурам до 90 °С и имеют гладкую поверхность, что облегчает удаление осадка и очистку перегородки. Из ж естких перегородок, состоящих из однородных частиц твердого материала, наиболее распространены керамические, полу ченные путем смешения определенной ф ракции измельченного кварца или шамота со связующ им веществом (например тонко дисперсным силикатным стеклом или фенолформальдегидными полимерами) и последующей термической обработки смеси. Они выполняются в виде дисков, плиток и гильз (патронов). К ерамичес кие перегородки отличаются высокой стойкостью в кислых средах, но мало устойчивы к действию щелочей. Главный недостаток жестких перегородок — трудность регенерации. В 1980-е годы получили применение ж есткие фильтрующие перегородки, изготавливаемые спеканием металлических порошков, которые предварительно уплотняются на прессе или вальцах до получения пористой ленты. Для работы в нейтральных и слабо щелочных средах используются перегородки, полученные спека нием углеродистой стали, для фильтрации сильнощелочных пульп применяют перегородки из порошкообразного никеля, для кислых сред подходит нерж авею щ ая сталь. Кроме гибких и ж естких фильтрующ их перегородок, использу ются и такие, которые трудно отнести к какой-то из этих групп, поэтому их обычно выделяют в отдельную группу — негибкие и неж есткие фильтрующие перегородки, или фильтрационные мате риалы. Они состоят из не связанны х ж есткой связью твердых час 197
тиц, кусков зернистых материалов (кокса, активированного угля, песка, гравия, асбеста и пр.). Достоинствами таких перегородок яв ляются деш евизна и возможность практически полной регенерации. Как уж е упоминалось, успехи химической промышленности в последние десятилетия буквально перевернули все представления о фильтрационных материалах. С этого времени начал динамично развиваться ры нок синтетических фильтрующ их перегородок из полимерных волокон. Разнообразие физико-механических свойств полимеров позволяет получать ткани, сочетающие большую меха ническую прочность и высокую химическую стойкость с хорошими фильтрационными свойствами. Переход на синтетические ткани на ряде производств сопровождался снижением влажности осадка на 25 —30 % и увеличением производительности фильтров в полтора— два раза. Срок службы синтетических тканей в четыре —пять раз превыш ает срок службы хлопчатобумажной фильтродиагонали. Гладкая поверхность моноволокон препятствует механической забивке ткани и улучшает ее способность к регенерации. Синтетические волокна изготавливают в виде очень тонких и длинных нитей (филаментное волокно) или коротких отрезков (шта пельное волокно). Выпускают полотна и из мононитей. Из синтетических фильтрационных материалов первыми стали использовать ткани из полиамидных волокон, получаемых из поли амидных смол, в частности смолы полиамид-6, известной под н а званиями капрон, нейлон, дедерон, перлон или силон. Полиамидные волокна отличаются хорош ей устойчивостью к истиранию и мно гократным деформациям, высокой прочностью в сухом и влажном состоянии, их применяю т при фильтровании щелочных, нейтраль ных, слабокислых и загрязненны х патогенной органикой пульп. Температура плавления таких материалов весьма высока — около 200 °С, прочность доходит до 6 МПа. Капрон используется как в качестве отдельного фильтрационного материала (широко прим е няю т капроновую ткань артикула 56035), так и в качестве прони цаемой основы (подкладки под ткань), например ткань артикула 21934а. В последнее время для изготовления сеток широко применяется полиэфирное волокно — лавсан. Его модуль упругости в четыре — пять раз выше, чем у капрона, прочность доходит до 9 М Па и более. М атериал устойчив к действию сильных щелочей и кислот и отли чается повышенной теплостойкостью — вы держ ивает температуры до 250 °С. Ткани из хлориновых волокон (поливинилхлоридные ткани) проявляют хорошую стойкость в кислых и щелочных средах при температуре до 60° С. Полипропиленовые волокна получают эмульсионной полимери зацией пропилена. Полипропиленовое волокно устойчиво к дейст вию сильных щелочей и кислот, имеет прочность до 5 МПа. Быстро растет производство волокон из фторсодерж ащ их поли мерных материалов, отличающихся высокой прочностью и хими 198
ческой стойкостью даж е при высоких температурах. На ф торсо держащ ие волокна не действуют концентрированные минеральные кислоты, в том числе плавиковая и «царская водка», а такж е щелочи. С ерьезный недостаток фторсодерж ащ их волокон — высо кая стоимость. Из числа ф торсодерж ащ их полимеров для произ водства фильтротканей применяю т фторлоновые (в России и Гер мании) и тефлоновые (в США) волокна, получаемые путем эмуль сионной полимеризации тетрафторэтилена. В последние годы массово производят нетканые фильтроваль ные перегородки из механически связанны х синтетических воло кон, более дешевых, чем тканые синтетические материалы. Их по лучают путем перф орирования тонкого слоя материала, пребываю щего в вязком состоянии. Для улучшения фильтрационных свойств полотно после перф орации подвергают обработке жидкостью, вы зывающей усадку волокнистого материала. Положительный эф ф ект наблюдается такж е после пропитки слоя волокон связующ им ве ществом (синтетическими полимерами, каучуком) с последующим прессованием при повышенной температуре. Сравнительная характеристика механических свойств текстиль ных нитей из различных материалов приведена в табл. 3.15. Расчетных методов, позволяющих произвести выбор наиболее подходящей перегородки для конкретны х условий процесса филь трации, пока не сущ ествует, и при реш ен ии этой задачи приходится использовать эмпирические методы. В связи с этим при ведем лишь некоторые, весьма условные рекомендации по выбору фильтрационных материалов применительно к фильтрам различных типов. Так, например, для вакуумных барабанных фильтров необхо димы прочные ткани, способные оказывать сопротивление разры в ным и деформирую щ им усилиям при усадке, имею щей место на стадии сушки. Таблица 3.15 Механические свойства текстильных нитей из различных материалов Устойчивость Проч Относитель Температу Плот к изги к исти ра размяг ность, банию, ранию, ное удли ность, Материал чения, °С кг/м3 число из число нение, % МПа гибаний циклов 5,7-6,0 Капрон 7,4-8,7 Лавсан 6 -7 Нейлон 4,2-6,0 Нитрон Полиэтилен 2,9-4,2 4,5-5,2 Пропилен 1,6-3,0 Тефлон 9,8 Фторлон 3,5-4,5 Хлопок 2,0-2,5 Хлорин
20-25 5 -1 2 2 0 -2 5 16-22 15-16 2 2 -2 6 13 6 -9 8 -1 0 15-20
196 230-240 220 230 108-130 150 327 126 160 90
1140 1340 1140 1140 920 900 2200 1960 1520 1470
28300 12000 29654 28300 15000 67000 — 415 65000 3200
2170 1360 2232 200 60000 360 7382 358 — 200 199
Вакуумные дисковые фильтры с отдувкой осадка или скребками требую т применения тканей с хорошей объемной устойчивостью и высоким сопротивлением истиранию. Для тарельчатых фильтров первостепенное значение имеют износ, сопротивление истиранию и качество уплотнения фильтру ю щей перегородки. Ленточные вакуумные фильтры, действующие непрерывно, ну ждаю тся в фильтрующих материалах, обладающих определенной гибкостью в направлении движ ения полотна и достаточной ж ест костью в поперечном направлении. Такая сетка должна быть элас тичной, чтобы огибать ролики натяж ной системы и системы про тяж ки полотна, а такж е устойчивой к образованию складок. При ножевом съеме осадка необходимо выбирать ткань со способностью легко освобождаться от осадка. В тех случаях, когда проводится ш нуровой съем с отдувкой, важно, чтобы гибкий шнур мог сопротивляться переменным нагрузкам, вызывающим усталость материала. Фильтрационные характеристики и механическая прочность фильтрующ их перегородок из мононитей определяются свойствами материала, из которого они изготовлены, типом плетения и разм ерам и волокон. Сетки из моноволокон состоят из продольных нитей (основы) и поперечных нитей (утка), расположенных пер пендикулярно друг другу и сплетенных между собой определенным образом. При производстве фильтровальных тканей из моноволокон используются три типа плетения: полотняное, сатиновое и сар жевое, различаю щ иеся количеством нитей основы, одновременно охватываемых утком (рис. 3.40). Фильтровальные сетки полотняного плетения (рис. 3.40, а) об ладают наилучшей среди этих трех типов плетения задерж иваю щ ей способностью ввиду наименьш ей степени подвижности. О казы ваемое ими сопротивление потоку жидкости зависит от размеров
*^ Д ^ ■ w
Рис. 3.40. Типы плетения тканей: а — полотняное; б — саржевое; в — сатиновое 200
нитей, из которых изготавливается ткань. При малой молщине волокон ткани полотняного плетения создают большое гидравли ческое сопротивление, что для фильтров с постоянным давлением крайне нежелательно и ведет к снижению производительности. С ростом толщины нитей при неизменном разм ере ячеек «в свету» гидравлическое сопротивление ткани сниж ается и улучшаются условия регенерац ии полотен. С етки полотняного плетения целесообразно использовать для фильтрации пульп с очень тонкими твердыми частицами. Ткани саржевого плетения (рис. 3.40, б) благодаря более высо кой относительной подвижности нитей обеспечивают хорошие условия для дренаж а жидкости и регенерации сетки, но плохо задерж иваю т частицы малых размеров. Сетки саржевого плетения не рекомендуется использовать при наличии в системе значитель ных сжимающ их усилий, которые вызываю т интенсивный износ уточной нити. Ткани сатинового плетения (рис. 3.40, в) имеют самую низкую задерж иваю щ ую способность. Чтобы ее повысить используют комплексные нити. Такие нити состоят из взаимопереплетающ ихся волокон различного происхождения, например нерж авею щ ей стали и капрона. Это сочетание обеспечивает хороший задерж иваю щ ий эф ф ект и высокую прочность полотна. Поэтому сетки сатинового плетения из ком плексны х нитей ш ироко использую тся при обезвож ивании тонкодисперсных пульп. Отечественной промышленностью изготавливаются такж е тка ни, в которых основа и уток представлены разны ми материалами. Для оснащ ения барабанных фильтров нередко применяется сетка 4,8/40 (лавсан—бронза) Краснокамского завода металлосеток, осно вой в которой служит бронзовая проволока. Такая сетка в меньшей степени подверж ена истиранию при ножевом съеме кека, но не может использоваться в щелочных и электропроводящ их средах, вызывающих коррозию металла и быстрое засорение сетки. Гораздо более устойчивы ткани, в которых нити основы сделаны из н ерж а веющего сплава. Такие полотна чащ е всего применяю т в целлю лозно-бумажной промышленности для обезвож ивания бумажной массы на бумагоделательных машинах. В большинстве случаев при выборе фильтровальных материалов руководствуются РТМ 26-01-17—67. Выбор материала осущ ест вляется в два этапа. В первую очередь по известному химическому составу суспензии и величине pH отбирается несколько тканей, устойчивых к воздействию такой среды. Затем посредством их тестирования производят окончательный выбор ткани, обеспечи вающей наилучшие показатели фильтрации. В дополнение к РТМ С. М. Баландиным и его коллегами был преложен способ опре деления краевого угла смачивания сеток из различных материалов [33], позволяющий оценить способность тканей к регенерации. К сожалению, эта методика с указанны м дополнением не всегда позволяет произвести наилучший выбор фильтровального матери201
202
X гб и 03
о &я Я
Ф
о я с я о а я гб *
о со СО со
© © СЧ" чф \ О ГО СО ю
СЧ Чф СО Чф \ CN СЧ СО со
СО 1 К" чф ч сч со о" со
со чф~ чф
to чф \ гм СП о чф
о to со чф ч со о гС Чф
чф со со гм со о. ©" чф <м со ч со г+-" чф to |> со ч чф сч СП Чф
го Чф сч" го ч со сч со" 00
ю г*»" сч ч Чф СП со г**
го ч ио
СО 1 сч" со ч СО
со" !>•
to [>
о со со" го ч СП со ю" г**
со г*со СО ч г*чф чф" о
2
г** СО о" со ч со о чф" to Чф со о" со '— г** г*со го
,
г *' со о" со СО о го СО
to чф to" со
чф
г*-
со" чф ч 1—1 г*о" со
со [>“ со ч © сч со" со
СП сч to" to ч о со сч" со
со
чф со
гт> © сч Чф ч Чф Г* i-T Г*со сч Чф ч Чф СО to со
to сч со" со ч сч о" о
СО ч Чф чф о
© со о" о ч [Чсо ©" со
ч 1—1 to чф
ч СО г*о
ч сч СО СП
о ГМ ч СО
о сч ч го
о сч ч г*-
о сч
© сч
со
го
ю
со со
CN
СО
V Ф X X X to im а о
09
О
а а) 2 Я
< о с S
в о 2ф to ОЭ X X to 2 и л X Ф X ф н U
to
mя < о о О, Я КФ о с С в 5 гб О * Л
о СЧ
ГП
о сч
ч о
о
о сч
о сч ч СП
ч
ч
ч
о сч ч
о сч
СО
F-
© сч ч со
© ч
со ч со
сч ч ©
©
©
О чф
О тр
со 1-4 со © © о
Оto со © © о
о © г*© © ©"
о to со
о © со
о со со
о сч
СП
© сч ч г*-
СО со
я 5 я я а о Я" г 5 *б^ к2 о° < а
со ГМ
со
(б гб
О СЧ
О4
о сч !>•
СО
СП
^ СО
сч СО
© сч
ч го
ч
©
сч ч со
сч ч to
сч ч о
со
со
о р» © © ©
© чф © © ©"
сч © о© © ©"
со сч г*» © © О
ю ^ Г*»о о
о to го о о
о со со
о со со
о © со
о © со
о to со
о о со
<£>
'Г ?
я S g
&Е
Он ф ©
д
П Г)
и
и
©
ГК со
Ф гб -Q -
£
©
г_-
н
< < и и Гб
и
СТ) СП
и и
числителе приведены данные до обработки, в знаменателе — после обработки.
Таблица 3.16
ала. В ней не учтены такие важны е факторы, как ж есткость филь тровальной сетки, изменение коэф ф ициента деформации полотна при различных температурах. Эти параметры необходимо учиты вать при расчете фильтров со сходящим полотном, для которых требую тся сетки, обладающие, кроме химической стойкости, ещ е и такими качествами, как определенная поперечная жесткость, устой чивость к тепловым воздействиям, устойчивость к органическим добавкам флотационного процесса. В работе [33] была предпринята попытка экспериментально установить степень смачиваемости синтетических материалов в раз личных условиях для некоторых ф ракций нефти, широко исполь зуемых при регенерации перегородок в качестве органических растворителей. Было установлено, что сетки из различных полиме ров по-разному смачиваются органическими жидкостями. К ри терием оценки смачиваемости образца служила площадь растекания капли жидкости по поверхности материала. К раевой угол сма чивания полимеров измерялся методом наклонной пластинки. В качестве испытуемых образцов были взяты наиболее рас пространенные полимеры: лавсан, полипропилен, капрон, ф торо пласт. В качестве испытуемых жидкостей применяли фракции нефти с относительно низкой вязкостью при нормальной тем пературе. Для защ иты полимеров от органических отложений отдельные их образцы обрабаты вали специальным раствором дивинилстирольного термоэластопласта в бензоле ДСТ-30, и з вестного как антиорганическое покры тие тканей (разработка ВНИИСК). Результаты исследований позволяю т оценить регенерирую щ ую способность производных неф ти при очистке сеток из полимерных волокон (табл. 3.16). Наибольшие значения краевы х углов смачивания отмечаются у образцов фторопласта, затем у лавсана, полипропилена, капрона. К раевые углы коррелирую т с площадями растекания капель (из капельницы). После химической обработки образцов раствором ДСТ-30 углы становятся равными, т. е. полимер покрывается за щитным слоем. В Уральском филиале ВНИИГ были выполнены исследования изменения коэф ф ициента механической прочности полимерных волокон в условиях агрессивной среды и при различных тем пе ратурах. Была такж е проведена сравнительная оценка прочности волокон широко используемых синтетических материалов. Резуль таты этих исследований могут быть использованы в качестве м е тодического материала при вы боре сеток для фильтров со сходящим полотном, т. к. к тканям этой группы фильтров предъявляются по выш енные требования в части механической прочности. Эксперимент по оценке прочности на разрыв в условиях агрес сивной среды состоял в том, что отобранные образцы полимерных волокон (капрона, полипропилена и лавсана, обычного и обра ботанного ДСТ-30) подвергали силовому нагружению на разры вной
ж и Я 03 с 0) СТ) щ ft и и 203
машине РМ-50, регистрируя величину удлинения и предел проч ности на разрыв. Далее образцы волокон помещали в сосуды, заполненные насы щенным раствором, приготовленным из руды, содержащей: КС1, M gCl2, C aS 0 4, CaCL,, Н20 , NaCl, К20 , Na2O r А120 3, Fe20 3, T i0 2, L i0 2. Ионный состав раствора — Са2+, М д2+, S 0 42-, С Г , С 0 32~, Вг. С ин тервалом в семь суток волокна извлекали из раствора и подвергали испытаниям. Погрешность воспроизводимости результатов опреде ления предела прочности равнялась 5,55 %. Начальные значения предела прочности для указанны х типов волокон составили, Па: лавсан 4,65 капрон 3,16 пропилен 2,84 лавсан (после обработки ДСТ-30) 4,53 По результатам измерений были определены изменения коэф фициентов вариации предела прочности /F и относительного ср удлинения стд1/Д1, т. е. отнош ение дисперсии предела прочности к среднему значению предела прочности и отношение дисперсии относительного удлинения к среднему относительному удлинению (рис. 3.41, 3.42). Для получения зависимостей относительного удлинения волокон полимеров от температуры рабочей среды использовался термостат, наполняемый водой, с установленной на нем натяж но-регистра ционной системой. Установка позволяла стабилизировать темпе ратуру воды в пределах от 10 до 60 °С и оценивать относительное удлинение исследуемых волокон под статической нагрузкой, создаваемой с помощью груза и рычажной системы.
0
10
204
30
40
50
60
70
80
t,сут
Рис. 3.42. Зависимость коэффициента вариации относительного удлинения aM/AL волокон полимеров от продолжительности t воздействия ра очей 1*—^капрон; 2 — лавсан; 3 — полипропилен; 4 — лавсан обработанный Были исследованы волокна капрона, полипропилена и лавсана под нагрузками 0,147, 0,294, 0,441 и 0,588 М Па в интервале тем ператур 0 —60 °С (рис. 3.43). Как можно заметить, лавсан значительно превосходит по устой чивости к тепловому воздействию капрон и полипропилен, которые подвержены деформации при повышении температуры примерно в равной степени.
а Рис. 3.41. Зависимость коэффициента вариации предела прочности aF /F волокон полимеров от продолжительности t воздействия рабочей среды: 1 — капрон: 2 — лавсан
20
б
в
Рис. 3.43. Зависимость относительного удлинения AL волокон различных полимеров от температуры среды Т при нагрузках 0,14/ (1), о, { ), . (3); 0,588 МПа (4): а — капрон; б — полипропилен; в — лавсан 205
Сопоставляя результаты всех описанных выше опытов над синтетическими волокнами (табл. 3.17), можно сделать вывод о том, что при фильтрации реальных технологических пульп на фильтрах со сходящим полотном для обеспечения длительного срока службы полотна следует использовать ткани из лавсановых волокон. _ 1 с1илица о. Сравнительные результаты испытаний различных полимеров Коэффици Относитель Среднее значе Предел Коэффици ент вариа ент вариации ное удлине ние краевого проч Полимер предела относительно ние AL при угла 0, град, ности, ции МПа прочности го удлинения Т = 60 °С и (метод наклон oFrt* % ______ aAL/ALср*, % /0 0,441 МПа, % ной пластинки) Лавсан 0,465 10 15 30 7 -1 3 Капрон 0,316 15 35-40 120-140 5 -9 Полипро- 0,284 11 35-40 120-140 6-10 пилен
При фильтровании твердые частицы пульпы механически заку поривают поры ткани под действием перепада давлений на перего родке, сорбционных, кулоновских и инерционных сил. Происходит и химическая цементация волокон: на них откладываются осадки, вы деляющиеся из жидкой фазы пульпы. При обезвоживании щелочных пульп откладываются в основном карбонатные осадки (СаСОэ), кис лых — сульфатные (CaSOy -2Н20 ) и фос фатные [Са3(Р 04)2]. В том и другом случае возможно образование трудноудаляемых сили катных отложений. В результате закупорки пор и химической цементации волокон сниж ается произво дительность фильтра (рис. 3.44). С орбционны е си лы такж е способству ют задерж ке твердых Продолжительность работы фильтроткани,ч частиц. Различие сорб ционных свойств син тетических материалов Рис. 3.44. Примерный график зависимости подтверждается иссле производительности фильтра от продолжи дованиям и по фильтельности работы фильтровальной ткани 206
труемости калийных суспензий на вакуум-фильтре АК 05x8, прове денными в производственном объединении «Уралкалий». Экспери мент состоял в том, что на рабочем полотне на некотором расстоянии друг от друга были укреплены опытные образцы тканей из полимерных волокон — монокапрона 56062 и монолавсана 26/5. Опытные сетки имели одинаковые удельные поверхности для исключения нежелательной ошибки сорбционного эксперимента. Образцы фильтротканей в течение 16 суток регулярно откреп ляли от рабочего полотна и после тщательной промывки в воде (для удаления солевых водорастворимых отложений) взвешивали, чтобы определить прирост массы образцов, равный массе нерастворимых в воде отложений, образовавш ихся в процессе эксплуатации ткани. После заверш ения эксперимента был построен итоговый гра ф ик (рис. 3.45), подтверждающий предположение о различии сорб ционных свойств полимерных материалов. К ак видно из графика, сорбционная способность монокапрона 56062 примерно в 1,4 раза выше, чем у монолавсана 26/5. Известно, что сорбци онная способность фильтроткани двояко сказы вается на процессе филь трации. Высокое зн а чение этого показателя увеличивает вероятность задерж ки твердых частиц суспензии и благопри ятствует сепарации час тиц более мелких ф рак ций. С точки зрения кинетики фильтрации на копление на поверхности и в структуре ткани мате риала, трудноудаляемого механическими методами, приводит к быстрому Рис. 3.45. Масса отложений, образующихся забиванию перегородки на полимерных тканях при их длительной и, как следствие, сниж е эксплуатации в операции фильтрации ка нию ее проницаем ости лийной пульпы: для жидкой фазы, а зна 1 — монокапрон; 2 — монолавсан чит, увеличению остаточ ной влажности кека. Так происходило и в рассматриваемом случае. Результаты оцен ки воздухопроницаем ости образцов полимерны х тканей из монокапрона и монолавсана, представленные в форме кинетических кривых на рис. 3.46, явно указываю т на то, что с накоплением осадка на поверхности перегородки ее относительная воздухо проницаемость (рассчитанная как разность между проницаемостями сетки после и до опыта) пропорционально снижалась. Как можно за207
Рис. 3.46. Изменение воздухопроницаемости О образцов и остаточной влажности W осадка в зависимости от продолжительности эксплуатации полотен при фильтрации суспензий с высоким содержанием флотореагентов: 1 — монокапрон; 2, 3 — монолавсан метить, воздухопроницаемость образцов из монокапрона снижалась в меньшей степени, несмотря на больший прирост массы отло жений. О бращ ает на себя внимание и то, что изменение остаточной влажности кека за длительный период времени хорошо коррелирует с кинетикой изменения относительной воздухопроницаемости ис пытуемой ткани. Постепенное выполаживание кривых воздухопроницаемости и влажности объясняется скорее всего тем, что после полного покрытия поверхности моноволокна слоем реагента некоторая его часть начинает уходить с фильтратом. Это мож ет быть обусловлено такж е тем, что средняя часть полотна (по длине в зоне дренажны х отверстий) в меньшей степени подвергается засорению. Регенерация фильтровальных полотен производится механичес кими (стирка, соскабливание) и химическими (растворение крис таллических осадков в кислотах и щелочах) методами. Для удале ния карбонатных отложений чаще всего используют соляную кислоту. Сульфатные образования удаляют обработкой ткани вначале 5 —8-процентным раствором едкого натра, а затем 3 —4-процентным раствором соляной кислоты. Ткани с силикатными от ложениями промывают в 3 —4-процентном растворе НС1 с добавкой 25-процентного раствора фтористого натрия или фтористого ам мония либо в 1-процентном растворе NaOH и 4-процентном растворе НС1 с последующей промывкой в 1-процентном растворе
208
Для фильтров со сходящим полотном, к числу которых отно сятся ленточные вакуумные фильтры и автоматизированные прессфильтры, а такж е для барабанных вакуумных фильтров большое значение, наряду с механическими характеристиками самой ткани, имеют прочностные свойства швов, посредством которых полотно соединяется в непрерывную ленту. На современных фильтрах со единение концов фильтровальной перегородки выполняется непо средственно на аппарате, для чего применяю т шитые, клееные, паяные и инвентарные (подготовленные заранее) швы. Вначале преимущественно на фильтрах типа ЛК и БОУ ис пользовался шитый вручную шов, который из всех известных методов соединения полотен является самым непрочным, но наи более простым в исполнении. Ручная сш ивка полотна занимает око ло 2 —3 часов, а шов сохраняет удовлетворительный внеш ний вид менее одного месяца, после чего сш ивка и подтяжка ткани произ водятся заново. В качестве материала для сш ивки используется жгут, сплетенный из 5 —6 нитей основы этого ж е полотна. Сшивку производят непосредственно в рабочей колее полотна, чтобы со блюсти его соосность. П еред сш ивкой концы полотна подгибают на 30 —40 мм, чтобы избеж ать расплетения пряжи. Ш ирину нахлеста рекомендуется делать равной 0,25 —0,5 ширины ткани. Направление нахлеста должно быть противоположным направлению движения полотна, чтобы предотвратить возможный срыв шва при ножевом съеме осадка. С тежки сш ивки делают так, чтобы их верхняя часть располагалась вдоль полотна (рис. 3.47). Клееные швы представляют собой надежные и эластичные соединения, прочность которых обычно превыш ает прочность са мого полотна. Для их изготовления используются эпоксидные составы с пластификаторами на основе полиуретана. Чащ е других
-------Рис. 3.47. Схема сшивки фильтровального полотна на ленточном и бара банном фильтрах 209
используется композиция холодной полимеризации на основе фторполимера СКУ-ПФЛ-100. Склейка полотен производится непосред ственно на фильтре. Под соединяемую часть подкладывают доски с прокладкой из полиэтиленовой пленки или специальные плиты. Шов ш ириной в 1 м промазываю т в двух местах по нахлесту на ш и рину 0,1—0,2 м. Затем промазанную часть накрываю т пленкой и сдавливают плитами. Существенные недостатки этого вида со единений — высокая токсичность производных полиуретана и н е обходимость применения средств индивидуальной защиты, а такж е длительный период ожидания (от 1 до 3 сут) до окончательного затвердевания соединения. При выполнении швов методом спайки клейкая масса в виде легкоплавкого полимера (капрона, полихлорвинила) или сп е циальный клеящий состав закладывается между соединяемыми по верхностями. Далее шов специальным устройством прогревается до температуры, на 15 —20 °С превыш ающ ей температуру плавления вкладки. Прочность такого соединения выше прочности полотна. Продолжительность спайки составляет 40 —90 мин. Из инвентарных соединений наиболее широко применяются швы, образованны е петлевым замком. Для этого типа соединений используются ткани из моноволокон полимерных материалов. На обоих концах такого полотна делаются петли из нитей основы, через которые в процессе соединения ткани продевают ось в виде толстого прутка того ж е полимера или металлической проволоки. Толщина проволоки и диаметр петель должны быть как можно меньше, чтобы шов не выступал за пределы основного полотна. Петлевые швы служат до двух месяцев и имеют прочность, приближ аю щ ую ся к прочности полотна. П роцесс соединения занимает менее 20 мин. Одним из инвентарных соединений, приобретш их ш ирокое применение в последнее время, является молниевый шов. Такие швы могут быть использованы лишь для соединения тканей, мало подверж енных удлинению в процессе эксплуатации. Однорядный молниевый шов специальной машиной вш ивается в кромку по лотна строго установленной длины. В случае двухрядного со единения (для больших аппаратов) вшиваются по две половины молний: одна — в кромку, другая на расстоянии 0,1 —0,3 м внахлестку. О снащ ение фильтра зам ковы м устройством осу щ ествляется в течение 30 —40 мин. Для упрочнения шва по краям ставятся скобки, препятствующие самопроизвольному расстеги ванию молнии. Прочность шва в этом случае определяется проч ностью молнии, срок службы которой обычно превыш ает срок службы полотна. Отечественной промышленностью в настоящ ее время выпуска ется несколько десятков различных фильтровальных тканей для разделения технологических пульп и шламов широкого диапазона свойств. Х арактеристики фильтротканей наиболее известных рос сийских производителей приведены в табл. 3.18. 210
>в в * U со я о >3в п вв со КЗ в о оВ 3н % ф 2О О 55 вв К о
3 вJ5 ов хг < ф вв О фн С н CJ * О ф < S-H
ГО
лн о'-
ф
§и 3 8 s X
kСП
С го
о
о О ^ О ю ^ Г*- СО СО Ю ю У <У> ) — ^
*-н
ЕQ
рч СЧ о
о
СО О СЧ
_ р ч СЧ — сч
О
О
О
О
to
Рч тф to to to to сч
g ^ +1+1+1 +1 +1 +1 с ч с ч о о о о о ю ^ - Tt OO J >to O o>Oa Oo>
- с ч с ч с ч СЧ
о
X &
о
© _ <о ю
CN СО СЧ CN о
-
+1 +1 ^+! сч +1 Д-н Г*.
я to fO из (в в в в в в в
о
о
сч ю о
в в в в
В в
(О в ВС
О) to
рсч сч СО to
to со со со to
в
с
р* СЧ ро о рч. СО
О О СЧ СО
СО о ‘О СЧ СО о . О м со S to X “00 S X » Я X X е а ф ф а О. со С со а о внО (О >;со о ию о и н га <а (О fd в в СЕ с с с с
Р-. о О СО Ю
рч СЧ О со «О
в <а СС
о to 0 СО to 0
С
S to в
Е
е
в
С СС иш ии 211
Продолжение табл. 3.18
ки Ва Ф и iд-Q а ** № со н
II S s го -
О ю ОО со г*- о -*г
О Ю Т}*
о о
о
о
о о
о о
О О СМ СО г*-
т* <4f рк to О
О ОО О ю о о о § о о о о 00 О CN о (П СО о ^ Д (N СО ^ ^ СО СО тР ^tCSTfLOO^ScOtOlTHO
о
CN 0о о о о + 0 ^ СО СО ^ О о CN со ^ со СО
CN +1 ю г*ю
о о 2 со ю 2
г*»г*>3
со
о о
о со тр
+
«о
Т-
LO со со
иО’.О О Р '
00
о
О CN
тр ^ оо ТТ'
о
88
о
'
о о
т
ю о
о о ЮЮО^н<2 2 :: I I о о о о
00 «■*ю
Tf
О
I^CNOOIOOOIOCOIO О С О М О О О О ^О О
00 СО CN
со о
^
ю-с о
-СЧ +1 t s ® [£ 8
о и и к
-
CN
сч
ю о ТГ +1 ^ + 2
О О О О
^
ВИЙ Ви К 8 ***@ с
о
ж « п оо, е- и к
£ S S
жиж
c o e e c i 212
213
Глава 4. С оврем ен н ы е техн ол оги и и о б о р у д о в а н и е дл я р а зд ел ен и я су сп е н зи й
Данная глава посвящ ена описанию, пожалуй, самых перспек тивных из ныне существующих фильтров — автоматизированным пресс-фильтрам с горизонтальными камерами. Приведен модельный ряд пресс-фильтров производства ф инской компании «Larox Оу». Рассмотрены вопросы, связанны е с выбором, настройкой и экс плуатацией промышленных пресс-фильтров. Представлено лабора торное оборудование для испытания суспензий. Впервые приво дятся данные лабораторных испытаний по разделению образцов пульп ряда российских предприятий на пресс-фильтрах Larox.
4.1. Задачи фильтровального оборудования на современном этапе В последнее время в развитии мировой промышленности на блюдается тенденция к созданию мало- и безотходных производств, что обусловлено целым рядом глобальных мировых проблем, таких как сокращ ение запасов природных ресурсов, сопровождаю щееся снижением содерж ания в них полезных компонентов, загрязнение окруж аю щ ей среды отходами производства и др. В первую очередь эта тенденция характерна для предприятий горнодобывающей, обогатительной и металлургической промыш ленности, являющихся крупнейшими потребителями природных ресурсов и оказываю щ их значительное воздействие на окруж а ющую среду. На восстановление нарушенного природного равно весия затрачиваю тся огромные средства, что сниж ает экономи ческую эфф ективность производств. Поскольку объемы продукции, выпускаемой этими предпри ятиями, неуклонно растут, неизбеж но увеличивается нагрузка на окружаю щ ую среду. Единственный выход из сложивш ейся ситу ации — интенсиф икация производства и проведение ресурсосбере гающей политики. Поэтому на первый план выдвигаются задачи рационального и комплексного использования сырья. В связи с этим на предприятиях горно-металлургического ком плекса были повышены требования к эффективности целого ряда переделов, в том числе к разделению технологических пульп филь трованием. На практике процесс разделения суспензий не ограничивается использованием одних только фильтров. До недавнего времени 214
нельзя было обойтись и без целого ряда вспомогательного оборудования, такого как сгустители, отстойники, разбавители, су шилки и пр. Необходимость их применения обусловливалась низкой эффективностью разделения ф аз на фильтрах и узким диапазоном суспензий, которые могли быть направлены в фильтр. Использо вание дополнительного оборудования, как правило, влечет за собой сниж ение производительности передела, слож ность контроля процесса и управления им, необходимость в отведении значи тельных площадей под установку агрегатов, низкую экономическую эффективность и многое другое. Существенные трудности возникаю т и в ходе эксплуатации самих фильтров. Большинство из них малопроизводительны, а потому необходима установка не одного, а серии агрегатов. Это приводит к возникновению дополнительных проблем по распре делению продукта между ними, контролю над ходом фильтрования на каждой из установок в отдельности, росту капитальных и ремонтных затрат. Следовательно, повышение производительности фильтров является одной из приоритетных задач. Однако при ее решении необходимо не столько увеличивать габариты фильтра, сколько интенсифицировать процесс, т. е. вести разделение с мак симальной скоростью, обеспечиваю щ ей удовлетворительное ка чество получаемого продукта. На производствах периодического действия количество посту пающего на фильтрование исходного сырья и потребность в конечных продуктах могут быть непостоянны во времени, что прежде всего характерно для металлургических предприятий с пирометаллургическим переделом и станций очистки сточных вод. Чаще всего такая проблема реш ается установкой накопительных емкостей для конечных продуктов фильтрования, что далеко не всегда оправдано с точки зрения технологии. Наиболее резонно в этом случае изменять производительность фильтров, однако н еп ре рывнодействующие фильтры не рассчитаны на это, а большинство фильтров периодического действия нуждаются в использовании ручного труда при остановке и пуске. Непосильной задачей для большинства фильтров является разделение мелкодисперсных суспензий, крупность твердых частиц которых составляет менее 40 мкм. Проблема заключается в н е соверш енстве фильтрую щ ей перегородки, которая забивается мелкими частицами и теряет способность к регенерации обычными методами. Решить эту задачу можно по-разному. Иногда в сус пензию вводят специальные добавки, способствующие коагуляции дисперсных частиц и уменьшающ ие величину сил сцепления частиц с фильтрующим материалом, однако в некоторых случаях такой способ неприменим, так как вводимый реагент может обладать свойствами, ухудш аю щ ими протекани е последую щ их стадий. Уменьшить забивание пор можно за счет изменения структуры фильтрующ ей поверхности (материала). Для изготовления фильтроткани перспективно использование искусственных волокон (поли 215
эстера, капрона). Регенерация перегородки может быть осущ ест влена и за счет обратного тока жидкости (инфильтрования), при этом образование осадка происходит с обратной стороны ткани, а лицевая сторона очищается. Единственный недостаток такого ме тода восстановления перегородки — проскок твердых частиц в фильтрат. Поэтому инфильтрование может использоваться лишь в том случае, если к чистоте фильтрата предъявляются заниж енные требования. Фильтрование агрессивных и легковоспламеняющихся жидко стей вносит дополнительные коррективы в организацию процесса. Они связаны с необходимостью полной герметизации зоны р аз деления, соблюдением требований пожарной безопасности, обес печением плавности хода. Значительно ограничивается и выбор материалов для изготовления фильтра. Это касается и фильтрующей перегородки, которая под воздействием агрессивных сред быстро выходит из строя. Замена изнош енной фильтровальной ткани для большинства фильтров такж е представляет определенные трудности. Она часто требует длительной остановки агрегата, частичной, а иногда и пол ной разборки и, как следствие, снижает как технические, так и экономические показатели фильтра. Несомненно, в конструкцию фильтра должна быть залож ена возможность быстрой замены фильтроткани. Исходя из сказанного выше, современный фильтр должен представлять собой сложнейш ий агрегат со множеством функций, реж имов работы, плавающих характеристик. Настройка такого фильтра и управление его работой — нелегкая задача. Несомненно, ее реш ение должно лежать не на плечах обслуживающего персо нала, а являться функцией системы автоматического управления (САУ), входящей в состав фильтра. САУ должна следить за ходом процесса, контролировать входные и выходные параметры продук тов, осуществлять как настройку и оптимизацию работы фильтра, так и самонастройку (адаптацию к новым условиям). В связи с этим к САУ предъявляются повышенные требования: малая инерци онность, высокая надежность и др. Это предопределяет необ ходимость внедрения нескольких альтернативных схем автома тического регулирования и осуществления постоянного контроля за состоянием всех систем фильтра. Необходимость в скорейш ем создании высокоинтенсивных тех нологичных фильтров осознали многие ученые и инженеры, всерьез приступившие к изучению теоретических и практических аспектов разделения суспензий. В последние годы было запатентовано н е мало изобретений, внесено большое число изменений в конструк ции практически всех типов фильтров. При этом большинство исследователей склоняются к мысли, что наиболее перспективным типом фильтровального оборудования является автоматический пресс-фильтр с горизонтальными камерами, уж е рассматривав шийся в третьей главе. 216
За последние 30 лет в разны х странах было опубликовано несколько десятков работ по данной тематике. П ионерами в этой области следует считать советских ученых, трудами которых были созданы первы е автом атические кам ерны е пресс-ф ильтры (ФПАКМ). Позднее их идеи были подхвачены конструкторскими организациями США, Японии, Франции и других стран, которым принадлежит большое количество научных работ и патентов [2, 7, 8 , 1 0 -1 2 , 15, 16, 20, 21, 23, 24, 26, 29, 30, 59, 69, 83, 98, 124]. В этом н а правлении работало, в частности, несколько советских (НИИхиммаш) и ф инских («Outokum pu Оу», «Larox Оу») компаний.
4.2. Вклад компании «Larox Оу» в развитие фильтрационных процессов С момента своего создания ф ирма «Larox Оу» основное вни мание уделяет разделению твердых и жидких ф аз и управлению потоками этих фаз. Ее специалисты принимали непосредственное участие в соверш енствовании конструкции автоматических кам ер ных пресс-фильтров (ФПАКМ) и достигли в этой области зна чительных успехов. Соединив воедино все передовые конструктор ские идеи и дополнив их собственными разработками, инж енеры компании создали целую серию полностью автоматизированных пресс-фильтров с программным управлением, ныне являющихся основной продукцией фирмы. Главные потребители этих филь тров — горнорудные, металлургические и химические предприятия, а такж е предприятия пищ евой и ф армацевтической промышлен ности. И нж енерны й и технический персонал компании в течение н е скольких лет трудился над созданием автоматического пресс-фильтра. Первая демонстрация его возможностей состоялась в 1977 году. Этот фильтр был ориентирован на обезвож ивание талька. В течение следующих двух лет компания расш ирила его возможности, при способив к фильтрации никелевого концентрата. Руководство компании оценило перспективность проекта и уве личило его финансирование. Было реш ено в схеме расположения камер перейти к вертикальной (башенной) конструкции прессфильтра. На воплощение этой идеи в металл потребовалось несколько лет исследований. Новый вертикальный фильтр Larox использовал силу тяжести, отличался гораздо меньшей установочной площадью и большей производительностью (рис. 4.1). Система такж е включала непреры вную фильтрую щ ую ткань, что позволяло выгруж ать осадок из фильтрационных камер автоматически. Это новшество способствовало резкому сокращ ению потребности в обслуживаю щем персонале. В дополнение к повышению экономических по казателей была значительно увеличена эф фективность разделения фаз. Вертикальный пресс-фильтр с горизонтальными камерами на 217
шел применение при обработ ке минералов, в металлургии, химической промышленности, производстве пищ евых продук тов, а такж е в фармацевтике. Оставалось реш ить только одну проблему: пресс-фильтры Larox имели м еханический привод, что ограничивало их производительность и не по зволяло наращ ивать мощность установок. Было реш ено на чать работы по созданию гид равлического привода п ер е мещ ения плит. В течение почти 15 лет се мейство фильтров Larox состо яло по существу из двух типов пресс-фильтров — Larox PF с Рис. 4.1. Первый пресс-фильтр Larox горизонтальными камерами и PF вертикальной конструкции с го Larox CF с вертикальными ка ризонтальным расположением камер мерами. и механическим приводом К концу 1980-х годов р а боты по созданию гидравли ческого привода были заверш ены и началось строительство целой серии фильтров с площадью фильтрования 38 м2. Новый фильтр объединил в себе лучшие качества двух своих предшественников. Надежность гидравлического привода по сути и послужила толчком к быстрому развитию пресс-фильтров Larox. Их отличием стало увеличение вместимости фильтровальных камер на Ю /о по сравнению с механическими моделями. Кроме того, гидрав лический механизм намного компактнее механического и позволяет увеличивать фильтрующую поверхность на 2 0 % за счет исполь зования дополнительных плит без увеличения высоты установки. Опытные образцы нового пресс-фильтра Larox были построены в 1989 году. В течение последующих двух лет велась напряж енная работа по созданию промышленного варианта пресс-фильтра Larox PF и запуску его в серийное производство. Еще несколько лет ушло на разработку автоматизированной системы управления прессфильтрами. Ее создание открыло новый этап в развитии фильтров Larox и значительно ускорило создание новых конструкций. В 1994 году в сж аты е сроки был построен и запущен в серийное производство Larox M inimax — самый маленький фильтр из се мейства Larox. В том ж е году типоразмерный ряд пресс-фильтров расш ирился за счет Larox Sulfapress PF. В последующие годы на чалось ш ирокомасштабное производство пресс-фильтров Larox PF, рассчитанных на различные производительности и конкретные суспензии. 218
Компания выпускает фильтры Larox PF с площадью фильтро вания от 1,6 до 144 м 2 и производительностью от 0,1 до 150 т /ч по сухому продукту. Они способны сущ ественно сократить расходы на разделение суспензий (в ряде случаев более чем на 70 %). В ысокий эконом ический эф ф ек т обеспечивается за счет исключения из технологической схемы предприятия переделов репульпации, обязательной операции при промывке кека, и сушки в барабанных сушилках, что исключает использование топлива и, следовательно, выброс в атмосферу газов и пыли, а соответственно, и тяжелых металлов. Вертикальная конструкция фильтра, исполь зующая работу гравитационных сил, сочетание высокого давления прессования с воздушной сушкой, применение плотных тканей и полная автоматизация позволяют пресс-фильтрам Larox занимать лидирующее положение в фильтрационной технологии. Отличительными особенностями пресс-фильтров Larox явля ются: „ 1 ) высокая эффективность разделения суспензии (остаточная влажность — до 5 - 10 % по массе) (табл. 4.1); 2) высокая производительность (до 150 т /ч по сухому продукту); 3 ) способность к разделению суспензий с ш ироким диапазоном крупности твердой ф азы и с различным отношением Т : Ж ; 4 ) легкость изменения выходных характеристик продуктов; 5 ) способность к быстрому изменению производительности в соответствии с требованиями основного производства; 6 ) возможность фильтрования суспензий, содерж ащ их мелко дисперсные частицы (менее 40 мкм); 7 ) надежность стадии регенерации перегородки; 8 ) легкость подключения к основному процессу; 9 ) полная герметичность (для агрессивных и легковоспламеня ющихся суспензий); 1 0 ) отсутствие необходимости во вводе в суспензию реагентов, загрязняю щ их ее; 1 1 ) высокая экономичность (низкая энергоемкость); Таблица 4.2 Показатели фильтрования флотационных концентратов Скорость фильтрации, Влажность, % Концентрат кг/(м 3,‘ч), по сухому продукту Медный Кобальтовый Никелевый Цинковый Свинцовый Оловянный Магнетитовый Апатитовый Кальцитовый Тальковый
5 -8 7 -8 5 -7 4 ,7 -8 6 .5 -9 4 .5 -8 7,5-10,5 6-10
5 .5 -9 7,9-14
140-900 200-600 250-800 200-1150 300-900 450-650 200-400 400-550 200-450 250-400 219
н fo f i a . « К «
H *
{- н fd <б d , a * «
К О)
*1 яJ U1о SоЭ " о и
о
>я
«
и
>я >я
М Ф В Н
Н О , 16 Д
Н Q
Н <б
h ф
В В В В Н Н Е н Н
h (С
ь н h
В £-|3
я ф я я я я я й ф
я
' ф
ф
ф
ф
П
ф
Я о Я Я Я Я Я я q «
«
q «
o «
o «
o o « Я
x
3 13 £03 я 1 3 1 1 1 1 1 3 а о * <* a s a a a a a ^ I а ф а ф ф ф ш ф
М о
ф
2
« 2 2 2 2 2
a я
£
я aj
я о
я qj
я
я Оя Оя яО 5f t
О w
«
«
«
р
■> я > я > я > я
$
яяаяя а
а
а
а
2222
p
н
5
f t f t f t f t с.,
§
w я
s l sS
^
.
S S « vd
1 . 1 а Й ая Й ёCL О нЯ ё Он Он к н < w & О н К н \ S s ■н я Я с е ^ й я ф ! * ё яг 9- Он S' фо и я g о >я & Р ч ф я - й я я 9 о я < (0 я о о в а я аЬ Я Я" ая д а; о W сч Q * о и я о 4i; — я о п О- $ о у Он о
г C ft * 0) a
o> S a 2 >я
н
QJ & ^ ^ ft g § E 8 •« « m “яS s3- 5я я5 aяj p * !
гн
и
§
^
8
й
’Э
3
нн
"
g
«
>К >S
Й > я 8
*
а
ф
ф
я
U
*
а
а
5
g
s
й о
а
g
2
8 *8 -
я я 8 ff
Зг о 3
Яй Я я я N ятз о q я
ч>
W
а §< ф 5 * дз 2
ф
8
|
U.
(С я дз
с
<
Й
5
я
л ' я
ф
h я я $ 0 , 0 н « Я м ф 5S
яг я
h о S я О, н irf Я я о ф 6 и к
я
я
й 6 я
о
Ф W < и
ф
(С я 0)
1
*
О
5 &S
и З tf я
о < о
н и
ф лО гг.
я
ь
а
*
irf
й О
я
Он
Н
Я "
<
н
*
а
й
§
& я
ф
ё
я я
? > *
о * >я а я
о * я я
|
(х1) 5го ft « * 8 © *
Й 3
ft
0
я
и г
ft 8is S ft >-3 я <
s oS
ft A
U
О
о* c,2 о 5 w * ft ft
2
® 22
|
2
p
*
3
y
Ю
< +j
(flt/i 05
3
2
й «
J - S Й «
1
I. 33 ?^
*
2
>
< ft M О 1
2 s . 3
•5
о о о о ©©©© СМ СМ СМ ^ < СО СО <
о со ©со ог о СО о PL, t i n О н a* a . a ,
tL, Он Он PL, Он Он Он Он
2
% 2
9 ^
w j2
S
3
2
2
-o
u
„
g
м Ф
о и
| U > ся S
и O . ел Я я 2 Ф Ф а ф 7 ^ 0й й Uh 5
-J ” Я ^Ф <1 о а e v i ’a
g
S
Я
«
a>
.3 8 1
8
>
®
U frt DC
s
-2 IS с
u
р
9й
® и
Гр см н-н —н
см
in © in in © © Гр Гр © < < S см со < см © см © Гр со оз со со in н Он Он Он Он О Он Он Он Он Он
© ©
© © © © © © © © © ©
©
CM
CM C M CM CM CM
CM
©
©
-
— Н-,
© © © © © © © © © ©
© in © Гр
<<<<<
<< < rf со © Гр гр со
см © © см со со со со со Он Он Он Он Он Он Он Он Он Он
© ©
н Он О Он Он
Он Он
© © © © © © © © © ©
© ©
C N C N C N C N CM
-H © © CM
© © © © © © ©© © © © © © © ©
© © © © ©
h— i CM *"H »"H CM
CM
©
220
§
£ §5 %я |
о
Ф
1 2 СЛ — . Ф
О © © CM
© « -(
© © CM
«-<
© © © ©© ©© ©© © CM CM CM CM CM
< ГР
in
Он Он
©
© © CM
in
Гр ,^н ю in Гр in Гр © © in © © Гр ю г*- © 2 S <<<©< О см © © Гр © © со © со\© со О Он Он Он © Он © Он Он Он Он Он Он Он о-
CO
in i n ’ЧГ
©
CN Tf
00
2
S © rf © ^ \ О © Он
Ph CU
Oh
CM © © © © CM CM
CM © © CM
CM CM CM © © © © © © CM CM CM
CM
CM c n
© CM
© ©
-и © © CM
h h CM CM CM © © © © © © © © C M CM CM CM
CM
CM CM
CM
CM CM
— © © CM
©
© ©
©
©
о о
CM CM
о© © © 221
12)
малая установочная площадь; 13) надежность, длительный срок эксплуатации, возможность оперативного выполнения ремонтных работ (в том числе и замены фильтрую щ ей ткани); 14) полная автоматизация на уровне последних достижений науки и техники; 15) легкость настройки и управления; 16) самонастройка (адаптация) при переходе на суспензию с иными характеристиками. На сегодняшний день компания Larox Оу является крупнейшим производителем автоматизированных пресс-фильтров. С ее конвей еров сходят пресс-фильтры более 20 различных марок. Продукция компании по достоинству оценена многими ведущими предприя тиями мира. В табл. 4.2 представлена информация о поставках крупных пресс-фильтров Larox PF с площадью фильтрации от 30 до 144 м 2 на горнодобывающие и металлургические предприятия. Пресс-фильтры успеш но работаю т на обогатительных фабриках, гидрометаллургических предприятиях, в каустизационных цехах, производстве наполнителей и пигментов, в сахарной промыш ленности и других областях. Их надежность и эффективность под тверждаю т и ведущие специалисты российских предприятий, на площадках которых установлено это оборудование: Челябинского электролитного цинкового завода, АО «Печенганикель».
4.3. Конструкция и принцип действия пресс-фильтров Larox Все пресс-фильтры Larox имеют по четыре колонны, связы ва ющие нижню ю рам у основания с верхней рамой. М ежду рамами располагается пакет фильтровальных пластин с ниж ней и верхней пресс-плитами. Схема пакета фильтровальных пластин представлена на рис. 4.2. Фильтровальные камеры образую тся при закрытии и уплот нении пакета пластин между ниж ней и верхней прессовальными плитами с помощью гидравлических цилиндров. На рис. 4.3 при ведена схема образования фильтрационной камеры путем соеди нения фильтровальных пластин № 1 и № 2 . Фильтр окруж ен кожухом, обеспечивающим безопасность р а боты для персонала. Имеются площадки для обслуживания и р е монта. Узлы, контактирую щ ие с жидкой фазой, изготавливаются из коррозионно-стойкой стандартной нерж авею щ ей стали типа AISI 304L либо, для особо агрессивных сред, из кислотостойких сталей типа AISI 316L или ASTM N08904. Приводом всех пресс-фильтров Larox служит гидравлическая станция, входящая в комплект поставки фильтров. Пульт управ ления работой пресс-фильтра и всего дополнительного оборудо222
Рис. 4.2. Пакет фильтровальных пластин в положении «открыто»
Решетка
Фильтроткань —
Фильтровальная камера" “
Ванна для фильтрата
Основная пластина
\
Фильтро-_^_-— ткань
Диафрагма
Рама
Уплотнение ПУЛЬПЫ
Рис. 4.3. Пакет фильтровальных пластин в спрессованном положении с образованием фильтрационной камеры 223
вания (насосов, компрессоров, конвейера разгрузки кека и т. д.) обеспечивает цикловую работу пресс-фильтра, автоматическую диагностику и сигнализацию об аварийных ситуациях, а такж е широкий выбор вспомогательных операций. Он состоит из логи ческого программного блока (Siemens S7) и сенсорного экрана оператора (Digital GP-570T). Пресс-фильтры типа Larox М имею т вертикальную конструк цию при горизонтальном расположении фильтрационных камер, включающих: лист основания, металлическую раму, эластичную диафрагму, пластиковую реш етку над ванной для фильтрата. М еста подачи суспензии (пульпы), отвода фильтрата и ввода/вы вода воз духа для диафрагменного прессования приведены на рис. 4.4. Пресс-фильтры Larox являются агрегатами периодического дей ствия, функционирую щ ими в автоматическом режиме. Полный р а бочий цикл при фильтрации суспензий металлургических заводов, химических предприятий, требую щ их обычно промывки получа емого кека, состоит из шести стадий: 1 — питание суспензией; 2 — первое диафрагменное прессование; 3 — промывка кека; 4 — второе диафрагменное прессование; 5 — суш ка продувкой воздухом; 6 — выгрузка кека. Фильтрация рудных концентратов производится в основном по укороченной программе, без промывки, состоящей из четырех стадий: 1 — питание пульпой; 2 — диафрагменное прессование; 3 — суш ка продувкой воздухом; 4 — выгрузка кека.
-г -runлогические условия ведения производственного процесса Технологически у сть основных стадии, используемые ф ильтрациИ о^родолж ной жидкости, тип фильтровальной давления, количеств р фидь ионной каМеры и другие ткани, оп™ “ ^ в| р И®ельно при обязательном лабораторном тестиуточняются предвар ^ фидь емость. При тестировании устанавровании суспен ая осхаточНая влажность, максималь№В^ 1 Г н а я степень промывки, максимальная удельная произН° = Г ь Я при оптимальной остаточной влажности и т. д. водительностьпри о П имальным содержанием твердого питающим п о ! давлением 5 - 7 ат подается через распределительный насосом под д е л е н и е шлангам одновременно во все фильтратрубопровод по рези вавш иеся после заКр ЫТИЯ и уплотнения ционные камеры, V пластИн (рис 4.5). К ек начинает формипакета Ф ™ Р ^ т а п о я в л е н и я фильтрата на выходе из камеры, роваться с автоматически прекращ ается по команде управ ляю щей прогр^ммьГпри их максимальном заполнении образовав шимся влажным кеком. Суспензия
фильтрат
Рис. 4.5. Стадия питания суспензией .г
воздух И З компрессора под давлением до 16 ат ™ е !н о автоматически заполняет наддиафрагменное про одновременно каМере. Д иафрагма растягивается и приж имает странство в ование рис. 4 .6 ) кек к поверхности фильтро(диафрагменное пре ию фильтрата из кека. Использоваткани, ито способс Уя у диафрагменном прессовании позволяет ВЬ«ч т! п !отаы е фильтроткани и получать, соответственно, про^ Т ы е ф и С р а т ы ? малыми потерями твердой фазы.
НИ6
Напорная вода (воздух)
фильтрат
рис. 4.6. Первое прессование 225 224
С целью удаления или замещ ения маточного раствора внутри пресс-фильтров производится промывка образовавш егося кека (рис. 4.7). При необходимости максимального извлечения из кека растворенных соединений можно организовать многократную про мывку кека с использованием различных промывных ж идкостей без его репульпации. Для этого фильтры снабжаю тся специальными программами промывки кека. Промывная жидкость поступает в фильтрационные камеры по шлангам подачи суспензии и равно мерно распределяется по поверхности кека, который располагается плоским слоем. По мере заполнения фильтрационной камеры диафрагма поднимается и воздух из наддиафрагменного простран ства выбрасывается в атмосферу. Поскольку кек деформирован прессованием и имеет низкую пористость, самостоятельное дви ж ение промывной жидкости через кек затруднено. Как следствие деформирования кека возникает опасность появления трещ ин в результате действия внутренних сил, которые не всегда в состоянии скомпенсировать прилагаемые внеш ние силы. Это обстоятельство может сказаться на эффективности операций промывки и сушки продувкой воздухом. (При необходимости)
Рис. 4.7. Промывка кека
ступающий по шлангам подачи суспензии из распределитель ного трубопровода, заполняет пространство над кеком, под нимая резиновую диафрагму. Одновременно, двигаясь с высо кой скоростью и равномерно распределяясь по каналам и по рам в массе кека, сжатый воздух вытесняет влагу, сниж ая оста точную влажность кека до мини мума и освобождая ванну под реш еткой от остатков фильтра та. Остаточная влажность кека может регулироваться как изм е нением давления сжатого воз духа, так и изменением продол жительности продувки. А втоматическая р азгр у зк а кека начинается после раскры тия пакета фильтровальны х пластин с помощ ью бы стро действую щ их гидравлических цилиндров путем перевода плас тин в висячее положение с рав ными расстояниями между ни ми, что обеспечивает свободное перем ещ ение ф ильтровальной Напорная вода (воздух)
Процесс промывки кека на пресс-фильтрах можно представить в виде модели идеального замещ ения маточного раствора про мывной жидкостью. П рактика показывает, что пресс-фильтры Larox способны обес печить промывку с извлечением из кека более 95 % маточного раст вора. Х арактеристика процесса промывки представлена на рис. 4.8. Второе диафрагменное прессование (рис. 4.9) проводится анало гично первому после стадии промывки кека и применяется обычно на гидрометаллургических и химических предприятиях. При этом промывная жидкость, заполнившая на предыдущей стадии про странство над кеком, равномерно продавливается диафрагмой под давлением порядка 16 ат через слой кека, обеспечивая удаление маточного раствора из пор посредством замещ ения при мини мальном расходе. П ри этом обеспечивается эффективность про мывки выше 95 %. Заверш аю щ ая суш ка осущ ествляется продувкой кека сжатым воздухом под давлением 6 - 1 0 ат (рис. 4.10). Сжатый воздух, по226
Рис. 4.8. Эффективность промывки кека на пресс-фильтрах Larox: степень замещения — объем маточ ного раствора, оставшегося в кеке к некоторому моменту времени, в сравнении с первоначальным; ко эффициент отношения — отноше ние объемов промывного и маточ ного растворов
(При необходимости)
111111-Г П ром вода
Рис. 4.9. Второе диафрагменное прессование Возд ух
1 1 1 1
I 7
I I
Ф ил ьтрат/возд ух
Рис. 4.10. Сушка продувкой воздухом 227
ткани с кеком. Затем включается механизм движения фильтроткани, и последняя, перемещ аясь зигзагообразно через все филь трационны е камеры и выполняя на этой стадии уж е роль кон вейерной ленты, выносит кек по обоим торцам пресс-фильтра, эф ф ективно разгруж ая его, при этом резиновы е скребки обес печивают первоначальную очистку фильтроткани. Одновременно с началом движ ения фильтроткани включается устройство для ее двухсторонней автоматической промывки при прохождении осво бодившегося от кека полотна между двумя рядами водораспре делительных сопел. П ромывка обеспечивает удаление из ячеек тка ни мелкодисперсных частиц и, соответственно, постоянство техно логических показателей процесса фильтрации, а такж е продлевает срок службы фильтроткани (рис. 4.11).
Рис. 4.11. Разгрузка кека и промывка ткани Суспензия, или пульпа, подвергаемая фильтрации, обычно пред ставляет собой ниж ний слив сгустителя и подается из питающей емкости, которая располагается ниж е пресс-фильтра, чтобы остатки пульпы самотеком из распределительной трубы после заполнения фильтрационных камер вернулись в нее. В качестве жидкости для промывки распределительной трубы и питающих шлангов, как правило, используется фильтрат. Для разделения водовоздушной смеси, образую щ ейся при сушке кека продувкой воздухом, имеется специальный сосуд, принима ющий поток смеси. Напорный воздух после прессования выбрасывается в атмо сф еру через глушитель звука, устанавливаемый обычно на крыше. Кек автоматически разгруж ается по обоим торцам пресс-филь тра на разгрузочный конвейер, который подает кек на склад. При необходимости обеспечения равномерной подачи кека на следу ющий передел используется двухскоростной конвейер. Такой кон вейер в момент разгрузки кека имеет большую скорость и обес печивает прием кека на всю свою длину. Затем движение конвейера 228
автоматически переклю чается на меньшую скорость, и кек равно мерно перегруж ается на питающий транспортер для подачи на последующую переработку.
4.4. Модельный ряд промышленных пресс-фильтров Larox Как уж е упоминалось, фирм а «Larox Оу» модернизировала и усовершенствовала две модификации пресс-фильтров: с горизон тально расположенными фильтрационными камерами — PF и с вер тикально расположенными фильтрационными камерами — CF. На основе пятнадцатилетнего опыта производства и соверш ен ствования данных модификаций пресс-фильтров, а такж е посто янного сравнения их технико-экономических показателей и эксплу атационных расходов на различных предприятиях установлено, что лучшими показателями в работе обладают пресс-фильтры Larox PF. Совершенствование пресс-фильтров этого типа продолжается и в настоящее время. При горизонтальном расположении фильтрационных камер на процесс фильтрации положительно влияют гравитационные силы. В ходе фильтрации образуется однородный одинаковой толщины кек на всей фильтрационной поверхности всех камер, что улучшает показатели как диафрагменного прессования кека, так и его про мывки и сушки продувкой воздухом. При вертикальном ж е расположении фильтрационных камер более крупные и тяж елые частицы твердой ф азы оседают в основ ном в ниж ней части камеры, образуя кек большей толщины. Эта часть кека хуж е обезвож ивается как диафрагменным прессованием, так и сушкой продувкой воздухом. Равномерную промывку такж е трудно обеспечить. В итоге это обусловливает неоднородность влаж ности кека и эффективности промывки по высоте камеры. К тому ж е при разгрузке фильтра, происходящей в результате падения кека под собственным весом при раскры тии фильтрационных камер, часть кека из-за прилипания к фильтроткани не выгружается (зависает), что требует использования ручного соскабливания. Fla пресс-фильтрах Larox PF весь кек выводится из фильтра ционных камер на движущ ейся фильтроткани, как на конвейерной ленте. При этом фильтроткань, переходя из камеры в камеру зиг загообразно, переворачивается, в результате чего кек поочередно формируется на разны х сторонах фильтроткани, а фильтрат, соот ветственно, обеспечивает автоматическую очистку ткани путем вы носа мелкодисперсных частиц из ячеек ее обратной стороны через каждый цикл. Кроме того, фильтроткань подвергается тщательной двухсторонней промывке водой, подаваемой насосом под высоким давлением через специальные сопла при движении фильтроткани в период разгрузки пресс-фильтра. П еречисленны е особенности очистки от тонкодисперсных частиц существенно повышают рабо 229
тоспособность фильтроткани и сохраняют технологические показа тели процесса фильтрации постоянными в течение длительного вре мени. Следует отметить, что промывку фильтроткани при вертикаль ном расположении камер организовать сложно. В данном случае промывка производится только прополаскиванием, что приводит к большому расходу воды и сокращает срок службы фильтроткани. Исходя из сказанного выше, фирма «Larox Оу» в начале 1990-х годов прекратила производство пресс-фильтров Larox CF с верти кальным расположением фильтрационных камер, как не обеспе чивающ их высоких технико-экономических показателей фильтра ции и не соответствующих требованиям предприятий. В то ж е самое время фирмой «Larox Оу» был разработан и изго товлен самый крупный и полностью автоматизированный прессфильтр Larox PF 120 с программным управлением с горизонтальным расположением фильтрационных камер; площадь фильтрации каж дой камеры — 6 м2, суммарная фильтрационная площадь — 1 2 0 м2. П ервый такой пресс-фильтр был установлен в 1991 году в Ф инляндии на полностью автом атизированном предприятии «Finnminerals Оу» на обезвож ивании талькового концентрата. Он продолжает исправно работать и в настоящ ее время. Начало нового столетия для фирмы «Larox Оу» ознаменовалось разделением выпускаемого фильтрационного оборудования на две серии — «М» (Metallurgy) и «С» (Chemical). Пресс-фильтры серии «М» предназначаются для предприятий горнодобывающей и металлургической отраслей промышленности. На рис. 4.12 представлены основные типы пресс-фильтров Larox серии «М». Пресс-фильтры Larox серии «С» используются на предприятиях химической, фармацевтической, пищевой и некоторы х других отраслей промышленности. Основные типы пресс-фильтров Larox серии «С» представлены на рис. 4.13. Пресс-фильтры Larox серии «М» характеризую тся высокой н а дежностью в работе и высокой эффективностью при эксплуата ционных расходах, сущ ественно меньших, чем при любых других методах фильтрации. Обеспечивается это тем, что пресс-фильтры: — полностью автоматизированы и имеют программное управ ление, а следовательно, минимальные расходы на обслуживающий персонал; — производят существенно более сухой кек в сравнении с любыми другими фильтрами, что сниж ает или полностью исключает расходы на термическую сушку и охрану окруж аю щ ей среды; — требую т малого расхода промывной жидкости при высоком качестве конечного продукта; — могут устанавливаться в меньшем количестве вследствие высокой производительности, что сокращ ает расходы на обслужи вание; — требую т малой установочной площади, что сниж ает капи тальные затраты. 230
Рис. 4.12. Основные четыре типа пресс-фильтров Larox серии «М» (слева направо: 1,6; 15; 30 и 60) Кроме того, гарантией надежности и высокой эффективности работы фильтров является глобальный сервис после продажи. Серия «М» включает следующие типы пресс-фильтров: — Larox М 60 производительностью до 150 т /ч по сухому продукту; — Larox М 30 производительностью до 60 т /ч по сухому про дукту; — Larox М 15 производительностью до 30 т /ч по сухому про дукту; — Larox М 1,6 производительностью до 12 т /ч по сухому про дукту.
Рис. 4.13. Основные четыре типа пресс-фильтров Larox серии «С» (слева направо: 1,6; 15; 30 и 60) 231
П ресс-фильтры типа Larox М 60
" Р6СС:Ф^ ЬТРЫ ™Па Larox М 60 пРеАставляют собой фильтры с суммарной фильтрующей поверхностью от 60 до 144 м2 (рис 4 14) одной камеры - 6 м2, а их число может соприведена в табл *3. Ч‘ ХарактеРистика этих пресс-фильтров
fnc. 4.14. Пресс-фильтр типа Larox М 60
Обладая исклю чительно вы сокой производительно стью, эти пресс-фильтры от вечаю т всем требованиям многотоннаж ного производ ства, до 95 % операционного врем ени находятся в рабо те, обеспечивая остаточную влажность кека порядка 6 % и эффективность выше 9 5 %, характеризую тся низким и энергозатратами и эксплуата ционными раходами. Ф ильтровальная ткань, используемая в пресс-филь трах Larox М 60, представляет собой бесконечную ленту ш и риной 1,7 м с одним швом. О на располагается над р е ш еткой в фильтровальной кам ере и перем ещ ается из
Натяжной ролик фильтроткани
Таблица 4.3 Техническая характеристика пресс-фильтров типа Larox М 60 Тип Larox М 60 . ___ Характеристики 60 I 72 I84 I 96 | 108 I 120 I132 | 1ФГ 60 Площадь фильтрования, Объем камер, м3, при высоте 2,70 45 мм 3,60 60 мм 10 Число фильтровальных пластин, шт. Размер фильтровальных пластин, мм Фильтровальная ткань ширина, м 62,5 длина, м Максимальное давление, ат Основные размеры, мм длина 5040 ширина 5120 высота Масса (без дополнительного 68,5 оборудования), т Необходимая установочная площадь, м2 Установленная мощность, кВт пл^рм емкости для масла, л I
72
84
3 24 432 12
96
108
120
132 144
3,78 4,32 4,86 5,40 5,94 6,48 5,04 5,76 6,48 7,20 7,92 8,64 14 16 18 20 22 24 1500x4010 1,7 105,5 116,5 128 16
73 5
84,5 95
136
5040 5120 71,5
6800 50405040 5040 5040 5040 5040 58205820 6520 6520 7220 7220 77,080,0 85,5 88,5 94,0 97,0 110 110
90
600 В ы бро с н а п о р н о г о Л в о здуха ________ )
Л
)
1Направляющий I
V
роликД фильтроткани )
Приводной ролик фильтроткани
^ J
< (
Рис. 4.15. Схема приведения фильтровальной ткани в движение и рр промывки во время разгрузки кека движение и ее 232
( П о д а ч а суспензии
^
В о д а промывки Ф и л ь т р откани
' Дренаж _ “ р а с п р е д е ли те льн о й труоы
)
) ^
J
Рис. 4.16. Схема подключения пресс-фильтра Larox М 60 для производ233
камеры в камеру зигзагообразно только во время разгрузки прессфильтра. Фильтроткань приводится в движ ение с помощью гидравли ческих двигателей, расположенных на валу ведущих роликов. Оги бая ролики, она промывается с обеих сторон водой. Вода подается из сопел под давлением 5 —15 ат. Для очистки фильтроткани от слу чайного налипания кека применяю тся скребки с пластиковыми нож ами (рис. 4.15). Подключение пресс-фильтров серии Larox М 60 к действующей технологической схеме имеет ряд особенностей, что показано на рис. 4.16. П ресс-фильтры типа Larox М 30 П ресс-фильтры Larox М 30 предназначены для обезвоживания материальных потоков, которые можно оценить как переходные между высокотоннажными и среднетоннажными (рис. 4.17). Только один такой пресс-фильтр производит до 60 т кека в час по сухому продукту. Технические характеристики этих пресс-фильтров при ведены в табл. 4.4. Эти фильтры, как и фильтры типа Larox М 60, имеют площадь фильтровальной камеры, равную 6 м2, и функционирую т анало гично. Помимо размеров, от пресс-фильтров Larox М 60 их отличает организация работы фильтроткани. Фильтроткань в них такж е движется зигзагообразно, но крепится концами к верхнему и ниж нему натяж ным роликам, на которых имеются вспомогательные отрезки фильтровальной ткани. Короткий отрезок фильтроткани на ниж нем ролике предназначен для крепления к ролику рабочей фильтроткани. Значительно больший отрезок вспомогательной ф ильтроткани на верхнем ролике обеспечивает возмож ность
Таблица 4.4 Техническая характеристика пресс-фильтров типа Larox М 30 Характеристики
30
Тип Larox М 30 36 42 48
54
60
Площадь фильтрования, м2 Объем камер, м3, при высоте 45 мм 60 мм Число фильтровальных пластин, шт. Размер фильтровальных пластин, мм Фильтровальная ткань ширина, м длина, м Длина нижней / верхней вспомогательных тканей, м Максимальное давление, ат Основные размеры, мм длина ширина высота Масса (без дополнительного оборудования), т Необходимая установочная площадь, м2 Электродвигатели гидравлической установки
30
36
42
48
54
60
1,35 1,80 5
1,62 2,16
1,89 2,52 7
2,16
2,43 3,24 9
2,70 3,60
75
80
57,5
58,5
автоматического перемещения ткани охлаждения масла (при необходимости) Объем емкости для масла, л Гидравлические цилиндры быстродействующие — 4 шт. замковые — 2 шт.
Рис. 4.17. Пресс-фильтр типа Larox М 30 234
6
2,88 8
10
1500x4010 1,7 55
60
65
70 5/57 16
50,5
51,5
6830 4570 5250 55 56 106
IEC, 45 кВт, 50 Гц, 1500 мин 1 NEMA, 60 л.с., 60 Гц, 1770 мин ' 1 IEC, 0,55 кВт, 50 Гц, 1500 мин ~1 NEMA, 1 л.с„ 60 Гц, 1720 мин" 1 IEC, 0,55 кВт, 50 Гц, 1500 мин ' 1 NEMA, 1 л.с., 60 Гц, 1720 мин ” 1 400 250/140 — 1080
250/140 — 670
63 / 45 — 400
промывки рабочей фильтроткани при движ ении вспомогательной ткани с верхнего ролика в направлении к нижнему. Д вижение фильтровальной ткани на пресс-фильтрах Larox М 30 показано на рис. 4.18. Площадь фильтрации, а следовательно, и производительность подобного фильтра мож но легко увеличить путем добавления фильтрационных пластин до их максимального числа, равного де сяти, т. е. до образования десяти фильтрационных камер. 235
■■■(
С к ре бки
...
В ерхний натяж ной р о л и к ^ ф и ль тр о тк а н и J
;1
'
(
J
Рис. 4.18. Схема крепления и движения фильтроткани в пресс-фильтрах Larox М 30 П ресс-фильтры типа Larox М 15 П ресс-фильтры Larox М 15 предназначены для обезвоживания материальных потоков, занимающ их промежуточное положение между среднетоннажными и малыми (рис. 4.19). Один такой фильтр производит до 30 т кека в час по сухому продукту. Технические характеристики этого типа пресс-фильтров представлены в табл. 4.5. Площ адь ф ильтрую щ ей поверхности одной кам еры пресс-ф ильтров Larox М 15 составляет 2,5 м2, число фильтрационных ка мер — от 6 до 14 единиц. Как и у пресс-фильтров Larox М 60, фильтроваль ная ткань этих фильтров имеет только один шов, то есть является бесконечной и перемещ ается зигзаго образно, переворачиваясь при переходе в конце каждого цикла из камеры в камеру. Кроме того, для Рис. 4.19. Пресс-фильтр типа Larox М 15 создания высокого дав236
Таблица 4.5 Техническая характеристика пресс-фильтров типа Larox М 15 Характеристики
15
Тип Larox М 15 25 30
20
35
35 25 30 15 20 Площадь фильтрования, м2 Объем, л, при высоте камеры 0,675 0,900 1,125 1,350 1,575 45 мм 0,900 1,2 0 0 1,500 1,800 2 ,10 0 60 мм 12 14 8 10 6 Число фильтровальных пластин, шт. 2,5 Площадь фильтрования одной камеры, м2 1050 ширина, мм 2400 длина, мм 2 Число вводов питания на камеру, шт. 2 Число выводов фильтрата, шт. Фильтровальная ткань 1210 ширина, мм 54 48 34 40 28 длина, м 16 Максимальное рабочее давление, ат Основные размеры, мм 5100 длина 3900 ширина 3900 3900 3900 4530 4530 высота (при наименьших размерах пакета пластин) 29 30 32 34 35 Масса (без вспомогательного оборудования), т 60 (1 0 x6 ) Необходимая установочная площадь, м2 Электродвигатели (380 В) IEC, 22 кВт, 50 Гц, 1500 мин -1 гидравлической установки IEC, 18,5 кВт, 50 Гц, 3000 мин -1 водяной станции (при необходимости) IEC, 1,8 кВт, 50 Гц, 1500 мин -1 охлаждения масла (при необходимости 400 Объем емкости для масла, л Гидравлические цилиндры 250/140 — 1080 250/140 — 670 бысродействующие — 4 шт. 63/45 — 400 замковые — 2 шт.
ления при диафрагменном прессовании используется напорная во да под давлением 16 ат. Станция напорной воды входит в комплект поставки фильтра (рис. 4.20). Использование в пресс-фильтрах Larox М 15 напорной воды, более деш евой в сравнении с напорным воздухом, используемым в крупны х пресс-фильтрах, возм ож но благодаря меньш им наддиафрагменным объемам фильтрационных камер и поэтому до статочно быстрому заполнению их водой при диафрагменном прессовании. 237
Таблица 4.6 Техническая характеристика пресс-фильтров типа Larox М 1,6 Характеристики
( Дренаж распределительной трубы
-( Подача суспензии )
Рис. 4.20. Схема подключения пресс-фильтров типа Larox М 15 и 1,6, имеющих станцию напорной воды Пресс-фильтры типа Larox М 1,6 Технические данные пресс-фильтров Larox М 1,6 (рис. 4.21) представлены в табл. 4.6. Эти пресс-фильтры обеспечивают все перечисленные выше преимущества автоматизированной фильтра ции под давлением, но для малых материальных потоков. Один такой фильтр производит до 1 2 т кека в час по сухому продукту,
Рис. 4.21. Пресс-фильтры типа Larox М 1,6 238
Площадь фильтрования, м2 Число фильтровальных пластин, шт. Размеры фильтровальных пластин, мм Основные размеры, мм длина ширина высота при высоте камеры 45 мм высота при высоте камеры 60 мм Масса, т Необходимая установочная площадь, м2 Максимальное давление, ат Фильтровальная ткань ширина, мм длина, м Длина верхней вспомогатель ной ткани, м Длина нижней вспомогатель ной ткани, м Электродвигатели (380 В, 50Гц) гидравлической установки насоса напорной воды Насос водяной станции Объем емкости напорной воды, л
1,6
3,2
1,6
3,2
1
2
Тип Larox М 4,7 6,3 7,9 4,7 3
6,3 4
7,9 5
9,5
11
12,6
9,5
11
12,6
6
7
900x1750
2300
3500 2500 2300 2400 2400 2500 2600 2700 2800
2300
2300 2400 2500 2600 2700 2900 —
10,5
И
11,5 12 12,5 13 39
13,5 14
16 1050 17
22
8
13
28 18
33 23
15 кВт, 1500 мин 1 118,5 кВт, 1500 мин И кВт, 3000 мин -1 Grundfos CR 16-120
1
1000
число фильтрационных камер колеблется от одной до восьми, пло щадь фильтрации каждой камеры — 1 , 6 м2. Концы фильтровальной ткани, как в пресс-фильтрах типа Larox М 30, крепятся к верхнему и ниж нему приводным роликам, и фильтроткань работает по ранее описанному способу. Для создания необходимого давления при диафрагменном прессовании в этом типе фильтров тож е используется напорная вода под давлением 16 атм. Схема подключения пресс-фильтров типа Larox М 1,6 анало гична схеме подключения для фильтров типа Larox М 15 (рис. 4.20). Станция напорной воды включает центробежный насос высо кого давления с числом оборотов 3000 —3600 м ин - 1 и емкость с крыш кой на 1500 —2500 л для рабочей воды, куда последняя воз вращ ается после стадии прессования. Станция напорной воды поставляется в комплекте с пресс-фильтром. 239
4.5. Система автоматического контроля и регулирования пресс-фильтров Larox Пресс-фильтры Larox PF располагают самой современной авто матической системой управления, регулирования, контроля и ста тистической обработки данных, Данная система самостоятельно осуществляет управление всеми операциями фильтра по специальной программе. Кроме того, она автоматически отслеживает стабильность работы всех блоков и узлов фильтра, мгновенно сообщает обо всех возникаю щ их неис правностях или отклонениях от нормальной работы. Встроенный в программу модуль работы со статистическими данными, вдобавок, позволяет без вмешательства оператора собирать сведения обо всех параметрах процесса и формировать статистический журнал. Впо следствии этот ж урнал может использоваться для вывода прессфильтра на оптимальный реж им работы, устранения возникш их неисправностей и сниж ения риска их повторного появления. Система автоматизации была разработана компанией Larox от носительно недавно и первоначально предназначалась для установ ки на новые пресс-фильтры серии «М» и «С», но позж е она была адаптирована и для работы на ранее выпущенных пресс-фильтрах Larox. Благодаря многоуровневой системе вывода контроль оператора за ходом фильтрации мож ет осуществляться непосредственно в по мещении, где установлен пресс-фильтр, по сенсорному дисплею (рис. 4.22), расположенному в операторской кабине, такж е может быть организован вывод данных на центральный пульт управления цехом или всем производством. Используемая система диагностики и и нф орм ирован и я о работе ф ильтра позволяет операторам
Рис. 4.22. Сенсорный экран блока управления пресс-фильтром 240
получать в реальном масштабе времени данные о производитель ности фильтра, влажности осадка и других параметрах процесса (рис. 4.23). LAROX* » И,03,2000
CHOOSEREPORT:
PRINT Fiber-580
P R O D U C T IO N R E P O R T
}Production Report 4 Й
MUTER( f * « 930
RM40E:
M ЕЖ LAROX
FILTER PERFORMANCE (EndCycleNumber j128972 (Cycles j 92 jstops | \\ {Alarms j jAva&tbiftv jr 99%
tWOOMHIPOUT
(SMiHeaT
)г*»ЗЮjgj
SHIFT I
jCycie*
•Stops
j
tAhwas _
28 0
i I 874 ! 06:5S IS 1 0000:00 134 ! 0
зАтаЦаЫИу
sRuoTieie
|А1*ваТвм
fcaiu А\цМ<чйпг«
[пЦмвгЛгоооЦ
PRODUCTION CakeWetWeight CakeDryWeight CakeAverageMoisture SlurryFeedWeight Filtratevolume
jCafctDfyVfagbt jcafe* Wet Weight
! S S : i
S H IFT 2 ‘Cytles iSteps Alarm •А'чйаЫяу iRuoltae (AJmnTtffie :C*bt AvjWoiiture ;C»ke DtyWagfet
0 0 Г 12 f 0 T
5
724 054*59 00:1537
{7%
iCjfceWtt’Wwato
J
SHIFT» iCyeiei
r|_
30
ir ;Г
EucTnfte
8 ” 934 0720:44
Alarm Time ,C«ke A tj Moisture
00*9:25 134
iAwslabily
iCieDfyWaeta
"
‘
Рис. 4.23. Форма ежедневного отчета о работе пресс-фильтра
В дополнение к системе диагностики и информирования о рабо те фильтра по ж еланию заказчика пресс-фильтр Larox мож ет быть укомплектован системами SCADA (рис. 4.24), PLCs, IOUs и другими. Они позволяют производить автоматическую оптимизацию процес са, передавать данные о состоянии процесса и работоспособности фильтра по Internet, управлять пресс-фильтром дистанционно. До полнительные функции могут быть полезны заказчикам, чьи пред приятия располагаются на большом удалении от сервисны х центров компании «Larox Оу». Возможности Internet позволяют специалис там компании осуществлять сервисное обслуживание (управление, настройку, модернизацию программного обеспечения и др.) прямо со своих рабочих мест, без выезда на предприятие. Структурно автоматическая система управления пресс-филь трами Larox состоит из отдельных блоков, каждый из которых отвечает за отдельный параметр или группу параметров и мож ет быть подключен к общей системе или отключен от нее по ж еланию заказчика. В их состав входят как аппаратура (датчики, конт роллеры, шины), так и программное обеспечение. 241
■ I
На связи Клиент ISQ M S Office Web Browse
Ж !
Larox офис Локальная сеть Модем
LAROX C H O O SE RE P O R T :
FILTER:
,
(Filter 580
Промышленный сервер
I
DATE:
4
1
D ry in g
A ir
П ои
Ж — ЯШ
W ater
F lo w
p
S lu rry
Feed
P
B elt
p
F iltra te
j §
F lo w
Г
F iltra te
T u rb id ity
Г
F iltra te
C o n d u c tiv ity
P
F iltra te
T em p e ratu re
Г
Load
P
P ressin g
p
D iap h rag m
W eig h t
C ells W ater
P ressure
M anagem ent
щш*
Управление процессом
Удаленный контроллер ввода/вывода
Рис. 4.24. Система многоуровневой передачи данных SCADA Модули, называемые Larox Optimizers, оптимизируют работу фильтра. Например, модуль подачи шлама регулирует продолжи тельность подачи суспензии с таким расчетом, чтобы максими зировать производительность, но не допустить перегрузки прессфильтра. Модуль подачи продувочного воздуха определяет расход последнего на сушку в зависимости от характеристик суспензии. На данный момент разработано 11 модулей-оптимизаторов, контролирующих: подачу суспензии, воды и воздуха; массу, объем, электропроводность и мутность фильтрата; температуру и давление жидкости и воздуха (рис. 4.25). При разработке программного обеспечения для пресс-фильтров использованы данные о работе более чем 600 фильтров Larox за пять лет. Важнейшее значение при фильтрации под давлением имеет тол щина образую щегося на перегородке кека, поскольку она является основным фактором, от которого зависит гидравлическое сопротив ление осадочного слоя, а в конечном счете качество получаемого продукта и производительность фильтра. К ак правило, рост толщины кека приводит к увеличению удельной производитель ности установки, но одновременно и к повышению остаточного влагосодержания кека. Важно такж е отметить, что более толстый кек способствует сокращ ению амплитуды колебаний влагосодер242
|7
J j
RAN G E: R a ily
Пресс-фильтр(ы)
Filter: 580
P7 P r o c e s s
Интернет-сервер H H R
■ —Щ ЩИш
14/03У2000
[Production Report gif
Рис. 4.25. Модули системы автоматического управления ж ания сухого продукта, получаемого в ходе нескольких последу ющих циклов. Напротив, стремление к стабилизации влагосодер ж ания кека при растущей толщине осадочного слоя вызовет спад производительности. Кривые, характеризую щ ие зависимость этих двух параметров от толщины кека, в большинстве реальных случаев нелинейны и индивидуальны для каждой суспензии. При разделении суспензий на пресс-фильтрах на толщину кека можно повлиять тремя способами: продолжительностью стадии по дачи суспензии; величиной давления при диафрагменном п рес совании и продолжительностью стадии продувки. Как показываю т исследования, наиболее ощутимый результат достигается при изм е нении продолжительности подачи суспензии. На пресс-фильтрах более ранних моделей система автоматичес кого контроля толщины кека отсутствовала. Операторам приходи лось вручную контролировать этот параметр, что доставляло значи тельные неудобства и не позволяло получать кек постоянного ка чества. Один из таких фильтров в свое время был установлен на свин цово-цинковом комбинате в городе Пиллара (Западная Австралия). И з-за сильного колебания плотности пульпы цинкового концентрата автоматическая система ее подачи в пресс-фильтр не справлялась со своей задачей, вызывая изменение толщины получающегося после прессования кека. 243
В течение первых 18 месяцев работы пресс-фильтров регули рование продолжительности ф ильтрования велось вручную и зависело исключительно от опыта и расторопности операторов. Пытаясь реш ить возникш ую проблему, инж енеры компании «Larox» провели дополнительные исследования и разработали спе циальную программу контроля толщины слоя кека. Результаты лабораторных испытаний показали, что оптимальная толщина кека при фильтрации пульпы цинкового концентрата составляет 45 мм. Это значение в качестве эталонного заложено в программу конт роля толщины кека, и по окончании каждого цикла прессования текущ ая толщина кека сравнивается с ним. Величина отклонения этой величины поступает в вычислительное устройство, которое определяет продолжительность последующего цикла фильтрования. Установка новой программы автоматического контроля позво лила стабилизировать толщину кека, сведя амплитуду колебаний до 1 мм.
4.6. Технико-экономические показатели п р ессфильтров Larox Как у ж е отмечалось, концентраты обогатительных ф абрик обезвоживаю тся обычно по укороченной программе, состоящей из четырех основных стадий. Так как промывки при этом не требуется, следовательно, исключается второе диафрагменное прессование и продолжительность цикла в целом значительно сокращается. Тех нология фильтрации по укороченной программе во многом ана логична технологии полной программы с промывкой кека, но име ются и некоторы е особенности: — чаще используются фильтрационные камеры большей вы соты (60 —75 мм); — питание пульпой обычно проводится с заполнением филь трационных камер на 80 —85 %; — пульпы, как правило, имеют более высокое содержание твер дого, поэтому продолжительность стадии питания существенно короче; — удельная производительность фильтрации по сухому про дукту выше вследствие меньшей продолжительности цикла; — остаточная влажность кеков при обезвоживании концен тратов обогащения ниже, чем при обезвоживании продуктов ме таллургических и химических предприятий, содерж ащ их тонко дисперсные, коллоидные включения. Остаточная влажность кека в значительной степени опреде ляется продолжительностью сушки продувкой воздухом. При ж ела нии можно получить очень сухой кек, однако это связано с большим расходом воздуха и, следовательно, с высокими эксплуатационными расходами, в первую очередь электроэнергии, что часто оказывается нецелесообразным (рис. 4.26). Поэтому ещ е при лабораторном тес244
Остаточная влажность кека после прессования
Прохождение воздуха сквозь кек Окончание эффективной воздушной сушки
/
6 “
3
с)
ИивИИим и Оптимальное время воздушной сушки
1 2
3 4
1 1 1 1 1 5 6 7 8 9 1
Продолжительность воздушной сушки (мин)
Рис. 4.26. Зависимость остаточной влажности кека от продолжительности его сушки продувкой воздухом тировании суспензии на фильтруемость требуемую остаточную влажность кека выбирают, исходя из продолжительности стадии сушки продувкой воздухом на производственном пресс-фильтре не более 2 —5 мин. Сравнительные энергетические затраты при проведении основ ных стадий фильтрации наглядно демонстрирую тся графиком на рисунке 4.27. Из граф ика следует, что на вывод более трети жидкости от общ его ее количества, происходящ ий во врем я заполнения ф ильтрационны х кам ер пульпой, затрачи вается всего 1 0 % электроэнергии. При диафрагменном прессовании на удаление почти половины всей жидкости расходуется только 15 % электро энергии, следовательно, эта стадия цикла характеризуется самыми малыми затратами. На остальную, всего лишь пятую, часть уда ляемой влаги расходуется до 75 % электроэнергии. Таким образом, стадию сушки продувкой воздухом, как самую дорогую, следует максимально сокращать, хотя полностью исключить ее не пред ставляется возможным. Перечисленные выше достоинства обусловливают быструю оку паемость пресс-фильтров Larox серии «М», а малые эксплуатаци онные расходы обеспечивают постоянный рост прибыли предпри ятия (рис. 4.28). На рис. 4.28 отрезок А С показывает затраты на приобретение пресс-фильтров Larox; отрезки АВ и CD — эксплуатационные расхо245
( I
Содержание твердого
Относительная степень обезвоживания
93 %
Воздушная сушка кека 88
100
%
4.7. Примеры использования пресс-фильтров Larox
( Энергия )
Китай. Производство никеля 82 % %
'
2,55
Диафрагменное прессование 35 %
75 % -
Время на разгрузку
Фильтрация Содержание твердого J -65
75 %
/о I I I Г
Т Т
0 % ~1— I-
0 1 2 3 4 5 6 7 8 910 Продолжительность цикла (мин)
15 % 0,34
10
%
3,40 кВт/ттвердого пР°ДУкта
Рис. 4.27. Энергозатраты на основных стадиях процесса фильтрации ды при использова нии соответственно пресс-фильтров Larox и любых дру гих фильтров; точки А и С соответствуют капитальным затра там на приобрете ние и установку фильтров; точка О отвечает равенству эксп луатаци онны х затрат и моменту начала роста п ри были у пользователя оборудования Larox; равенство отрезков е / и т п соответст вует моменту, когда пресс-фильтры Larox себя окупили, к примеру через два года (согласно гра фику). 246
млн Д О Л Л . 10
2 3 4 5 6 Продолжительность работы после ввода в эксплуатацию, лет
Рис. 4.28. Окупаемость пресс-фильтров Larox и обеспечение прибыли при их использовании
Джинчуанская корпорация цветных металлов (JNMC), филиал Китайской национальной корпорации цветных металлов (CNMC), является основой никелевого и кобальтового производства Китая, а такж е рафинирования платиноидов. Ее годовой оборот составляет более трех миллиардов ю аней (примерно 364 млн. долларов США). Целевой продукт JNM C — никель, попутные продукты: медь, ко бальт, золото, серебро, металлы платиновой группы, соли никеля, меди, кобальта и др. Расположенный в пустыне Гоби Джинчуан является никелевой столицей Китая уж е более 40 лет, с момента его основания. Его годовая мощность по никелю составляет порядка 40 тыс. т, а суммарное производство меди, кобальта и металлов платиновой группы — около 2 0 тыс. т. Комбинат располагает двумя обогатительными отделениями, подготавливающими сырую руду к переплавке. Поступающая на обогащение руда подвергается измельчению, флотации и обезвож и ванию. Получаемые промпродукты (никелевый и медный концен траты) направляются далее в плавильный цех в печь факельной плавки. Общая производительность отделений обогащения дости гает 10,5 тыс. тонн руды в сутки. Одно обогатительное отделение вступило в строй после первой очереди строительства комбината Джинчуан и было ориентировано на п ереработку н изкосортной руды шахты Аонгшоу. Второе отделение, введенное на второй стадии строительства, предназна чалось для высококачественной руды шахты № 2 и смеси вы сококачественной и низкосортной руд шахты Лонгшоу. Н изкосорт ная часть концентрата поступает на завод для дальнейшей суш ки и плавки в электропечи, в то время как высококачественная часть концентрата направляется на завод непосредственно на взвеш ен ную плавку. В первом обогатительном отделении работаю т лен точные вакуумные фильтры, во втором отделении используется Larox. П ри п роекти рован ии второго обогатительного отделения рассматривались различные варианты аппаратурного оформления операции фильтрации. Согласно предварительным расчетам уста новка ленточных фильтров на стадии фильтрования не оправдывала себя. Качество получаемого кека не удовлетворяло требованиям, предъявляемым к концентрату, поступающему в печь факельной плавки. Помимо ленточного фильтра рассматривались и другие ва рианты. Для улучшения фильтруемости в суспензию вводились р аз личные добавки (флокулянты). В июле 1986 года испытание фильтрации было проведено на Larox PF 0.1 Н2, который был размещ ен прямо в отделении 247
обогащения. В общей сложности было выполнено 77 опытов с тремя различными типами концентратов: высококачественным сллным концентратом второго обогатительного отделения cMecbnf высо соотньш оТ лны м И низкос°Р тного РУАных концентратов и низко сортным рудным концентратом первого обогатительного отделения Испытания показали, что влажность кека всех тпех тижт кпи центратов была ниж е требуемого 1 0 -процентного Х ВНГ а с о л еГ “ т е ^ с т в о в ^ е т ^ ™ 3 фильтрате было незначительным, о чем м оГ бьнь п п д Г п г ! ™ мутность. Таким образом, концентрат 0ЫТЬ подвергнут взвеш енной плавке без дополнительной ^выбросов Г СТаАИИ ПОАСушки к исчезновению S*0 2 и ЗАНеНИе пыли, содерж ание которыхпРивел« в покидающих сушилы у Г в^ан и ™
СТЗЛ° СТОЛЬ НИЗКИМ' ЧТ°
Н6
подлежало эффективному
Lar° X PF С ленточным фильтром, работавшим в п ер вом обогатительном отделении, показало, что пресс-фильтр вГвое превосходит ленточный вакуум-фильтр по производительности я влажность осадка у пресс-фильтра на 8 % ниже. езультаты испытаний убедили руководство тмклр л г пресс-фильтры Larox PF * еРЗ° НаЧаЛГ пресс-фильтр Larox Midimax PF 25 был установлен ™ром обогатительном отделении для фильтрации высококачест венного рудного концентрата (рис. 4.29). Еще четыре фильтра той ж е модели были заказаны чуть позднее
ю ч
"
тонн концентрата в сутки. В столь жестком ритме многое
Г
в
д
=
^
стигаются, приведены ниже. Массовая доля твердого в пульпе, % Преобладающий класс крупности Давление, ат: фильтрования прессования продувочного воздуха Продолжительность, мин: фильтрации прессования продувки разгрузки всего цикла Количество полных циклов за день
70 аи /о
После установки пресс-фильтров затраты на ^
з_е що 8,0
2,0 2,0 2,0 4 ,о
ю 120
т о
н н
у
тельной подсушки кека. Россия. Производство медно-никелевого концентрата С хема обогащ ения
упомПиР= Д С ТВ 0 Ажинчуан явл яется непрерывным. К ак уж е упоминалось, мощность отделений обогащения составляет около
? а ^ Т с " и е
с е £ . в процессе обжига »■
высокое содерж ание серы в обжиговых газах, что существе
^
а аетко“ Г н " т Г Х ? н " » н Н и ° Л ' проводится рекоиструкц™
технологической схемы получения медно-никелеконцентрата Конечная цель проводимой модернизации гп злагае экономически выгодной технологии производства медно-
с у ш
е с т в Х е й
обезвож ивание медно-никелевого концентрата. .т . обезвож ивание м д «печенганикель» в октябре 2 0 0 1 года бината^жин™ан°(КШ5)КаЯ 248
ВТ° Р ° Г0
обога™ > н о г о отделения ком-
и я „ в а £ 2002я^
“ пущены в работу два автоматических пресс249
фильтра Larox PF с площадью фильтрации 96 м 2 каждый (рис. 4.30). Назначение данных фильтров на первом этапе модернизации — об езвож и вани е м едно-никелевого кон ц ен трата до остаточной влажности, достаточной для получения окатыш ей без досушки кека в сушильных барабанах.
Рис. 4.30. Пресс-фильтр Larox PF в цехе обжига комбината «Печенганикель»
Китай. Производство меди Джинлонгская медная корпорация, одно из крупнейш их пред приятий Китая, образована в 1993 году. В ее состав вошло несколько китайских м еталлургических и горнодобы ваю щ их компаний. Основной продукцией корпорации являются катодная медь (около 100 тыс. т в год) и серная кислота (около 375 тыс. т в год). При производстве меди и серной кислоты образуется большое количество вредных веществ, основными загрязняю щ ими прим е сями являются свинец и мышьяк. Эти компоненты снижаю т ка чество готовой продукции, ухудшают состав сточных вод. Очистка вредных стоков на Джинлонге ведется по четырехстадийной схе ме — удаление свинца из оборотной кислоты, формирование гипса, осаждение меди и нейтрализация стоков (рис. 4.31). Поступающая на очистку оборотная кислота подается в сгусти тель, ниж ний слив которого направляется на пресс-фильтр для разделения. Загрязняю щ ие прим еси (главным образом P b S 0 4) остаются в отжатом осадке, в то время как фильтрат далее подается на стадию формирования гипса. В процессе получения гипса очи щ енная кислота реагирует с гидроксидом кальция с получением раствора C aS 0 4-2H20 . После обезвоживания в сгустителях и центри фугах гипс приобретает товарный вид. Фильтрат ж е поступает на стадию осаждения меди, где кислая реакция приводит к образо ванию осадка CuS, который отделяют от жидкой ф азы в сгустителях и на пресс-фильтрах. Далее CuS направляется в печь факельной ^Оборотная
Пресс-фильтры установлены на отметке 26,5 м и оснащ ены двухскоростными приемными конвейерами для обеспечения н е прерывной подачи кека для окатывания на чашевых грануляторах. Пресс-фильтры логически связаны между собой, что позволяет сни зить количество единиц вспомогательного оборудования (баковой аппаратуры, насосов), обеспечивающего непрерывную работу филь тров. Программируемый логический блок пресс-фильтра Larox управляет работой всего дополнительного оборудования фильтраци онного отделения и координирует ее. М одемная связь с централь ным офисом компании «Larox» (Финляндия) позволяет эффективно на расстоянии корректировать работу пресс-фильтров и всего от деления фильтрации. П рактика эксплуатации пресс-фильтров Larox в цехе обжига комбината «Печенганикель» показывает, что при всех колебаниях свойств фильтруемой пульпы пресс-фильтры Larox обеспечивают стабильные технологические показатели. Работая с цикличностью 15 мин, два пресс-фильтра достигают производительности 65 — 70 т /ч по сухому продукту при влажности получаемого кека 9 ,5 -1 0 ,5 % .
250
Вода
Рис. 4.31. Схема очистки вод медного производства на заводе Джинлонгской корпорации 251
плавки. В состав шлама, образую щегося на этой стадии, входит мышьяк в виде As 2S3. После добавления Na2S шлам поступает на пресс-фильтр, в котором формируется мышьяковый кек, идущий на последующую переработку, а фильтрат подвергается нейтрализа ции. Последней придается повышенное значение, т. к. от ее э ф фективности в конечном счете зависит безопасность и чистота сточных вод. Перед поступлением на стадию нейтрализации филь трат повторно очищ ается от соединений мыш ьяка и меди. О без зараж ивание фильтрата мышьяковой суспензии производится с применением оксида кальция. Со стадии нейтрализации выходит сильно разбавленны й фильтрат, безопасны й для окруж аю щ ей среды. При выборе оптимального варианта аппаратурного оформления процесса фильтрации Джинлонгская корпорация рассматривала пресс-фильтры японского производства и компании «Larox Оу». Сравнение показало, что при фильтрации одних и тех ж е растворов установки Larox PF дают лучшие результаты. Их преимущества: более сухой кек, более чистый фильтрат, полная автоматизация и большая вместимость. Последнее преимущество и стало решающим. Первоначально планировалось закупить три камерных фильтра — два с фильтрую щ ей поверхностью 128 м 2 для медного концентрата и один с фильтрующ ей поверхностью 60 м 2 для свинцового. П ро веденные в П екине испытания на лабораторной пилотной установке Larox PF 0.1 показали, что при фильтрации пульп Джинлонга до статочно иметь 10 м 2 фильтрующ ей поверхности для медного и мышьякового кеков и всего 1 м 2 для свинцового. На основании результатов испытаний и данных анализов кека и фильтрата, полученных на лабораторном пресс-фильтре, корпора ция закупила два фильтра Larox Midimax PF 6.5 для фильтрации Таблица 4.7 Характеристики суспензий и показатели фильтрования Характеристики Преобладающее соединение Концентрация твердых частиц, г/л Концентрация H2S04, % Крупность твердых частиц Производительность по сухому осадку, кг/сут Удельная производительность, кг/(м 2-ч) Остаточная влажность, % Продолжительность цикла, мин Требуемая площадь фильтрования, м2 252
Конпентоат медный и цинковый мышьяковый P bso 4 CuS, As2S3 50 50 9,4 7,25 100 % —64 мкм 100 % —64 мкм 72 % —32 мкм 70 % —24 мкм 25 % —12 мкм 32 % —12 мкм 723 6135 32 15
25 50 15
1
10 ,2
21
медного и свинцового концентратов, а такж е один Larox M idimax PF 19 для об езвож и вани я м ы ш ьяковой пульпы. Ввиду вы сокой агрессивности суспензий пресс-фильтры были изготовлены из спе циальных коррозионно-стойких марок стали. На пресс-фильтров, работаю щ их на медном и свинцовом кон центратах, цикл разделения включает следующие стадии: предвари тельную фильтрацию —» фильтрацию -> первое прессование —> промывку кека -» второе прессование -» воздушную сушку —» уда ление осадка. Программа пресс-фильтра для разделения мышья кового шлама представляет собой последовательность операций: предварительной фильтрации -» фильтрации -» прессования -> воздушной сушки -» разгрузки. После установки пресс-фильтров Larox остаточная влажность осадков уменьшилась: до 2 1 % при фильтрации свинцового концен трата и до 50 % при фильтрации медного концентрата. Содержание A s 2S3 в фильтрате заметно сократилось, что снизило затраты на его очистку. Данные о показателях разделения суспензий на пресс-фильтрах Larox PF и характеристики фильтруемых пульп приведены в табл. 4.7. Австралия. Производство свинца и цинка Компания «Pasminco Ltd» — один из крупнейш их мировых поставщиков концентратов цинка и свинца, металлов и сплавов. Она управляет тремя подземными рудниками: Элура (Elura) и Брокен Хилл (Broken Hill) в Новом Ю жном Уэльсе и Розбери (Rosebery) в Тасмании (рис. 4.32). С 1995 года на рудниках Элура и Брокен Хилл работаю т авто матизированные пресс-фильтры Larox PF. Обе установки имеют общие особенности размещ ения и конструкции: — располагаются выше уровня пола; — отвод фильтрата происходит под действием силы тяжести, без использования насосов; — имеют специальные устройства для более эффективного слеж ения за очисткой тканей; — подключены к центральной системе управления, контроли рующей все стадии производства; — вспомогательное оборудование (например электроаппаратура и воздушные компрессоры) расположено так, чтобы упростить уход за фильтрами и защ итить их от пыли и коррозии; — помещения, где размещ ены фильтры, снабжены кондицио нерами воздуха для защ иты от перегрева и пыли. Рудник Элура Рудник Элура располагается вблизи города Кобар (Cobar), в 750 км к востоку от Сиднея. Рудник начал работать в ноябре 1982 года и в настоящ ее время производит около 1,1 млн. т руды 253
Рис. 4.32. Горные разработки «Pasminco Ltd» в Австралии ежегодно. Для обезвоживания флотационных свинцовых и цин ковых концентратов рудник Элура был первоначально оборудован семью пресс-фильтрами Larox. Фильтры обеспечили заводу выпол нение требований TML (Transport M oisture Limit) по предельному уровню содерж ания влаги при транспортировке, составляющему для цинкового концентрата 10 %, а для свинцового концентрата 7 %. С этого рудника, собственно, и началось использование пресс-филь тров в процессе переработки цинковых и свинцовых концентратов в Австралии. В 1994 году управление рудника приступило к плановому усо вершенствованию фильтрационной установки, направленному на уве личение ее производительности и прибыльности. Последнее предпо лагалось достичь путем вовлечения отходов руды в широкое промыш ленное использование и сокращения производственных расходов. С конструированная и построенная компанией «Larox Pty Ltd» (австралийским филиалом «Larox Оу») новая фильтрационная установка повышенной мощности предназначалась для обработки мелкодисперсного цинкового концентрата. В ию не 1995 года рудником была запущ ена в эксплуатацию и вторая из вновь при обретенных установок Larox. Обе фильтровальные системы были смонтированы на базе пресс-фильтра PF 84 А1 Н с программи руемым логическим микроконтроллером. 254
Каждая установка в настоящ ее время производит около шести тонн фильтрационного кека за один цикл. Всецело обеспечивая плановую производительность, фильтры имеют запас мощности в расчете на расш ирение производства. Загрузка фильтра концен тратом производится в соотношении 65 кг пульпы на квадратный метр фильтрующ ей поверхности с получением кека толщиной 27 мм при высоте камеры 45 мм. Технологические воды после промывки осадка и фильтроткани используются повторно в последующих циклах фильтрации. О без воженный кек выгружается на желобчатый конвейер, который передает его в примыкающий к зданию ангар для хранения. Из имевшихся на руднике семи старых установок Larox PF, предназначенных для фильтрации цинкового концентрата, были реконструированы и переоборудованы четыре. Три оставш ихся установки были демонтированы и теперь используются только на запасные части. Оставалось реш ить проблему сниж ения коррозионной актив ности цинкового концентрата, поступающего в пресс-фильтры. Для этой цели после определенной реконструкции были приспособлены два сгустителя (рис. 4.33). В нутренняя поверхность корпуса сгустителей была изготовлена из устойчивого к серной кислоте материала. Верхний слив направлялся в бетонные баки, располо ж енны е под сгустителями, и впоследствии повторно использовался для промывки цинкового концентрата. Новые фильтры PF 84 были установлены на третьем этаже здания, такж е реконструированного по специальному проекту с та ким расчетом, чтобы минимизировать эксплуатационные расходы и расходы на поддержание фильтров в работоспособном состоянии. После установки нового фильтрационного оборудования рас ходы на производство одной тонны концентрата цинка существенно снизились. Влажность продукта достигла 8,2 % по массе, что гораздо ниж е требований TML и позволяет сущ ественно сократить расходы на ж елезнодорож ны е перевозки.
Рис. 4.33. Пульпа цинкового концентрата после сгущения 255
Рудник Брокен Хилл Расположенный в малонаселенном районе с суровыми клима тическими условиями вблизи границы с Ю ж ной Австралией, в 1200 км от Сиднея, рудник Брокен Хилл производит свинец, цинк и серебро из массивного рудного тела, открытого в 1883 году Чарль зом Рашем. Рудник ежегодно перерабатывает 2,8 млн. тонн руды. Фильтрационный передел оборудован двумя установками Larox PF 60 А1 Н, пущенными в работу так же, как на руднике Элура, в ию не 1995 года. В отличие от рудника Элура, перерабатывающ его чрезвычайно мелкий материал, Брокен Хилл выпускает самые грубые в Австралии цинковые концентраты — крупностью 80 % класса более 95 мкм. Опыт работы этих рудников подтверждает хорошую гибкость процесса фильтрации под давлением. Реш ение о полной реконструкции отделения обезвоживания концентратов последовало вскоре после непредвиденных изменений во фрахтовых мероприятиях и распоряж ения руководства порта, из которого производится отправка продукции рудника потребителям, о строгом соблюдении требований TML. Для Брокен Хилл это озна чало, что за перевозку цинковых концентратов с содерж анием влаги более 8,4 % рудник должен выплачивать крупные штрафы. Вакуум ные установки, на протяж ении многих лет использовавшиеся ком панией, снизить влажность концентрата до этого значения не могли. После всесторонней оценки всех возможных вариантов аппа ратурного оформления фильтрационного передела и посещ ения различных австралийских и зарубеж ны х компаний аналогичного профиля руководство рудника Брокен Хилл приняло предложение «Larox». Н а их выбор повлиял тот факт, что «Larox» взял на себя полную ответственность за все работы, связанные с поставкой, монтаж ом и н астрой кой ф ильтрационной системы, а так ж е обучением обслуживающего персонала. От установки Larox требовалось точное соответствие всем перечисленным в спецификациях техническим условиям, начиная от монтажа электропроводки и заканчивая работами по окраске, и, преж де всего, безош ибочная работа фильтров в единой системе автоматизации, действующей на производстве (рис. 4 .3 4 ). Согласно результатам тестирования внедрение метода Larox обеспечивало остаточную влажность цинковых концентратов не более 7,5 % по массе, что на 10 % ниж е требований TML, и по зволяло исключить стадию термической сушки. К ек пресс-фильтров мож ет загруж аться непосредственно в вагоны для транспортировки в Порт Пирье и перевозки на плавильные заводы. Транспортные расходы, по произведенным оценкам, должны снизиться при этом на 300 тыс. австралийских долларов в год. Затраты на подсушку и временное хранение концентратов перед погрузкой на рудовоз сокращ аю тся на несколько процентов. Построенное и введенное в действие новое оборудование было подключено к автоматизированной системе управления техноло256
Рис. 4.34. Фильтрационная установка Larox на Брокен Хилл гическим процессом TDC-3000, контролирующ ей все операции по обогащению руды. Работая с цикличностью 8,25 мин, два фильтра Larox PF 60 легко справляются с нагрузкой выше 100 т/ч. Фильтры установлены на высоте 10 м над уровнем пола. Концентрат цинка выгружается на крытый конвейер для дальнейшего перемещ ения по синхронизированной с ним потоковой системе контроля и управ ления загрузкой производства. М ощный разгрузочный конвейер транспортирует материал к проему в стене здания и высыпает его в подаваемые под погрузку самосвалы и ж елезнодорожны е вагоны. Особая конструкция поточной линии, исключающая потребность в промежуточных бункерах, с программируемым логическим микро контроллером, является гордостью австралийской горно-металлур гической промышленности. Китай. Производство цинка Завод «Zhuzhou», специализирую щ ийся на производстве тяж е лых цветных металлов, был построен в 1956 году в провинции Хунан в городке с одноименным названием. Это одно из подразделений CNMC. Начиная с 1956 года, завод был одним из ведущих произво дителей цветных металлов в Китае. Сегодня он стал самым большим в стране производителем и экспортером свинца и цинка. Мощность завода составляет 10000 т меди, 70000 т свинца и 250000 т цинка в год. Кроме этого, продукцией завода являю тся попутные металлы, такие как золото, серебро, висмут и кадмий, и серная кислота. Получаемые на предприятии высококачественные цинк и свинец обладают государственными сертификатами качества и имеют ш ирокий сбыт как на внутренних, так и зарубеж ны х рынках. 257
С момента основания завода «Zhuzhou» переработка руды осу щ ествляется только гидрометаллургическим способом. Изначально завод был спроектирован в расчете на производительность по свин цу на уровне 100 тыс. т в год, а к 1994 году производительность возросла до 150 тыс. т в год. Частичная реконструкция завода в 1995 году позволила повысить выпуск цинка ещ е на 10 0 тыс. т/год. Одновременно возросло и производство серной кислоты — до 180 тыс. т/год. , До реконструкции 1990 года разделение продуктов, образую щихся при выщ елачивании Zn и ZnO в основном производственном процессе, осуществлялось с использованием процесса MDD, реа лизуемого в вакуумных фильтрах Мооге, дисковых вакуумных фильтрах и сушилках (рис. 4.35). В связи с ростом спроса на цинк в 1990 году цинковое про изводство завода «Zhuzhou» было расширено. Следующим шагом компании стала замена малопроизводительного и крупногабарит ного старого оборудования более вместительным и компактным. Сушка
Другой задачей являлось сниж ение себестоимости произВо цинка путем сокращ ения энергозатрат и ш траф ов за з а г р Д окруж аю щ ей среды. ту По мнению специалистов компании, простая модерц ЦЛ г- - А---— А^ — ----- ----------------------системы MDD не позволила бы выполнить эти требовациЛ ,VI Л эффективность последней оставляла ж елать лучшего. Для ее *'.« щения необходима площадь 2800 м2. На этой площадку VyVt лагались четыре сушилки, семь фильтров Мооге, восемь Д ц Д т Д вакуумных фильтров и 18 вакуумных насосов. Расчеты что установка нового оборудования потребовала бы вдвое ^ площади. Основные параметры системы MDD приведены в табл. 4 Параметры системы MDD Параметры
Агрегат
Moore-фильтр Плотность, г/л pH
Zn концентрат
Дисковый фильтр
Сушилка
Концентрация H2S 04, г/л Температура, °С Вакуум, мм рт. ст. Продолжительность цикла, мин Выход сухого кека, кг/(м 2'Сут) Плотность, г/л Температура, "С Вакуум, мм рт. ст. Влажность кека, % по массе Выход сухого кека, кг/(м 2-сут) Расход газа, м3/ч Исходная влажность кека, % по массе
7 5 -9 0 350-500 6 0 -9 0 600-800 1,8 - 2,0
7 5 -9 0 350-500 3 5 -4 0 1000-1500 1800-2500 13-16
3/>0 -¥ )
90 -.М 300 О" W 604
1000
10 -
t;
II
Сушка кека протекала с образованием больших объемов г. (9000—13000 л/ч), содерж ащ их 2 —4 г /л пыли, 4,38 % Н 2О г З65 S 0 3, 0,26 м г/м 3 F и 4,9 м г/м 3 H 2S. Н изкая концентрация перечцс А пых компонентов в отходящих газах сушилки не позволял^ Д л изводить очистку последних. Наносимый ж е этими выброса% довольно значителен, если учесть объем этих газов. П редприятие обратилось за помощью в реш ении npogA (фильтрации растворов цинкового концентрата к спец и али ст^ у тайских и зарубеж ны х компаний. После рассмотрения поступввДЛ| предложений завод «Zhuzhou» остановил свой выбор на фидвДй компании «Larox Оу» — единственном варианте, у д о в л е т в о р и л нсем требованиям производства. \\ Однако перед установкой пресс-фильтров было необход^ \ исследовать фильтруемость обеих суспензий с передела выцгД ^ Vi
V
На свинцовый комбинат
Рис. 4.35. Технологическая схема основного производства завода «Zhuzhou» 258
На свинцовый комбинат
Рис. 4.35. Технологическая схема основного производства завода «Zhuzhou» 258
Параметры
Moore-фильтр Плотность, г/л pH Концентрация H2S 04, г/л Температура, °С Вакуум, мм рт. ст. Продолжительность цикла, мин Выход сухого кека, кг/(м 2'сут) Дисковый Плотность, г/л фильтр Температура, °С Вакуум, мм рт. ст. Влажность кека, % по массе Выход сухого кека, кг/(м 2-сут) Сушилка Расход газа, м3/ч Исходная влажность кека, % по массе
Шлам от выщелачивания Zn ZnO 1,8-1,95 1
Агрегат
1,7-1,9
о
Сушка /~Т7— л
Таблица 4.8 Параметры системы MDD
Сп
Zn концентрат
Другой задачей являлось сниж ение себестоимости производимого цинка путем сокращ ения энергозатрат и ш трафов за загрязнение окружаю щ ей среды. По мнению специалистов компании, простая модернизация системы MDD не позволила бы выполнить эти требования, т. к. эффективность последней оставляла желать лучшего. Для ее разм е щения необходима площадь 2800 м2. На этой площадке распо лагались четыре сушилки, семь фильтров Moore, восемь дисковых вакуумных фильтров и 18 вакуумных насосов. Расчеты показали, что установка нового оборудования потребовала бы вдвое меньшей площади. Основные параметры системы MDD приведены в табл. 4.8.
СО
С момента основания завода «Zhuzhou» переработка руды осу ществляется только гидрометаллургическим способом. Изначально завод был спроектирован в расчете на производительность по свин цу на уровне 100 тыс. т в год, а к 1994 году производительность возросла до 150 тыс. т в год. Частичная реконструкция завода в 1995 году позволила повысить выпуск цинка ещ е на 100 тыс. т/год. Одновременно возросло и производство серной кислоты — до 180 тыс. т/год. До реконструкции 1990 года разделение продуктов, образую щихся при выщ елачивании Zn и ZnO в основном производственном процессе, осуществлялось с использованием процесса MDD, р еа лизуемого в вакуумных фильтрах Moore, дисковых вакуумных фильтрах и сушилках (рис. 4.35). В связи с ростом спроса на цинк в 1990 году цинковое про изводство завода «Zhuzhou» было расширено. Следующим шагом компании стала замена малопроизводительного и крупногабарит ного старого оборудования более вместительным и компактным.
7 5-90 350-500 6 0-90 600-800 1 ,8 - 2,0 75-90 350-500 3 5-40 1000-1500 1800-2500 13-16
15-20 4 5-90 350-500 90-120 300-400 1,7-1,9 75-90 350-500 3 5 -4 0 600-900 1000-1250 10-15
Сушка кека протекала с образованием больших объемов газов (9000—13000 л/ч), содержащ их 2 —4 г /л пыли, 4,38 % Н 20 , 365 м г/м 3 S 0 3, 0,26 м г/м 3 F и 4,9 м г/м 3 Н 2Б. Н изкая концентрация перечислен ных компонентов в отходящих газах сушилки не позволяла про изводить очистку последних. Наносимый ж е этими выбросами вред довольно значителен, если учесть объем этих газов. Предприятие обратилось за помощью в реш ении проблемы фильтрации растворов цинкового концентрата к специалистам ки тайских и зарубеж ны х компаний. После рассмотрения поступивших предложений завод «Zhuzhou» остановил свой выбор на фильтрах компании «Larox Оу» — единственном варианте, удовлетворявшем всем требованиям производства. Однако перед установкой пресс-фильтров было необходимо исследовать фильтруемость обеих суспензий с передела выщела259
чивания. Задача усложнялась тем, что состав, а следовательно, и свойства этих суспензий были непостоянны во времени. Сначала испытание фильтрации было проведено на пилотной лабораторной установке Larox PF 0.1 Н2 в китайском филиале компании, расположенном в Пекине. В ходе экспериментов те стировалось восемь различных по составу и свойствам суспензий. В общ ей сложности было поставлено 36 опытов с цинковой сус пензией и 37 опытов с гидросмесью второй ступени. В ходе экспе риментов выявлялась чувствительность системы фильтрации к и з менению шламовых свойств. С целью интенсиф икации процесса в суспензию перед подачей на фильтр вводили флокулянт АВ-0355. В ходе исследований было зафиксировано улучшение фильтруемости цинковых суспензий после добавки катионного флокулянта. Он оказал положительное воздействие на качество кека, приобретш его хорошую проницае мость и способность легко ломаться. П рименение АВ-0355 при фильтрации суспензии ZnO ощутимого эф ф екта не дало. Для обеспечения требуем ой производительности заводу «Zhuzhou» было рекомендовано приобрести шесть фильтров Larox M idimax PF 32: четыре — для цинковой гидросмеси и два — для суспензии ZnO, производительность по которой составляла 50 тыс. т/год. Три пресс-фильтра были произведены компанией «Larox»; другие три были изготовлены совместного компаниями CNM C и «Larox». Четыре фильтра Larox M idimax PF 32 для фильтрации цинковой пульпы были установлены в 1994 году. Работали они исправно и обеспечивали довольно высокую влажность кека. Опыт работы показал, что ключевым фактором, определяющим эффективность пресс-фильтров, была толщина слоя кека. Более длительная подача суспензии не приводила к росту производительности установок, вызывая возрастание остаточной влажности кека вследствие сни ж ения его проницаемости. Путем нескольких пробных фильтраций было установлено, что оптимальная продолжительность подачи со ставляет примерно 60 с. На этом специалисты «Larox Оу» не оста новились, продолжив свои исследования. Ими была произведена настройка клапанов высокого давления для подачи воздуха и промывной жидкости. Было предложено заменить фильтровальную ткань Tamfelt 2209 более подходящей к данным условиям тканью Tamfelt 2204. В ходе дальнейших испытаний была поставлена задача выявления влияния продолжительности отдельных стадий передела фильтрации, плотности и температуры суспензии на конечный результат фильтрования. Для определения характера влияния температуры суспензии на процесс фильтрации была поставлена серия экспериментов, в ходе которых тестированию было подвергнуто несколько образцов сус пензий завода «Zhuzhou». Испытания проводились при трех различ ных температурах (50, 60 и 70 °С) и при различной продолжи тельности стадий фильтрования, промывки и сушки. Анализ опыт260
П С 1 Л Д Ш 1 И Ы Л U U M J O A , 4 1 U оптимальными условиями являются: плот ность суспензии — 1900 к г/м 3, продолжительность фильтрования — 75 с, промывки — 800 с, воздушной сушки — 120 с. Результаты экспериментов приведены в табл. 4.9.
Таблица 4.9
Параметры Larox-процесса Параметры Плотность, кг/м 3 Содержание влаги, % по массе pH Температура, °С Производительность, кг/сут (по сухому продукту) Площадь фильтрования, м2 Полная мощность, кВт Раход энергии, кВт/т (по сухому продукту) Производительность, кг/(м 2 ч) Расход воздуха, м3/(м 2-мин) Общий расход воды за цикл, л Продолжительность, мин цикла подачи прессования промывки сушки разгрузки Влагосодержание кека, % по массе Толщина слоя кека, мм
Шлам от выщелачивания Zn Г ZnO 1900 57,9
1700 50,5
6,0
1,0
65 2400
70 3800
31,5 90 80 176
31,5 137,2 14,18 72 80 176
27
19
2
1 12 2 2
10 0 ,1 12 ,8 8
16 2
3 4 20
18
4 20 10
По итогам экспериментов на заводе «Zhuzhou» была проведена настройка пресс-фильтров Larox M idimax PF 32, способствовавшая увеличению производительности фильтров и улучшению качества получаемого продукта. По окончании работ четыре пресс-фильтра Larox стали выдавать приблизительно одну тонну кека за каждый цикл, соверш ая по 75 циклов в сутки. Так как эксплуатационные расходы Larox-процесса намного ниже, чем системы MDD, новая технология позволила заводу «Zhuzhou» экономить 4,59 млн. ю аней (557 тыс. долларов США) в год. Данные о финансовых затратах на разделение суспензий завода «Zhuzhou» на пресс-фильтрах Larox PF и дисковых M oore-фильтрах приведены в табл. 4.10. Высокая эффективность процесса Larox в сочетании с низкими эксплуатационными расходами, малой остаточной влажностью кека, автоматической регенерацией фильтроткани и полной автомати зацией работы оборудования полностью реш или на заводе проблему фильтрации. 261
Таблица 4.10 Сравнительные затраты на проведение процессов Larox и MDD Статья затрат Вода Газ Фильтроткань Электроэнергия Запасные части Итого
Larox PF тыс. тыс. долла юаней ров США 20,64 0,32 2 220 ,00 269,41 370,50 44,96 1180,47 143,26 2160,00 262,14 5960,61 723,38
Фильтр Moore тыс. тыс. долла юаней ров США 180,84 5560,90 550,55 3750,21 500,00 10560,1
21,95 674,87 66,81 455,13 60,68 1281,6
Россия. Производство цинка Челябинский электролитный цинковый завод (ЧЭЦЗ), осно ванный в 1935 году, является крупнейшим производителем цинка в России. Расположение завода в городской черте предъявляет к нему особо ж есткие требования по организации экологически безопас ного производства. ^ На ЧЭЦЗ с момента основания использовалась схема двухста дийного обезвож ивания остатков сернокислотного выщелачивания обожженного в кипящем слое цинкового концентрата отработан ным электролитом цеха электролиза цинка. На первой стадии осу ществлялась вакуумная фильтрация на дисковых фильтрах при тем пературе 6 0 - 6 5 °С с получением кека высокой влажности — 3 0 35 %. При этом, как известно, проводить отмывку водорастворимого цинка из кека на дисковом фильтре невозможно. На второй стадии выполнялась термическая сушка в барабанных сушилках с выбро сом в городскую атм осферу обжиговых газов, содержащ их ядо витый сернисты й ангидрид и пыль, включающую тяж елы е цветные металлы, селен и ртуть. Очистка от пыли, проводимая в электро фильтрах, и утилизация серосодержащ их газов в сернокислотном цехе не обеспечивали выполнения санитарных требований по охране атмосферы городской защ итной зоны. Указанные проблемы реш ает одностадийное обезвоживание цинкового кека путем фильтрации цинксодержащ их отходов серно кислотного выщелачивания цинковых огарков под давлением на пресс-фильтрах Larox. Данные фильтры обеспечивают получение сразу ж е сухих цинковых кеков с остаточной влажностью 17 —2 1 % без сушки в барабанных сушилках и снижаю т содержание водораст воримого цинка в кеках до 0 ,2 —1 ,0 % путем эффективной промывки цинкового кека внутри пресс-фильтра без его выгрузки, репульпации и повторной фильтрации. Ввиду отсутствия дополнительной термической сушки кека количество вредных выбросов в атмосферу снижается до предельно допустимых концентраций. Технологические показатели, полученные на опытной пилотной фильтрационой установке Larox PF 0,1, определили необходимость 262
приобретения для обезвож ивания цинкового концентрата двух про мышленных автоматизированны х с программным управлением пресс-фильтров Larox PF с поверхностью фильтрации 96 м 2 каждый и удельной скоростью фильтрации порядка 100 кг/(м 2-ч). Первый пресс-фильтр был пущен в работу в 1999 году, второй — в 2000 году. Для фильтрации и промывки свинцового кека в 2001 году на ЧЭЦЗ был поставлен третий автоматизированный с программным управлением пресс-фильтр Larox PF с поверхностью фильтрации 30 м 2 и возможностью ее расш ирения до 60 м2. В перспективе намечается приобретение четвертого полностью автоматизированного пресс-фильтра Larox PF для обезвоживания оксида цинка, улавливаемого из газов вельц-печей. Польша. Объединение «Польская медь» П редприятие «Рудна» корпорации «Польская медь» имеет крупнейш ие в Европе рудник и обогатительную ф абрику с годовым производством концентрата 667 тыс. т. М едная руда включает битуминозные сланцы, а подземные воды имеют высокую мине рализацию, поэтому флотационная пульпа является одной из самых труднофильтруемых, что выраж ается в следующем: — процесс сгущения протекает нестабильно из-за колебаний минерального состава и, соответственно, крупности помола, вызы вающих колебания плотности пульпы (1550—1800 г/л); — часто происходит переизмельчение; обычно крупность со ставляет 80 % класса —45 мкм, однако наличие мелкой ф ракции (2 —5 мкм) осложняет фильтрацию; — высокое содерж ание битума (8 —10 %) и солей — хлоридов и сульфидов (до 2 0 г/л), повышающих вязкость, затрудняет фильтра цию и вызы вает сильную коррозию технологического обору дования. «Рудна» начала функционировать в начале 1970-х годов. Для обезвоживания медного концентрата использовалась типичная двух стадийная схема — вакуумная фильтрации на 1 2 дисковых фильтрах с обеспечением остаточной влажности кека 22 —24 % и после дующая термическая суш ка в 1 2 барабанах со снижением влаж но сти до 8 % и расходом природного газа 33 нм3/ т концентрата. Использовавшаяся схема обезвож ивания требовала больших физических затрат на обслуживание, высоких расходов электри ческой и тепловой энергии и была сопряж ена с большим вы бросом с дымовыми газами пыли, содерж ащ ей тяж елые металлы (Си и РЪ). Перечисленные выше недостатки обусловили необходимость р е конструкции отделения фильтрации. М одернизация началась с установки в 1993 году первого автоматизированного с программным управлением пресс-фильтра Larox PF 132/144 (т. е. с возможностью расш ирения фильтрую щ ей поверхности со 132 до 144 м2), а два последующих аналогичных пресс-фильтра были пущены в эксплуа 263
тацию в марте и в июле 1995 года. В 2000 году был поставлен четвертый пресс-фильтр Larox PF 132/144. Установка пресс-филь тров проводилась без остановки работы существующего оборудо вания по обезвоживанию. Фильтрация под давлением на пресс-фильтрах Larox обеспечила следующие результаты: остаточная влажность кека — 1 2 , 5 %, удель ная производительность — 230 кг/(м 2-ч) по сухому продукту. Срок окупаемости фильтра составляет менее четырех лет. Финляндия. Производство талька Фильтрация под давлением получила ш ирокое распространение при переработке промышленных минералов. Она помогает ком паниям, специализирую щ имся на производстве талька, мела, апа тита и карбоната кальция, работать более эф ф ективно и с мень шими затратами. Дополнительным преимуществом этого процес са является высокий выход драгоценных металлов и минералов, обеспечиваемый благодаря более эффективной очистке исходного материала. Тальк наиболее универсальный и широко применяемый из всех промышленных минералов. Он используется в качестве н а полнителя или добавки в целлюлозно-бумажной промышленности, маш иностроении и других отраслях. Одним из лидеров мирового производства промышленного таль ка по праву считается компания «Finnminerals», являю щ аяся круп нейшим производителем этого вида продукции в Финляндии. В настоящ ее время компания осуществляет частичную реконструк цию производства, одной из составляющих которой является замена отслужившего свой срок оборудования новым, более совершенным. Обновление производственных фондов было реш ено начать с от деления обезвож ивания тальковой пульпы, бердичевские фильтры которого находились в наиболее плохом состоянии. Компания «Finnminerals» управляет двумя заводами. Один из них находится в Sotkamo, вблизи Kajaani, а другой — в Vuonos Outokum pu. Вместе они производят 300 тыс. т талька в год, большая часть которого находит применение в целлюлозно-бумажной про мышленности Финляндии. П римерно третья часть продукции идет на экспорт, в основном в страны Европы. Технология производства талька сравнительно проста и вклю чает всего четыре стадии: добычу тальковой руды, измельчение, флотационное обогащение и обезвож ивание талькового концен трата с получением товарного талька (рис. 4.36). Тальковая руда добывается открытым способом и поступает в отделение измельчения, где подвергается дроблению и мелкому помолу. Измельченная руда подается в смесители, где смешивается с оборотными водами отделения обезвоживания. Полученная в результате смеш ения тальковая пульпа подвергается обогащению во флотационном отделении. Флотационный тальковый концентрат 264
Рис. 4.36. Технологическая схема получения талька на заводе «Sotkamo» далее обезвоживается на фильтрах, сушится, упаковывается и от правляется заказчику. Очевидно, что в такой технологической цепочке доля затрат, приходящихся на обезвож ивание концентрата, в общем их объеме чрезвычайно велика. Поэтому к фильтровальному оборудованию, эффективность работы которого определяет производительность и остаточную влажность талькового концентрата, а следовательно, и последующие затраты на его сушку, предъявляются высокие тре бования. Изначально в отделении обезвож ивания талькового концентрата на заводе «Sotkamo» были установлены бердичевские фильтры, вполне удовлетворявш ие действую щ ем у процессу. О днако с 1987 года руководство завода стали всерьез беспокоить растущие расходы на техническое обслуживание оборудования, предвещ ав шие в скором будущем недопустимо высокие цены на ремонт фильтров. Вдобавок, последние уж е давно были сняты с серийного производства и найти запасные части к ним представляло не меньшую проблему. Было принято реш ение начать поиск новых методов обезвож ивания и более современного фильтровального оборудования для замены существующих фильтров. Выбрать подходящий для обезвож ивания талькового концен трата фильтр — дело не из легких, ведь тальк — это сложный для фильтрования минерал, поскольку имеет пластичную структуру и чрезвычайно мелкий разм ер частиц. Фильтры, работавш ие на за воде ранее, имели производительность около 2 0 0 кг/(м 2-ч) и обес печивали влажность кека 17 —20 %. Руководство завода рассчиты-
вало подобрать фильтр, способный снизить влажность кека до 15 % при большей производительности. Компания «Larox» предложила испытать на заводе «Sotkamo» свой новый пресс-фильтр Larox PF 32. Тестирование пульпы талькового концентрата на фильтруемость было проведено на лабораторной установке Larox PF 0.1 Н2 с пло щадью фильтрования 10 см2. Уже в ходе предварительных опытов содерж ание влаги в тальке было снижено до 14 %, а производительность процесса возросла до 275 кг/(м 2-ч). Дальнейшие лабораторные испытания позволили до вести производительность до 350 кг/(м 2-ч) без потери в качестве продукта, в то время как компанию «Finnminerals» вполне устраи вали даж е предварительные результаты (табл. 4.11). Таблица 4.11 Сравнительные показатели фильтрации талька Показатели Остаточная влажность кека, % Производительность, кг/(м 2-ч)
Прежний фильтр 17-20 200
Лабораторный фильтр Larox Новый фильтр Larox PF 32 PF 0,1 13-14 275-350
< 14 320
На заводе «Sotkamo» было установлено два пресс-фильтра Larox PF 32. Первый из них был доставлен в марте 1989 года. В течение первых шести месяцев эксплуатации он поддерживал содержание влаги в кеке ниж е 14 % при производительности по сухому продукту на уровне 275 кг/(м 2-ч). О пираясь на статистические данные по фильтрации, собранные за полгода работы установки, специалисты компании «Larox Оу» вы вели фильтр на производительность 320 кг/(м 2'Ч) по сухому про дукту. По утверждениям компании «Finnminerals», каж ущ ееся незна чительное сниж ение содерж ания влаги на самом деле серьезно сказалось на себестоимости товарной продукции. После оконча тельного обезвож ивания тальк представляет собой тонкий порошок, который поставляется в любой удобной для заказчика форме: в виде гранул, порош ка или гидросмеси. Обслуживаю щий персонал фильтра PF 32 отметил его высокую надежность, что побудило компанию «Finnminerals» заказать ещ е один фильтр, который и был поставлен в 1990 году. Ю жная Америка. Производство силикатов Завод «Glassven» в Венесуэле является одним из наиболее круп ных производителей натриевых силикатов в Центральной и Ю жной Америке. Большая часть произведенной на «Glassven» продукции продается там же, кроме того, у компании есть заказчики в 2 2 266
странах, в том числе в Европе и Австралии. Покупателями про дукции «Glassven» являю тся предприятия химической, целлюлознобумажной, керамической, строительной, нефтяной, каучуковой и металлообрабатывающей промышленности. Среди заказчиков есть такж е производители шин, обуви, промышленной резины, запасных деталей для машин, сухой штукатурки. Натриевые силикаты производятся плавлением кальцинирован ной соды (Na 2C 0 3) и кварцевого песка (S i0 2) при высоких тем пе ратурах в печи прямого нагрева, а образовавш ийся расплав посту пает на конвейер чугунного литья, застывая в виде стеклянных глыб. В дальнейшем куски силиката переводятся в форму раствора (запа ривание под давлением), подлежащего фильтрации для удаления нерастворимых примесей и введению специальных добавок в соот ветствии с техническими условиями на различные виды натриево силикатной продукции. Готовой продукцией производства являются сам силикатный раствор или тонкодисперсный сухой порошок, полученный после распылительной сушки раствора. Передел фильтрации должен обеспечивать надежное отделение соединений натрия от гидрогеля. Для этих целей на протяжении ряда лет компания «Glassven» использовала фильтр PF 19 С1 про изводства «Larox». Поскольку деятельность компании расширялась: стали поступать заказы из Австралии, М ексики и Тайваня, в 1987 году было принято реш ение о приобретении нового, более мощного пресс-фильтра PF 32 В1, который был поставлен в том ж е году, а в феврале 1991 года начал свою работу (рис. 4.37). Новая установка была за креплена на стальных брусьях на высоте 1 , 2 метра от уровня пола рядом со старым фильтром PF 19 С 1. Дополнительное оборудова ние разм ещ ено в непосредст венной близости от фильтра. Станция напорной воды, р езер вуар и насос с жидкостью для промывки осадка, насос и р езер вуар для суспензии, насос и р е зервуар с жидкостью для про мы вки ткани установлены на одном уровне, на пять метров ниж е фильтра. Устройство пода чи сжатого воздуха на сушку кека расположено на том ж е уровне, что и фильтр. Труба питания дополнитель но оснащ ена сеточным ф иль тром, выполненным в виде кор^ис- 4-37- Пресс-фильтр Larox PF на заводе «Glassven». Разгрузка кека 267
зины, для улавливания более крупных частиц. Система подачи пульпы на фильтры общая, поэтому насос и резервуар для суспен зии используются и новым, и старым напорными фильтрами. Раз грузка сухого кека производится на продольный ленточный кон вейер, затем он пересыпается на поперечный конвейер, а с него — на винтовой конвейер, находящийся под старым фильтром. Схема производства силикатной продукции после установки прессфильтров Larox представлена на рис. 4.38. С те к л я н н ы е .
Растворимый порош ок
Рис. 4.38. Технологическая схема производства силикатной продукции на заводе «Glassven»
В перспективе «Glassven» планирует установить ещ е один фильтр PF 32 В1, что позволит продолжить наращ ивание произ водственных мощностей. США. Производство золота Золотосодержащ ие концентраты — весьма специфический про дукт. Они обладают довольно низким содержанием металла, по этому предприятия по их переработке создаются вблизи рудников и обогатительных фабрик. П еревозка их на большие расстояния эко номически себя не оправдывает. 268
Ряд ам ериканских компаний («Austin Gold Venture», «Pegasus» и «Cannon»), заинтересованны х в расш ирении производства золото содержащего концентрата, а следовательно, и рынков сбыта, реш ил переломить эту тенденцию. Они пришли к выводу, что сниж ение влажности концентрата золота позволит значительно сократить затраты на его транспортировку, а значит, повысить его конкурен тоспособность на удаленных рынках. Эксперименты на действующем оборудовании показали абсо лютную его неспособность обеспечить требуемые показатели р аз деления. Было принято реш ение о замене устаревш его фильтрационного оборудования современным. Свыше 90 % выпускаемого на заводе «Austin» золота произ водится по флотационной технологии. Флотация позволяет отделять золото от пустой породы и полиметаллических руд. Флотационный концентрат поступает в сгустители, а оттуда направляется в ваку умные фильтры. Производительность завода составляет около 50 т готового продукта в сутки. О безвож енны й концентрат перевозится на отдаленную площадку, где плавится в печи с получением пер вичного чернового слитка. Современная тенденция получения золота как основного про дукта по флотационной схеме обусловила применение фильтрации под давлением по методу Larox. Фильтрация концентратов, особенно драгоценных металлов, является важной частью флотационного процесса. Старое вакуумное оборудование на заводе «Austin» работало с низкой эффективностью: имело очень низкую производительность, н и зк и е показатели разделени я и вы сокие эксплуатационны е расходы. Качество кека, полученного в ходе тестирования пресс-филь тров Larox, оказалось значительно лучше, а влажность значительно ниже, чем на вакуумных фильтрах. После модернизации производства использовавшийся на пред приятии дорогостоящий двухступенчатый процесс обезвоживания, включающий в себя вакуумную фильтрацию и термическую сушку, был заменен процессом Larox. Дополнительным эф ф ектом такой реконструкции стало сокращ ение пылевых выбросов на стадии сушки, требовавш их организации системы пылеулавливания. Фильтрация под давлением дала возможность снизить влаж ность золотосодержащих концентратов с 50 до 10 % по массе. Трудности с организацией фильтрационного процесса испы тывают и многие другие ам ериканские золотодобывающие рудники. Высокая прочность породы и связанны е с этим тяж елые условия использования горных маш ин обусловливаю т необходимость обильного увлажнения контактирую щ их с твердой породой частей оборудования. Добытую в шахте рудную крош ку поднимают на поверхность и складируют в кучи, из которых в течение весьма продолжительного времени происходит дренирование влаги. Одно 269
временно с удалением воды из отвалов твердая порода в них уплотняется и к окончанию подсушки снова превращ ается в проч ный монолит. Такой способ организации процесса обезвож ивания заведомо нерентабелен. Во-первых, поднимать из шахты, с глубины несколько десятков метров, концентрат, содерж ащ ий до 50 % воды, весьма расточительно. Во-вторых, спрессовавш иеся куски концентрата из отвалов приходится вновь дробить, что такж е требует затрат энер гии. В-третьих, дренирую щ ая из куч вода вместо возврата на производство уходит в грунт. В последнее время стали практиковать кардинально иной способ обогащения концентратов. Суть его состоит в том, что добытую руду не поднимают на поверхность, а начинают обогащать уж е под землей, на подземной обогатительной фабрике. На поверхность в этом случае поднимают только концентрат первичного обогащения, а пустая порода отвозится в неиспользуемые ш треки и складируется там. Вполне понятно, что при шахтном обогащении руды ее обезвож ивание нельзя осуществлять по той ж е технологии, что и на поверхности. Вакуумное оборудование для переработки таких материалов мало приспособлено. Ф ильтры под давлением, характеризуемые более высокими показателями фильтрации и большей удельной производительностью, напротив, вполне подходят для этих целей. Очевидно, что использование на подземных обо гатительных ф абриках автом атизированны х пресс-ф ильтров с горизонтальными камерами может дать значительный эффект. В частности, установка в 1986 году на руднике Asamera, при надлежащ ем компании «Cannon», фильтрационной системы Larox PF 19/25 обеспечила содерж ание влаги в концентратах в пределах от 15 до 18 %, что ниж е предела влажности в 21 %, установленного требованиями TML для данного вида продукции и оказавш егося непреодолимым для вакуумных фильтровальных систем. Производи тельность шахты после установки нового оборудования выросла на 95 %. Это избавило компанию «Cannon» от выплаты ежемесячных ш трафов за нерациональное природопользование и помогло руд нику Asamera выйти из затруднительной финансовой ситуации. Фильтрация под давлением совершила переворот в технологии обогащения, позволив создавать рудные обогатительные ф абрики прямо под землей, что сущ ественно снизило затраты на доставку концентрата на поверхность. ЮАР. Производство платины В последние годы потребность в платине вследствие н е стабильности ее поставок и роста спроса на ювелирные украшения, автокатализаторы, электронику и на другие изделия неуклонно растет. В ЮАР платиновые месторождения были впервые обнаружены в 1923 году вблизи Naboomspruif и имели небольшие запасы. В 270
следующем году д-р М ане М еренски (Mans M erensky) нашел платиновые залеж и на ф ерм е M aandagshoek. В конце 1920-х годов открытая им платиновая жила стала известна как меренский золото носный пласт (M erensky Reef), содержащ ий слой плутонических пород, залегающих в форме ш ара и занимаю щ их площадь около 40 тыс. кв. км. Толщина меренского золотоносного пласта ко леблется от 0,2 до 1 м. Под золотоносным залегает платиновый слой толщиной от 0,5 до 2,5 м. М есторождения разрабатываю тся как открытым, так и закрытым способами на глубине до полутора тысяч метров. В меренском золотоносном пласте металлы платиновой группы содержатся примерно в следующем соотношении: 57 % Pt , 25 % Pd, 4 % Au, 1 % Ir, 8 % Ru, 1 % Os и 4 % Rh. В преобладающем количестве случаев платиноидам сопутствуют пирротины, пентландиты, пириты и, в меньш ей степени, ферроплатиновые сплавы. М инерализо ванные платиноиды можно встретить и далеко за пределами золо тоносного пласта. Рудники «Anglo Platinum», разрабатываю щ ие этот золотоносный пласт, по объему добычи платины являются крупнейш ими в мире. В 2 0 0 0 году объем добытой здесь платины превысил 2 ,2 млн. унций (рис. 4.39). Тогда ж е компания объявила о своем намерении у ве личить производительность на 75 % в течение последующих пяти лет. Часть роста производительности обеспечат новые рудники, а часть — ликвидация трудноразрабатываемых участков преж них ко пей. Платиновые руды «Anglo Platinum» перерабаты ваю тся в окрестности Бушвелда (Bushveld). Оттуда концентраты свозятся безрельсовым транспортом на плавильный завод в Руштенбург (Rustenburg), расположенный в 400 км от рудников. В Бушвелде платиноиды обогащаются посредством флотации сульфидов металлов, хотя из некоторых руд выделение металлов платиновой группы осущ ествляется гравитационными методами. Пирротин — основной сопутствующий минерал платиновых руд ю жноафриканского месторождения. Флотационное обогащение та кой руды имеет крайне низкую эффективность. Кинетика флотации пирротина очень низка, поэтому на флотацию затрачивается очень много времени и сил. О на состоит из основной операции и мно гочисленных перечисток, без которых невозможно достичь требу емого качества концентрата. Процесс ведется с применением р аз личных флотореагентов и депрессантов, способствующих удалению пирротина, талька, хромита и пустой породы, которые негативно сказываю тся на качестве продуктов дальнейшей плавки. Полученные флотационные концентраты поступают в сгустите ли, а из них на фильтрационный передел для максимального сни ж ения влажности. Влажность концентрата является важнейш им фактором, определяющим расходы на его транспортировку в Руш тенбург, а такж е величину энергозатрат на термическую сушку. Сухие флотационные концентраты подвергаются плавке на штейн. Сульфидный медно-никелевый штейн, насыщ енный метал271
Производство
|
Импала (Ю АР)
ЩАмплатс (Ю АР)
Q Сев. Америка
□
Другие
Н Вторсырье
И
В
Аквариус (Ю АР)
И Норфам (ЮАР)
Россия
Потребление
И
Автокаталитич.
Ц Химическая
О
Зубоврачебная
П
Электронная
|
|
Стекольная
|
Инвестиции
(Щ Другие
Ювелирная
Рис. 4.39. Поставки и потребление палладия и платины в 2000 году:
лами платиновой группы, поступает на гидрометаллургический передел, где платиноиды окончательно очищаются от примесей и разделяются. Представительство компании «Larox» в ЮАР тесно сотрудни чало с «Anglo Platinum», помогая комбинату оптимизировать про цесс обезвож ивания флотационного платинового концентрата. Различия минерального состава руд подземных и открытых раз работок, поступающих из разны х участков месторождения, ока зываю т значительное влияние на фильтрационные характеристики концентратов. Компания «Larox» провела тестирование на фильтруемость концентратов со всех рудников и карьеров, а такж е все 272
возможных рудных смесей. Исследования дали обнадеживаю щ ие результаты. П ервы й пресс-ф ильтр Larox начал ф ункционировать на «Potgietersrus Platinums» в 1998 году. Он предназначался для обез воживания труднофильтруемых концентратов с низким содерж ани ем платиноидов. Фильтр обеспечил получение концентрата влаж ностью около 11,5 %. В декабре 1999 года другой пресс-фильтр Larox был пущен на «Bafokeng Rasimone» — одном из рудников «Anglo Platinum». Вна чале фильтр предназначался для обезвож ивания концентратов из руд, добытых открытым способом. Однако после открытия подзем ного рудника планируется перепрофилировать его на обезвож ива ние платиновых концентратов из руд меренской жилы, добытых под землей. По предварительным оценкам, скорость фильтрации фло тационного концентрата меренской рудной жилы может быть в шесть раз выше, чем концентрата из карьеров. Два других пресс-фильтра Larox в апреле 2000 года пришли на смену вакуумным барабанным установкам на обогатительной ф аб рике «Amandelbult» — мощном производственном комплексе, куда свозится руда с нескольких рудников. За один месяц фабрика «Amandelbult» пропускает через себя приблизительно 360 тыс. т сырья из меренской рудной жилы, 130 тыс. т с расположенного вблизи нее месторождения U.G.2 и 28 тыс. т руды, добытой откры тым способом. Полученные из этих руд платиновые концентраты обезвоживаю тся на пресс-фильтрах Larox до содерж ания влаги менее 1 2 % и доставляются безрельсовыми видами транспорта в Руштенбург. В начале 2001 года компания «Anglo Platinum» заказала ещ е три автоматических пресс-фильтра Larox для своих ф абрик «Waterval» и «M aandagshoek». Ю ж ноафриканский офис «Larox» в М идранде (Midrand) распо лагает складом запасных частей для пресс-фильтров и осуществляет комплексное техническое обслуживание пресс-фильтров компании на «Anglo Platinum». О безвож ивание платиновых концентратов по системе Larox ве дется не только в ЮАР. Компания «Larox» поставляет свои фильтры на платиновые комбинаты «Mimosa» в Зимбабве, «Lac des Isles» в Канаде и «Stillwater» в США. Мексика. Производство оксида магния Для мексиканской компании «Quimica del Rey», занимаю щ ейся производством оксида магния, пресс-фильтры Larox стали единст венным спасением от неминуемого банкротства в связи со зн а чительным повышением цен на энергоресурсы в М ексике. Ком пания была вынуждена искать более эф ф ективны е средства обез вож ивания шлама М д(О Н )2, используемого при производстве магнезии, взамен вакуумных фильтров (рис. 4.40).
Рис. 4.40. Технологическая схема производства МдО на «Quimica del Rey» (Мексика)
Повышение цен на энергоресурсы ухудшило экономическое положение компании и вынудило ее руководство заняться модер низацией устаревш их вакуумных фильтровальных систем. Действовавш ие вакуум-фильтры позволяли снижать влажность шлама М д(ОН )2 не более чем до 42 %. На испарение этой влаги из шлама в зоне подсушки шахтной печи требовалось значительное количество энергии. Исследования известных методов фильтрации подтвердили н е возможность дальнейшего использования имеющихся на предпри ятии фильтров и бесперспективность их замены аналогичными вакуумными установками. В качестве альтернативы компания «Larox» предложила провести испытания своего лабораторного пресс-фильтра Larox PF 0,1 Н2, которые позволили бы оценить возможности промышленных пресс-фильтров этой серии. Фильтры Larox с лихвой оправдали возлагавшиеся на них н а дежды, обеспечив наименьшую влажность кека из всех рассматри ваемых вариантов. С одержание влаги в кеке пресс-фильтров соста вило 28 %. Подсчитав возможный экономический эф ф ект от вне дрения метода Larox, руководство компании «Quimica del Rey» при няло реш ение увеличить производственные мощности и установить в фильтрационном переделе восемь фильтров Larox PF 32 Bl. Благодаря этому потребление газа в печи Herreshoff снизилось на 20 % (рис. 4.41).
Сырьем для производства магнезии, как известно, служат доло мит и раствор МдС12 (хлорида магния). В ходе процесса доломит кальцинируется и увлажняется водой, образующ ийся раствор со вместно с раствором хлорида магния направляется в реакторы, на выходе которых получают шлам гидроксида магния и раствор хло рида кальция. Целевой продукт — шлам М д(ОН )2 — подвергается обезвож и ванию по трехстадийной схеме, включающей сгущение, фильтра цию и термическую сушку. Последняя операция осуществляется в печи марки Herreshoff. В этом пирометаллургическом агрегате мож но условно выделить три тепловые зоны. В первой — низко температурной — зоне из осадка удаляется несвязанная (свободная) влага. Вторая — среднетемпературная — зона служит для удаления из гидроксида магния химически связанной влаги и получения МдО (оксида магния). Вблизи выхода из печи находится зона спекания, для которой характерны наиболее высокие температуры, позволяю щие производить агломерацию материала. Несмотря на кажущ ую ся рациональность указанной техноло гической схемы «Quimica del Rey», аппаратурная организация про цесса обезвоживания гидроксида магния ввиду низкой эф ф ек тивности и высоких энергетических затрат обусловливала низкую рентабельность производства.
Рис. 4.41. Пресс-фильтр Larox PF. Разгрузка кека МдО
274
275
Кроме того, установка вертикальных пресс-фильтров позволила сократить площади, занимаемые фильтрационным оборудованием, снизить потребление оборотной воды и свести к минимуму энерго затраты на саму фильтрацию, эксплуатационные расходы и затраты на замену фильтровальной ткани, увеличив срок службы последней. Польша. Утилизация скрубберного шлама Компания «Larox» начала свою деятельность в Польше в 1986 го ду. В то время была проведена серия пилотных тестирований на предприятиях, занимающ ихся добычей и переработкой цветных ме таллов: медеплавильных заводах «Glogow» и «Legnica», металлур гическом комбинате «Szopienice» и горно-металлургическом ком бинате «Boleslaw» (рис. 4.42).
В 1988—1993 годах в Польшу было поставлено семь промыш ленных установок Larox (табл. 4.12). Таблица 4.12 Поставки пресс-фильтров Larox в Польшу Предприятие «Legnica» «Glogow» «Akwawit»
В последующие годы исследования фильтрационных свойств различных шламов польских заводов продолжились на опытном заводе в городе Л аппенраанта в Финляндии. Число заказчиков пресс-фильтров к тому времени возросло. С заявками на прове дение исследований фильтруемости своих пульп обратились: — ферментационный завод «Akwawit» в Лежно; — содовый завод «Inowroclaw»; — химический завод «Poznan» в Любоне; — горно-металлургический комбинат «Boleslaw», где испытания проводились повторно; — сталеплавильный завод «Katowice»; — медный рудник «Rudna» и ряд других. 276
1 1 1 1
«Inowroclaw» «Boleslaw» «Rudna» «Trzebionka»
Рис. 4.42. Польша. География поставок фильтров Larox
Кол-во
1 1 1 1 2
Марка фильтра Larox Larox Larox Larox Larox Larox Larox Larox Larox Larox
PF 25/32 A1 PF 16.0/19.0 B2 PF 9.5/12.0 B2 PF 19.0 C2 CF 150 CF 150 PF 32 A1 H PF 32 A1 H PF 132/144 A1 H PF 32 Cl H
Год 1988 1988 1990 1993 1991 1993 1992 1993 1992 1993
Фильтры Larox нашли свое применение в нескольких отраслях польской промышленности. Это стало возможным благодаря корен ным изменениям в экономической политике Польши, взявш ей курс на защ иту окруж аю щ ей среды и сокращ ение энергопотребления. Такая политика создала отличные перспективы для расш ирения рынка фильтровального оборудования Larox. Медеплавильный завод «Legnica» был построен в 1950-х годах. С тех пор завод несколько раз модернизировался. Тем не менее металлургическая технология осталась почти неизменной. Медный концентрат, поступающий из близлежащих рудников, брикетиро вался и затем обрабатывался в шахтных печах до купферш тейна. Следующей стадией процесса было преобразование купферш тейна в конвертерах с ниж ней продувкой расплава в черновую медь, а такж е электролитическое и пламенное рафинирование. Особенности технологии и специфические характеристики медно го концентрата, производимого заводом «Legnica», сделали работу по следнего небезопасной для окружающей природной среды. Вследствие этого размер платежей и штрафов за нерациональное природополь зование, ежегодно выплачиваемых компанией, был довольно велик. Плавка руды в шахтной печи на купферш тейн сопровождается обильным пылевыносом. Обеспыливание отходящих газов осущ ест вляется в мокрых пылеуловителях. Как показываю т исследования, мокрое пылеулавливание в этом случае является единственным эф фективным методом очистки. Образую щ иеся скрубберные шламы могут быть возвращ ены в голову процесса, но, перед тем как подать их в пирометаллургический агрегат, во избеж ание нежелательных последствий их необходимо избавить от влаги. Скрубберные шламы представлены сульфидами свинца и цинка и содержат до 10 % углерода кокса. Они имеют следующие харак теристики: 277
— плотность — 1152—1328 г/дм 3; — массовая доля твердых веществ (складской вариант) — 2 0 — 30 %; — pH — 2,5; — температура — 60 °С. Такой шлам необычайно сложен для фильтрации по нескольким причинам. Высокое содерж ание органического угля и специфич ность минерального состава медного концентрата приводят к тому, что при соединении с водой он переходит в смолистое состояние. Значительные вариации температуры, pH и соотношения Т : Ж за трудняют выбор типа и параметров работы фильтров. Высокое со держ ание в воде сульфатов и хлоридов металлов, служащих при чиной кристаллизации и цементации и обладающих высокой ки нетикой ввиду мелкой дисперсности частиц твердой фазы, вызывает быстрый выход из строя фильтрационного оборудования. П реж ние вакуумные фильтры позволяли снизить влажность скрубберного шлама, известного такж е как «черный шлам», до 3 5 — 40 %. В таком виде дальнейшие транспортировка и использование продукта были невозможны. Приходилось прибегать к подсушке кека в трубчатой печи, что создавало дополнительные проблемы самого разнообразного характера. Процесс суш ки мелкодисперс ного сульфидного концентрата характеризуется высокой взрыво опасностью, представляет угрозу окруж аю щ ей среде и вызывает определенные трудности технического характера, как, например, неконтролируемое затвердевание шлаковых образований на стен ках сушильного аппарата. По тем ж е самым причинам затрудни тельным и рискованным следует признать и применение распы лительной сушки. По результатам испытаний и технического анализа различных систем наиболее подходящим оборудованием для обезвоживания шламов металлургического производства признаны автоматические пресс-фильтры с горизонтальными камерами. В связи с этим было принято реш ение заказать оборудование по обезвоживанию у компании «Larox». Новое фильтрационное оборудование на заводе «Legnica» было установлено и запущено в работу в 1988 году. По новой схеме обезвоживания, предложенной компанией «Larox», водная суспензия, образую щ аяся в скрубберах, подается на две ступени сгущения. Избыток воды возвращ ается в систему мок рой очистки газа, а сгущенная пульпа через концентраторы посту пает в накопительный резервуар. После заверш ения процесса сгу щ ения массовая доля сухих веществ в шламе составляет 2 0 —30 %. Шлам из резервуара-накопителя перекачивается в фильтрационные камеры установки Larox PF 25/32 А1. О бразую щ ийся в нем кек ленточным конвейером перемещ ается в хранилище сырья. Фильтрат объединяется с водой от промывки ткани и возвращ ается обратно в систем у мокрого пылеулавливания. Один стары й вакуумны й барабанный фильтр реш ено было сохранить в качестве резерва на случай непредвиденной остановки фильтра Larox (рис. 4.43). 278
доменной печи
влаги 35-45 % по массе
Рис. 4.43. Схема фильтрационного передела завода Legnica Автоматический пресс-фильтр оказался более эффективным, чем действовавший ранее вакуумный фильтр. Larox PF производит кек с содержанием влаги 15,0 —20,0 %, что на 20 % ниже, чем у кеков барабанного фильтра. Производительность пресс-фильтра в п ере счете на сухую массу вначале составляла 90 к г / (м2'Ч) при общей продолжительности цикла 26 мин (рис. 4.44). По истечении неко торого времени относительная производительность Larox PF была увеличена. Неоценимую помощь в этом оказал лабораторный пилот ный пресс-фильтр Larox PF 0,1 Н2. В марте 1993 года после установки дополнительных фильтра ционных камер промышленный Larox был увеличен до размеров PF 32. С весны 1988 года фильтр выполнил более 110 тысяч циклов. В первые месяцы эксплуатации фильтр Larox продемонстриро вал вполне удовлетворительные показатели производительности, остаточного влагосодержания и прочности кека и чистоты филь трата. Тем не менее возникли некоторые трудности, связанные с р а ботоспособностью фильтра и сроком службы фильтроткани, вы279
званные в основном чрезвычайно плохой фильтруемостью шлама. В ходе эксплуатации работо способность фильтра и срок службы фильтровального полотна повы си лись благодаря растущему опыту ин ж енеров и операторов завода и р е комендациям специалистов компа нии «Larox». Была произведена вы верка оптимальной продолжитель ности и наилучших условий промыв ки ткани, установлена система кон троля и стабилизации уровня pH скрубберного шлама. У казанны е меры немедленно сказались на работоспособности установки. К оэф ф и ц и ен т исполь зования фильтра в течение послед них двух лет был повышен с 60 % (при первом пуске фильтра) до 90 %. Рис. 4.44. Разгрузка кека Срок годности фильтровальной тка скрубберного шлама на медени за это время увеличился с 300 до плавильном заводе «Legnica» 5000 циклов. В данный момент можно аргут ментировано утверждать, что Филь тровальная система Larox PF в состоянии обеспечить эф фективное обезвож и вани е чрезвы чайно труднофильтруемы х скрубберны х шламов, содержащих: 4 0 - 5 0 % РЬ, 2 ,5 -4 ,3 % Си, 11,8-12,7 % S, ' £ /° ’ 8,3 /о Zn и 2 0 0 -2 4 0 г /т Ад. Высокая чис1 е н н ^ ИрпТраТа обеспечивает оборотное использование промышпередела ** реш ает пРоблемУ сброса стоков фильтрационного
Основные параметры работы установки Larox PF, эксплуатируе мой на заводе «Legnica», приведены в табл. 4.13. Дания. Очистка каменного угля На электростанциях Весткрафт и Аснаэс в Дании фильтрацион ная технология Larox используется для десульфуризации горючего газа. На этих предприятиях реализован влажный метод очистки угля от включений серы, тяжелых металлов и прочих токсичных веществ, разработанны й маш иностроительной компанией «1 Kruger АЬ» (рис. 4.45). П о ли м е р "
ц]Химикаты I ^ Химикаты
^М^Съем А б с о р б . ги пс | о 2
Вакуумный ленточный В т ф и ль тр
р
Шлам фильтр Larox PF
_I i Гипсовы й кек в отвал I У д а ле н и е тяж елы х металлов и д р у ги х токсичных веществ
I
Кек (тяжелые металлы и др. токсины)
Рис. 4.45. Kriiger-процесс для очистки угля от серы и тяжелых металлов Технические параметры работы фильтра Larox на заводе ^Legnica» Плотность пульпы, г/л Массовая доля твердого, % Температура пульпы, °С pH пульпы Производительность, тыс. т/год по сухому продукту Удельная производительность, кг/(м 2'Ч) Влажность кека, % по массе Толщина слоя кека, мм Расход промывной воды, м3/т кека Продолжительность цикла, мин Давление подачи, ат Давление прессования, ат 280
, , ГП_ , 9 сП 2 0 - зп чч_кл 15 —2 *5 ' 10 ' on . г _ 9о 12 —20 п iл 1? - 1 ч s-fi 1 0 — 12
Традиционно системы Kruger не снабжались пресс-фильтрами. Однако, поскольку предприятия Весткрафт и Аснаэс были спроекти рованы с расчетом на комплексное использование сырья, для выполнения поставленных задач потребовалась более соверш енная система фильтрации. Технология Larox была выбрана на основе результатов пробной фильтрации. Фильтр Larox PF обеспечил остаточную влажность кека 50 %, что значительно превосходило результативность ранее исполь зовавшихся методов. тзп яч Сначала электростанция Аснаэс приобрела пресс-фильтр Рг о,о, но из-за увеличения производительности потребовалась установка нескольких дополнительных фильтрационных камер. Электростан цией Весткрафт был приобретен Larox PF 2,5. Компактное реш ение 281
фильтрации в установках Larox позволило поместить пресс-фильтр прямо в горн печи. В состав осадка, получаемого на стадии фильтрования, входят гипс, тяж елы е металлы и ядовитые химикалии. С нижение влаж но сти кека, достигнутое на пресс-фильтрах, дает возможность ути лизировать эти отходы с меньшими материальными затратами. Количество суспензии, поступающей на стадию фильтрования, постоянно колеблется. У использовавшихся ранее фильтров коле бание производительности заметно сказывалось на показателях раз деления. После установки пресс-фильтров проблема исчезла, т. к. последние могут быть адаптированы к изменяющ имся условиям посредством регулировки давления и продолжительности всех ста дий разделения. Анализы показали, что на обоих предприятиях кек и фильтрат сохраняли качество независимо от производительности передела фильтрации.
ность пресс-фильтра по исходному продукту вследствие низкого содержания твердого в суспензии. Поэтому было принято реш ение не демонтировать барабанные фильтры, а использовать их со вместно с пресс-фильтрами Larox (рис. 4.46). ^ З е л е н ы й шлам_____ ^
Во д а
\
Австрия. Очистка сточных вод В некоторых случаях пресс-фильтры целесообразно использо вать совместно с другими, чащ е всего барабанными вакуумными, фильтрами. П рименение последних необходимо в тех случаях, когда на фильтрацию поступает сильно разбавленная суспензия, разде ление которой на пресс-фильтрах малопродуктивно. В качестве примера можно рассмотреть опыт одного из ав стрийских очистных заводов. В связи с ужесточением нормативов по сбросу сточных вод перед инж енерами этого предприятия встала задача сниж ения объемов зеленого шлама, образующегося в тех нологическом процессе и являющ егося отвальным продуктом. Зеленая муть формируется на дне отстойника-осветлителя и содержит главным образом металлические и углеродистые ком поненты. Этот шлам направлялся в барабанный вакуумный фильтр вместе с водой и каустификационным шламом, а образую щийся липкий осадок свозился в шламонакопители. После вакуумной фильтрации муть содержала большое коли чество зеленого щелочного раствора и не могла рассматриваться как обычные отходы, к тому ж е объем фильтрата после добавления воды и каустификационного шлама возрастал в два —три раза. Образую щ ийся в барабанных фильтрах осадок имел влажность около 50 % и содерж ал 1 - 5 % щелочи, что делало невозможным его дальнейшее использование. Инж енеры компании приняли реш ение о реорганизации про изводства и установке на заводе пресс-фильтров Larox. Предвари тельные испытания показали, что на пресс-фильтрах Larox образу ется более чистый фильтрат, объем которого на четверть меньше, чем у барабанных вакуумных фильтров. Кроме того, полученный кек был настолько сухим, что мог быть сож ж ен и направлен на последующую переработку для извлечения металлических включе ний. Единственным недостатком являлась низкая производитель 282
Рис. 4.46. Технологическая схема очистки шлама на шламовом заводе в Австрии По новой схеме зеленый шлам первоначально фильтрую т на ва куумных фильтрах, а затем направляют в пресс-фильтры Larox, ра ботающие в замкнутой цепи со смесителем, одновременно выпол няющим и роль буферной емкости. Часть полученного на прессфильтре фильтрата выводят из процесса, а оставш аяся часть направ ляется в смеситель, где соединяется с поступающей из вакуум-филь тра мутью. Таким образом, образуется замкнутый цикл смеситель— пресс-фильтр. Твердый ж е продукт сгружается в отвалы и направ ляется на дальнейшую переработку. Этот продукт не требует допол нительной сушки, а содерж ание щелочи в нем сниж ается до 0 ,1 %. Содержание щелочи в фильтрате также незначительно, а его объем вдвое меньше, чем при вакуумной фильтрации, что исключает необходимость в отведении специальных площадей под хранение шлама. 283
США- Калифорнийский процесс В штате Калифорния (США) функционирует весьма уникальный промышленно-энергетический комплекс. Он расположен в месте выхода на поверхность геотермальных вод, которые используются Калифорнийской энергетической компанией для получения элек троэнергии и извлечения растворенных в воде полезных компо нентов. П редприятие располагается на территории испытательных полигонов военно-воздушных сил США близ Китайского озера. Пар геотермальных источников поднимается с глубин до 37 м. Этот пар содерж ит в небольших количествах газообразный серо водород (H2S). На выходе из турбины упругость пара значительно ниже, чем на входе в нее. В результате происходит конденсация капель жидкости, а сероводород остается в газовой фазе. Затем применяют процесс SulFerox®*, являющ ийся совместной разработкой компаний «Dow» и «Shell Oil» (рис. 4.47), в соответст вии с которым сероводород пропускают сквозь жидкость, содерж а щую некоторое количество растворенного трехвалентного железа. В результате образуется пульпа, основными компонентами которой являются элементарная сера и оксид ж елеза (II). Оборотны й газ
Ф ильтр
Рис. 4.47. Процесс SulFerox® (технологическая схема) Следующей стадией технологической схемы является фильтра ция, посредством которой происходит отделение железистого раст вора от осевш ей элементарной серы, которая может быть исполь * Зарегистрированная товарная марка компании «Shell». 284
зована для производства удобрений. Фильтрат со стадии фазового разделения поступает в аэрационны е регенераторы, где ж елезо вновь переходит в трехвалентную форму. Процесс SulFerox® применяется для десульфуризации различ ных технологических газов. Его преимущества — низкие капиталь ные и эксплуатационные затраты, высокая чистота восстановленной серы. Химизм процесса следующий: 1 ) восстановление серы (основной процесс) — H2S + 2Fe3+ -► S + 2Fe2+ + 2H +; 2)
регенерация ж елеза — 2Fe2+ + 0,5О 2 + 2Н +
2Fe3+ + Н 20 ;
3) суммарная реакция — H2S + 0,5О 2 -> S + Н 20 . Суспензия, поступающая на стадию фильтрации в процессе SulFerox®, имеет следующие характеристики: ж идкая ф аза — плотность — 1100—1300 к г/м 3; вязкость — 1,5 —3,5 ср; массовая доля твердых частиц серы — 4 —6 %; температура — 38 —52 °С; твердая ф аза — крупность частиц — 2 —125 мкм; преобладающий разм ер — 35 —50 мкм. Раньше для реализации этого процесса использовали вакуумные барабанные фильтры, эф ф ективность работы которых оставляла ж елать лучшего. Получаемый серны й продукт имел высокую влаж ность и нуждался в подсушке в инертной атмосфере (для недо пущения окисления элементарной серы), что требовало дополни тельного расхода энергии. С пециалисты ком пании «Larox Оу» провели тщ ательное тестирование присланных образцов суспензии и пришли к выводу, что установка пресс-фильтров Larox PF позволит существенно снизить расход энергии в Калифорнийской энергетической компа нии, при этом срок окупаемости оборудования для фильтрации составит от 6 до 1 2 месяцев. С ниж ение затрат обусловлено тремя основными причинами. Вопервых, в технологическом цикле обеспечивается двукратное по выш ение восстанавливаемости железа; во-вторых, получаемый сер ный кек является настолько сухим, что не требует подсушки; в-третьих, свой вклад вносят сами пресс-фильтры Larox PF, имею щие высокий коэф ф ициент полезного действия. Различие во влаж ности серных продуктов, полученных на вакуум-фильтре и прессфильтре Larox PF, видно невооруженным глазом (рис. 4.48). 285
а б Рис. 4.48. Внешний вид серных кеков: а — вакуум-фильтра; б — пресс-фильтра Larox PF Экономия продукта оказалась настолько велика, что К алифор нийская энергетическая компания не только сочла необходимым приобрести стационарные пресс-фильтры Larox, но и попросила оставить в ее распоряж ении укрупненную мобильную фильтро вальную лабораторную установку до тех пор, пока не будет прислан стационарный пресс-фильтр. Лабораторная установка была н еза медлительно подключена к действующему процессу. Этот фильтр проработал на участке фильтрации компании с октября 1992 года по март 1993 года. Себестоимость продукта за этот период снизилась примерно на 2 0 %. В марте 1993 года были установлены две новые фильтровальные системы. Стационарное оборудование продемонстрировало ещ е бо лее высокую эффективность. Восстанавливаемость ж елеза повыси лась почти в четыре раза, а образующ ийся серный кек был н а столько сухим, что представлял собой готовый рыночный продукт. Австралия. Производство крахмала Крахмал — это органическое вещество, состоящее из арома тических углеводородных цепочек с общей формулой (С6Н 10О5)п, где л — число радикалов в одной цепи. Основные компоненты крах мала — амилопиктин и амилоза. Крахмал принадлежит к числу наиболее распространенных в природе веществ. Изначально крахмал вырабатывался только из зерен, но позж е выяснилось, что источниками крахмала могут служить белый и сладкий картофель, рис, аррорут, маниока (та пиока), саго, сорго. Крахмал применяется во многих отраслях промышленности, включая производство текстиля, бумаги, инсектицидов, клеев, кра 286
сок, пластмасс, взрывчатых веществ и мыла. Он такж е используется во множестве биотехнологических процессов, число которых по стоянно растет, при производстве сахара, подсластителей, алкоголя и целого ряда ф арм ац евтически х препаратов. Крахмал, как натуральный и возобновляемый источник энергии, в будущем, воз можно, приобретет ещ е большее значение. По мнению ряда ученых, крахмал и его производные являются наиболее приемлемым на настоящий момент реш ением энергетической проблемы в мировом масштабе. Рынок крахмала начал динамично развиваться в 1970-е годы в связи с ш ироким использованием фруктозы — одного из продуктов, производимых из крахмала. Второй всплеск производства крахмала наблюдался в 1980-е годы в связи с ростом спроса на топливный этанол, такж е получаемый из крахмала. В 1990-е годы с появлением биохимикатов область применения крахмальной продукции еще более расширилась. Рафинированный крахмал используется и в зарож даю щ ихся в наши дни областях промышленности, таких как биопластика и биохимия. Ввиду возможности запретов на применение нефтехими ческих пестицидов пестициды на основе крахмала могут приобрести большое распространение, благодаря тому что крахмальная про дукция полностью утилизируема и почти не представляет опасности для природной среды. Быстро отреагировавшая на рост спроса на свою продукцию крахмальная промышленность адаптируется к новым требованиям рынка, стремясь расш ирить номенклатуру продукции и производить высококачественные крахмалы. Процессы сепарации твердой и жидкой ф аз — наиболее слож ная составляющая всех существующих технологий производства крахмала. Традиционно для этой цели используются сушилки, про мывные центрифуги и вращ аю щ иеся барабанные вакуум-фильтры. Пшеничный крахмал — очень тонкодисперсный и труднофильтруемый продукт. Крахмальная пульпа может содержать до 60 % воды, и для дальнейшей переработки ее необходимо сгущать (от фильтровывать) примерно на 15 —20 %. Независимо от способа аппаратурной организации процесса сепарации заверш аю щ ей стадией обезвоживания неизменно является термическая сушка. В противном случае достичь требуемой сухости продукта невозможно. Влажность кека в значительной степени влияет на величину энергетических затрат и удельную производительность сушильного аппарата, а значит, на себестоимость крахмала. Чем меньше влаги останется в крахмале, тем ниж е будет расход энергии на вы паривание. Остаточная влажность кека после центрифугирования, ш ироко использовавшегося ранее в производстве крахмала, определяется скоростью вращ ения барабана и толщиной слоя кека. Единствен ным способом снижения влажности кека при такой организации процесса обезвож ивания является сниж ение толщины осадка, что 287
негативно сказы вается на производительности установки. Поэтому центрифугирование сопряж ено с постоянным поиском равновесия ц !о т р и ф ^ и аТ° ЧН0Н Влажностью
кека
и
производительностью
и,^ ® раЩаЮЩИеСЯ вакУУм"Фильтры, помимо этих недостатков, имею т ограничение по величине давления фильтрования — не ботрами аТ' ЧТ° В
РЭЗ
НИЖ6
давления’ Развиваемого пресс-филь
тро Р1Ресс"ФильтРы лиш ены указанны х недостатков. Фильтры Larox позволяют создавать постоянное давление независимо от толщины S Hn°™°iny ° статочная влажность обезвоженного крахмала у них обычно на 10 ^ ниже, чем у центрифуг, и на 1 5 -2 0 % ниж е чем v вакуум-фильтров (рис. 4.49). 1 м у
Рис. 4.49. Обезвоженный крахмал
Н еотъемлемая операция, предш ествую щ ая ф ильтрации — промывка крахмала водой. Параметрами, определяющими этот про цесс, являются относительный расход промывной воды и интен сивность удаления нежелательных включений. Опять-таки, тра диционно используемой для этого аппаратурой служат центрифуги п Д й я ^ ВКа крахмала в обычных центрифугах ведется по принципу разбавления жидкостью. Это означает, что промывная вода неЯреР“ вно поДается в установку и маточный раствор разбавляется ею вплоть до получения желаемого результата. В фильтрах Larox ПРИНЦИП„ проточной промывки, когда промывная вода проходит сквозь слои кека. При таком механизме обеспечивается большая эффективность использования технологической воды и повы ш ается производительность, а следовательно, достигается максимальный экономический эффект. В сравнении с обычными центрифугами фильтр Larox имеет в десять раз меньшую мощность, заменяя собой две промывочные и 288
одну обезвоживаю щ ую центриф угу и сущ ественно упрощ ая весь процесс. f. Идея приспособить фильтрационные системы Larox для обез воживания крахмала родилась в Австралии при драматичных обсто ятельствах. . Сильный взрыв, произош едший 25 ию ня 1985 года, уничтожил завод «Goodman Fielder» по производству крахмала, принадле жащ ий компании «Mills Ltd», в Тамворте. И з-за неполадок техно логического оборудования в декстриновом цехе, располагавшемся на первом этаж е здания, прогремел взрыв и возник пожар, быстро распространивш ийся по всему помещению. Огонь добрался до второго этажа, где располагались сушильное и помольное отделения. Высокая кон ц ен трац ия частиц крахм ала и пыли^ в воздухе послужила причиной повторного взрыва ещ е большей мощности. Ударной волной были полностью разруш ены сушильные установки декстрина и крахмала, выгорели оба этаж а здания^ были выбиты стекла и серьезно повреждены окруж аю щ ие постройки. Производство крахмала пришлось восстанавливать заново. Со гласно генеральному плану восстановления на полную реконструк цию всего предприятия отводилось пять месяцев. За это время необходимо было отремонтировать помещения, выбрать и уста новить новейш ее оборудование. И зменения коснулись и системы обезвоживания крахмала. Компания имела обширный опыт по эксплуатации различных фильтрационных систем. Самыми распространенными из них яв ляются: фильтрация методом сцеживания, вакуумная фильтрация во вращ аю щ емся фильтре и фильтрация в центрифугах П илера (Peeler) (табл. 4.14). Ц ентрифуги Пилера обеспечивают вполне приемлемую остаточ ную влажность крахмала, доходящую до 40 % по массе, но, как показал собственный опыт «Goodman Fielder», их основным недо статком при обезвож ивании пшеничного крахмала является потеря ценного продукта с жидкой ф азой и необходимость дополнительной Таблица 4.14 Сравнительная оценка старых систем обезвоживания крахмала по пятибалльной системе Центрифуги Сцеживатели Вакуум-фильтры Пилера Показатели Капитальные затраты Текущие затраты Энергозатраты Санитарные условия Чистота фильтрата Сухость кека Эффективность
2
4 4 5 4
3 3 2 1
2
3 3
4
1
4 2
3 3 4 3 4 289
очистки фильтрата. К тому же, центрифуги Пилера требую т отно сительно высоких эксплуатационных расходов и постоянного конт роля со стороны обслуживающего персонала ввиду непрерывности работы этих агрегатов и необходимости ручного управления подачей влажного осадка. Так называемые сцеживатели в отличие от центрифуг харак теризую тся относительно низкими эксплуатационными расходами, лучшими санитарными условиями и позволяют с легкостью осу ществлять смывание, запуск и прекращ ение работы. Движущ ей силой фильтрации в сцеживателе служит сила тяжести, а сам про цесс удаления жидкости сродни дренированию. Данные устройства потребляют много электроэнергии, однако основной их недоста ток — очень плохое исполнение процесса обезвоживания. Получен ный сгущенный продукт редко имеет влагосодержание менее 46 % по массе. Кроме того, для достижения даж е столь невысоких резуль татов часто необходимо увеличивать площадь таких устройств, что сводит на нет преимущество их низкой стоимости. Третьей альтернативой стали вакуумные фильтры, которые такж е относительно дешевы и просты в установке. Они не требую т большого расхода электроэнергии и обезвоживаю т крахмальную пульпу до содерж ания жидкой ф азы в кеке около 58 % по массе. Н изкая эфф ективность фильтрации, сложность очистки фильтроткани и накапливание бактерий в барабанной полости являются их главными недостатками. С лож ивш аяся ситуация заставила специалистов «Goodm an Fielder» критически подойти к выбору фильтрационного обору дования. По их мнению, преимущества и недостатки любого оборудования в конечном счете должны быть соотнесены с вели чиной эксплуатационных расходов. Поэтому реш ено было найти оборудование, эксплуатация которого сопряж ена с меньшими расходами. П олучив инф орм ацию о пресс-ф ильтрах Larox, ком пания «Goodman Fielder» в скором времени организовала полупромыш ленные испытания по обезвоживанию крахмала в только что восстановленном после пож ара здании. Начиная с первых^ пусков лабораторного пресс-фильтра и до окончания испы таний качество получаемого крахмала и все исполнение процесса были впечатляющими. Тестируемый фильтр производил осадок с 35-процентным содерж анием влаги, что превосходило результаты всех предыдущих методов. Затем последовала серия испытаний фильтра Larox, призванных оценить его надежность, трудности, возникаю щ ие при эксплуа тации, и, что наиболее важно, возможность использования фильтра в производстве пищевых продуктов (ранее такие эксперименты не проводились). Лабораторный фильтр Larox успеш но прошел испытания, а его промышленный аналог был приобретен «Goodman Fielder». У становка была см онтирована в кратчайш ие сроки (рис. 4.50). ^ 290
Пресс-фильтр Larox
Крахмальная пульпа
Ф ильтрат
В пылесборник
<Ш>=± Рис. 4.50. Схема подключения пресс-фильтра Larox PF на «Goodman Fielder» В ходе пуско-наладочных работ было установлено, что опти мальным реж имом работы пресс-фильтра при обезвож ивании крах мала является 11-минутный цикл. В течение этого времени влаж ность осадка снижается с 50 —60 до 34 —35 %. Высушенный осадок поступает в регулятор, обеспечиваю щ ий равномерное заполнение им входного отверстия колонны термической сушки. С одержание крахмала в фильтрате по сравнению с преж ними системами сни зилось до 0 ,5 - 1 %, что позволило без очистки направлять его в отходы. Один только этот ф акт привел к немедленному увеличению прибыли на 1 %. Успешно была реш ена и проблема очистки фильтровального полотна от налипших частичек крахмала. Для того чтобы поддер живать чистоту фильтроткани и тем самым продлить срок службы полотна, на промывочной станции пресс-фильтра был установлен дополнительный гидросмыв. К роме того, было замечено, что процесс очистки проходит гораздо легче и эфф ективнее, если раз в неделю фильтровальное полотно промывать щелочью. П римеру «Goodman Fielder» вскоре последовали и другие авст ралийские производители крахмала: компании «N.B. Love Ltd» и «British ABR Foods Ltd» такж е приобрели пресс-фильтры Larox. П озж е к ним присоединились и многие производители крахмала в Соединенных Штатах, Европе и других странах. 291
Финляндия. Производство ферментов Выпечные изделия, соки, вина и окраш енные ткани — вот только малая часть той продукции, производство которой было бы невозможно без фермента энзима. Энзим — это протеин, который действует как биокатализатор. Известно свыше 2000 различных энзимов, 50 из которых представляют особую ценность для про мышленного использования. Ф инская компания «Roal Оу» вырабатывает ферменты для пи щевой и текстильной промышленности, лесного хозяйства и других отраслей. «Roal Оу» производит свыше 10 различных ферм ента тивных продуктов, в половину из которых добавляются генетически модифицированные организмы, улучшающие качество фермента. Клиентами «Roal Оу» являются такие известные компании, как «Primaico Оу» (Финляндия) и «Rohm GmbH» (Германия). «Primaico Оу» использует энзимы для производства эконазы, разруш аю щ ей целлюлозные волокна в пищ евых продуктах; экостона, исполь зуемого для окраски грубых тканей; экопульпа, применяемого в лесоперерабатываю щ ей промышленности для снижения потреб ности в хлоре в производственных процессах. Компания «Rohm» производит добавки, совместимые с энзимами Roal, такие как Reshaped для соков и вин и Veron для выпечки. Процессы обезвоживания при производстве ферментов осу ществляются после заверш ения основной ферментации для сниж е ния влажности флокулированной окаменелой земли и шлама. П о скольку объемы промышленного производства ферментов невелики, а следовательно, требования к производительности фильтрацион ного передела низки, наиболее важ ны ми показателями об ез воживания являю тся чистота фильтрата, от которой зависят потери энзима, и остаточная влажность кека. Стабильность качества филь трата — не менее важны й показатель, напрямую отраж аю щ ийся на стоимости продукции. Фильтрация каждого ферм ента имеет свои особенности, поэто му фильтрационное оборудование должно обладать возможностью адаптации к изменяющ имся свойствам пульпы. После тщательного тестирования пульп всех ферментативных продуктов «Roal Оу» на фильтруемость было принято реш ение о сборке двух пресс-филь тров, максимально отвечающих техническим условиям компаниизаказчика. Решающим фактором, побудившим «Roal Оу» к покупке обору дования Larox, стало достиж ение 50-процентной влажности кека на этапе лабораторных испытаний. Выпуск ферментов производится отдельными партиями под заказ. В зависимости от типа фермента фильтрация одной партии занимает от одного до трех дней. В течение этого времени про изводится около Ю т влажного кека. Фильтр промывается после каждой партии под контролем автоматической CIP-программы. В исключительных случаях (при фильтрации «проблемного» шлама, 292
забивающего ткань фильтра) допускается промывка и во время очередного цикла. Техника фильтрации под давлением в сравнении с вакуумной барабанной системой сокращ ает продолжительность процесса на греть. Как показала практика, мощности двух пресс-фильтров Larox более чем достаточно для полного удовлетворения потребностей производства. По сути, полностью загруж ена только одна фильтра ционная установка. Другой Larox пока находится в резерве, но в связи с планами компании расш ирить в ближайш ее время про изводство он такж е начнет работу. Италия. Фармацевтика Ф армацевтическая промышленность относится к тем отраслям, успех которых напрямую связан с эффективностью разделения фаз. Получение лекарственных препаратов в виде таблеток, гранул, по рошков основано на обезвож ивании растворов, размер частиц которых крайне мал. В силу этого эфф ективное разделение таких смесей — задача высокой сложности. В отличие от металлургии, в ф арм ацевтике нет возмож ности обезвож ивать продукт путем термической сушки в печи, фильтрование — единственный путь сниж ения влаж ности лекарственны х растворов. П роизводство лекарств ведется в условиях строж айш ей санитарии, поэтому и фильтрационное оборудование должно быть предельно надежным и абсолютно герметичным. Специалисты отмечают, что среди ф арм а цевтических производственных операций именно обезвож ивание требует наибольших затрат. Ф армацевтическое производство начинается с процесса бро ж ения (ферментации), во время которого создаются растворы опре деленного химического и бактериологического состава. В частности, при производстве пенициллина таковыми являются растворы мице лий. Готовый антибиотик получается только тогда, когда мицелии отделяются от раствора. Традиционно отделение мицелий осуществлялось на вращ аю щихся барабанных фильтрах, которые в столь трудном микробиоло гическом процессе не обеспечивали должной эффективности, и примерно половина мицелий попадала в отходы. Для улучшения процесса пробовали использовать всевозмож ны е вспомогательные фильтрующ ие материалы, но ввиду высокой стоимости даж е луч шие из них не могли компенсировать возросш ие издерж ки. Причина неудачи состоит в том, что вакуум-фильтр мож ет разви вать давление в пределах одной атмосферы, и этого усилия едва хватает на просасывание жидкости сквозь слой осадка и обычную фильтрующую перегородку. П росасывать жидкость сквозь перего родку большей плотности вакуум-фильтр не в состоянии. Единст венным направлением соверш енствования оставалось использо вание дорогостоящих перегородок с особым плетением волокон и той ж е плотностью упаковки. 293
Итальянская фармацевтическая компания «Fermtech Prochim S.p.A.», расположенная близ Милана, внесла новаторское предло ж ение — использовать на стадии обезвоживания не вакуумные, а напорные фильтры, что дает возможность перейти на более плотные фильтровальные ткани, и первой заказала один из таких фильтров компании «Larox». На стадии обезвож ивания пенициллина компания установила полностью автоматизированный напорный фильтр Larox (рис. 4.51). Используемый в данном фильтре микропроцессор поддерживал последовательность прохождения стадий разделения (фильтрация, прессование, промывка, продувка) и тщательно контролировал каж дую стадию. Полный цикл фильтрации занимает около тридцати минут. На каждую стадию отводится определенное время, которое при необходимости может быть изменено в любую сторону. Реакционные емкости для хранения и обработки кислотой
Сж атый воздух
Ф ерментационная емкость
готового продукта перегородка проходит сквозь зону регенерации, где отмывается от прилипших твердых включений водой, разбры з гиваемой через распылительные насадки под давлением до 1 0 0 бар. Тем самым фильтр подготавливается к новому циклу фильтрации. Пресс-фильтры Larox в сравнении с традиционными вращ аю щимися барабанными фильтрами демонстрирую т впечатляющие результаты обезвоживания пенициллиновых растворов. На пред приятии «Fermtech Prochim» производительность фильтра состав ляет примерно 10 м3/ч по исходному раствору. Влагосодержание отфильтрованных мицелий сократилось с 85 до 6 0 -6 5 % , что считается весьма высоким показателем в условиях данного про цесса, в то время как абсолютная прибыль от фильтрации выросла на 4 %. Установка пресс-фильтра Larox принесла ежегодную экономию в разм ере около 400 тыс. долларов США при отпускных ценах на пенициллин 30 долларов за 1 кг и ежегодной норме вы ра ботки 400 т. После установки фильтра Larox потери мицелия сократились почти вдвое, что на фоне ужесточения требований к чистоте сточных вод оказалось весьма своевременным и обеспечило сни ж ение ш трафов за наруш ение правил природопользования. Дополнительным преимуществом фильтров Larox является то, что стоимость вспомогательных фильтрующ их тканей, использу емых в них, ниже, чем стоимость тканей для вакуумных фильтров.
4.8. Тестирование производственных пульп на фильтруемость
Рис. 4.51. Технологическая схема производства пенициллина на заводе Fermtech Prochim S.p.A
Вначале во всех камерах фильтра при помощи тщательно кон тролируемой откачки жидкости, которая мож ет быть отрегулиро вана в диапазоне давлений до 5 ат, формируется однородный осадок м ицелий Затем осадок сдавливается диафрагмами, чтобы удалить маточный раствор из камеры. После этого осадок промывается водой под давлением до 6 ат и снова сдавливается. Операции промывки и прессования могут повторяться два или три раза, пока не будет достигнуто требуемого качества пенициллина по содер ж анию маточного раствора. Отмытый осадок окончательно сушится путем продувки сквозь него воздуха. После освобождения ткани от 294
Тестирование на фильтруемость проводится с целью уста новления пригодности пресс-фильтров Larox для обезвоживания представленных производственных пульп, имею щ их известный гранулометрический состав, плотность, pH, температуру, содер ж ани е твердого. И нф ормацию для тестирования предприятие предоставляет, заполняя специальный вопросник (прилагается в конце книги). При тестировании определяются: — минимально возможная остаточная влажность кека; — максимально возможная удельная производительность по конечному сухому продукту или по исходной суспензии; — максимальная степень извлечения ценных водорастворимых соединений при минимальном расходе промывной жидкости; — минимальные потери твердой ф азы с фильтратом или с промывной водой, т. е. чистота фильтрата или промывной воды; — расход воздуха на сушку кека; — тип фильтроткани как по плотности, так и по химической стойкости и составу; 295
— продолжительность отдельных стадий и всего цикла филь трации; давление питания, диафрагменного прессования, сушки продувкой воздухом и т. д. Тестирование на фильтруемость пульп металлосодержащ их кон центратов возможно как непосредственно на обогатительных ф аб риках, так и в исследовательской лаборатории фирмы-изготовителя пресс-фильтров. В этом случае горно-обогатительный комбинат вы сылает пульпу концентрата в нужном количестве для тестирования. Тестирование ж е на фильтруемость суспензий металлургичес ких и химических производств следует проводить обязательно на соответствующих предприятиях, так как длительная транспортиров ка суспензий связана с их охлаждением, с возможной перекрис таллизацией, то есть с изменением физико-химических характе ристик. Установленные тестированием технологические показатели ис пользуются для расчета на заверш ающ ем этапе необходимой сум марной поверхности фильтрации по известному материальному по току на предприятии с последующим выбором типа производствен ного пресс-фильтра и определением необходимого количества таких фильтров. Для тестирования на фильтруемость используются две разн о видности фильтровальных установок: лабораторный пилотный пресс-фильтр Larox PF 0,1 массой 390 кг; ^ — передвиж ная фильтровальная лаборатория Larox PF 2,5 в кон тейнере массой 1 1 т, доставляемая заказчику на автомобиле. Результаты тестирования с использованием пресс-фильтра Larox PF 0,1 и фильтровальной лаборатории Larox PF 2,5 полностью мо делируются на промышленных пресс-фильтрах Larox серий «М» и «С». Надежность и достоверность полученных данных полностью подтверждаю тся показателями производственного использования пресс-фильтров. П рактика показывает, что порядка 90 % работающ их в мире пресс-фильтров Larox рассчитаны по данным тестирования на лабо раторных пилотных пресс-фильтрах Larox PF 0,1 и только в особых случаях для тестирования использована передвиж ная фильтроваль ная лаборатория Larox PF 2,5. Лабораторный пилотный пресс-фильтр Пресс-фильтр Larox PF 0,1, внеш ний вид которого показан на рис. 4.52, монтируется на прямоугольном каркасе из швеллерной стали на колесах и включает: — питающий бак из кислотостойкой стали объемом 10 0 л для пульпы и мешалку с электроприводом; диафрагменный питающий насос, работающ ий на сжатом воздухе; 296
Рис. 4.52. Внешний вид лабораторного пилотного пресс-фильтра Larox PF 0,1
— непосредственно лабораторный пресс-фильтр с поверхно стью фильтрации 0 ,1 м 2 с резиновой диафрагмой и реш еткой из по липропилена (открытие и закрытие фильтрационной камеры осу ществляется при помощи гидравлического привода; все детали, соприкасаю щ иеся с жидкой фазой, изготавливаются из кислото стойкой стали); — станцию напорной воды, обеспечивающую диафрагменное прессование под давлением до 16 ат и состоящую из емкости для воды объемом 1 0 л и пневматического насоса; — сосуд для промывной жидкости объемом 8 л; — кольца высотой 45, 60, 75, и 90 мм для наращ ивания высоты фильтрационной камеры. Передвижная фильтровальная лаборатория П ередви ж н ая ф ильтровальная лаборатория Larox PF 2.5 (рис. 4 .5 3 ) смонтирована в контейнере и с помощью грузового автомобиля мож ет быть доставлена на любое предприятие. П ередвижная фильтровальная лаборатория Larox PF 2,5 вклю чается непосредственно в технологическую схему производства и обеспечивает тестирование производственной пульпы в рабочих условиях. Фильтровальная лаборатория Larox PF 2,5 (рис. 4.54) работает полностью в автоматическом реж им е и конструктивно схож а с производственными пресс-фильтрами, но имеет меньшую площадь фильтрации — 2,5 м2. 297
60W С = ------- , А ■Т где W — масса сухого кека за цикл, кг; А — площадь фильтрован^ м 2 (0 ,1 м2); Т — продолжительность цикла, мин. Продолжительность цикла складывается из продолжительное^ операций питания пульпой, первого диафрагменного прессован ^ : 1 промывки, второго диафрагменного прессования, суш ки продувку воздухом и разгрузки кека. Продолжительность разгрузки в расчетах принимается равцой 4 —5 мин, как у производственных пресс-фильтров. й Удельная производительность по суспензии (пульпе) опреде ляется по аналогичной формуле, только вместо массы сухого кека w в расчет берется объем использованной суспензии в литрах. 2. Определение расхода промывной жидкости: L—
60V
г
А-С-Т Рис. 4.53. Момент погрузки контейнера с передвижной фильтровальной лабораторией Larox PF 2,5 на автомобиль для отправки на предприятие
где V — объем использованной промывной жидкости, л; А — цЛо щадь фильтрования, м 2 (0,1 м2); С — удельная производительность ц ' сухому продукту, кг/(м 2-ч); Т — продолжительность цикла, мин. 3. Определение необходимой суммарной фильтрующей поверх ности: „ G ■100% J — г Т С ц
Рис. 4.54. Передвижная фильтровальная лаборатория Larox PF 2,5 Обработка результатов тестирования 1. дукту:
Определение удельной производительности по сухому про
где G — годовой материальный поток предприятия по cyxow продукту, кг; Т — число часов работы в год (при непрерывц0^ трехсменном производстве порядка 8000 ч); С — удельная цр^ 1 изводительность по сухому продукту (по данным лабораторц0(,' тестирования), кг/(м 2-ч); г) — коэф ф ициент использования обору, вания (обычно 90 %). Все результаты тестирования пульп на фильтруемость вносяТс в банк данных фирмы «Larox Оу» для облегчения в последую оценки фильтруемости различных продуктов. В зависимости от характеристики исходной пульпы при лад0 раторном тестировании на фильтруемость устанавливается оцТй' мальная высота фильтрационной камеры — 45, 60, 75 или 90 ' которая определяется либо максимизацией производительное^ , 1 либо оптимизацией остаточной влажности кека. 1 Далее с согласия предприятия выбирается тип пресс-фильтрй определенной площадью фильтрования и, исходя из величины не0дС ходимой суммарной фильтрую щ ей поверхности для всего пото^ ' рассчитывается общее число производственных пресс-фильтров. ' 299
4.9. Фильтры Larox LSF глубокой очистки Конструкция и характеристики фильтров Фильтры Larox LSF глубокой очистки используются во многих технологиях, вклю чая п ереработку руд цветны х металлов и редкометалльного сырья, раф инирование металлов электролизом, химические технологии, фармацевтику и текстильное производство. Фильтры Larox LSF глубокой очистки предназначены для и з влечения твердых взвеш енных частиц из производственных раст воров, электролитов и сбросных вод даж е при их очень низком содержании. Глубокая очистка электролитов процесса рафинирования цвет ных металлов электролизом позволяет получать высококачествен ные катодные осадки, при этом исключается дендритообразование, снижаю тся энергозатраты, а драгоценные металлы и платиноиды возвращ аю тся снова в производство. Использование фильтров Larox LSF глубокой очистки при переработке сточных вод, содержащих незначительные взвеси редких и редкоземельных металлов, сущ ест венно сниж ает их безвозвратные потери, при этом рентабельность производства значительно повышается и выполняются требования по охране окруж аю щ ей среды. Работа фильтров Larox LSF глубокой очистки основана на яв лении адсорбционной фильтрации, обеспечивающей прилипание микронных и субмикронных частиц к волокнам фильтровальной ткани, даж е несмотря на существенно меньший размер этих частиц в сравнении с размерами пор фильтроткани. Указанное явление сниж ает содерж ание твердых частиц в перерабатываемых средах до уровня нескольких частиц на миллион частиц жидкости. Результаты адсорбционной фильтрации под большим увеличением представле ны на рис. 4.55. Вспомогательные меры по улучшению фильтруемости, такие как предварительное нанесение пористого слоя на фильтроткань и введение порообразующ его вещ ества в поток суспензии, направля емой на фильтрацию, в преобладающем большинстве случаев и з лишни, но при необходимости могут быть организованы. Фильтры Larox LSF глубокой очистки изготавливаются как прямоугольной формы, так и цилиндрической (с улучшенными характеристиками), при этом цилиндрический каркас фильтра располагается горизонтально. Последние обладают более низкой стоимостью сборки, возмож ностью наращ ивания поверхности фильтрации, более просты в обслуживании. Например, все ф лан цы входных трубопроводов расположены на передней торцевой кры ш ке, что п озволяет откатить задню ю часть ф ильтра и обеспечить полный доступ к внутренней рабочей части фильтра, сниж ая тем самым трудозатраты и сокращ ая время обслуживания (рис. 4.56). 300
Основным фильтрующим элементом является мешок из ф ильтроткани, подвеш ивае мый вертикально на специ альной подвеске. Для увели чения фильтрующ ей поверх ности такого элемента филь троткань закрепляется гофрированно. Число фильтрующих элементов, располагающихся параллельно друг другу, мо ж ет достигать 36. П оток фильтруемой среды в лами нарном реж им е со скоростью 0 ,6 - 0 ,8 м /ч под давлением до 5 ат пронизы вает фильтро ткань по всей вертикальной поверхности, попадая в по Рис. 4.55. Адсорбированные твердые лость меш ка, и выводится частицы на поверхности нитей филь ч ер ез н и ж н ее отверстие троткани фильтрую щ его элем ента в общ ий трубопровод для фильтрата. Твердые частицы постепенно накапливаю тся на наруж ной по верхности фильтрующих элементов и через определенный про межуток времени удаляются из фильтра с помощью встроенной в фильтр полностью автоматизированной системы, осуществляющей эф ф ективное распыление промывной жидкости через сопла, рас-
Рис. 4.56. Фильтр Larox LSF глубокой очистки с раскрытым цилиндрическим корпусом после замены фильтрующих элементов готов к сборке 301
положенные в верхней части фильтра, обратную промывку и воз душно-пузырьковое перемеш ивание в направлении от дна к верх ней части фильтра. Относительно низкая разность давлений и малая скорость подачи фильтруемой среды формирую т проницаемый кек, р а ботающий как фильтрую щ ий слой, позволяющий продлить цикл фильтрации. Кроме того, исключается чрезмерное уплотнение кека, что облегчает промывку. Автоматическая очистка происходит за 30 мин и, как правило, не превыш ает 0,3 % общей продолжи тельности цикла, затем циклы повторяются в автоматическом режиме. Обычно глубокой очистке от взвешенных примесей при элек тролитическом рафинировании, например, меди подвергается поряд ка 20 - 30 % объема электролита. Содержание меди в катодном осадке достигает 99,9975 %. Автоматическую очистку фильтра Larox LSF противотоком в этом случае проводят обычно через двое суток. Фильтровальная ткань заменяется через 6 —12 месяцев. Шлам от промывки фильтроткани чаще всего направляется в сгуститель анодного шлама. Графически процесс глубокой очистки представлен на рис. 4.57.
< ои) О 2
< Xи I
% а.
О) et U О
— возможностью очистки от твердых частиц размером порядка нм; — низкими эксплуатационными расходами, обычно менее 1 дол лара США на 500 м 3 фильтрата; — большим разнообразием типоразмеров, включающим 34 мо дели. В таблице 4.15 представлены все выпускаемые в настоящее время модели фильтров Larox LSF глубокой очистки и разм еры их фильтрующ ей поверхности. 0 ,2
Таблица 4.15 Типоразмеры фильтров Larox LSF глубокой очистки Сепия Е Сеоия D Сепия С С расширением, С расширением Без расширения, Без расширения одинарный фланец двойной сЬланец Площадь Площадь Площадь Площадь Модель фильтро Модель фильтро Модель фильтро Модель фильтро вания, м2 вания, м2 вания, м2 вания, м2 _ — — — — — 30 С6 — — 80 D8/36 80 D8 40 С8 200 ЕЮ/36 100 D10/36 100 D10 50 СЮ 240 Е12/36 120 D12/36 D12 120 60 С12 280 Е14/36 140 D14/36 140 D14 70 С14 320 Е16/36 160 D16/36 D16 160 80 С16 360 Е18/36 180 D18/36 180 D18 90 С18 — — 400 Е20/36 200 D20/36 100 С20 — — 440 Е22/36 220 D22/36 110 С22 — — 480 Е24/36 240 D24/36 120 С24 — — 520 Е26/36 260 D26/36 _ _ — — 560 Е28/36 280 D28/36 _ _ — — 600 Е30/36 300 D30/36 _ _ — — 640 Е32/36 320 D32/36 _ _ — — 680 Е34/36 340 D34/36 _ -— — 720 Е36/36 360 D36/36
О б ор от на очистку, % к объему электролита
Рис. 4.57. Зависимость содержания примесей от объема электролита, подаваемого на глубокую очистку
Фильтры Larox глубокой очистки характеризуются: — отсутствием движущ ихся частей; — большой единичной мощностью — до 500 м 3/ч; — малой установочной площадью; модульностью конструкции — возможностью увеличения площади фильтрации; — стойкостью к повышенным температурам и агрессивным средам; 302
Система автоматического управления фильтром Система автоматического управления работой фильтра Larox LSF глубокой очистки включает программируемый пульт управле ния со схемой цепи аппаратов и диаграммой процесса. Экран пульта управления полностью отраж ает процесс филь трации и при этом обеспечивает легкий доступ для диагностики. При ж елании в пульт управления можно вмонтировать не только схему узла фильтрации, но и всю схему цепи аппаратов с конт рольными лампочками. Насосы, питающие фильтры Larox LSF глубокой очистки, спро ектированы специально для адсорбционной фильтрации, предъяв ляющей ж есткие требования к равномерности потока фильтруемой 303
жидкости. Встроенный датчик контроля равномерности потока обеспечивает поддержание оптимальных характеристик работы все го фильтра, в т. ч. продолжительности цикла фильтрации, энер гозатрат, срока службы. Электронный датчик уровня жидкости в сочетании с прибором контроля давления позволяет визуально контролировать процесс как непоредственно у фильтра, так и из операторской. Считыва емые показатели могут вводиться в электронный пульт управления для автом атического управления продолж ительностью цикла промывки фильтра или группы фильтров противотоком. Совместная работа фильтров Larox PF И LSF Пресс-фильтры Larox PF (М) и фильтры Larox LSF глубокой очистки дополняют друг друга и обеспечивают проведение пол ностью автоматизированного процесса с низкими эксплуатацион ными расходами и с получением высококачественных конечных продуктов в операциях разделения жидких и твердых ф аз и глу бокой очистки жидких ф аз (рис. 4.58).
Чист *ф иль- рат
Ф ильтр Larox L S F глубокой очистки — 1
U
димости использования при тестировании значительного объема исследуемой жидкости. Тестированием устанавливаются: — эффективность очистки исследуемой среды; — максимальная длительность стадии адсорбционной филь трации; — минимальная продолжительность стадии промывки фильтро ткани методом противотока; — расход промывной жидкости и воздуха для воздуш но пузырькового перемешивания; — тип необходимой фильтровальной ткани. Л абораторная установка фильтра Larox для глубокой очистки (рис. 4.59) включает:
Суспензия питания
Ш
а
к
Ш лам промывки
Ф ильтрат дренаж
) Гравитац. осаж дение 1 сгуститель
’ '-
“
Сухой кек
L
1
Рис. 4.59. Внешний вид лабораторного фильтра Larox глубокой очистки для тестирования производственных растворов СО
Рис. 4.58. Аппаратурно-технологическая схема обезвоживания суспензий и глубокой очистки фильтратов с использованием фильтров Larox Тестирование процесса глубокой очистки
— цилиндрический корпус, расположенны й вертикально, со съемной крыш кой и подвеской для фильтрующ их элементов; — два фильтрующ их элемента, имеющих пластиковые каркасы и фильтровальные мешки из фильтроткани; — питающий центробежный насос; электронный пульт управления и систему регулирующих вентилей.
Обязательное тестирование процесса глубокой очистки методом адсорбционной фильтрации с помощью лабораторного фильтра Larox проводится на предприятии заказчика вследствие необхо304
305
i i | ( j j
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Bakhmeteff В. A.,Feodoroff N. V. Flowing through granular media / / J. Appl. Mech. 1937. Vol. 4. N 3. P. A97-A104. 2. Baskeiville R. С.,Кототек I. A., Call R. S. Operating variables and fil ter press performance. Establishing general principles for evaluating sludge de watering equipment / / Ing. and Synop. Feat. Serv. S.a. N 264. P. 1—15. 3. Carberry Y. Y. //Am. Inst. Chem. Eng. J. I960. Vol. 6 . P. 460. 4. Dickey G. Filtration. New York, 1971. 5. Ergun D. / / Chem. Eng. Progr. 1952. Vol. 48. P. 89. 6 . Ergun D.,Orning A. A. / / Ind. Eng. Chem. 1949. Vol. 41. P. 1179. 7. Ermakov I. S., Messengisser M. J. Die automatische filterpresse FPAKM. / / Chem. Techn. 1974. Bd. 26, N 1. S. 32-33. 8 . Gerhart P. Automatic pressure filter / / Chem. and Process Eng. 1970. Vol. 51, N 12. P. 67. 9. Guin J. A. Clogging of nonuniform filter media / / Ind. Eng. Chem. Fund. 1972. Vol. 11, N 3. 10. Hooton I. A., Thomas С. М., Vosser I. L. Plant testing for assessment of filter presses / / Filtr. and Separ. 1970. N 3. P. 333 —342. 11. Horvath L. Determination of the optimum number of filter plates for fil ter presses / / Acta techn. Acad. Sci. Hung. 1972. Vol. 73, N 1 -2 . P. 209-216. 12. Kurita К. I. Apparatus for rewashing filter cake in filter press. Пат. 3568841 США, кл. 210-225 (BOI d 25/12). Заявл. 12.01.70; Опубл. 9.03.71. 13. Kusik С. L.,Happel J. / / Ind. Eng. Chem. Fund. 1962. Vol. 1. P. 163. 14. Lawrie W. B. / / Conference on Clean Air. Mech. Eng. L., 1957. 15. Design and characteristics of new Russian filter press / M. S. Messengisser, I. S. Ermakov, G. M. Kochkin, F. N. Shakhov / / Filtr. and Separ. 1969. Vol. 6 , N 5. P. 573-575. 16. New filter press enhances sludge dewatering knowhow / / Chem. Eng. 1973. Vol. 80, N 16. P. 46-48. 17. Pfeffer R. / / Ind. Eng. Chem. Fund. 1964. Vol. 3. P. 380. 18. Pfefferr R.,Happel J. / / Am. Inst. Chem. Eng. J. 1964. Vol. 10. P. 505. 19. Porosity variation in filter cake under constant pressure filtration / / J. Chem. Eng. 1971. Vol. 4, N 2. 20. Reid D. A. Transformation of the filter press / / Filtr. and Separ. 1972. Vol. 9, N 4. P. 402. 21. Russian filter press offers three-minute downtime / / Chem. Eng. 1969. Vol. 76, N 14. P. 78, 80. 22. Shirato M. e. a. / / Chem. Eng. (Japan). 1956. Vol. 20, N 12. P. 678; 1959. Vol. 23, N 1. P. 11; N 4. P. 226; 1965. Vol. 29, N 12. P. 1007; 1967. Vol. 31. P. 359. 23. Strehler W. Auswachen von Feststoffenin gegenstrom / / Chem. Rdsch. 1973. Bd. 25, N 49. S. 1655-1657. 24. Thomas С. М., Amos K. L. Integrating filter presses into process design / / Filtr. and Separ. 1972. Vol. 9, N 1. P. 43-50. Discuss., 50. 25. Tiller F. M .,Lioyd P, J. Theory and practice of solid-liquid separation / Dep. of Chem. Eng., Univ. Houston. Texas, 1972. 306
26. Travinski H. Filter apparate / / Chem.—Ing.—Techn. 1973. Bd. 45, N 23. S. 1381-1384. 27. Wassmer W. The Ciba-Geigy filtration system for plate and frame press es / / Chem. Age India. 1973. Vol. 24, N 11. P. 764-768. 28. Zanker A. Homographs for solving cake filtration problems / / Filtr. and Separ. 1972. Vol. 9, N 5. 29. Пат 12597 Японии, кл. 72C343.1 (BOI). Устройство для передвижения плит пресс-фильтра / И. Абэ, А. Кана, X. Эока. Заявл. 17.04.68; Опубл. 18.04.72. 30. Пат. 18905 Японии, кл. 72С343.1. Пресс-фильтр (Устройство регенерации фильтроткани) / К. Авагия. Заявл. 30.05.68; Опубл. 26.05.71. 31. Аленький А. Ф., Ефанов Л. Н ,,3убаев В. Е. Магнитная обработка интенсифицирует процесс фильтрации гидратов окислов тяжелых металлов промстоков / / Цветные металлы. 1980. № 9. 32. Аэров М. Э., Тодес О. М., Наринский Д. А. Аппараты со стацио нарным зернистым слоем. — Л.; Химия, 1979. — 176 с. 33. Баландин С. М. Фильтрование грубодисперсных материалов. — М.; Недра, 1988. — 104 с. 34. Белоглазов И. Н., Тихонов О. Н., Голубев В. О. Оптимизация про цессов разделения суспензий с использованием пресс-фильтров компании Larox Оу / / Зап. СПГГИ. 2001. Т. 147. 35. Беннет К. О., Майерс Д. Е. Гидродинамика, теплообмен и массообмен. — М.: Недра, 1966. 36. Берд Р., Стюарт В.,Лайтфут Е. Явления переноса. — М.: Химия, 1974. 37. Бернштейн Р. С., Померанцев В. В.,Шагалова С. А. Обобщенный метод расчета аэродинамического сопротивления загруженных сечений / / Вопросы аэродинамики и теплопередачи в котельно-топочных процессах. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958. — С. 267 —289. 38. Боришанский В. М. Сопротивление при движении воздуха через слой шаров / / Там же. — С. 70 —76. 39. Брайнес Я. М. Процессы и аппараты химических производств. — Госхимиздат, 1947. 40. Бренер А. В. Фильтрование / Ленниигипрохим. — Л., 1975. — 325 с. 41. Бродский П. А., Фионов А. И.,Тальнов В. Б. Опробование пластов приборами на кабеле. — М.: Недра, 1987. — 208 с. 42. Брук О. Л. Оценка эффективности процессов промывки осадков / / Теоретические основы химической технологии. 1969. Т. 3, № 6.
43. Васильев Л. Л., Танаева С. А. Теплофизические свойства пористых материалов. — Минск: Наука и техника, 1971. — 267 с. 44. Великанов М. А. Динамика русловых потоков. Т. 1. Структура потока. — М.: Гостехиздат, 1954. — 323 с. 45. Витков Г. А., Хлопанов Л. П., Шерстнев С. Н. Гидравлическое сопротивление и тепломассообмен. — М.: Наука, 1994. — С. 270. 46. Витков Г. А., Шерстнев С. Н. К расчету фильтрации и конвек тивного тепломассообмена в пористых средах. — Деп. в ВИНИТИ 31.04.84, № 602-84 ДЕП (РЖ «Механика». 1984. № 5. 5Г320 ДЕП.). 47. Витков Г. А., Шерстнев С. Н. Обобщение экспериментальных данных по гидродинамике и тепломассообмену в системах (межфазный тепло- и массоперенос в пористых средах). — Деп. в ВИНИТИ 15.10.81, № 4813-81 ДЕП. 307
48. Витков Г. А.,Ш ерстнев С. Н., Григорьева Е. Б. О границах спра ведливости линейного закона фильтрации в пористых средах. — Деп. в ВИНИТИ 17.07.82, № 3075-82 ДЕП. 49. Георгиевский В. Б. Унифицированные алгоритмы для определения фильтрационных параметров: Справочник. — Киев: Наукова думка, 1971. — 328 с. 50. Гидродинамика и фильтрация однофазных и многофазных потоков / Под ред. Виноградова В. Н. и др. — М.: Недра, 1972. — 165 с. 51. Гидродинамическая теория фильтрации: Сб. науч. тр. / Под. ред. Пыхачева Г. Б. и др. — Грозный: Чечено-ингуш. гос. ун-т, 1978. — 103 с. 52. Голубев И. Ф. Вязкость газов и газовых смесей. — Физматгиз, 1959. 53. Дерягин Б. В., Захарова Н. Н., Лапшина А. М. Исследования в области поверхностных сил. — М.-Л.: Изд. АН СССР, 1961. 54. Дьипнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: Массообменные процессы и аппараты: Учебник для вузов. Ч. 2. — М.: Химия, 1992. 55. Еремин Ю. Г., Денисов Г. А., Штерн М. Д. О перспективах ис пользования воздействий вибрационных и акустических колебаний на процесс флотации / / Обогащение руд. 1981. № 3. 56. Жужиков В. А. Способы определения удельного сопротивления осадка при фильтровании при постоянной разности давлений / / Химическое машиностроение. 1960. № 2. 57. Жужиков В. А. Фильтрование: Теория и практика разделения суспензий. — 4-е изд. — М.: Химия, 1980. — 398 с. 58. Закиров С. Н. и др. Многомерная и многокомпонентная фильтрация: Справ, пособие. — М.: Недра, 1988. — 334 с. 59. Пат 32235 Японии, кл. 72С343.1 (BOI). Пресс-фильтр / Э. Исигаки. Заявл. 27.12.69; Опубл. 20.09.71. 60. А. с. 719668 СССР. Способ обезвоживания осадка на вакуумфильтре и устройство для его осуществления / Г. С. Кабалдин, Т. В. Кучко, В. Ф. Тюриков / / Б. И. 1980. № 9. 61. Каминский В. С., Барбин М. Б., Долина Л. Ф. Интенсификация процессов обезвоживания. — М.: Недра, 1982. 62. Каминский В. С.,Классен В. И., Соколов М. С. Влияние магнитной обработки пульпы в сочетании с реагентами-интенсификаторами на фильтрование угольной мелочи / / Тр. ИОТТ. 1976. Т. 1. 63. Карасева Т. А., Ширинкин Л. Г. О сжимаемости фильтровальных осадков / / Тр. Уральск, н.-и. хим. ин-та. — Л.: Химия, 1971. 64. Кио М., Barrett Е. С. Continious filter cake washing performance / / A. I. Ch. E. Journal. 1970. Vol. 16, N 4. 65. Классен В. И. Омагничивание водных систем. — М.: Химия, 1982. 6 6 . Коган В. Б., Фридман В. М.,Кафаров В. В. Равновесие между жид костью и паром. Кн. 1 и 2. — М.-Л.: Наука, 1966. 67. Комаровский А. А. / / Тр. Новочеркасского политехнического института. 1950. Вып. 20. С. 3. 6 8 . Кочина П. Я. Гидродинамика и теория фильтрации. — М.: Наука, 1991. — 351 с. 69. Пат. 15965 Японии, кл. 72С343.1. Пресс-фильтр (Мешкообразный сосуд, заполняемый водой под давлением) / К. Курита. Заявл. 30.05.68; Опубл. 26.05.71. 70. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. — Машгиз, 1957. 308
71. Лебедев П. Д., Щукин А. А. Промышленная теплотехника. — Госэнергоиздат, 1956. 72. Лева М. Псевдоожижение / Под ред. Н. И. Гельперина. Пер. с англ. — М.: Гостоптехиздат, 1961. — 400 с. 73. Лейчкис И. М. Фильтрование с применением вспомогательных веществ. — Киев: Техшка, 1975. 74. Литвинов Л. Е. Гидравлическое сопротивление слоя адсорбента / / Химическое и нефтяное машиностроение. 1978. № 12. С. 14—17. 75. Льшов А. В. Теория сушки. — Госэнергоиздат, 1950. 76. Льшов А. В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. — Госэнерго издат, 1956. 77. Малиновская Т. А. Разделение суспензий в промышленности органического синтеза. — М.: Химия, 1971. 78. Математические методы исследования фильтрации и массопере носа: Сб. науч. тр. — Киев: ИМ, 1984. — 142 с. 79. Мешенгиссер М. Я. К вопросу о промывке осадка нафильтре / / Химическое машиностроение. 1960. № 3. 80. Минский Е. М. О турбулентности фильтрации в пористых средах / / Вопросы добычи, транспорта и переработки природных газов. — М.-Л.: Гостоптехиздат, 1951. — С. 3 —19. 81. Современная теория фильтров и проектирование / С. Митра, Г. Орчард, Г. Темеш и др. — М.: Мир, 1977. — 560 с. 82. Михеев М. А. Основы теплопередачи. — М.:Госэнергоиздат, 1956. 83. Пат 16717 Японии, кл. 72С343.1 (BOI). Устройство для раскрытия секций многоярусного вертикального пресс-фильтра / Т. Мори. Заявл. 28.06.69; Опубл. 17.05.72. 84. Мухин В. А., Смирнова Н. Н. Исследование процессов теплообмена при фильтрации в пористых средах. — Новосибирск, 1978. — 28 с. 85. Олейник А. Я. Теория и расчеты фильтрации / / Сб. науч. тр. / АН СССР, Ин-т гидрогеомеханики. — Киев: Наукова думка, 1980. 8 6 . Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». — Госхимиздат, 1959. 87. Панфилов М. Б., Панфилова И. В. Осредненные модели фильтра ционных процессов с неоднородной внутренней структурой. — М.: Наука, 1996. — 383 с. 8 8 . Попов В. Д. О теплопередаче при конденсации пара на горизон тальной поверхности / / Тр. КТИПП. 1951. Вып. 11. 89. Поспелов Ф. М. Расчет влажности при обезвоживании осадка отжимным валком / / Химическое и нефтяное машиностроение. 1976. № 2. 90. Протодьяконов И. О.,4есноков Ю. Г. Гидромеханические основы процессов химической технологии: Учебное пособие для вузов. — Л.: Химия, 1987. — 360 с. 91. Процессы промывки осадков. — М.: Недра, 1973. 92. Ройтер И., Крефельд Ф. Полимерные синтетические флокулянты и их применение при обогащении минерального сырья / / Глюкауф. 1976. №
2.
93. Ройтер И., Лемке К. Обезвоживание каменноугольного шлама с помощью пара на фильтре системы «Фест», работающем под давлением / / Глюкауф. 1983. № 25. 94. Романков П. Г., Курочкина М. И. Гидромеханические процессы химической технологии. — Изд. 2., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1974. — 257 с. 309
95. Саградян А. Л.,Крангачев Б. Г. Физико-химические методы иссле дования флотационного процесса / / Теоретические представления, методы исследований: Науч. тр. / Армнипроцветмет. — Ереван: Айастан, 1980. — Ч. 2.
96. Синтетические высокомолекулярные флокулянты как осветлители суспензии и ускорители фильтрации. — М.: Недра, 1962. — 39 с. 97. Ситенков В. Г. Гидродинамика стесненного обтекания частиц / / Хим. и технолог, топлив и масел. 1978. № 8 . С. 43 —46. 98. Пат. 4118 Японии, кл. 72С343.1. Устройство для автоматизирован ного удаления осадка из пресс-фильтра / М. Сонебаре, К. Миги. Заявл. 01.10.65; Опубл. 12.11.69. 99. Справочник по обогащению руд. Основные процессы. — М.: Недра, 1983. 100. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы. — М.: Недра, 1982. 101. Стрельцов В. В. Расчет оптимального режима работы фильтров периодического действия / / Химическая промышленность. 1955. № 5. 102. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. — М,Л.: Госэнергоиздат, 1958. 103. Телегин А. С., Швыдкий В. С. Тепломассоперенос. — М.: Метал лургия, 1995. — 400 с. 104. Теплофизические свойства веществ / Под ред. Варгафтика Н. Б. — Госэнергоизат, 1956. 105. Таблицы физических величин. — М.: Атомиздат, 1976. 106. Труды по теории фильтрации / Под ред. проф. Тумашева Г. Г. — Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1958. — 263 с. 107. Тюфтин Е. П. Промывка гидрометаллургических пульп. — М.: Металлургия, 1979. 108. Унифицированные методы анализа вод / Под ред. Лурье Ю. Ю. — М.: Химия, 1973. — 376 с. 109. Федоров А. В., Малиновская Т. А. К теории обезвоживания осад ков на фильтрах / / Процессы разделения суспензий в неорганических производствах: Науч. тр. / Ленниигипрохим. — Л., 1978. 110. Франк—Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в хими ческой кинетике. — 2-е изд. — М.: Наука, 1967. 111. Федоткин И. М.,Криль С. И.,Борщевский Л. И. Разделение сус пензий и гиперфильтрование. — Киев: Техника, 1972. 112. А. с. 206460 СССР. Устройство для интенсификации обезвожива ния концентратов на барабанных фильтрах / А. М. Федотов, Г. А. Д е нисов / / Б. И. 1968. № 1. 113. Филоненко Г. К., Лебедев П. Д. Сушильные установки. — Гос энергоиздат, 1952. 114. Фильтрационные исследования и расчеты: Сб. статей / Отв. ред. Розовский И. Л. — Киев: Наукова думка, 1967. — 74 с. 115. Фильтрация газа и движение многофазных сред: Сб. статей / Отв. ред. Кабулов В. С. — Ташкент: Фан, 1967. — 76 с. 116. Фильтрование тонкозернистой шламистой пульпы медного кон центрата на обогатительной фабрике Уайт Пайн (США) / / Eng. and Mining J. Реф. ц. м. № 2644. № 12. С. 104-106. 117. Фортье А. Механика суспензий. — М.: Мир, 1971. 118. Хаппель Д. Ж .,Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рей нольдса. — М.: Мир, 1976. — 486 с. 310
119. Цибаровский Я. Процессы химической технологии. — Госхимиздат, 1958
120 Машины и аппараты химических производств. Основы теории и расчета / И. И. Чернобыльский, А. Г. Бондарь, Б. А. Гаевскии и др. — Киев: Машгиз, 1961. 121. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — М., 19/4 122 Шпонов Н. В. Фильтры непрерывного действия. Машгиз, 1949. 12з! Щелкачев В. Н. Основы и приложения теории неустановившеися фильтрации. В 2-х частях. — М.: Нефть и газ, 1995. — 586 с. 124. Пат. 4118 Японии, кл. 72С343.1. Пресс-фильтр / X. Эока. Заявл. 29.01.66; Опубл. 12.02.70. „„„„ 125 Руководство по отбору проб и производству анализов промышлен ных сточных вод цветной металлургии / О. В. Янтер.Е. А. Орлова Н. И. Кушнарева и др. — М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 19/5. — 214 с.
311
LAROX ® ФИЛИАЛЫ И ТОРГОВЫЕ АГЕНТСТВА АВСТРАЛИЯ. Larox Pty Ltd, 18/1 Short St., Chatswood, N.SW. 2067, Phone (02) 417 7144, Telefax (02) 4177491. Larox (W.A. Office), 155 M ain Street, Osborne Park, W est Australia 6017, Phone (9) 242 3255, Telefax 9-2423256. ВЕЛИКОБРИТАНИЯ. Larox UK, P. O. Box 522, W harley End, Cranfield, Bedfordshire MK43 OSX, Phone (0234) 750422, Telefax 0234750074. ГЕРМАНИЯ. Larox GmbH, Kapellenstr. 45 A, 6239 Kriftel/Ffm„ Phone 6192-2093-0, Telex 4072249 lrox d, Telefax 6192-8039. Larox GmbH, Biiro Gera, Saalfelder Strasse 2,0-6502 Gera Lusan, Phone (70) 32789. 1 1 КАНАДА. Larox Canada, Suite 401, 50 Burnham thorpe Rd, West, Mississauga, Ont. L5B 3C2, Phone (416) 9491892, Telefax (416) 9491893. МЕКСИКА. Larox Mexico, Apdo. postal 19-429, M exico City, 03901 M exico D.F., Phone 5-559 2078, Telefax 5-5751462. ПЕРУ. Larox Sucursal del Peru, Av. Salaverry 3150, San Isidro, Lima 27, Phone (14) 614 684, Telefax 14-614684. ПОЛЬША. Larox BIT, 42-282 Katowice, Ul. Graniczna 29, Phone 31562305, Telefax 3-1562305, Telex 315564. США. Larox Inc., 973 OA Patuxent W oods Drive, Columbia, M aryland 21046, Phone (301) 3813314, Telex 7108622870 larox, Telefax (3 01) 3 814490. ФИНЛЯНДИЯ. Larox Oy, PO Box 29, SF-53101 Lappeenranta Finland Phone +358-53-5881 Telex 58233 larox sf, Telefax + 358-53-588 277. ФРАНЦИЯ. Larox France, 22 ter, rue Pierre Curie, BP 118, 62217 Beaurains, Phone 21.23.25.89, Telefax 21.23.26.73. ЧИЛИ. Larox Chile SA., Av. 11 de Septiem bre 2260, Oficina 139, 3 piso, Providencia, Santiago, Phone 2-2325122, Telefax 2-2328710. ШВЕЦИЯ. Larox AB, Veddestavagen 13, 17562 Jarfalla, Phone 08795 5945, Telefax 08-795 6610. ЮАР. Larox S outhern Africa, P. O. Box 4010, Half-way House, 1685 South Africa, Phone (11) 3153877, 3153878, Telefax 11-315 3 879.
LAROX®
Дата:
ВОПРОСНИК ПО ФИЛЬТРАЦИИ (Информация для тестирования) Вопросник заполнил: _____________________________ Н азвание предприятия: Админ, лицо для связи: Адрес предприятия (п/и) ИНДУСТРИЯ
СИМ инеральное сырье 1_1Неорганическая химия
СПОбогащение СИМеталлургия Органическая химия
1__ Произв. стоки и отходы ПРОБА
Н азвание шэобы: Колич. пообы:
1
пульпа Вид пробы: Н азвание и хим. формула тверд, фазы
СИшлам
Н азвание и хим. формула жидк. ф азы Наличие абр. и агр. веществ в пульпе
ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА
Если проба содержит опасные вещества, то сообщите нам правила обращ ения с ней
Аргентина, Бельгия, Бразилия, Венгрия, Греция, Дания, Индия, Италия, Китай, Корея, Нидерланды, Норвегия, Португалия, Россия, Таиланд, Турция, Филиппины, Чехия.
ОСНОВНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
312
М атериальный п о т о к __________т /ч сухого М атериальный п о т о к __________м3/ч пульпы П р о д о л ж и тел ьн о ст ь__________ч/сут. П р о д о л ж и тел ьн о ст ь__________сут./недель
313
ОГЛАВЛЕНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЕ ПОЛОЖЕНИЕ НА ПРЕДПРИЯТИИ Используемый фильтр ______________ Площадь фильтрации ______________ м 2 Число фильтров______________ ______________ М атериал рабоч. частей______ ______________ Уд. производительность ______________ кг/(м 2'ч) Уд. производительность ______________ л / (м2-ч) Расход пром. жидкости_______ ______________ м3/ т сухого Расход пром. жидкости_______ ______________ м 3/м 3 пульпы Остат. влажность кека______________________ % влаги Сод. тверд, в фильтрате______ ______________ м г/л Результаты промывки ______________________________
Глава 1.
СИ да СИ нет ______________ °С ______________
Доп. матер, для фильтр.: Д оза дополн. материалов
СИ да СИ нет ______________
1.4.
Гидродинамические характеристики процессов
фильтрования ....................................................................... 1 5. Тепломассообменные процессы в зернистом слое . . 1 6 О бщ ие закономерности процессов фильтрования . . 7 Фильтрование с образованием несжимаемого осадка Фильтрование с образованием сжимаемого осадка 1;9: ф ильтрование с закупориванием пор фильтрующ ей п е р е г о р о д к и .................. ........................................................ 1 10. П ромывка осадков на фильтрах . ................................ i ’l l. Конвективная суш ка осадков на ф и л ь т р а х ................
V
2.1. О сновные принципы интенсиф икации процессов
L/W-QCiX-l-Tiy-l . . . .
мкм =
2 2. Физико-химические методы интенсификации ................ 2.3. Ф изические и физико-м еханические методы интенсификации .....................................................................
6
..6 . 12 . 25 . . . .
36 43 51 57 65
. 72 . 82 . 91
110 113 118
..........................
144
3.1. Карусельные и тарельчатые ф и л ь т р ы .....................................
144 150 156 168 172 185 190 195
Глава 3. фильтровальное оборудование и материалы
3.2. П атронные и листовые фильтры ............................................. 3.3. Ленточные в а к у у м -ф и л ь тр ы ........................................................
%;
..
110
Глава 2. Интенсификация процессов фильтрования
ЗАДАНИЕ ТЕСТИРОВАНИЯ — получить: Остаточную влажность_______ ______________ % влаги Уд. производительность ______________ кг/(м 2-ч) ______________ л /(м 2-ч) Уд. производительность Расход пром. жидкости_______ ______________ м3/ т сухого Результаты промывки __________________________ ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ Ситовой анализ: мкм = %; — мкм = %; —
Т е о р е т и ч е с к и е о с н о в ы п р о ц е с с о в ф и л ь т р о в а н и я .............
1.1. К лассификация суспензий и осадков. Виды влаги . . 12. Ф изические свойства суспензии и осадков ............. 1 3 Ф изические свойства газов и их смесей .....................
УСЛОВИЯ ТЕСТИРОВАНИЯ Содерж. тверд, в питании ______________ % Температура пульпы ______________ °С Плотность пульпы г/л Промывка кека: Темп, промыв, жидкости Тип промыв, жидкости
..3
Предисловие ..........................................
3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8.
Рамные пресс-фильтры
......................................................
Барабанны е и д и с к о в ы е - Ф ^ т р ы ............................................. Пресс-фильтры типа ФПАКМ ............................................. Специальные типы ф и л ь т р о в .....................................................
Фильтрующие перегородки ..................................................
Глава 4. Современные технологии и оборудование для разделения 214 суспензий ..................................................................................................
4.1. Задачи фильтровального оборудования на современном 4.2. Е Larox OY P hone + 3 5 8 5 668 811 M erita Bank Ltd Postal giro account P.O .Box 29, Tukkikatu 1 Fax + 3 5 8 5 668 8277 157 130-17823 800010-506106 FIN-53101 Lappeenranta E-mail info@ larox.fi Swift Swift FINLAND Internet www.larox.fi MRIT F1HH PSPB F1HH
компании «Larox Оу» в развитие фильтрационных
217
процессов
............................. ......................... .. ..............................
М
ряд промышленных пресс-фильтров Larox . . 229
4.3. Конструкция и принцип действия пресс-фильтров 4.4.
214
о д е л ь н ы й
222
315
314
4.5. Система автоматического контроля и регулирования пресс-фильтров L arox................................................................. 240 4.6. Технико-экономические показатели пресс-фильтров Larox 244 4.7. Примеры использования пресс-фильтров Larox .................. 247 4.8. Тестирование производственных пульп на фильтруемость 295 4.9. Фильтры Larox LSF глубокой очистки ...................................300 Библиографический сп и сок............................................................................. 306 Филиалы и торговые агентства компании «Larox Оу» .............................. 312 Вопросник по фильтрации................................................................................313
УДК 66.067 ББК 35.11 Б43 Beloglazov I. N. and etc. Б43 Filtration of technological pulps / I. N. Beloglazov, V. O. Golubev, O. N. Tikhonov, J. Kuukka, Ed. Jaaskelainen. — М.: Publishing house «Ore and metals», 2003. — 320 p. ISBN 5-8216-0055-3 This book is dedicated to calculation m ethods for processes of separation by filtration. The basic m ethods for intensification of fil tration processes and their industrial realization are considered. This book includes brief design and operating characteristics of known types of filtering equipm ent and materials. Special attention is given to description of m odern analogs of vertical press-filters with hori zontal cameras such as FPAKM (ФПАКМ) produced by Finnish com pany «Larox Оу». W orld experience of usage of press-filters by Larox in different industries is shown. This book is intended for technical engineers and researchers occupied in m athem atical exposition and simulation of separation processes of suspensions and participating in research and m ainte nance of filtering equipm ent. It can be useful for lecturers, post-grad uate students and students of chem ical-and-technological high schools. УДК 66.067 ББК 35.11 Reviewers: Professor of the D epartm ent of Processes and Equipm ent of Chemical Technology of the Saint Petersburg State Technological Institute (Technical University) N. N. Smirnov, the Departm ent of the M athem atical M odeling and Optimization of Chemical and Technological Processes of the Saint Petersburg State Technological Institute (Technical University). © I. N. Beloglazov, V. O. Golubev, O. N. Tikhonov, J. Kuukka, Ed. Jaaskelainen, 2003 © The Publishing house «Ore and metals», 2003 ISBN 5-8216-0055-3
317
CONTENTS
Foreword ..................................................................................................................3 Chapter 1. Theoretical fundamentalses offiltration p ro c e sse s..........................6 1.1. Classification of suspension and precipitates. Types of moisture .........................................................................6 1.2. Physical properties of suspension and precipitates ................ 12 1.3. Physical properties of gases and their m ixtures.......................25 1.4. Hydrodynamic characteristics of filtration processes ..............36 1.5. Heat and mass transfer processes in a granular lay ers 43 1.6. Common regularities of filtration processes ............................51 1.7. Filtering with formation of incompressible settling ................57 1.8. Filtering with formation of compressible settling.....................65 1.9. Filtering with blockage of a filtration baffler............................72 1.10. Washing of precipitates on filters ..........................................82 1.11. Convective drying of settling on filters...................................91 Chapter 2. Intensification of filtration p ro c e sse s.......................................... 110 2.1. Philosophy of intensification of filtration processes ..............110 2.2. Physicochemical methods of intensification............................ 113 2.3. Physical and mechanical intensification m ethods...................118 Chapter 3. Filtering equipment and materials ........................................... 144 3.1. Round-robin and plate filters....................................................144 3.2. Cartridge and sheet filters........................................................ 150 3.3. Tape vacuum-filters ..................................................................156 3.4. Frame press-filters .................................................................... 168 3.5. Drum-type and disc filters........................................................ 172 3.6. Press-filters such as FPAKM (ФПАКМ) .................................185 3.7. Special types of filters ............................................................. 190 3.8. Filtering bafflers.........................................................................195 Chapter 4. Modem techniques and equipment for separation of suspension.................................................................................... 214 4.1. Goals for the filtration equipment at modem tim e s 214 4.2. Contribution of «Larox Oy» company in development of filtration processes ............................................................... 217 4.3. Construction and operating principle of press-filters by Larox .................................................................................... 222 4.4. Types of industrial press-filters by Larox .............................. 229 4.5. System of automatic control and adjustment of press-filters by Larox .................................................................................... 240 4.6. Technological and economical indices of press-filters by Larox .................................................................................... 244 4.7. Examples of practical usage of press-filters by L arox 247 4.8. Testing of industrial pulps on filterability..............................295 4.9. Larox LSF filters for deep cleaning ....................................... 300 Bibliographic list ................................................................................................ 306 Subsidiaries and trade offices of «Larox Oy»com pany................................... 312 Filtration questionnaire.......................................................................................313 318
Научное издание
I I в I
Белоглазов Илья Н икитич, Голубев Владимир О легович, Т ихон ов Олег Н иколаевич, Куукка Ю рки , Яскеляйнен Эдуард
х
I
ФИЛЬТРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПУЛЬП
j i
Редактор Е. А. Павлова Подписано в печать с оригинал-макета 19.08.2003. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 20,0. Тираж 1000 экз. Заказ № 802. ФГУП «Издательский дом «Руда и металлы». 119049, Москва, В-49, ato № 625. Отпечатано с готовых диапозитивов в ОАО «Московская типография № 6» 115088, Москва, Южнопортовая ул., 24
SB N 5-8216-0055-3
9785821600554
78582
600554
