Bazele Procesului Tehnologic de Filtrare In Camp de Forte Centrifugal

PROIECTAREA OPTIMĂ A INSTALAȚIILOR DE FILTRARE SEDIMENTARE PE BAZA MODELĂRII PROCESELOR TEHNOLOGICE

Cap. 1. Bazele procesului tehnologic de filtrare în câmp de forțe centrifugal

Filtrarea

1.1.1. Filtrarea ca operație de separare

Filtrarea ca operație tehnologică de separare a sistemelor eterogene fluid-solid în fazele componente cu ajutorul unui strat filtrant cu structură poroasă care reține faza solidă și permeabil numai pentru faza fluidă este reprezentată ca principiu în figura 4.1.

Operația de filtrare nu depinde de diferența dintre densitățile fazelor care separă, ci diferența de presiune (Δp = p1 – p2 ) dintre cele două părți ale stratului filtrant.

Filtrarea este din punct de vedere al fazei lichide un fenomen de curgere prin mediu poros.

Diferența de presiune pe cele două fețe ale stratului filtrant poate fi realizată prin:

– presiunea hidrostatică a coloanei de suspensie care se filtrează;

– cu ajutorul pompelor (cu piston, centrifugare, de vid).

Filtratul ca fază lichidă conține și particule solide cu dimensiuni mai mici ca ale porilor stratului filtrant.

Sedimentul (precipitatul) ca fază solidă are un conținut oarecare de lichid (umiditate).

În funcție de considerente tehnologice și economice operația de filtrare este urmată de spălarea sedimentului îmbibat cu lichidul suspensiei, cu apă sau alt lichid potrivit.

Exemplul cel mai întâlnit este în industria zahărului la filtrarea zemii de carbonatarea întâi ce ușurează obținerea zemii lipsită de precipitat și recuperarea zahărului din el.

Pentru spălarea zahărului obținut la centrifugarea masei groase de produs I se folosește apă caldă la 750…800 C în proporție de circa 2…3% față de masa masei groase, urmată de aburire cu abur de 0,3…0,4 Mpa în proporție de circa 2% raportat la masa masei groase. Astfel se îndepărtează pelicula de sirop de pe cristale, ce ușurează descărcarea zahărului din centrifugă și prin faptul că temperatura crește se ușurează uscarea zahărului. Apa folosită pentru spălarea zahărului, adică pentru albirea lui, dizolvă parțial zahărul, în proporție de circa 7…9% față de masa masei groase.

Ca urmare acest sirop se recirculă la fierberea masei groase de produs I.

Reținerea particulelor solide pe stratul filtrant este rezultatul proceselor de:

– sedimentare a particulelor solide la suprafața stratului filtrant;

– cernerea particulelor solide de către porii stratului filtrant;

– adsorbția particulelor solide fine în porii stratului filtrant sau ai stratului de precipitatului depus;

În general, porii stratului filtrant fiind mai mari decât particulele fine de îndepărtat, în primele momente ale operației de filtrare acestea nu sunt reținute și trec în filtratul tulbure.

Operația de filtrare devine mai eficientă după un timp în care particulele fine fiind adsorbite în material, reținerea particulelor se îmbunătățește, filtratul devine limpede.

În funcție de reținerea fazei solide se deosebește:

– filtrarea superficială caracterizată prin reținerea pe suprafața statului filtrat;

– filtrarea în adâncime, când stratul filtrat reține particulele fazei disperse în toată adâncimea sa.

Operația de filtrare se compune din operațiile:

– reținerea particulelor solide de către stratul filtrant;

– reținerea particulelor solide de către stratul de sediment depus (filtratul se poate recircula până la un grad de separare dorit);

– spălarea sedimentului;

– îndepărtarea sedimentului depus pe filtru și regenerarea stratului filtrant.

1.1.2. FACTORII CARE INFLUENȚEAZĂ FILTRAREA

Filtrarea este o operație tehnologică dificilă și scumpă. Alegerea procedeului, utilajul de filtrare și a condițiilor de operare se face luând în considerare numeroși factori. Dintre aceștia, cu rol mai important sunt:

a. Granulometria, forma particulelor și suprafața specifică a fazei solide.

Aceasta condiționează alegerea stratului filtrant (textură, porozitate), structura stratului de precipitat și capacitatea filtrantă a acestuia, precum și umiditatea reziduală a sedimentului.

Dacă particulele de precipitat au dimensiuni mari și sunt cristaline, filtrarea se petrece rapid; printr-un precipitat format din particule cu dimensiuni mici lichidul curge mai încet, întrucât canalele filtrante au dimensiuni mici și manifestă o rezistență hidraulică mare, dar și mai greu decurge când particulele de precipitat nu au dimensiuni uniforme. Particulele mici se interpun între cele mari și se încetinește cu totul filtrarea.

Cel mai greu se filtrează precipitatele gelatinoase (gelurile). Aceste precipitate se formează la purificarea zemii de extracție în industria zahărului.

Dacă precipitatul este necompresibil, viteza de filtrare sete proporțională cu diferența de presiune.

Dacă conține geluri, atunci prin ridicarea presiunii, precipitatul se comprimă, secțiunea capilarelor dintre particule se micșorează și filtratul se încetinește. In acest fel, pentru precipitatele compresibile, viteza de filtrare nu crește proporțional cu diferența de presiune ci mai slab. La o creștere în continuare a presiunii, încetează creșterea vitezei de filtrare și chiar se micșorează în așa fel încât creșterea presiunii devine dăunătoare ca urmare a comprimării precipitatului.

Presiunea la care se obține, pentru un anumit tip de precipitat, viteza maximă de filtrare de la carbonatarea I și II din industria zahărului, presiunea critică este 0,3…0,4 MPa.

Vâscozitatea suspensiei și / sau a fazei lichide.

Suspensiile în filtrare nu se recomandă ca fluide pure. Este necesar să se determine comportarea newtoniană sau nenewtoniană a suspensiei și filtratului.

Suspensiile cu viscozitate dinamică mică se filtrează de regulă cu viteză mare .

Vâscozitatea dinamică a suspensiei poate fi redusă prin creșterea temperaturii acesteia, sau diluarea cu ajutorul unor solvenți auxiliari.

În cazul utilizării solvenților, filtrarea se realizează sub presiune, pentru a se evita pierderea solvenților prin evaporare.

De exemplu, zeama din industria zahărului, înainte de filtrare se încălzește în preîncălzitoare la 90…950C.

c. Temperatura de filtrare.

Creșterea temperaturii de filtrare influențează favorabil filtrarea, fie prin micșorarea vâscozității dinamice a suspensiei, fie prin introducerea unor cuagulanți, modificând granulometria suspensiei. La alegerea temperaturii de filtrare se ia în considerare modificarea proprietăților fizico – chimice ale suspensiei cât și a fazelor componente.

d. Presiunea de filtrare.

Influența presiunii sau depresiunii utilizată în operația de filtrare, depinde de comportarea stratului de sediment în cursul formării sale și ca strat filtrant.

e. Stratul filtrant.

Materialele folosite ca strat filtrant sunt foarte diferite ca natură și structură, au grosimi diferite sau straturi filtrante formate dintr-o succesiune de materiale și structuri (nisip de diferite mărimi, cauciuc pe suport metalic etc.).

Acestea trebuie să realizeze:

-reținerea cât mai completă a fazei solide din suspensie, și eventuale impurități;

-rezistența hidraulică redusă;

-rezistența mecanică și chimică suficientă;

-regenerare ușoară;

-prelucrare ușoară și ieftină;

În funcție de natura lor, materialele filtrante se utilizează ca straturi mono – sau multi – filamente sub formă de table, site, țesături și împletituri, plăci poroase, straturi fibroase și pulverulente, straturi granulare, membrane.

Pentru filtrarea zemii de carbonatarea întâia din industria zahărului se utilizează pânze confecționate din țesături vegetale (iută, cânepă, bumbac) sau fibre sintetice.

Dacă împrejurările permit, se poate forma un strat filtrant deosebit de bun prin depunerea unor produse filtrante cum ar fi Kiesselgur, perlit, cărbune, fibre de azbest, celofibră, etc. pe stratul filtrant propriu-zis al filtrului. Acest strat permite obținerea imediată a unui lichid limpede.

Țesăturile din bumbac se recomandă pentru filtrarea uleiurilor și a suspensiilor neutre sau alcaline.

Țesăturile din lână se recomandă pentru filtrarea uleiurilor hidraulice, a suspensiilor neutre până la slab acide.

Fibrele sintetice se recomandă la filtrarea apei, a suspensiilor cu pH de la puternic la puternic bazic.

Fibrele de sticlă se recomandă la filtrarea suspensiilor cu aciditate medie și a alcaliilor diluate și reci.

Membranele animale, hârtia, pelicula de gelatină etc., se utilizează pentru filtrări fine, la reținerea de substanțe coloidale, bacterii etc.

Plăcile poroase din azbest, argile, porțelan, cuarț, cărbune, cocs, grafit, materiale plastice etc., au în general porozitate uniformă până la 0.1 μm, rezistență mecanică și chimică bună.

Straturile fibroase din azbest, celuloză, fibre textile (fetru, pâslă), carton se recomandă pentru filtrarea suspensiilor care colmatează ușor pe un suport (uleiuri, produse petroliere).

Granulele de nisip, cărămidă, cocs, antracit, marmură, cărbune activ, materiale schimbătoare de ioni se folosesc pentru dedurizarea apei.

Sitele moleculare separă preferențial componentele unui amestec.

Toate materialele granulare susținute pe un suport, formează straturi granulare ca suport filtrant.

Durata filtrării.

Creșterea timpului de filtrare conduce la creșterea stratului de sediment, iar odată cu acesta crește rezistența hidraulică ce conduce la încetinirea procesului de filtrare.

De aceea este nevoie în mod periodic să se curețe stratul de precipitat de pe suprafața de filtrare. Cu cât acest strat este îndepărtat mai des, cu atât filtrarea se petrece mai repede.

Totuși operația de curățire se face la intervale de timp bine precizate pentru fiecare tip de filtrare.

1.1.3. BAZELE TEORETICE ALE FILTRĂRII ÎN CÂMP DE FORȚE GRAVITAȚIONAL

1.3.1.1. CALCULUL VITEZEI DE FILTRARE

Operația de filtrare poate decurge în regim nestaționar sau pseudostaționar.

Teoriile existente au la bază modele fizice simplificate ale curgerii prin stratul filtrant și sediment, neglijând sau luând în considerație rezistența hidraulică a stratului. Calculele urmăresc să exprime relația dintre diferența de presiune, Δp, și aria suprafeței de filtrare, A, necesară filtrării unui volum de filtrat,V.

Fenomenul de bază luat în considerare pentru teoria filtrării este curgerea printr-un mediu poros, considerând atât precipitatul cât și stratul filtrant, ca fiind niște medii poroase.

Regimul de curgere admis pentru filtrarea lichidelor, pe baza a o serie de determinări experimentale, se consideră că este laminar.

Sub aspectul modului în care se realizează curgerea la pierdere de presiune constantă sau curgerea la viteză constantă.

Filtrul ideal este un strat permeabil cu fețele paralele, permeabilitatea lui fiind datorită unor pori cilindrici, capilari, cu diametre egale și constante, perpendiculari și uniformi distribuiți pe fețele stratului, în Fig. 4.2.

Calculul se face pentru amestecuri eterogene solid-lichid; rezultatele se extrapolează și la amestecuri eterogene solid-gaze.

Printr-un singur por, curgerea se face cu pierdere de presiune, dedusă din ecuația Fanning.

(4.1)

unde:

Δp – pierderea de presiune datorită frecării la trecerea lichidului prin porii stratului filtrant;

L – lungimea drumului parcurs de filtrat, prin porii stratului filtrant; (în cazul ideal l = h);

dp – diametrul porului prin care se realizează curgerea;

λ – coeficientul de frecare;

Wf – viteza de filtrare;

ρ – densitatea filtratului.

Considerând curgerea laminară, valoarea lui λ, se determină în funcție de criteriul Reynolds, pe baza relației:

(4.2)

În aceste condiții, relația (4.1)devine:

(4.3)

sau

(4.4) Știind că ecuația (4.4) devine:

(4.5)

de unde rezultă viteza de filtrare:

eama din industria zahărului, înainte de filtrare se încălzește în preîncălzitoare la 90…950C.

c. Temperatura de filtrare.

Creșterea temperaturii de filtrare influențează favorabil filtrarea, fie prin micșorarea vâscozității dinamice a suspensiei, fie prin introducerea unor cuagulanți, modificând granulometria suspensiei. La alegerea temperaturii de filtrare se ia în considerare modificarea proprietăților fizico – chimice ale suspensiei cât și a fazelor componente.

d. Presiunea de filtrare.

Influența presiunii sau depresiunii utilizată în operația de filtrare, depinde de comportarea stratului de sediment în cursul formării sale și ca strat filtrant.

e. Stratul filtrant.

Materialele folosite ca strat filtrant sunt foarte diferite ca natură și structură, au grosimi diferite sau straturi filtrante formate dintr-o succesiune de materiale și structuri (nisip de diferite mărimi, cauciuc pe suport metalic etc.).

Acestea trebuie să realizeze:

-reținerea cât mai completă a fazei solide din suspensie, și eventuale impurități;

-rezistența hidraulică redusă;

-rezistența mecanică și chimică suficientă;

-regenerare ușoară;

-prelucrare ușoară și ieftină;

În funcție de natura lor, materialele filtrante se utilizează ca straturi mono – sau multi – filamente sub formă de table, site, țesături și împletituri, plăci poroase, straturi fibroase și pulverulente, straturi granulare, membrane.

Pentru filtrarea zemii de carbonatarea întâia din industria zahărului se utilizează pânze confecționate din țesături vegetale (iută, cânepă, bumbac) sau fibre sintetice.

Dacă împrejurările permit, se poate forma un strat filtrant deosebit de bun prin depunerea unor produse filtrante cum ar fi Kiesselgur, perlit, cărbune, fibre de azbest, celofibră, etc. pe stratul filtrant propriu-zis al filtrului. Acest strat permite obținerea imediată a unui lichid limpede.

Țesăturile din bumbac se recomandă pentru filtrarea uleiurilor și a suspensiilor neutre sau alcaline.

Țesăturile din lână se recomandă pentru filtrarea uleiurilor hidraulice, a suspensiilor neutre până la slab acide.

Fibrele sintetice se recomandă la filtrarea apei, a suspensiilor cu pH de la puternic la puternic bazic.

Fibrele de sticlă se recomandă la filtrarea suspensiilor cu aciditate medie și a alcaliilor diluate și reci.

Membranele animale, hârtia, pelicula de gelatină etc., se utilizează pentru filtrări fine, la reținerea de substanțe coloidale, bacterii etc.

Plăcile poroase din azbest, argile, porțelan, cuarț, cărbune, cocs, grafit, materiale plastice etc., au în general porozitate uniformă până la 0.1 μm, rezistență mecanică și chimică bună.

Straturile fibroase din azbest, celuloză, fibre textile (fetru, pâslă), carton se recomandă pentru filtrarea suspensiilor care colmatează ușor pe un suport (uleiuri, produse petroliere).

Granulele de nisip, cărămidă, cocs, antracit, marmură, cărbune activ, materiale schimbătoare de ioni se folosesc pentru dedurizarea apei.

Sitele moleculare separă preferențial componentele unui amestec.

Toate materialele granulare susținute pe un suport, formează straturi granulare ca suport filtrant.

Durata filtrării.

Creșterea timpului de filtrare conduce la creșterea stratului de sediment, iar odată cu acesta crește rezistența hidraulică ce conduce la încetinirea procesului de filtrare.

De aceea este nevoie în mod periodic să se curețe stratul de precipitat de pe suprafața de filtrare. Cu cât acest strat este îndepărtat mai des, cu atât filtrarea se petrece mai repede.

Totuși operația de curățire se face la intervale de timp bine precizate pentru fiecare tip de filtrare.

1.1.3. BAZELE TEORETICE ALE FILTRĂRII ÎN CÂMP DE FORȚE GRAVITAȚIONAL

1.3.1.1. CALCULUL VITEZEI DE FILTRARE

Operația de filtrare poate decurge în regim nestaționar sau pseudostaționar.

Teoriile existente au la bază modele fizice simplificate ale curgerii prin stratul filtrant și sediment, neglijând sau luând în considerație rezistența hidraulică a stratului. Calculele urmăresc să exprime relația dintre diferența de presiune, Δp, și aria suprafeței de filtrare, A, necesară filtrării unui volum de filtrat,V.

Fenomenul de bază luat în considerare pentru teoria filtrării este curgerea printr-un mediu poros, considerând atât precipitatul cât și stratul filtrant, ca fiind niște medii poroase.

Regimul de curgere admis pentru filtrarea lichidelor, pe baza a o serie de determinări experimentale, se consideră că este laminar.

Sub aspectul modului în care se realizează curgerea la pierdere de presiune constantă sau curgerea la viteză constantă.

Filtrul ideal este un strat permeabil cu fețele paralele, permeabilitatea lui fiind datorită unor pori cilindrici, capilari, cu diametre egale și constante, perpendiculari și uniformi distribuiți pe fețele stratului, în Fig. 4.2.

Calculul se face pentru amestecuri eterogene solid-lichid; rezultatele se extrapolează și la amestecuri eterogene solid-gaze.

Printr-un singur por, curgerea se face cu pierdere de presiune, dedusă din ecuația Fanning.

(4.1)

unde:

Δp – pierderea de presiune datorită frecării la trecerea lichidului prin porii stratului filtrant;

L – lungimea drumului parcurs de filtrat, prin porii stratului filtrant; (în cazul ideal l = h);

dp – diametrul porului prin care se realizează curgerea;

λ – coeficientul de frecare;

Wf – viteza de filtrare;

ρ – densitatea filtratului.

Considerând curgerea laminară, valoarea lui λ, se determină în funcție de criteriul Reynolds, pe baza relației:

(4.2)

În aceste condiții, relația (4.1)devine:

(4.3)

sau

(4.4) Știind că ecuația (4.4) devine:

(4.5)

de unde rezultă viteza de filtrare:

(4.6)

unde:

ν – vâscozitatea cinematică;

η – vâscozitatea dinamică;.

Debitul volumic de lichid, qp,v, printr-un por este:

qp,v=Sp Wf (4.7)

unde:

– secțiunea unui por.

După înlocuiri și transformări simple, relația(4.7), devine:

(4.8)

1.1.3.2. FILTRAREA PRIN STRATUL DE PRECIPITAT INCOMPRESIBIL ȘI PRIN STRATUL FILTRANT

ECUAȚIA FILTRĂRII

Considerând stratul de precipitat real, drumul parcurs de fluid este mai mare decât înălțimea stratului, ca urmare l = α h, unde α > 1, (Fig. 4.3), iar debitul volumic printr-un por se determină cu relația:

(4.9)

Notând cu Af suprafața totală de filtrare și considerând că pe unitatea de suprafață sunt np pori, debitul volumic al filtrului este dat de relația:

(4.10)

Considerând debitul volumic al filtrului drept variația volumului de filtrare, V, cu timpul, t, se poate scrie:

(4.11)

Se face notația:

(4.12)

unde:

β – reprezintă rezistența specifică de filtrare.

Relația (4.11) devine:

(4.13)

Rezistența specifică de filtrare β este egală cu pierderea de presiune la trecerea lichidului de viscozitate dinamică de 1 (Pa s) printr-un strat de grosime 1(m) și viteza de 1(m/s).

Unitatea de măsură a lui β este 1/m2.

Rezistența specifică a unui precipitat este caracteristica de filtrare cea mai importantă și cu sens fizic complex. În ea este inclusă influența porozității, a dimensiunilor și coeficientului de sfericitate a particulelor, a caracteristicilor structurale ale precipitatului, a acțiunii de cuagulare a particulelor solide etc.

Debitul volumic al filtrului, Qv, se mai poate scrie în funcție de viteza de filtrare, Wf, și suprafața totală de filtrare, Af, astfel:

(4.14)

Din egalitatea relațiilor (4.13) și (4.14) rezultă:

(4.15)

de unde rezultă:

(4.16)

Trecând de la filtrul ideal, la filtrul real care are două straturi de filtrare ce opun rezistență, stratul de precipitat de grosime variabilă h1, rezistență β1 și stratul filtrant de grosime h2=constant, rezistența specifică β2 (fig 4.4) și ținând seama că debitul respectiv viteza de filtrare prin cele două straturi este constantă, se poate scrie:

după înlocuiri se obține:

(4.17)

Din relația (4.17) se deduce:

(4.18)

(4.19)

Pierderea de presiune totală prin filtru este suma pierderilor de presiune prin cele două straturi componente:

Δp = Δp1 + Δp2 (4.20)

După înlocuiri se obține:

(4.21)

sau

(4.22)

Se cunoaște că debitul volumic al filtrului este dat de relația (4.11) și relația (4.14), de unde rezultă:

(4.23)

Ținând cont de relația (4.22), relația (4.23) devine:

(4.24)

sau

(4.25)

unde:

(4.26)

(4.26)

– R1, R2 – rezistențele hidraulice ale stratului de precipitat și respectiv a stratului filtrant.

Dacă:

R1 = 0 momentul începerii filtrării, viteza de filtrare este maximă;

Wf = 0, când Δp = 0 adică atunci când suma rezistențelor hidraulice este

Valoarea lui R1 crește cu formarea stratului de precipitat, deci crește în timp și atrage după sine scăderea vitezei de filtrare, Wf .

Pentru straturi de precipitate și straturi filtrante necompresibile se poate considera că rezistența specifică a acestora sunt independente de diferența de presiune.

În cazul particular al filtrării vinului ce conține foarte puțin precipitat (particule solide), se poate neglija influența grosimii acestuia și relația debitului volumic al filtrului devine:

(4.27)

Dacă se exprimă înălțimea stratului filtrant, h2, printr-o înălțime echivalentă, he, care ar avea aceeași rezistență specifică cu a stratului de precipitat, adică:

de unde:

Ecuația (4.24) devine:

(4.28)

Dacă se ia în considerare că la 1 m3 filtrant se depun x m3 precipitat, iar grosimea stratului de precipitat, h1, se depune pe suprafața totală de filtrare, Af, atunci se poate scrie:

sau

(4.29)

unde:

– – volumul de precipitat care urmează a se depune;

– – volumul de precipitat depus.

Similar pentru înălțimea echivalentă a stratului filtrant:

(4.30)

în care:

– Ve – volumul de filtrat necesar pentru formarea unui strat de precipitat a cărui rezistență de filtrare este egală cu rezistența stratului filtrant.

Pe baza acestor considerații, ecuația debitului volumic al filtrului, Qv, este:

(4.31)

sau

(4.32)

Relația (4.32) reprezintă ecuația diferențială a filtrării pentru precipitate incompresibile.

Filtrarea precipitatelor la presiune constantă.

În acest caz Δp = constant și relația (4.32) ia forma:

(4.33)

sau

(4.34)

La timp s-a luat limita t + te, ținând seama că, t, este durata operației de filtrare propriu-zisă, iar, te, este timpul necesar pentru filtrarea volumului echivalent, Ve .

(4.35)

sau

(4.36)

Notând:

respectiv

debitul de filtrat raportat la unitatea de suprafață [m3 / m2] și

Relația (4.36) devine:

(4.37)

Diferențiind relația (4.37) în raport cu variabila q și ținând seama că qe, te, K sunt constante, se obține:

sau

(4.38)

Dacă se notează:

;

și dacă se înlocuiește diferențiala cu diferențe finite, relația (4.38), devine:

(4.39)

Relația (4.39) reprezintă ecuația unei drepte care are originea la ordonata „b” și tangenta unghiului de înclinare „a” (Fig. 4.5).

Dreapta reprezentată de relația (4.39) poate fi trasată pe baze experimentale, prin două puncte în baza a două determinări pentru V1, respectiv V2 la timpii t1, respectiv t2.

Pentru determinarea lui K trebuie să se facă experimentări la cel puțin două diferențe de presiune la care să se obțină valori diferite pentru b. Cunoscându-l pe K caracteristica a lichidului, volumul de precipitat raportat la volumul de filtrat și diferența de presiune, se poate stabili valoarea rezistenței specifice a precipitatului, înălțimea echivalentă a stratului filtrant și rezistența specifică a lui.

Din integrarea relației (4.38) se obține:

(4.40)

în care înlocuim valorile lui q și qe, se obține:

(4.41)

sau

(4.42)

unde:

și

sau

și

Relația (4.42) poate fi utilizată la determinarea duratei operației de filtrare pentru o anumită cantitate de filtrat, dacă se cunosc constantele A și B.

Filtrarea precipitatelor incompresibile la viteza de filtrare constantă.

Ca o consecință a filtrării la viteză constantă, Wf = constant, din relația (4.14) rezultă că și debitul volumic al filtrului este constant, adică:

constant.

Iar ecuația (4.28), devine:

(4.43)

Înlocuind pe h1 cu valoarea rezultată din relația (4.29), se obține:

(4.44)

Din această relație se poate determina diferența de presiune după filtrarea cantității de lichid, V, în timpul t:

(4.45)

sau

(4.46)

sau înlocuind

se obține:

(4.47)

sau

(4.48)

Cu ajutorul relației (4.48) se poate determina durata operației de filtrare în care diferența de presiune a ajuns la o anumită valoare.

Relația (4.46) poate lua și forma:

sau

(4.49)

sau

(4.50)

unde:

și

analoagă relației (4.42) și care se poate folosi pentru studiul filtrării la viteza de filtrare constantă.

1.1.3.3. FILTRAREA PRIN STRATUL DE PRECIPITAT COMPRESIBIL

Teoria filtrării prin stratul de precipitat compresibil consideră filtrarea ca având loc prin reținerea fazei solide din suspensie de către stratul de precipitat, stratul filtrant având doar rolul de suport al precipitatului.

Filtrarea poate fi deci tratată asemănător curgerii unui lichid printr-un strat granular, cu deosebirea că în cursul filtrării, grosimea stratului de precipitat crește și deci și rezistența hidraulică la curgerea filtrului prin strat crește.

Variația rezistenței specifică a precipitatului în funcție de diferența de grosime, pe baza datelor experimentale, se poate exprima prin relația:

(4.51)

unde:

– β0 – reprezintă rezistența specifică a precipitatului pentru diferența de presiune egală cu unitatea:

– s – exponent, dependent de natura precipitatului a cărui valoare este subunitară, numit coeficient de compresibilitate.

Introducând valoarea lui β1în relația (4.32), se obține:

(4.52)

sau:

(4.53)

Filtrarea precipitatelor compresibile la presiune constantă.

Relațiile stabilite anterior (paragraful 1.3.2) rămâne valabil cu excepția lui k din acele ecuații, care devine:

(4.54)

Ca urmare, pe baza datelor experimentale, folosind aceleași relații ca pentru precipitatele incompresibile, se poate studia relația între rezistența specifică și diferența de presiune.

Filtrarea precipitatelor compresibile la viteză de filtrare constantă.

În acest caz, relația (4.43) devine:

(4.55)

iar relația (4.47), devine:

(4.56)

Relația (4.50), devine:

(4.57)

unde:

și se poate utiliza la studiul filtrării prin precipitatele compresibile la viteza de filtrare constantă.

1.1.4. APARATE ȘI UTILAJE PENTRU FILTRAREA ÎN CÂMP DE FORȚE GRAVITAȚIONAL

Acestea se clasifică, în funcție de regimul de funcționare în:

– filtre cu funcțiune discontinuă:

– filtre cu funcțiune continuă.

Filtrele cu funcțiune discontinuă sunt întrerupte periodic pentru descărcarea sedimentului depus în timpul funcționării.

Din această categorie fac parte filtrele cu strat granular, filtrele nuce, filtrele presă, filtrele cu elemente filtrante.

Filtrele continue lucrează în mod continuu un timp relativ mare. Din această categorie fac parte filtrele celulare cu tambur rotativ, cu discuri, filtrele orizontale cu bandă transportoare, cu cupe, etc.

1.1.4.1 FILTRE CU FUNCȚIONARE DISCONTINUĂ

Filtre cu elemente filtrante de tip saci.

Aceste filtre sunt formate din mai multe elemente filtrante verticale, dispuse paralel intr-o manta cilindrică și legate între ele printr-o conductă comună pentru evacuarea filtrantului, formând un bloc de filtrare (fig. 4.6).

Detaliul elementului filtrant este format din: 1 – ramă din țeavă găurită; 2 – elemente de distanțare; 3 – pânza filtrantă; 4 – conducta de colectare filtrat.

Filtru cu saci lucrează la presiunea 4 ·105 …5·105 N/ m2.

Filtru presă cu rame și plăci.

Acesta este format din elemente filtrante – rame și plăci montate alternativ între care se întind pânzele filtrante (Fig. 4.7.a).

Plăcile au ambele fețe striate și uneori marginile îngroșate; ramele sunt cadre goale, de regulă pătrate cu laturile 1…1.5 m și grosimea de 10…75 mm (Fig. 4.7.b).

Se formează astfel între perechile de plăci succesive camere de filtrare.

Suspensia se alimentează sub presiune 3·105 … 15·105 N/m2 în filtru printr-un canal de alimentare continuu format la alăturarea plăcilor și ramelor, de găurile existente în colțurile acestora. Din acest canal, prin deschideri în fiecare ramă, suspensia este introdusă în camerele de filtrare. Filtrantul trece prin pânza filtrantă a plăcilor și este evacuat, fie prin deschidere în fiecare placă (evacuare deschisă), fie printr-un canal închis (evacuare închisă), format din găurile existente în plăci și rame.

Spălarea simplă a sedimentului (Fig. 4.7.c) e posibilă numai când rama nu este complet plină; se face introducând apa de spălare prin canalul de alimentare cu suspensie și evacuând-o prin canalul de filtrare, unde: 1 – ramă; 2 – placă; 2’ – deschidere pentru intrarea apei de spălare; 6 – cap fix; 7 – cap mobil; 8 – dispozitiv de închidere; 9 – sediment.

1.1.4.2. Filtre cu funcționare continuă

Filtre celulare cu tambur rotativ.

Sunt utilaje de mare productivitate. Prin divizarea suprafeței cilindrice de filtrare în celule, desprinderea și evacuarea sedimentului de pe stratul filtrant, regenerarea stratului filtrant, asigură funcționarea continuă a filtrului.

Fiecare celulă trece succesiv prin toate fazele filtrării.

În Fig. 4.8. se prezintă schema unui filtru celular rotativ sub vid.

Acesta se compune din:

– secțiune prin tamburul cu celule;

– capul de distribuție;

1. – tambur; 2. – pânză filtrantă; 3. – cilindru.

4. – perete radial; 5. – celulă;

6. – conductă de legătură la instalația de vid, I;

7. – conducta de legătură cu instalația de vid comportamentul II;

8. – conducta pentru suflat aer în compartimentul III;

9. – conducta pentru suflat aer în compartimentul IV;

10. – cuvă; 11. – agitator; 12. – arbore central; 13. – cuțit.

Tamburul orizontal (1) perforat este prevăzut la exterior cu stratul filtrant (2) din material textil sau sintetic. În interiorul acestuia în poziție concentrică se găsește alt cilindru (3) legat de primul prin pereți radiali (4) care îl secționează în celule.

Cilindrul interior asigură desfășurarea succesivă a fazelor de filtrare prin pereții care despart celulele fixe, realizându-se în decursul unei rotații complete a tamburului:

filtrarea propriu-zisă în compartimentul I, legat de instalația de vid cu ajutorul conductei (6); filtratul este evacuat și separat de aer într-un recipient exterior legat de un colector și de pompa de vid;

spălarea precipitatului prin pulverizare cu apă cu ajutorul unor duze, aspirându-se apa de spălare tot sub vid în compartimentul II prin conducta (7); uneori există, înaintea acestui compartiment, o celulă legată doar de instalația de vid, având rol de deshidratare a precipitatului înainte de spălare;

desprinderea precipitatului de pe suprafața de filtrare, prin suflare de aer în compartimentul III, prin conducta (8);

desfundarea porilor pânzei de filtrare prin suflarea de aer în compartimentul IV, prin intermediul conductei (9).

Lichidul supus filtrării este alimentat continuu în bazinul inferior (cuvă), ce este prevăzut și cu agitator pentru uniformizarea concentrației suspensiei.

Susținerea tamburului se realizează prin arborele (12) fixat în lagăre, pe batiul filtrului.

Precipitatul este curățat cu un cuțit (13) cu poziție și înclinație reglabilă.

În fig. 4.9. se dau diferite soluții constructive de desprindere și evacuare a sedimentului de pe stratul filtrant, unde:

– cu cuțit;

– cu rulou de preluarea sedimentului;

– cu rulou de preluare a pânzei filtrante;

– cu șnururi și rulouri.

1. – tambur; 2. – strat filtrant; 3. – celulă de filtrare; 4. – strat de sediment; 5. – cuțit; 6. – bucăți de sediment; 7. – rulou de preluare sediment; 8. – rulouri de preluare pânză filtrantă sau șnururi, lanțuri, etc.; 9. – stropitoare cu apă pentru regenerarea pânzei filtrante; 10. – șnururi de preluare sediment.

Pentru industria alimentară se execută filtre cu celule sub vid, având suprafața de filtrare de 0.76, 8 și 20 m2.

Filtrul cu suprafața de 8 m2 este destinat pentru deshidratarea laptelui de drojdie de panificație, cât și pentru suspensia de amidon.

În primul caz el realizează creșterea conținutului de substanță ușoară de la 8% la 27%. La deshidratarea suspensiei de amidon se pot obține creșteri ale conținutului de substanță uscată de la 35…40% la ~ 60% .

Filtrul celular sub vid pentru drojdie este de tip lent, tamburul având 2…6 rot/min.

Vidul realizat este de ~ 70%. Stratul de drojdie depus pe pânza de filtru este evacuat prin periferia tamburului, ca produs finit, prin intermediul dispozitivului de răzuire.

Se realizează o spălare cu jet fin de apă, care asigură și înlăturarea spumei de lapte de drojdie depusă pe stratul inferior.

Diametrul tamburului este de 2000 mm, și o productivitate de 780 kg produs finit pe oră.

Filtrul celular sub vid are o serie de deficiențe printre care se enumeră:

etanșeitate insuficientă ale racordurilor aer, apă, vid;

gripare ușoară sub acțiunea erozivă a precipitatului;

uzură rapidă a stratului filtrant.

Pentru înlăturarea unora din deficiențe s-au realizat filtre cu pânză detașabilă, ea ieșind din instalație întâlnește în exterior zone de descărcare, ghidare, spălare a pânzei pe ambele fețe, dispunând în acest scop de role de ghidare și întindere.

Pânza filtrantă se execută din material cu rezistență mecanică ridicată.

În Fig. 4.10 se prezintă schema unui astfel de filtru ce se compune din:

–pânza filtrantă; 2. –rolă de descărcare; 3. –cuțit; 4. –rolă de ghidare;

5. –colector; 6. –rolă de ghidare; 7. –jet de apă.

Un astfel de filtru, servește pentru mărirea conținutului în substanță uscată a gluterului la fabricarea amidonului din porumb, de la 10% la 35%.

Pânza filtrantă (1) iese de pe suprafața tamburului, ajungând la rola de descărcare (2), unde precipitatul este curățat de cuțitul (3), după care urmează spălarea cu jet de apă (7)pe ambele fețe, cu ajutorul rolei de ghidare (4).

Apa de spălare este evacuată prin colectorul (5).

Filtre celulare orizontale.

Se utilizează pentru filtrarea suspensiilor ușor filtrabile cu particule de dimensiuni și densitate mare. Filtrele asigură grosimi mari ale stratului de sediment depus (~200 mm), spălare eficientă, recuperarea filtrului în fracțiuni separate, productivitate mare.

Se construiesc filtre celulare orizontale cu masă circulară, cu bandă, cu cupe rabatabile.

În figura 4.11 se prezintă filtrul cu bandă.

Acesta se compune din:

1.– bandă; 2. – strat filtrant; 3. – tambur de acționare; 4. – tambur de întindere; 5. – regulator de nivel al lichidului pe bandă; 6. – rolă de întoarcere a benzii; 7. –dispozitiv de spălare a stratului filtrant.

Banda perforată este acoperită cu pânză filtrantă, care rulând pe doi tamburi, trece pe deasupra unor cutii legate de instalația de vid (~300 mm Hg), apoi la presiune, urmând succesiv fazele unui ciclu de filtrare.

Sedimentul se descarcă sub acțiunea gravitației la întoarcerea pânzei filtrante peste o rolă mică din apropierea tamburului de întindere. Pânza filtrantă se regenerează prin spălare.

Filtru se recomandă a fi utilizat când se cere o spălare eficientă a sedimentului.

Filtru orizontal cu cupe basculante se execută în două variante (figura 4.12);

filtru rotativ cu cupe basculante;

filtru bandă cu cupe basculante.

Fiecare cupă funcționează ca o celulă de filtrare, trecând succesiv prin fazele de filtrare; cupele fiind rabatabile în jurul axei orizontale, se asigură descărcarea automată a sedimentului, prin acțiunea gravitației, eliminându-se dezavantajul distrugerii pânzei de filtrare.

Ultrafiltrarea.

Este un procedeu de separare a macromoleculelor sau coloizilor; utilizează membrane anizotropice, confecționate din acetat de celuloză sau din polimeri sintetici, formate dintr-un strat filtrant foarte subțire cu pori foarte mici, neregulați, susținut de un strat poros din același material. Viteza lichidului la suprafața membranei este de 0,6…3 m/s.

În figura 4.13 se prezintă principiul ultrafiltrării (a) și schema unei instalații de ultrafiltrare (b), unde:

1. –ultrafiltru; 2. –membrană; 3. –pompă de alimentare; 4. –pompă de recirculare.

Ultrafiltrare este un procedeu de filtrare continuă. Suspensia curge de-a lungul membranei filtrante orizontală cu stratul subțire filtrant către soluție; sub presiune solventul și substanțele dizolvate cu masa moleculară mică trec prin membrană, în timp ce macro moleculele mai mari sunt reținute. Curgerea lichidului de-a lungul membranei realizează si îndepărtarea stratului de gel pe care materialele reținute au tendința să-l formeze pe suprafața membranei, menținând astfel viteza de sedimentare.

Se utilizează pentru separări de macromolecule, compuși organici complecși, concentrarea și purificarea enzimelor din procesele de fermentare cu menținerea activității enzimatice, purificarea apei.

1.2. BAZELE TEORETICE ALE FILTRĂRII ÎN CÂMP DE FORȚE CENTRIFUGAL

1.2.1. FACTORII CARE INFLUENȚEAZĂ FILTRAREA ÎN CÂMP DE FORȚE CENTRIFUGAL

Filtrarea în câmp de forțe centrifugal servește la separarea suspensiilor în componentele sale.

Operația se caracterizează prin viteze mari de filtrare și conținutul mic de lichid din sediment.

Forța motrice a procesului de filtrare este presiunea datorată forței centrifuge, rezultată din rotirea suspensiei.

Mașinile utilizate pentru filtrare în câmp de forțe centrifugal se numesc centrifuge de filtrare. Schița unei centrifuge filtrante este reprezentată în figura 4.14, unde:

– tambur cu pereți perforați;

– faza grea (sediment);

– faza ușoară;

– țeava de alimentare cu suspensie;

– evacuare filtrant.

Fazele ciclului de filtrare în câmp de forțe centrifugal cu ajutorul centrifugelor filtrante sunt: încărcarea, pornirea și accelerarea tamburului până la turația de regim (centrifugarea propriu zisă); descărcarea (sau zvântarea) sedimentului de suspensia inițială; spălarea sedimentului (de exemplu cu apă); descărcarea sau zvântarea sedimentului după spălare; frânare până la oprirea centrifugei; descărcarea sedimentului.

Duratele diferitelor faze depind de proprietățile suspensiei și de cele ale produsului, precum și de construcția centrifugei. La unele centrifuge, de exemplu, descărcarea sedimentului se face cu tamburul oprit, pe când la altele cu tamburul în mișcare la turația de regim sau cu turație redusă.

Succesiunea fazelor ciclului de centrifugare pot fi comandate manual sau automat, după un program prestabilit.

La centrifugele filtrante discontinue, fazele centrifugării se desfășoară succesiv în timp, alimentarea cu suspensie, evacuarea filtratului și a sedimentului se face continuu.

Pentru a fi eficiente la separarea suspensiilor, peretele tamburului centrifugei filtrante, în general, are în secțiune următoarea componență (figura 4.15):

–peretele tamburului;

–stratul de drenaj;

–stratul filtrant;

–faza de densitate mare (sediment);

–faza lichidă.

Găurile din tambur, cu diametrul 2,5…13 mm se distribuie după o rețea pătrată sau hexagonală.

În cazul centrifugelor filtrante pentru rufe, blănuri etc, tamburul are găuri mult mai mici.

În majoritatea cazurilor, peretele perforat al centrifugei filtrante este prevăzut la interior cu un strat filtrant, care reține particulele solide mici (1..2 mm). Stratul filtrant poate fi din tablă perforată cu găuri de 1…1.5 mm, țesături de sârmă, textilă sau plăci ceramice.

Natura stratului filtrant se alege în funcție de natura și proprietățile filtrului.

Stratul filtrant metalic poate fi din oțel, alamă, cupru, aluminiu, etc.

Stratul filtrant (în general cel din țesătură) nu se așează direct pe suprafața interioară a tamburului, deoarece aceasta ar putea duce la obturarea parțială a găurilor. Din acest motiv între stratul filtrant și suprafața tamburului se așează un strat de drenaj, uneori format din două sau trei site suprapuse. Acesta menține stratul de filtrare la o anumită distanță de perete și permite trecerea filtratului prin toate orificiile.

Întreg ansamblu filtrat (sită + strat drenaj) trebuie bine întins și fixat sigur pe tambur.

Orificiile din tambur sunt evazate spre exterior pentru a ușura evacuarea fazei lichide.

Deosebirile constructive între diferitele tipuri de centrifuge și diferențele mari între caracteristicile amestecurilor supuse centrifugării, impun foarte multe determinări experimentale în laborator și prin similitudine se trece la regim industrial.

1.2.2. Bazele teoretice ale filtrării în câmp de forțe centrifugal

În vederea studiului teoretic al filtrării, se consideră o centrifugă filtrantă de rază, R2, și se presupune că suspensia se introduce cu un debit ce permite menținerea constantă a razei interioare, R1, a suprafeței libere a acesteia (Fig. 4.14).

La timpul, t, după încercarea operației de filtrare, se depune un strat de sediment de grosime, l. Dacă forța centrifugă este mult mai mare decât forța gravitațională, filtratul va curge în direcție radială și aria de curgere va fi aproximativ egală cu aria laterală a tamburului.

Viteza de filtrare prin stratul de sediment de grosime elementară, dr, sub diferența de presiune, dp, se exprimă prin ecuația filtrării prin stratul incompresibil de sediment (relația 4.13 și 4.14).

(4.58)

(4.59)

În cazul de față h = dr (drumul de filtrare).

Din egalitatea celor două relații (4.58) și (4.59), rezultă:

(4.60)

sau

(4.61)

Suprafața de filtrare este:

și din ecuația (4.58), rezultă:

(4.62)

de unde:

(4.63)

Din egalitatea relațiilor (4.61) și (4.63), rezultă:

(4.64)

sau

(4.65)

Căderea totală de presiune la curgerea filtratului prin stratul de grosime corespunzător limitelor , este:

sau

(4.66)

Considerând rezistența hidraulică a stratului filtrant (suprafața filtrantă și suportul filtrant) ca fiind echivalentă cu rezistența hidraulică a unui strat de sediment de grosime, l’, situat la peretele tamburului, atunci în stratul filtrant, este:

sau

(4.67)

Căderea totală de presiune în rezistențele hidraulice – sediment și strat filtrant – este:

sau

(4.68)

Pentru integrarea ecuației (4.68) trebuie cunoscută relația R – V. Dacă χ este volumul de sediment depus la trecerea unui m3 de filtrat, se poate scrie:

(4.69)

Împărțind relația (4.69) prin dt se obține:

(4.70)

și înlocuind în relația (4.68), se obține:

(4.71)

sau

(4.72)

Se integrează relația (4.72) în limitele:

pentru

pentru

Se obține:

(4.73)

sau

(4.74)

Integrala nedefinită este de tipul ce se poate integra prin părți. În cazul integralei din relația (4.74), se obține:

(4.78)

sau

(4.79)

Ecuația (4.74), devine:

(4.80)

sau

(4.81)

Dacă se ține seama de valoarea lui, Δp, rezultată din rotirea lichidului cu viteza unghiulară, ω, (presiunea hidrostatică la deplasarea unui lichid în mișcare de rotație) ce are valoarea:

(4.82)

și înlocuind în relația (4.81) se obține:

(4.83)

Din relația (4.83) se poate obține expresia pentru timpul de creștere a grosimii sedimentului de la raza R2 la R1.

(4.84)

Volumul corespunzător de sediment va fi:

(4.85)

iar volumul de filtrat

(4.86)

Volumul de filtrat, V, obținut în timpul, t, de filtrare se poate calcula și cu relația (4.13), adică:

(4.87)

dar

(4.88)

și deci

(4.89)

sau

(4.90)

care prin integrare se obține:

(4.91)

sau

(4.92)

Înlocuind pe Δp cu relația (4.92) (presiunea hidrostatică pe tambur), rezultă:

(4.93)

Eficacitatea filtrării în câmp de forțe centrifugal comparativ cu filtrarea în câmp de forțe gravitațional se poate exprima raportând volumul de filtrat, V, obținut în câmp de forțe centrifugal și volumul de filtrat, Vg, trecut în același timp, printr-un filtru sub acțiunea unui strat de lichid de grosime R2 – R1, corespunzând la o presiune hidrostatică .

Deci conform relației (4.35) se poate scrie:

(4.94)

sau după înlocuiri:

(4.95)

Raportul este;

(4.96)

sau

(4.97)

Dacă tamburul centrifugei filtrante este plin, R1 = 0 și relația (4.97), devine:

(4.98)

sau

(4.99)

unde:

– factorul de separare sau criteriul lui Froude.

Relația (4.99) arată că prin filtrare în câmp de forțe centrifugal se obține o cantitate de filtrant mult mai mare decât la filtrarea hidrostatică. Presiunea de filtrare realizată sub efectul forței centrifuge este mult mai mare.

Prin urmare se realizează o îndepărtare mult mai accentuată a umidității mai ales dacă faza solidă se găsește în stare de cristalizare (zahăr, naftalină etc.).

1.3. TIPURI DE CENTRIFUGE FILTRANTE

Centrifugele filtrante utilizate pentru filtrarea suspensiilor în câmp de forțe centrifugal au ca element de construcție caracteristic un tambur perforat cu suprafața interioară acoperită cu o pânză sau cu o sită filtrantă.

Schița de principiu a unei centrifuge filtrante cu tambur cilindric cu arbore vertical este dată în figura 4.16, unde:

1.– tambur; 2. – arbore; 3. – lagăre; 4.–5. – roți de curea; 6. – curele trapezoidale; 7. – motor electric; 8. – carcasă; 9. – batiu; 10. – placă de bază; 11. – capac.

În general, centrifugele sunt prevăzute și cu mijloace necesare pentru descărcarea și colectarea fazelor rezultate.

Centrifugele filtrante se clasifică în:

-funcționare discontinuă cu descărcare manuală și automată;

-funcționare continuă și diverse metode de descărcarea sedimentului (împingerea pulsantă a sedimentului, descărcare prin cuțit, cu tambur conic vibrator etc.).

Centrifuga cu tambur conic și suprafața elicoidală.

Elementele componente sunt:

1.– tambur filtrant; 2. – tambur cu suprafața elicoidală; 3. – manta; 4. – deschideri pentru apa de spălare; 5,5’. – arbore tubular, arbore pentru acționarea tamburului (1), respectiv (2) la turații diferite.

Este formată dintr-un tambur conic perforat vertical în care se rotește cu turație mai mică un tambur cu suprafața elicoidală (melc).

Suspensia alimentară în partea superioară a tamburului filtrant, este filtrată în prima jumătate a acestuia.

Sedimentul se depune datorită forței centrifuge, pe suprafața interioară filtrantă a tamburului și se deplasează cu o viteză determinată de pasul și de diferența de turație a suprafeței elicoidale, spre partea inferioară a tamburului unde este spălat cu apă de spălare introdusă prin arborele tubular al suprafeței elicoidale.

Se recomandă pentru filtrarea suspensiilor cu particule relativ mari.

Centrifuga discontinuă mixtă decantoare-filtrantă.

Elementele componente sunt:

1. – arbore; 2. – tambur plin; 3. – tambur perforat; 4. – suprafața conică de orientare; 5. – pâlnie de alimentare; 6. – manta de protecție.

Prin construcția rotorului, format dintr-un tambur neperforat și un tambur perforat, se realizează simultan sedimentarea particulelor mari și filtrarea particulelor mici.

Faza lichidă limpezită deversează din tamburul filtrant în mantaua fixă de unde este evacuată.

1.4. BAZELE TEORETICE ALE SEDIMENTĂRII ÎN CÂMP DE FORȚE CENTRIFUGAL

1.4.1. FACTORII CARE INFLUENȚEAZĂ SEDIMENTAREA

Separarea sistemelor eterogene solid- lichid și lichid-lichid, se poate realiza cu randament ridicat în câmp de forțe centrifugal. Operația de separare se mai numește centrifugare.

Câmpul forțelor centrifuge poate fi realizat prin:

alimentarea sistemului eterogen într-un organ de mașină al unui utilaj ce se află în mișcare de rotație, unde are loc separarea componentelor.

Imprimarea unei mișcări de rotație sistemului eterogen prin alimentarea tangențială, în aparate fixe numite cicloane, hidrocicloane etc.

Mașinile utilizate pentru sedimentare în câmp de forțe centrifugal se numesc centrifuge decantoare sau separate, supracentrifuge, ultracentrifuge sau separatoare centrifugale.

Centrifugele decantoare sunt formate în principal dintr-un tambur care se rotește cu o anumită turație în jurul unui arbore vertical sau orizontal; particulele disperse solide, sau de lichid mai greu se acumulează la peretele tamburului neperforat dispunându-se în straturi după densitate, iar lichidul mai ușor (clar)rămâne în interiorul tamburului (fig. 3.10).

1. – tamburul centrifugei; 2. – faza grea, de densitate ρ1; 3. – faza ușoară, de densitate ρ2<ρ1; 4. – alimentare cu suspensie.

Alegerea unei centrifuge pentru un sistem dat, depinde de:

-proprietățile componentelor sistemului eterogen;

-proprietățile sistemului (temperatură, vâscozitate, concentrație);

-caracteristicile operației;

-scopul operației.

Factorii care influențează centrifugarea sunt:

I. La mișcarea pe traiectorie circulară de rază, r, a unei particule de masă, m, expresia forței centrifuge este:

(3.57)

unde:

– ω – viteza unghiulară a tamburului centrifugei.

Câmpul de forțe centrifugal este neomogen pe direcția razei (intensitatea lui crește în direcția razei), iar forța centrifugă este un vector radial ce se rotește cu viteza unghiulară ω.

Deci, intensitatea câmpului de forțe centrifugal poate fi variată prin modificarea parametrilor ω și r.

Efectele acestui câmp sunt calitativ aceleași cu cele ale câmpului de forțe gravitațional, intensitatea celui dintâi fiind însă mult mai mare.

Raportul intensităților celor două câmpuri, exprimat prin raportul forțelor corespunzătoare, poartă numele de factor de separare (factor de eficacitate).

(3.58)

unde:

n – turația tamburului, rot/min.

Valoarea lui arată de câte ori este mai mare intensitatea câmpului de forțe centrifugal față de cel gravitațional.

Mărimea adimensională reprezintă și criteriul de similitudine a lui Froude.

În Fig. 3.11 se dă nomograma pentru determinarea factorului de separare și a vitezei periferice în funcție de turația, n, rot/min, și diametrul rotorului (D = 2R).

Diagrama are la bază relația (3.58).

Vâscozitatea dinamică a sistemului eterogen influențează defavorabil operația de sedimentare. Micșorarea vâscozității dinamice ajută la separarea fazelor componente.

Spuma constituie un obstacol în operația de separare, deoarece bulele care o alcătuiesc se atașează de particulele solide, le măresc volumul aparent și prin aceasta micșorează masa volumică aparentă.

Materialele pentru execuție trebuie să posede proprietăți mecanice corespunzătoare dimensiunilor și solicitărilor mecanice la care este supus utilajul. De asemenea, acestea trebuie să fie rezistente la coroziune pentru a nu impurifica sistemul eterogen supus separării.

1.4.2. VITEZA DE SEDIMENTARE ÎN CÂMP DE FORȚE CENTRIFUGAL

Viteza de sedimentare în câmp de forțe gravitațional se determină cu relația (3.1). În cazul sedimentării în câmp de forțe centrifugal, accelerația gravitațională se înlocuiește cu accelerația centrifugă ω2R (sau ()2 unde n, rot/s).

După înlocuiri, se obține:

– pentru curgere laminară (relația 3.4):

(3.59)

– pentru curgere în regim tranzitoriu (relația 3.7):

(3.60)

– pentru curgerea turbulentă (relația 3.9):

(3.61)

Introducând expresia factorului de separare

(3.62)

sau

(3.63)

în relațiile vitezelor de sedimentare, se obține:

(3.64)

– pentru curgere în regim tranzitoriu:

(3.65)

– pentru curgere turbulentă:

(3.66)

Din analiza relațiilor (3.64), (3.65) și (3.66), se observă că factorul de separare are influența cea mai mare în cazul regimului de curgere laminară.

Pentru aprecierea gradului de sedimentare în câmp de forțe centrifugal se utilizează produsul dintre criteriul lui Froude și criteriul lui Arhimede și anume:

– curgerea în regim laminar:

(3.67)

– curgerea în regim tranzitoriu:

(3.68)

– curgerea în regim turbulent:

(3.69)

1.4.3. CALCULUL DIAMETRELOR CRITICE CORESPUNZĂTOARE LEGILOR DE SEDIMENTARE

În condițiile curgerii laminare, viteza de sedimentare se calculează cu relația (3.59), iar dacă se scrie la un moment dat, se obține viteza medie de sedimentare, (WS,C)m, conform relației (2.31), adică:

(3.70)

sau

(3.71)

unde: – reprezintă mărimea criteriului lui Froude calculată cu raza medie logaritmică care se determină între raza exterioară și raza interioară a stratului de suspensie supus centrifugării (figura 3.12).

Pentru centrifuge cu funcționare continuă viteza lichidului în lungul generatoare tamburului (pe înălțime),WH, este dată de raportul dintre debitul volumic de suspensie, QV, și secțiunea de curgere a centrifugei (inelul ), și anume:

(3.72)

sau

(3.73)

Considerând înălțimea tamburului centrifugei, H, atunci timpul de staționare al lichidului în centrifugă, t1, este:

(3.74)

Considerând grosimea stratului de sediment, δ, în timpul, t2, rezultă:

(3.75)

sau

(3.76)

În centrifugă se vor depune particule solide pentru care durata de sedimentare t2, este mai mică sau egală cu timpul de sedimentare, t1,a lichidului.

Ca urmare diametrul minim al particulelor rezultă din egalitatea celor doi timpi: t1 = t2 sau

(3.77)

de unde rezultă:

(3.78)

sau

(3.79)

În practică, în funcție de condiția de separare a particulelor de o anumită mărime, datele caracteristice ale centrifugei, suspensiei și particulelor se poate determina debitul centrifugei, viteza și timpul de sedimentare.

Se verifică apoi în funcție de viteza de sedimentare aspectele curgerii.

1.4.4. FORMA SUPRAFEȚEI LIBERE A SUSPENSIEI DIN TAMBURUL CENTRIFUGEI AFLAT ÎN MIȘCARE DE ROTAȚIE

Echilibrul suspensiei din tambur, ce se află în mișcare de rotație cu viteza unghiulară constantă, ω, se face cu ajutorul legii hidrostaticii generale și care pentru fluide incompresibile se scrie:

(3.80)

unde:

U(x,y,z) – funcția potențial.

În acest caz suspensia se află în echilibru hidrostatic în raport cu un sistem de axe de coordonate, antrenat cu tamburul.

Pentru a afla funcția potențial a forțelor masice trebuie ca, pe lângă forța de gravitație să se țină seama și de forțele de inerție.

Stabilind astfel expresia funcției potențial și introducând-o în relația (3.80), se obține legea echilibrului relativ pentru cazul considerat.

Componentele forțelor masice unitare date de forța de gravitație pe direcțiile axelor de coordonate (Fig. 3.13) sunt:

f1,x = 0; f1,y = 0; f1,z = – g (3.81)

având aceeași valoare pentru toate particulele.

Componentele forței centrifuge, care pentru o particulă aflată în punctul M (x,y,z) sunt:

(3.82)

unde:

ω = constant – viteza unghiulară a tamburului.

Componentele forței unitare pe direcțiile axelor de coordonate sunt:

(3.83)

din care se deduce expresia potențialului forțelor unitare:

(3.84)

Înlocuind în relația (3.80), se obține:

sau

(3.85)

Din relația (3.85) se deduc următoarele proprietăți ale echilibrului suspensiei pentru tamburul în rotație.

a. Suprafața liberă a suspensiei are forma unui paraboloid de rotație, cu axa verticală, de ecuație:

(3.86)

Aceasta este suprafață izobară pentru p = pat .

Celelalte suprafețe au aceeași formă, fiind paralele cu suprafața liberă.

b. Variația presiunii de-a lungul unei drepte verticale se face după legea hidrostaticii în câmp de forțe gravitațional ceea ce se deduce din ecuația (3.85) în care se ia:

x = x0; y = y0

Deci

(3.87)

sau

(3.88)

Se observă că, spre deosebire de echilibru hidrostatic în câmp de forțe gravitațional, valoarea constantei C’ nu mai este aceeași pentru toate punctele; ea păstrează aceeași valoare numai pentru punctele situate pe un cilindru a cărui axă coincide cu axa de rotație.

Constanta C din ecuația (3.85) este însă aceeași pentru toate punctele și se determină observând că pentru axa de rotație x = 0, y = 0, conduce la:

(3.89)

în care:

– zc – distanța de la fundul tamburului (originea axelor de coordonate) până la vârf.

Valoarea constantei C se obține pentru fiecare caz particular scriind că volumul suspensiei rămâne același înainte și după rotație.

Volumul suspensiei în timpul rotației se află scăzând volumul paraboloidului de înălțime din volumul cilindrului cu înălțimea și din egalitatea volumelor se deduce .

Înălțimea paraboloidului de rotație fiind proporțională cu va avea o valoare foarte mare.

Rezultă că în tamburul centrifugei, datorită mișcării de rotație, se va regăsi numai partea superioară a paraboloidului (Fig. 3.14).

Pentru menținerea suspensiei și precipitatului, tamburul trebuie să prezinte la partea superioară un inel de închidere determinat de grosimea acestuia.

1.4.5. CALCULUL ELEMENTELOR GEOMETRICE ALE TAMBURULUI CENTRIFUGEI

a. Pentru centrifugele decantoare cu funcționare periodică se cunoaște debitul volumic de suspensie, Qv [m3/s] și timpul aferent unui ciclu de funcționare, t (timp productiv).

Volumul de suspensie centrifugat într-un ciclu este:

[m3/ciclu] (3.90)

Volumul total al tamburului, ținând cont de coeficientul de umplere al acestuia, φ = 0.45…0.60, este:

(3.91)

dar

(3.92)

unde:

D2 – diametrul interior al tamburului;

H = înălțimea porțiunii cilindrice a tamburului.

Deci (3.93)

De obicei se alege și atunci se poate scrie:

(3.94)

sau

(3.95)

Diametrul interior al inelului de suspensie, D1, se determină din condiția ca volumul inelului de lichid să fie egal cu volumul lichidului din tambur, ținând cont de coeficientul de umplere:

(3.96)

sau

(3.97)

b. Pentru centrifuga decantoare cu funcționare continuă, productivitatea gravimetrică, QG [kg/s], se determină cu relația:

(3.98)

unde:

(3.99)

este secțiunea inelului de suspensie.

Deci

(3.100)

Din relația

se deduce:

(3.101)

și dacă se înlocuiește în relația (3.100), se obține:

(3.102)

1.4.6. PUTEREA NECESARĂ PENTRU ANTRENAREA CENTRIFUGEI

În calculul puterii pentru antrenarea unei centrifugi, trebuie avut în vedere două etape:

Puterea de pornire care se calculează independent de modul de funcționare a centrifugei (continuu sau discontinuu). Aceasta este mai mare decât cea de regim.

Motorul electric trebuie să permită atingerea turației nominale, la pornirea din repaus, pe o durată optimă (1…5min), conform ciclului de funcționare.

În figura 3.15 se reprezintă variația N – t(putere – timp) și n – t (turație- timp), unde:

t1 – timp de încărcare;

t2 – timp de accelerație;

t3 – timp de util (centrifugare, spălare, uscare, etc.);

t4 – timp de frânare;

t – ciclu complet.

La centrifugele de mare turație sau cu moment de inerție mare, puterea nominală a motorului electric de acționare este determinată de timpul t2, și nu de puterea corespunzătoare condițiilor de regim.

Puterea de pornire se calculează cu relația:

(3.103)

unde:

N1 – puterea necesară aducerii tamburului la turația de regim;

N2 – puterea necesară aducerii suspensiei din tambur la turația de regim;

N3 – puterea pierdută prin frecare în lagăre, etanșări;

N4 – puterea pierdută prin frecare a tamburului cu aerul.

La pornirea centrifugei în gol se obține:

(3.104)

Puterea de regim, Nr, corespunzătoare turației de regim, nr, este:

Centrifugi cu funcționare continuă.

(3.105)

unde:

N5 – puterea pentru învingerea rezistențelor la evacuarea sedimentului, când descărcarea se face la turația de regim. Dacă descărcarea sedimentului se face la o altă turație nd < nr , atunci puterea în perioada de descărcare este:

(3.106)

sunt calculate la turația nd.

Centrifugi cu descărcare discontinuă.

(3.107)

iar în perioada de descărcare:

(3.108)

dacă descărcarea sedimentului se face la turația de regim, nr;

sau (3.109)

dacă descărcarea sedimentului se face la turația nd < nr.

Pentru o mai bună utilizare a puterii motorului electric de acționare este necesară uniformizarea încărcării acestuia de-a lungul unui ciclu de funcționare. În general în timpul centrifugării propriu zise, Nr = (0,3…0,4)Nn, deoarece momentul de inerție al motorului centrifugei este mare.

Momentul necesar frânării:

(3.110)

unde:

(3.111)

J – momentul de inerție al ansamblului aflat în mișcare de rotație în raport cu axa sa, în kg m2 s-2.

– vitezele unghiulare corespunzătoare.

(3.112)

N3 + N4 se scade deoarece contribuie la frânare.

Expresiile pentru calculul puterii unor centrifuge cu funcționare discontinuă și continuă cu descărcare prin cuțit sunt date în tabelul 3.2.

Tabelul 3.2. Calculul puterii unei centrifuge.

1.4.7. TIPURI DE CENTRIFUGI DECANTOARE

Centrifugele de sedimentare se mai numesc și centrifugi decantoare.

Clasificarea acestora se face după mai multe criterii dependente atât de factorii constructivi cât și tehnologici – funcționali.

După mărimea factorului de separare:

Φ< 3000 –centrifugi normale;

Φ3000 – supercentrifuge.

După destinație:

centrifuge pentru decantare cu tambur neperforat, utilizate la separarea suspensiilor care se filtrează greu;

centrifuge de separare cu tambur neperforat, folosite la separarea emulsiilor și la concentrarea suspensiilor.

După modul de construcție al suspensiei suport:

centrifuge cu suport (figura 3.16 a);

centrifuge suspendate (figura 3.16. b);

centrifuge cu arbore orizontal; – în consolă (figura 3.16.c) și între reazeme (figura 3.16.d).

După modul de funcționare:

continuă;

discontinuă;

semicontinuă (mixt).

Centrifugele de sedimentare pot fi utilizate pentru separarea componentelor unor suspensii (figura 3.17), caz în care sedimentul (3) se separă pe fața interioară a tamburului neperforat (1). Filtratul, separat sub forma unui strat cilindric inelar (4), este evacuat sub influența presiunii centrifugale prin țeava (5), așezată sub un anumit unghi față de tangenta la cercul care trece prin punctul de așezare al țevii. Evacuarea sedimentului se face periodic.

În cazul emulsiilor, cele două faze se separă în funcție de densitate: faza cu densitate mai mare (ρ1) pe suprafața interioară a tamburului (figura 3.17 b).

Evacuarea celor două faze se face cu ajutorul țevilor 5 și 6 sub influența presiunii centrifugale. Evacuarea celor două faze lichide din tambur precum și alimentarea cu emulsii se face continuu.

Se construiesc actualmente centrifuge de sedimentare cu arbore orizontal sau vertical, cu descărcare manuală, cu melc sau cu cuțit a sedimentului.

În figura 3.18 se prezintă o centrifugă cu transportator elicoidal cu funcționare continuă.

Elementele componente sunt:1- lagăr; 2- arbore tubular cu admisia suspensiei; 3- tambur; 4- transportator elicoidal; 5- 6- mecanism de funcționare.

În figura 3.19 se prezintă o centrifugă cu arbore orizontal cu transportor elicoidal, unde:

– cu funcționare în contracurent;

– cu funcționare în echicurent.

La acest tip de centrifugă, suspensia cât și sedimentul depus pe tambur au o mișcare axială în contracurent, cu gurile de descărcare pe la capetele tamburului sau în echicurent.

Sedimentul care s-a depus pe peretele tamburului este împins către transportorul elicoidal, prin canalele axiale în manta sau printre nervurile longitudinale ale acesteia, spre orificiul de descărcare în zona conică.

Transportorul elicoidal este antrenat, realizând o turație mai mică cu 20..80 rot/min față de cea a tamburului.

Vitezele periferice inegale dintre tambur și transportor ajută la îndepărtarea sedimentului din zona de alimentare creând astfel mișcarea relativă dintre faze.

1.4.8. SEPARATOARE CENTRIFUGALE

Din categoria centrifugelor de sedimentare, o grupă aparte o formează separatoarele centrifugale.

Acestea, în mod normal, funcționează în regim continuu un număr redus de ore, fiind necesar oprirea pentru curățire. Se utilizează pentru clarificare de lichide (limpezire), concentrare de suspensii, separarea a două faze din suspensii greu separabile pe alte căi, spălări de solide pentru a asigura o sterilizare parțială prin eliminarea microorganismelor, etc.

Separatoarele centrifugale și-au găsit utilizare în aproape toate subramurile industriei alimentare, rezultând o diversitate mare de soluții constructive.

În industria alimentară se utilizează la prepararea drojdiei de bere, amidonului, preparatelor din lapte(degresare, normalizare, curățire), limpezirea diverselor substanțe chimice, purificarea uleiurilor vegetale, vinului, berii etc.

Clasificarea separatoarelor centrifugale se poate face după mai multe criterii:

După modul de realizare a alimentării și evacuării fazelor:

– separatoare deschise, la care atât alimentarea cu suspensii cât și evacuarea fazelor se realizează în contact cu mediul înconjurător (atmosferă – canale deschise);

– separatoare semiermetice, la care alimentarea cu suspensie se face în contact cu atmosfera, sub influența presiunii hidrostatice a acesteia, iar evacuarea fazelor se face prin conductă sub influența presiunii create de forța centrifugă;

– separatoare ermetice la care atât alimentarea cu suspensie cât și evacuarea fazelor se realizează în sistem închis, sub presiune.

După operația care o realizează:

– separatoare de fază (separatoare–normalizatoare, separatoare de proteină)

– separatoare clarificatoare (curățitoare centrifugale).

c. După modul de realizare a evacuării impurităților separate:

– separatoare cu descărcare discontinuă;

– separatoare cu descărcare automată, periodică a sedimentului;

– separatoare cu descărcare continuă a sedimentului.

Separatoarele centrifugale se construiesc, în mod obișnuit, cu arborele vertical, cu tamburul în consolă, rezemarea făcându-se în partea inferioară, pe două lagăre. Lagărul superior este fixat elastic în direcție radială.

Antrenarea arborelui se face cu ajutorul unui angrenaj cu roți dințate, cu dinți drepți, înclinați, între lagăre (mai aproape de lagărul inferior).

Separatorul centrifugal funcționează în regim de arbore elastic (n = 4500…19000 [rot/min]); dimensiunile particulelor solide din suspensie 1…74 μm; debitul masic de solid 100…9000 [kg/h], iar debitul volumic de decantat (fază lichidă) 2…80 [m3/h].

Pentru micșorarea duratei de sedimentare, tamburul separatorului centrifugal este format din mai multe camere și se construiesc în două variante.

Separatorul centrifugal cu camere concentrice.

Este format din mai mulți cilindri (nc) coaxiali care formează o serie de camere de sedimentare, pe care suspensia le parcurge consecutiv. Decantatul este evacuat pe la periferia corpului separatorului (fix), iar sedimentul (nămolul) pe la partea inferioară a acestuia. Datorită diametrelor diferite ale camerelor de sedimentare se realizează o sedimentare fracționată, particulele mai fine depunându-se în camerele de diametru mare unde forța centrifugă este mare. Uneori și corpul separatorului este prevăzut cu un număr (nc –1) de cilindri ficși concentrici. În acest caz camerele de sedimentare se formează între pereții alternativi ai tamburului și ai corpului separatorului.

În Fig. 3.20 se prezintă schița unui separator centrifugal cu camere concentrice, unde: 1 – arbore; 2 – tambur; 3 – cilindri concentrici mobili; 4 – cilindri concentrici ficși; 5 – dispozitiv de evacuare a decantatului.

Aceste separatoare centrifugale se recomandă pentru separarea suspensiilor cu concentrație de fază sub 5% în volum, la un regim de funcționare semicontinuu.

Alimentarea și evacuarea fazei lichide (decantatului) sunt continue, evacuarea sedimentului fiind discontinuă.

Dispozitivul de evacuare a fazei lichide (decantat) este asemănător unui rotor de pompă centrifugă însă staționar; câmpul de forță centrifugal fiind creat de tambur (ce se află în mișcare de rotație).

Separator centrifugal cu talere conice.

Durata de sedimentare se reduce prin împărțirea spațiului din interiorul tamburului în zona de înălțime foarte mică (0.4…1.5 mm) cu ajutorul a 30…150 talere tronconice suprapuse.

Unghiul la vârf al talerelor conice poate fi 700, 800 sau 900, fiind introduse pe nervuri de ghidare ce fac corp comun cu suportul talerelor (tamburul). Tamburul împreună cu pachetul de talere și celelalte subansamble montate pe acestea sunt antrenate în mișcare de rotație.

În fig. 3.21 se prezintă schema unui separator centrifugal cu talere conice pentru separarea unei suspensii de tip lichid – lichid, unde:

1. – alimentarea cu suspensie;

– faza lichidă cu densitate mică;

– faza lichidă cu densitate mare;

– talere.

Suspensia de separat, alimentată continuu prin țeava centrală, trece în partea inferioară a tamburului.

Pentru o repartiție uniformă între zonele de separare, talerele sunt prevăzute cu găuri care prin suprapunere realizează canale pe toată înălțimea pachetului de talere.

Între talere, faza grea – sub acțiunea forței centrifuge – este împinsă spre periferie (pe fața inferioară a talerului superior), iar faza ușoară este obligată să urce spre axa tamburului (pe fața superioară a talerului inferior.

În fig. 3.22 se prezintă schița de principiu a unui separator centrifugal cu talere conice, pentru separarea unei suspensii de tip lichid – solid, cu evacuarea și spălarea continuă a sedimentului. Lichidul de spălare trebuie să fie mai greu decât faza lichidă a suspensiei; o parte din lichidul de spălare poate fi recirculată. Această soluție constructivă se utilizează și la obținerea unui sediment mai concentrat, prin recircularea parțială a acestuia.

În fig. 3.23 se prezintă schița de principiu a unui separator centrifugal cu nervuri utilizat pentru separarea nămolului activ (ape reziduale). Alimentare se face central (1), iar repartizarea uniformă între talerele conice (2) se face prin canale având diametrul de 6…12 mm. Distanța dintre talerele conice este 0.35…3.2 mm, acestea având unghiul la vârf 700…1000. Pachetul de talere conice este format din 100 bucăți.

În fig. 3.24 se prezintă un separator centrifugal cu talere conice, având funcționare periodică, cu pauze necesare pentru îndepărtarea particulelor solide depuse. Fiecare taler trebuie curățat manual, fapt pentru care operația devine economică numai când concentrația de particule solide este redusă.

În fig. 3.25 se prezintă un separator centrifugal cu talere conice, de înălțime relativ redusă, cu o înclinație potrivită a pereților tamburului, pentru a obține o sedimentare directă a fazei solide spre un orificiu îngust la periferie, fără a rezulta o creștere excesivă a presiunii în interiorul tamburului.

Sedimentul poate fi evacuat continuu prin canale de scurgere sau intermitent prin diferite mijloace. Rezultatele optime se obțin atunci când diametrul talerelor este 0,75 din diametrul interior al tamburului.

În industria cărnii se utilizează separatoare centrifugale cu talere conice, deschise, pentru separarea sângelui de elementele figurate și pentru purificarea grăsimilor animale topite.

În figura 3.26 este reprezentată schița unui astfel de separator (tip. De Laval) pentru separarea a trei faze, unde:

1- alimentarea cu suspensie; 2- capac fix pentru delimitarea zonelor de descărcare; 3- evacuare lichid ușor; 4- evacuare lichid greu; 5- talere; 6- tambur; 7- valve pentru descărcarea automată a sedimentului (nămol); 8- descărcarea sedimentului din corp; 9- corp fix; 10- arbore; 11- disc gravitațional.

1.4.9. ELEMENTE DE CALCUL ÎN PROCESUL DE SEPARARE CU SEPARATOARE CENTRIFUGALE

A. Mișcarea suspensiei în tamburul separatorului.

Se va analiza procesul de separare luând ca suspensie laptele.

Suspensia care pătrunde în tamburul separatorului, în repetate rânduri își schimbă direcția de mișcare, fenomen care este condiționat de construcția talerelor și productivitate.

În separatoarele centrifugale, de construcție modernă, există canale în pachetul de talere, paralele cu axa arborelui, ceea ce condiționează modificarea bruscă a direcției de mișcare a suspensiei.

În separatoarele de mică productivitate se utilizează talere cu trei orificii, iar în cele de mare productivitate au de regulă patru orificii.

Canalele verticale ce se formează în pachetul de talere au profil elipsoidal, astfel încât orificiile în talere se află pe suprafața înclinată (figura 3.27), unde:

soluție nerecomandată;

soluție recomandată indiferent de grosimea talerului.

De multe ori, ca urmare a unei fabricații neîngrijite a talerelor și a montajului acestora în corpul separatorului, canalele din pachetul de talere au abateri, ceea ce influențează asupra funcționării.

Curgerea suspensiei între două talere consecutive depinde atât de distanțierele dintre acestea (0,2…1 mm), cât și de numărul de canale (fig. 3.28).

În figura 3.29 se dă dispersia suspensiei între două talere consecutive, prevăzute cu tei orificii și alimentare constantă, nude:

a.- distanța între talere h=0.33 mm;

b.- distanța între talere h=0,6 mm;

Pentru tratarea teoretică a curgerii suspensiei printre talere, se consideră sistemul de axe de coordonate din figura 3.30, unde:

r – distanța de la vârful conului până la punctul considerat;

x – distanța punctului considerat față de suprafața talerului superior;

– semiunghiul conului la vârf;

φ – unghiul de înclinare a marginii inferioare a talerului față de un plan perpendicular pe axa tamburului;

r0 – distanța de la vârful conului la orificiul din taler.

Se studiază mișcarea suspensiei, ca fiind un lichid vâscos omogen, în spațiul dintre talerele separatorului, pe trei direcții.

Savantul rus Goldin a obținut următoarea expresie a vitezei de deplasare a lichidului în direcția radială (vr).

(3.113)

unde:

Q – debitul de lichid ce intră între două talere consecutive;

;

.

Debitul de lichid ce se deplasează spre periferia talerelor conice, q, este mai mic decât debitul Q.

q < Q

Viteza medie de deplasare a suspensiei între talere, v, se determină cu relația:

(3.114)

Viteza tangențială a suspensiei dintre talere este:

(3.115)

unde:

(3.116)

ω – viteza unghiulară;

ν – vâscozitatea cinematică;

λ – criteriul de similitudine sau criteriul λ, caracteristic fiecărui tip constructiv de separator.

λ = 6.8…10.4

Viteza suspensiei în direcția x este nulă, în consecință fluxul de suspensie între talere este paralel cu acestea.

Criteriul λ caracterizează curentul de lichid în spațiul dintre talere. Astfel, utilizându-l se poate analiza relația vitezei tangențiale, vφ, față de viteza de deplasare în lungul generatoarei talerului.

Relația (3.115) este funcția de (1-λ) care întotdeauna are valoare negativă și ca urmare viteza unghiulară a suspensiei este inversă vitezei unghiulare a separatorului. În funcție de valoarea λ se poate determina traiectoria mișcării lichidului în spațiul dintre talere și se poate stabili distribuția vitezelor lichidului.

În fig. 3.31 se prezintă distribuția vitezelor, în spațiul dintre talere pentru:

a – λ = 2; b – λ =4;

c – λ = 6; d – λ = 8.

Din figură rezultă că la valori mici ale lui λ (λ = 2), viteza de deplasare a lichidului se distribuie după o parabolă și are valoarea maximă în vârful acesteia. Pentru λ > 4 distribuția vitezelor are un profil mai complicat, în centrul fluxului, viteza este minimă. În cazul când λ = 8 apar curenți contrari îndreptați spre axa de rotație a separatorului.

Deoarece distanța dintre două talere variază mult în funcție de destinația acestuia (h = 0.3…0.5mm), λ se modifică în limite largi. De aceea, în unul și în același separator, distribuția vitezelor pentru diferite spații dintre talere nu sunt similare, fapt de care trebuie ținut cont la caracterizarea fluxurilor de lichid.

Ca rezultat al studierii mișcării lichidului în spațiul dintre talere a fost evidențiat direcția și dispersia fluxului de lapte de la centrul tamburului spre periferia talerelor spre centru.

Particula de grăsime (mai ușoară) se află sub influența a două viteze: viteza fluxului de lapte, vd, având direcția generatoarei talerului și viteza de sedimentare, WS,C, având direcția razei și sensul spre centrul tamburului. Rezultanta celor două viteze, v, orientată în jos (fig. 3.32).

Viteza fluxului de lapte, vd, scade continuu de la centrul spre periferie, iar viteza de sedimentare, WS,C, crește; rezultanta lor v, variază atât ca mărime cât și ca direcție (reprezentarea schematică, fără a lua în considerare accelerația Coriolis sau accelerația gravitațională).

Dacă se admite că în spațiul dintre talere, laptele se mișcă ca un flux divergent continuu, atunci viteza medie poate fi determinată cu relația:

unde:

– QV – debitul separatorului.

Dacă se admite distribuția parabolică a vitezel;or pe grosimea fluxului de lapte, atunci viteza maximă la vârful parabolei depășește cu 50% viteza medie. Ca urmare a acestui fapt crește esențial diferența dintre viteza fluxului, vd, și viteza de sedimentare, WS,C, care se află în vârful parabolei.

Pentru ca particulele de grăsime sedimentare pe suprafața talerului interior să pătrundă spre centrul tamburului, trebuie să străbată distanța de la periferie până la vârful talerului

Mișcarea de la periferia talerului până la vârful său o pot începe doar particulele de grăsime care înving o oarecare presiune a fluxului de lapte. Nu toate particulele pot să se mențină pe suprafața talerului.

O particulă se separă din fluxul de lapte cu condiția ca pe timpul mișcării până la marginea talerului, aceasta sub influența vitezei de sedimentare, WS,C, să secționeze fluxul de lapte și să pătrundă până la suprafața talerului inferior în stratul de grăsime, unde viteza fluxului, vd este foarte mică.

În realitate, viteza absolută a fluxului de lapte, v, este foarte mică, dar suficient de mare în comparație cu viteza de sedimentare, WS,C. În consecință viteza fluxului de lapte la suprafața talerului inferior nu poate fi neglijată, astfel încât este posibilă spălarea particulelor de grăsime.

Traiectoria mișcării unei particule de grăsime se compune din două stadii (fig. 3.33):

I – pătrunderea particulei prin fluxul de lapte până la suprafața superioară a talerului inferior.

II – deplasarea particulei pe suprafața talerului inferior de la periferie spre centru.

În realitate, pe suprafața talerului se deplasează grupuri de particule, unde traiectoriile acestora sunt mai complicate.

Pentru calitatea procesului de sedimentare o importanță foarte o are dimensiunea particulelor de grăsime, care în condițiile date ale procesului pot trece prin grosimea fluxului de lapte și să se sedimenteze pe suprafața superioară a talerului inferior.

B. Calculul debitului separatorului centrifugal cu talere conice.

Se prezintă modelul de calcul, pentru un separator centrifugal de lapte.

Pentru stabilirea relației de calcul a debitului se consideră schema din fig. 3.34. Din figură rezultă că pe măsură ce crește raza la care se desfășoară particula, viteza de deplasare în lungul generatoarei talerului vd scade, deoarece se mărește secțiunea liberă dintre talere, iar viteza de sedimentare în câmp de forțe centrifugal, WS,C , crește, ceea ce determină direcții diferite a vitezei rezultante.

Pentru particulele de grăsime cu densitate mai mică, direcția vitezei absolute se va îndrepta continuu spre axa de rotație a separatorului, pe măsură ce crește ca valoare.

Datorită acestui fapt, particulele de grăsime se vor depune pe suprafața superioară a talerelor (suprafața superioară a talerului inferior) și se vor deplasa pe generatoarea lor în sus spre axa de rotație, iar cele cu densitate mai mare sedimentează pe suprafața interioară a talerelor (suprafața inferioară a talerului superior) și se vor deplasa pe generatoarea lor în jos. Dacă se consideră un volum elementar oarecare din tambur, mărimea lui este:

unde:

R – raza curentă;

H – distanța pe verticală dintre două talere consecutive;

z – numărul spațiilor dintre taler.

Durata dt în care o parte din suspensia supusă separării se află în volumul elementar, este dată de raportul dintre volumul elementar dV și debitul volumic al separatorului QV, adică:

(3.118)

I. Calculul debitului în funcție de viteza de sedimentare, când particula de grăsime atinge suprafața inferioară a talerului superior.

În timpul dt particula de grăsime cu densitatea mai mică se va deplasa spre axa de rotație cu distanța dS, deplasarea având loc sub influența vitezei de sedimentare în câmp de forțe centrifugal WS,C, adică:

(3.119)

unde:

– S – distanța dintre două talere consecutive, pe direcția razei.

Dacă se consideră că procesul de separare are loc în regim laminar, se poate scrie:

(3.120)

iar în urma înlocuirii vitezei unghiulare cu turația (în rot/s), adică , relația (3.119) devine:

(3.121)

Prin integrarea relației (3.121) în limitele:

R = R2 și R = R1

se obține:

sau

(3.122)

din care rezultă debitul teoretic al separatorului centrifugal.

(3.123)

Ținând seama de faptul că și că nu s-a luat în considerare curentul de sens invers în mișcarea dintre talere, în cazul separatoarelor centrifugale de suspensie (laptele), se consideră un coeficient de debit β = 0.4…0.8.

Ca urmare, relația pentru calculul debitului separatorului centrifugal, devine:

(m3/s)

sau

(m3/s) (3.124)

Limitele în care variază coeficientul de debit β reflectă influența hotărâtoare pe care o are curentul de sens invers dintre talere.

II. Calculul debitului separatorului centrifugal în condițiile menținerii particulei de grăsime pe suprafața superioară a talerului inferior.

Asupra particulei de grăsime, aflate la periferia zonei conice a talerului (fig. 3.35), acționează forța normală Pn și componenta forței centrifuge PC.

Deplasarea particulei spre centrul tamburului este posibilă doar în condiția:

PC Pn (3.125)

unde:

(3.126)

(3.127)

în care:

d – diametrul particulei de grăsime;

ρp – densitatea plasmei;

ρm – densitatea particulei de grăsime;

α – unghiul de înclinare a talerului față de orizontală;

η – vâscozitatea dinamică a laptelui;

vd – viteza de deplasare a laptelui în direcția generatoarei talerului.

Viteza de deplasare a laptelui, vd, nu este aceeași pe lungimea generatoarei talerului. Ca urmare, se determină în punctul C, unde aceasta are valoarea cea mai mare.

Această simplificare, completată cu ipoteza curgerii laminare a laptelui prin spațiul dintre talere, permite determinarea vitezei de deplasare, într-un punct oarecare cu relația:

unde:

Vmax – viteza de deplasare maximă;

a – distanța de axa curentului de lapte;

b – distanța de la fața talerului la axa curentului de lapte ().

În punctul C, viteza de deplasare, se determină, în condiția a = (b – d).

(3.129)

Neglijând termenul d2 <<, rezultă:

(3.130)

Pentru fluxuri radiale, cu aproximație, viteza maximă se determină cu relația:

unde v se determină cu relația:

sau

(3.131)

iar: – debitul volumic prin spațiul dintre două talere consecutive.

După înlocuiri, relația pentru calculul forței normale, în punctul C (vd vc), devine:

(3.132)

Înlocuind în relația (3.125), se obține debitul volumic prin spațiul dintre două talere:

(3.133)

sau:

[m3/s] (3.134)

unde: h = 2b;

– h – este distanța dintre două talere consecutive, măsurată perpendicular pe acestea (fig. 3.35).

Debitul separatorului, cunoscând numărul de spații dintre talere, z, este:

(3.135)

sau

[m3/s]

Relația (3.135) se bazează pe ipoteza simplificatoare a distribuției parabolice a vitezelor în spațiul dintre talere. Aceasta se deosebește de relația debitului separatorului determinată anterior (varianta I, relația 3.124) prin aceea că în calcul se introduce distanța dintre talere, h.

Calculele arată că între debitul separatorului determinat cu cele două relații există o diferență de ~ 10…20 %.

Observație.

Calculul puterii de acționare se face similar centrifugei de sedimentare.

1.4.10. Hidrociclonul

Amestecurile eterogene de tip solid – solid și lichid – lichid pot fi separate în decantat și în sediment subțire prin sedimentare într-un câmp de forțe centrifugal creat în aparat prin intrarea tangențială, cu viteză mare a acestuia. Amestecul ia o mișcare de rotație elicoidală descendentă către partea conică și apoi ascendentă tot în mișcare elicoidală, coaxială cu mișcarea de coborâre.

Particulele sau picăturile mai grele, în acest timp, se depun pe pereții mantalei cilindrice și alunecă sub formă de nămol subțire în zona conică spre evacuare, iar faza ușoară se deplasează spre centru urmând o mișcare ascendentă eliminându-se pe la partea superioară.

În general, un hidrociclon (fig. 3.36) se compune din:

1. – corp cilindric; 2. – corp conic; 3. – tub central; 4. – ecluză pentru evacuare sediment; 5. – dispozitiv pentru intrare tangențială; 6. – gură de evacuare sediment; 7. – gură de evacuare fază lichidă.

Hidrocicloanele separă particule de dimensiuni 4…600 μm.

În funcție de diametrul corpului cilindric, hidrocicloanele se împart în mai multe grupe. Hidrocicloanele mari se utilizează pentru separarea de particule cu dimensiuni mai mari de 50 μm, iar cele de dimensiuni mici, pentru dimensiuni 2…50 μm.

Hidrocicloanele se folosesc în industria amidonului pentru separarea germenilor de porumb de restul măcinișului la măcinarea umedă, pentru rafinarea și concentrarea suspensiilor de amidon, pentru separarea pietrelor, etc. De asemenea se utilizează în industria zahărului.

Hidrociclonul pentru degerminarea porumbului are diametrul de 204 mm și înălțimea de 1090 mm. El funcționează la presiunea de 0.17…0.19 MPa.

Pentru curățirea apei de nisip, în industria zahărului, hidrocicloanele au diametrul de 308 mm și înălțimea de 13358 mm.

Cap.2. CERCETĂRI TEORETICE PRIVIND PROCESUL DE FILTRARE SEDIMENTARE PE BAZA MODELĂRII PROCESELOR TEHNOLOGICE

După o prelucrare a textului din:

A. RUSHTON, A.S. WARD, R,G, HOLDICH

Solid – Lichid Filtration and Separation Technology

Weinheim ● New York ● Basel ● Cambridge ● Tokyo

În ambele cazuri unde Rm poate fi neglijabil în comparație cu rezistența, ecuațiile produsului simplu de forma:]

(4.2)

poate fi derivat; VR – este viteza de filtrare volumetrică pe unitatea de timp și pe unitatea de suprafață.

Așa cum se poate vedea, în Fg. 4.2, rezistența medie are un efect important în determinarea produsului din procese similare. Se va nota că ecuațiile de mai sus sunt obținute prin asumarea că solidele sunt suprafețe depozitate, fără penetrare în porii interni ai mediului și fără schimbare în Rm în timpul procesului. Aceste ipoteze simplificatoare sunt rareori îndreptățite de știință, în practică, trecerea particulelor fine în și prin mediu cauzează creșterea rezistenței mediului. Mecanismele depunerii interne sunt cauza principală a unei aplicări slabe a legii vitezei teoretice parabolice la situațiile practice. Unele din ajutoarele obținute prin acoperire corectă sau specificare medie includ:

a) O filtrare corectă, fără pierderea solidelor prin furt sau trecerea prin mediu.

b) O descărcare ușoară a filtrării.

c) O filtrare economică în timp.

d) Fără deteriorări bruște ale mediului sau astupare graduală, încrețire, strângere, etc.

e) Un timp de viață adecvat al pânzei, cu reproducerea performanțelor de curățare la început prin prespălarea mediului.

Această listă a solicitărilor poate fi extinsă în practică când trebuie să fie considerată construcția și potrivirea mediului. Astfel, performanțele garniturii, stabilitatea chimică și/sau biologică, puterea, rezistența abrazivă, etc. pot fi considerate aplicabile la mașini.

Cu privire la complexitatea situației, va fi realizat sistemul clasificării acționării mijloacelor, îmbinându-se proprietățile particulare, va fi o valoare importantă în procesul ingineresc a sistemelor de filtrare.

Clasificarea a fost sugerată [Purchas, 1967] care este bazată asupra rigidității mediilor; trăsăturile principale ale acestei clasificări sunt prezentate în tabelul 4.1. de mai jos.

Tabelul 4.1. Clasificarea mediului.

Se va observa că similar clasificării se dau doar modelul lărgit a tipurilor de medii libere. Cum se va discuta în secțiunile următoare, informația din tabel asupra mărimii minime a particulei reținute printr-un mijloc particular trebuie să fie privit cu rezerve. Reținerea particulelor depinde în proces de multe variabile și minimul cel mai scăzut prezentat în tabel poate fi realizat în separații practice. Astfel, în realizarea țesăturilor, schimbările în concentrația exactă pot produce capturi mult mai scăzute de 10 μm.

Este vital să ai informația asupra mărimii particulei angajate pentru a fi procesată în vederea interacțiunii dintre solide și pori în timpul primelor momente la începutul creșterii turtei de filtrare.

Cei mai mulți fabricanți raportează permeabilitatea din țesătura lor măsurată prin curgerea aerului ca o măsură a reținerii particulelor. Astfel, curgerea (ft3 min-1 sau m3s-1) pe unitatea de suprafață (ft2 sau m2) sub presiune constantă diferențială (0.5 inch w.g. sau 1693 Pa) este luată ca o măsură a permeabilității; aceasta relatează direct porozitatea (spațiul liber pe unitatea de volum a țesăturii) mediului. Astfel, permeabilitatea mare este luată ca indicator a unei porozități mari dar, în schimb, ca o frânare scăzută a particulei.

Informații similare au fost adunate pentru permeabilitățile apei [Rushton & Griffiths, 1971].

În termenii rezistenței mecanice Rm, ex. inversul permeabilității, s-a arătat că rezistența la curgere a apei este uneori mai mare (după îngăduința pentru schimbarea vâscozității) decât pentru curgerea gazului. Din nou, creșterea în Rm în exploatare trebuie să fie de așteptat, crescând până la o limită rezonabilă. S-au utilizat mai multe standarde (Frazier, DIN, etc.) în raportarea permeabilităților aerului. Ultimul, deși se înrudește totuși cu deschiderea pânzei și are potențial de oprire a particulei nu oferă nici o indicație despre capacitatea de reținere a mediului. Aceasta este demonstrată în Fig. 4.3., unde două pânze care îndepărtează toate particulele mai mari de 40 μm s-au îndepărtat complet calități diferite pentru particule mai mici. Caracteristicile de astupare ale acestor pânze vor fi arătate în curbele din Fig. 4.3.

Caracteristicile fizice a mediilor de filtrare descrise mai sus sunt catalogate de Loff [1981], unde de altfel s-a discutat problema „evaluarea mediilor de filtrare” în legătură cu oprirea particulelor.

Valorile tipice ale permeabilității țesăturilor la aer:

2.1. Pânze țesute

Structura filtrelor cu pânze țesute depinde de tipul firului tors folosit în țesătură. Firele toarse sunt disponibile în forme diferite: monofilare, multifilare, celofibră și mixturi la fel.

2.1.1. Monofilare și multifilare

În aceste pânze firele toarse sunt compuse din material polimeric solid (polipropilenă, poliester, poliamidă, etc.). Pânzele de diferite modele sunt realizate în războiul de țesut prin variate moduri în care urzeala și firele toarse de băteală sunt împletite împreună. Firele toarse de urzeală sunt strânse în mașină pe direcție longitudinală iar firele toarse de băteală se află la unghiuri drepte pe cele de urzeală. Firele toarse sunt de obicei cilindrice, deși sunt disponibile și alte forme.

În ilustrația prezentată în Fig. 4.4, țesătura clară a pânzei monofilare a fost realizată prin urzeală și fire toarse de băteală de același diametru, împletite împreună în modelul simplu una pe dedesubt, una pe deasupra. Aceste pânze sunt disponibile în mărimi ale porilor dintre șirurile întinse de la 5000 la aproximativ 30 μm, limita inferioară fiind determinată prin mărimea fibrelor disponibile pentru procesul de urzire. Aceste pânze sunt caracterizate prin porii de tip deschis ce produc o mică rezistență, multe aplicații fiind în suprafețele unde curgerile sunt solicitate, ex. în ulei, vopsea, filtrarea apei, cernere. Pânze similare pot fi ușor curățate prin spălare cu jet de la diuze.

Suprafața fabricată poate fi modificată prin finisare; aceasta implică tratament termic și calandrare în această ordine pentru a întinde suprafața, pentru a reduce mărimea porilor, dar păstrează construcția prin metoda reducerii oricărei tendințe de micșorare sau strângere în utilizare.

Din nefericire, aceste țesături au greutate redusă și pot fi cu ușurință deteriorate dacă se utilizează direct în filtre de presiune. Astfel, avantajele unei curățări rapide și ușoare de la un capăt la celălalt trebuie să cântărească împotriva naturii fragile a mediilor. Tendințele moderne sunt pentru realizarea țesăturilor compozite fine sau aspre în realizarea stratului suprafeței cu bune proprietăți de producție și caracteristici negreșite. Stratul de dedesubt a fibrelor aspre este prevăzut ca suport, ajută la scurgere și promovează atașarea sau etanșarea pânzei pe tava filtrului.

În fapt, aceste pânze sunt proiectate pentru a simula combinarea pânzei de filtrare superioară susținută prin pânza inferioară. Acest subiect este tratat mai jos.

Pentru a produce deschizături mai fine decât s-a menționat mai sus, modificările în țesătură sunt valabile pentru a se schimba mărimea (și forma) porilor pânzei. Astfel, în producerea diferitelor postavuri , modelele, ca de pildă una pe față – două pe dos, trei pe față – una pe dos, două pe față – două pe dos, pot fi aranjate pentru realizarea diferitelor pânze, așa cum s-a arătat în Fig. 4.4. Pânza de acest gen, ex. țesături de satin, au suprafețe foarte lucioase care sunt optime pentru eliberarea turtei de filtrare.

Efectul schimbărilor în modelul țesăturii în curgerea directă a țesăturii va fi discutată în legătură cu secțiunea modelării matematice a curgerii directe a monofilamentelor.

O variantă interesantă este cea unde diametrul firului tors al urzelii este diferit de băteală, în realizarea țesăturilor olandeze de construcție puternică. Pânza olandeză produce două deschizături sau pori în țesătură, una asupra suprafeței dintre firele toarse paralele iar a doua pori triangulari în planul pânzei. Aceste pânze realizează performanțe excelente în separarea solidelor, materialelor cristaline, dar au rezultate mai slabe în filtrarea particulelor murdare care pot intra în porii triangulari.

Noile țesături sunt dezvoltate în mod repetat prin fabricații ce au ca țintă îmbunătățirea reținerii particulelor, eliberarea turtei de filtrare și scurgerea filtrării.

Tipul relativ nou de postav închis este valabil pentru separarea particulelor. În timp ce țesături similare au permeabilități de curățare mai scăzute decât a pânzelor olandeze sunt mult mai ușor de curățat și rezistente la folosire în condiții grele.

Aceste medii sunt descrise ca două părți, cu o suprafață lucioasă deasupra pentru filtrare fiind realizate ca o țesătură de satin. Această suprafață este modificată în continuare prin calandrare. O altă trăsătură importantă a acestei proiectări sunt acele microparticule ce nu sunt reținute de pânză, fiind realizate prin scurgerea scăzută prin partea inferioară a porilor în formă de pâlnie. Un raport industrial publicat [Technical Textiles International, 1992] se referă la succesul obținut cu acest tip de pânză (poliester monofilar, porii din plasă având mărimea de 30 μm) în presiune ridicată variabilă a camerei de presare a vopselelor, hidroxizilor, etc.

Firele toarse multifilare sunt realizate prin răsucirea împreună a unui număr de fire fine, ca cele arătate în Fig. 4.1.d. Firele pot fi continui sau scurte (materii prime) în lungime. Firele lungi pot fi răsucite strâns, pentru a simula firul tors monofilar cu permeabilitatea zero. Caracterul monofilar este astfel determinat în timp ce altfel se creează un mediu strâns, flexibil, favorabil pentru separările de înaltă presiune. Discuțiile detaliate a avantajelor pânzelor cu fire răsucite puternic vor fi distribuite în jos înainte de efectele curgerii directe a firelor răsucite puțin. Fibrele principale pot fi scurte sau lungi și realizabile în fire toarse direct sau în caractere dezorientate. Unele fire toarse au particularitatea de reținere ridicată, dar turtele de filtrare sărăcăcioase eliberează proprietățile. Combinarea pânzelor cu hibrid monofilar și multifilar sunt disponibile cu caracteristicile de filtrare potrivite în presarea cu curea și în filtrele automate mari. Aceste mașini reclamă greutate, multifilări dese.

2.2. Selecția pânzei

2.2.1. Efectul de tip tors și modelul țesăturii

Pânza de filtru este factorul decisiv în succesul sau insuccesul tuturor operațiilor de presare. Cu privire la domeniul întins al variabilelor procesului implicate în procesul de filtrare, teoretic este imposibil să se selecteze mediul de filtrare încât se va satisface toate procesele necesare iar limitarea scării de timp uzuală disponibilă pentru selecția pânzei este folosită pentru a găsi un mediu acceptabil, ex. una din acestea va satisface cel mai mult, dacă nu toate cerințele. În legătură cu aceasta, o solicitate particulară (ex. claritatea filtrării) poate fi mai mică, dacă alte specificații (ex. viteza de filtrare)pot fi maximizate. Astfel, mai multe țesături deschise vor fi superioare la caracteristicile de neastupare dar pot avea rețineri sărăcăcioase de particule. Mai târziu se va îmbunătăți în ordinea monofilar < multifilar < materia primă principală. Informația tabelată este prezentată în tabelele 4.2, 4.3, 4.4 de mai jos asupra proprietăților în vigoare a firelor toarse, modelelor pânzei, etc. în procesele de scoatere a turtei de filtrare, productivitate, rezistență la astupare, etc.

Promovarea informației de acest tip, asupra efectelor materialelor fibrelor și modelul pânzei, este susținută în literatură [Purchas, 1981].

Alegerea pânzei din informația tabelată este imposibilă fără referire la trecerea rapidă peste procesare. Tabelele dau linii de ghidare generale la comportarea mediilor; interacțiunea ultimelor două cu particulele poate fi determinată prin încercări practice. Cea mai bună metodă de testare, desigur, este instalarea mijloacelor potențiale în elementul operației. Acest tip de studiu va reda informații relevante asupra caracteristicilor îmbrăcămintei, timpul de viață estimat al pânzei și alți factori (care sunt greu de prezis cu siguranță de alte metode de testare).

Următoarea opțiune bună este folosirea unui model de scară pilot a filtrului. De aici, șabloanele de curgere a fluidului la suprafața mediilor va fi, cel puțin, similar cu unitatea scării mărite. Pilotul filtrului nu poate produce informații asupra proprietăților pânzei, ex. produsă prin efectul mișcării largi a tăvilor mari. Comportarea pânzei trebuie să fie studiată cel puțin experimental folosind filtrele de laborator Buchner. Unitățile testelor de presiune scăzută vor furniza informații asupra rezistenței folosirii mediului, sub o diferență de presiune de 0.5 bari, la care nu se așteaptă să se simuleze exact procesele ce se produc în interiorul tăvii mari ascunse sau a tăvii și carul filtrelor unde mișcarea particulelor este o mixtură complexă în direcții orizontale și verticale.

Efecte similare se vor discuta în secțiunile următoare a acestui capitol. Adesea se respecifică diferita întâmplări ale pânzei filtrante în dezvoltarea proceselor. În aceste circumstanțe, informația directă asupra materialelor similare ca periodicitatea înlocuirii pânzei sau cauze ce elimină pânza din exploatare au o mare valoare. Mostre de utilizare a pânzei sunt folositoare la inspecții și furnizează informații asupra oricărei schimbări în proprietățile mecanice, ex. un declin serios în rezistența la compresiune. Ultimele pot fi rezultatul unui contact chimic, temperaturi ridicate și/sau blocare; ultimele oferă pânzei aspect asemănător cu cartonul și este subțiată mecanic.

Tabelul 4.2. Efectul asupra performanței de tip fir tors listat în ordine descrescătoare [Purchas, 1981].

Tabelul 4.3. Șabloane de țesături. Efectul asupra performanței listat în ordine descrescătoare [Purchas, 1981].

PRD: Țesătură cu caracteristici opuse celei olandeze.

Tabelul 4.4. Țesătura ce satisface cerințele de filtrare [Harrison, 1975].

Notă: 1 – foarte bună; 2 – bună; 3 – satisfăcător; 4 – sărăcăcios.

În timp ce investiția financiară atașată mediilor de filtrare este relativ scăzută comparativ cu alte investiții tehnice, specificația corectă a mediului rămâne cheia spre succes și spre procese de filtrare profitabile.

2.2.2. Criteriul de alegere

Trei criterii prim mijlocul cu care pot fi judecate sunt:

1) Permeabilitatea (sau inversul rezistenței) de curățare, mediu neobișnuit;

2) Capacitatea mediului de oprire a particulelor;

3) Permeabilitatea (sau rezistența) de utilizare sau depozitate a mediului.

Procesele de filtrare implică două procese principale: (a) rezistența turtei de filtrare α și (b) rezistența mediului Rm. Importanța relativă a lui α și Rm poate în determinarea tuturor rezistențelor sistemului este arătată în Fig. 4.2.

La nivele ridicate ale lui α, ex. mai mari de 1×1011 m/kg (caracteristic materialului moale) schimbările în Rm au o influență scăzută asupra productivității totale – cel puțin în șirul 1×108 < Rm < 1×1011. Astfel, mediul parțial astupat încă poate funcționa destul de satisfăcător în sistemul controlat prin α. Evident, productivitățile implicate în aceste circumstanțe vor suferi o reducere în α. Pe de altă parte, pierderile rapide de productivitate vor fi remarcate pentru creșteri relativ mici ale Rm, în acele sisteme de curgere α (<1×109).

Noțiunea de rezistență medie neglijabilă are atracții, în sens matematic, în conduceri spre ecuații simple de proces pentru productivitatea de filtrare, ex. despre ecuația 4.2. A fost estimată [Tiller, 1985] pentru ca această ipoteză să fie justificată (cu mai puțin de 5% eroare în calculele productivității), cantitatea trebuie să fie numerică mai mare de 20. În această noțiune, ω este masa solidelor depozitată pe unitatea de suprafață. Aceasta conduce la următoarele observații. La nivele de α și Rm echivalente, o suprafață de depozitare convenabilă va fi solicitată în eliminarea efectului de mijloc. Pe de altă parte, pentru α ridicat (materiale moi), depozitele extrem de mici ale turtei de filtrare sunt solicitate să reducă efectul de mediu la suprafețe neglijabile. Astfel, în separarea materialelor moi este acceptabil să se ignore Rm în calculele de proces. În aceste circumstanțe alegerea țesăturilor strâmte la o valoare Rm inițială relativ ridicată este adesea recomandată dacă curățarea ușoară a pânzei rezistă la mecanismele de astupare și poate produce o bună eliberare a turtei de filtrare.

2.3. Aspecte operaționale a mediilor în filtrele din țesătură

2.3.1. Încărcarea firelor toarse cu particule solide

Spațiul dintre fire în mediile multifilare se vor umple cu particule solide dacă mărimea particulei implicată este comensurată cu mărimea porilor din țesătură, iar forma particulei tinde să intre ferm în por. Când solide similare sunt duse în firele toarse, ele devin capcane și este greu de mutat prin reumplere. Aceasta contrastează cu inevitabila neastupare a porilor din interiorul firelor toarse, care sunt create prin utilizarea șablonului țesăturii. În afară de cazul când acești pori sunt intrați ferm în materialul relativ întins, reumplerea poate îndepărta depozitările. Efectul de astupare al porului cu particule de mărimi comensurate este descrisă în Fig. 4.5. Aceste locuri devin suprafețe de reținere a materialelor mici și murdare care o vor lua normal prin mediu.

Ciclurile succesive de filtrare adaugă solide la porii din interiorul firelor toarse până când acestea vor deveni pline; ulterior, solidele filtrate tind să adere la particulele fixate deja și aceasta conduce la sporirea dificultăților cu descărcarea turtei. Se afirmă [Smith, 1951] că se găsește o mică acțiune a adezivului între solide și structura polimerică a pânzelor. Încărcarea firelor toarse poate fi detectată în testele unde, cu toate că reducerile graduale în vitezele de filtrare se înregistrează de la test la test, vitezele ce se utilizează la țesături sunt încă acceptabile din punct de vedere al productivității. Pe de altă parte, descărcările rapide ale turtei implică dificultăți inacceptabile.

2.3.2. Creșteri bacteriologice

Mijloacele de astupare pot fi cauzate prin creșteri organice asemănătoare ca ciuperci, bacterii și alge. Aceasta este suprimată prin bine cunoscutul „efect de filtrare” care poate fi observat în perioade lungi ale permeabilităților pânzelor în condiții de laborator folosind o curățare superficială cu apă ușoară [Hertjes, 1957]. Un declin rapid în permeabilitatea mediilor de curățare poate fi creat prin permeare continuă cu apă nesterilizată; testele cu termen lung solicită să se folosească puțin agent fungicid în sistemul de testare.

Iarăși, se spune că aceste creșteri nu se găsesc pe suprafață polimerului, dar o particulă mică sau submicrometrică se mută în interstițiile filtrului. Creșteri similare pot să se găsească pe solide și pe toate punctele în sistem. Condițiile staționare sau de curgere scăzută promovează producția creșterilor gelatinoase, produse prin organisme. Prima indicație a unui atac preliminar este imposibilitatea formării chiar și a depozitelor de turtă, cu creșterea turtei ce se produce întâmplător asupra suprafeței mediului. Condiția de astupare a porilor va porni de la zero odată cu creșterea turtei. În operațiile unde spălarea și zvântarea turtei urmează stadiului filtrării, sporirea timpului de proces va fi solicitată până la efectul acestor operații. Dificultățile de spălare ce încep să apară cu mult înainte de formarea turtei devin o problemă.

Pânza poate fi testată folosind filtrul Buchner și garafa; prezența creșterilor organice va fi demonstrată prin formarea unei turte de filtrare subțiri și prin decantarea murdăriei. Depozitele la întâmplarea solidelor asupra suprafeței pânzei sunt indicate prin suprafețe pline. Utilizând fungicid este nevoie de atunci de refacere a mediului la permeabilitatea sa originală. Un exemplu de pânză folosită, înainte și după curățare este arătat în Fig. 4.5.

2.3.3. Precipitatul din soluție

Efectul acestui fenomen este similar la creșterile organice; spălarea solubilelor din turta de filtrare va spori și depozitarea turtei finale îl va reduce la zero. Examinarea microscopică a țesăturii sau testul cenușii asupra țesăturii va releva prezența solidelor interioare. Acestea pot fi identificate mai devreme prin analize chimice.

2.3.4. Scurgerea inadecvată

Suportul modest al fiecărui mijloc de filtrare în absența pânzei poroase sau în selectarea canalelor de scurgere incorecte pe suprafața tăvii de filtrare va conduce la dificultăți de procesare. În cazul particular a filtrelor de presiune, subdimensionarea ferăstruicilor de drenare din filtru va produce același efect. Efectul principal ultim este să restricționeze scăparea particulelor ultrafine care vor să iasă complet din filtru în primele momente de presare.

Științific este de fapt imposibil de cântărit cu toate problemele țesăturii atașate la separarea particulară, compromisul referitor la cele de mai sus fiind adoptat dintre limpezirea filtrării și astuparea mijlocului prin particule mici în alimentare. Primele curgeri timpurii pot fi reciclate, de la primele scurgeri, deci se vor uni cu alimentarea și va filtra în continuare de la straturile inițiale ale turtei.

Restricția primelor particule subțiri prin drenaj sărăcăcios va spori probabilitatea reținerii prin mediu, concomitent cu astuparea. Pe de altă parte, folosirea tăvii de filtrare cu gropiță moderată în conjuncție cu selectarea completă a mediilor de filtrare a redus frecvența în utilizarea țesăturilor vechi. Un exemplu recent este descris mai jos în secțiunea în legătură cu informații din industrie. O alternativă la pânza veche este utilizarea țesăturii de filtrare întărite în flanșă și suprafețele de oprire principale. Vezi secțiunea următoare 4.4.11.

2.3.5. Concentrația critică

Probleme sunt de obicei întâlnite când sistemele de presiune proiectate spre operare la nivele rezonabile a concentrației particulare sunt alimentate cu suspensii diluate la începutul filtrării. Concentrațiile mici de solide împiedică efectul de colmatare care înseamnă când grupuri concentrate de solide sunt orientate către pori în mijlocul filtrului. Acest efect este discutat cantitativ în altă parte în acest capitol. Insuccesul colmatării porilor țesăturii va conduce la depozitarea particulelor în interiorul țesăturii.

2.3.6. Presiunea critică

Este bine de sugerat că există o presiune critică pentru fiecare sistem de deasupra care va urma colapsului punților particulare, cu aceleași efecte care s-au discutat mai sus. Existența unei presiuni critice similare trebuie să fie testată în laborator prin transmiterea unor serii de separații la creșterile nivelelor de presiune, cuplate cu studiile testelor reale în modul descris în secțiunea teoretică a capitolului.

Pentru nivele constante de presiune, datele experimentale plănuite sub forma , V va expune creșterea interceptată de fiecare asupra ordonatei graficului în circumstanțele unde se produce penetrarea particulei sau neliniară în porțiunea inițială a graficului. Desigur, aici este necesar să se folosească un nou material de țesătură la fiecare test de presiune pentru a izola cauzele posibile de astupare altele decât colapsul punții. Starea porilor țesăturii după filtrare poate fi de asemenea examinată microscopic spre verificarea penetrării particulei.

2.3.7. Clasificarea particulelor

În separările ce cuprind suspensiile de particule în șiruri largi întinse, întotdeauna există posibilitatea ca particulele pot fi clasificate în fracțiuni subțiri sau grosolane înainte să se depoziteze pe pânza filtrantă. Acest fenomen este cauzat de importanța relativă a gravității și forțele de tragere a fluidului către suspensii direct spre mediu. În unele cazuri condiția este rezultatul geometriei filtrului, ex. în tăvi și rame sau tăvi ascunse, unde vitezele fluidului scad sub nivelul necesar pentru omogenizarea în suspensie. În centrul alimentării tăvilor ascunse, solidele subțiri pot f curățate lângă marginile tăvii cu rezultate complete a distribuției defectuoase a particulelor, în limitele mărimii, pe suprafața mediului. O altă dovadă a distribuției defectuoase a fost strânsă prin injectarea particulelor negre de carbon în tavă și ramă unindu-se în timpul procesării cu prafuri albe. Aceste studii sunt prezentate mai jos [Rushton & Metcalfe, 1973].

Alte filtre funcționează în așa mod ca să maximizeze efectele gravitaționale de ștergere. Tendințele de filtrare descendente maximizează sosirea solidelor grosolane cu tendință în general câtre turtele groase și în absența astupării.

În unele circumstanțe, sosirea fracțiunilor subțiri pe suprafața mediului poate duce la penetrarea firelor toarse, etc. care se conturează deasupra. Efectul de colaps a punții va fi agravat prin concentrații scăzute a solidelor. Pe de altă parte sosirea preferențială a fracțiunilor grosolane va maximiza probabilitatea de a se realiza punți slabe.

Depozitarea selectivă este indicată prin separarea sărăcăcioasă a solidelor din pânza de filtrare. Prezența turtei reziduale încărcată pe suprafață, după descărcarea turtei, poate fi rezultatul depozitării preferențiale a particulelor subțiri. Un mecanism de control local este de a crește efectiv concentrația solidelor înainte de filtrare, ex. prin liniștire sau hidrocicloni. Cum s-a discutat în secțiunile trecute în legătură cu creșterea în general a concentrației va conduce la crearea de punți stabile.

2.3.8. Efectul bulelor de gaz

Suspensiile conținând aer sau bule de gaz pot conduce la clasificarea particulelor, ca rezultat a tendinței pentru materiale coloidale spre concentrarea la suprafață a bulelor de gaz. Suspensiile extrem de aerate, ex. de la separatoarele centrifugale sau în circumstanțele de proces unde căderea bruscă a presiunii fluidului creează cavitația în curgerea suspensiei, pot conduce la astupare. Bulele pot persista la suprafața mediului (filtrele vacuum) sau unde colapsul bulelor ia locul depozitării preferențiale a coloizilor de suprafață se va produce pe sau în țesătura pânzei (Fig. 4.6.)[Nemeth, 1979].

Dezaerarea prin vacuum înainte de filtrare este aici o soluție; Vitezele de filtrare au fost raportate la dublu în aceste aplicații unde este practicată degazarea prin alimentare.

2.3.9. Efecte operative

În filtrele deschise, ex. rotative, elemente de curea orizontale și disc, spargerea turtei se poate produce în timpul perioadei de stropire, după depozitarea turtei. Prelungirea trecerii de mare viteză a aerului complet prin suprafețele crăpate pot conduce la evaporarea fazei lichide în pânză cu depozitarea soluțiilor dizolvate.

Dezvoltările moderne ce țintesc și evită asemenea efectelor implică utilizarea porozităților mari, filtre ceramice cu pori mici care folosesc presiunea capilară ridicată intrinsecă asemenea materialelor care evită intrarea gazului în mediu. Acest material reduce costul puterii de compresiune în filtrele de stropire prin aerul comprimat.

2.3.10. Efectul de construcție a țesăturii

Aceasta a fost de mult realizată, in curgerea fluidului complet prin țesăturile multifilare, o proporție considerabilă a filtrării poate trece exact prin marginile firelor toarse în pânză.

O cantitate relativă a curgerii complete și prin împrejur a firelor toarse în câteva țesături va depinde în continuare de gradul de răsucire împărtășit de fir și mărimea deschizăturilor dintre fire. Mărimea deschizăturii va depinde, în schimb, de modelul țesăturii: postav cu dungi, satin, etc.

Această diviziune a curgerii are importanță tehnică în acele circumstanțe unde particulele subțiri prezentate sunt destul de mici pentru a urma curgerea printre fire. Cândva în interiorul firului mobilizarea acestor particule era efectuată cu mare dificultate. Răsucirile strânse, în special țesătura pânzei va aproxima caracteristicile constructive și de filtrare a țesăturii monofilare și va expune mai bine în general proprietățile mecanice. Efectul constructiv al pânzei este discutat în detaliu mai jos în secțiunea ce face legătură cu modelele matematice a curgerii prin pânzele filtrante.

Umflarea țesăturilor poate schimba natura curgerii în apropierea porilor pânzei, poate forța creșterea cantitativă a curgerii, exact printre fire. Aceasta a fost relatată în studiile, folosind bumbac, lână, pânzeturi și fibre naturale [Smith, 1951]. În fibrele naturale s-a observat că mai mult de 98% din curgere ia locul complet între fire a țesăturilor similare după umflare.

Dificultățile de astupare timpurii încercate cu fire din plastic cauzate prin penetrarea solidelor în interiorul țesăturii duc la adaptarea monofilărilor, în ciuda tendinței de prelingere. Această tendință a fost relatată în operațiile de minare unde înlocuirea pânzei a fost mult îmbunătățită cu pânze monofilare. În acest caz, claritatea filtrării nu a fost o solicitare principală. În același timp, caracteristicile monofilare nu sunt fără probleme. În circumstanțele unde solidele grosolane se potrivesc exact cu porii din firele monofilare sau puternic răsucite, vitezele mari de filtrare inițiale pot produce o obturare permanentă a porilor, în special prin particule nesferice, cu formă elongațională. Dacă aceste solide rezistă îndepărtării prin prespălare, ele reduc evident și eficace permeabilitatea țesăturii și a devenit un loc pentru continuarea obturării chiar și cu solide subțiri care, normal, vor trece prin pânza curățată.

Din nou proprietățile mecanice relativ sărăcăcioase a monofibrelor ca de pildă, strângerea, încrețirea sau ruperea, promovează scopul răsucirii mari a țesăturii multifilare a pânzelor în așa mod ca să îmbunătățească asocierea problemelor de eliberare a turtei.

Efectele răsucirii asupra procentajului curgerii fluidului printre fire și reducerea duratei de viață a pânzei prin astupare permanentă sunt înregistrate mai jos [Smith, 1951]. Aceste date se aplică la 60/70 dyne a firelor, unde dyne este masa în grame a 9000 m de fire.

Numărul necesar de rotiri a firelor produce diminuări ale firelor neinfluențabile cu creșterea în dyne a firelor. Un exemplu practic al acestor efecte este arătat prin filtrarea alunecării argilei conținând 40% solide (argilă, alge, agenți diferiți):

Firele răsucite puternic sunt avantajoase dacă este folosit aer comprimat pentru descărcarea turtei. În absența obturării cu particule grosolane, care se potrivește exact cu porii pânzei, pânzele multifilare răsucite puternic sunt de obicei aduse la porozitatea originală (permeabilitatea) prin diuze de prescurgere. Aceasta simulează comportarea monofilară. Informația prezentată în diviziunea curgerii prin fire și în jurul firelor este prezentată ulterior.

2.3.11. Efectul de nedrenare a pânzei

Unde pânza se sprijină pe suprafața plată impenetrabilă, particulele filtrate și asociate va avea de străbătut o distanță sigură înainte de limanul de drenare sau canal de scurgere 8X cm lat, particulele pot deveni infiltrate în porii răsuciți existenți între partea inferioară a pânzei și suportul solid limpede. ÎN general, zonele importante nedrenate în lărgime decât de patru ori grosimea pânzei trebuie să fie evitate; acest principiu are o performanță relativ mai eficientă a tăvilor cu găuri sau a tăvilor cu drenaj tubular comparativ cu canalele verticale în tăvile filtrelor de presiune.

Prezența pânzei aspre, ex. plase de metal sau din plastic cu 14 ochiuri (de plasă) sub 1/16 în pânza groasă va îmbunătăți scăparea fluidului și a particulelor de pe partea inferioară a filtrului.

2.4. ASPECTE DE ALEGERE A PÂNZEI DE FILTRARE ȘI PERFORMANȚELE ACESTORA

Importanța critică a alegerii pânzei de filtrare în sistemele de filtrare sub presiune a fost accentuată în literatură [Regan, 1977]. Cum s-a discutat mai sus, metodele de alegere a pânzei de filtrare s-au bazat pe „factorii de selecție [Purchas, 1967, 1981]. Acești factori includ: categoria fibre textile, categoria fibre toarse, geometria țesăturii și șablonul țesăturii. Alți factori includ: micșorarea și întinderea pânzei, eliberarea turtei de filtrare, caracteristicile suprafeței pânzei și curățarea. Adăugarea acestor factori este considerată mai jos.

2.4.1. Micșorarea pânzei

Micșorarea pânzei poate produce grave probleme în special cu tăvile și ramele și cu canalele mari de drenare ale acestora. Recent s-a relatat [Regan, 1977] că tăvile de alimentare superioare dau mai puține probleme ale acestui fenomen decât tăvile de alimentare din centru. Ciclurile de repetare ale pânzei filtrante spălare / uscare agravează problemele de micșorare în special pentru poliamide. Este uneori recomandat să nu se usuce în aer liber pânzele filtrante după spălare, dacă este posibil să se stoarcă umede.

Intrarea la apă a țesăturilor este în mare măsură practicată în ordine pentru păstrarea stabilității dimensionale în timpul funcționării. Intrarea la apă poate fi efectuată prin numeroase moduri:

a) Folosirea apei fierbinți cu mediul în stare relaxată;

b) Punerea fierbinte în cuptor, cu țesătura sub tensiune pe direcția urzelii și a bătelii. Aceasta va menține nivelurile originale ale porozității țesăturii și ale permeabilității.

c) Tratament pentru relaxarea pânzei în cuptor sau tensiune pentru alimentare moderată completă în cuptor.

Procesul de micșorare trebuie să fie controlat cu grijă în vederea creșterii schimbărilor structurale mari cu mai mult de 15% a micșorării care poate fi asigurat în condițiile de relaxare.

Fibrele toarse ale firelor sunt raportate la micșorare mai puțin decât comparabil cu țesătura țesută din fire toarse [Bosley, 1977]. Aceasta urmează acțiunii de alunecare a fibrelor scurte, una după alta, fără schimbări majore în dimensiunile totale ale firelor.

2.4.2. Întinderea pânzei

Absorbția lichidelor cauzează umflarea fibrelor și a firelor. Creșterea în diametru și lungime a fibrei cauzează schimbarea dimensională a pânzei cu consecințe serioase în finalizarea montării tăvilor. Evidențiind mai puținele porți, etc., proiectarea de bază a tăvilor este mai bună. Aceasta este reală pentru aceste fire cu caracteristici de absorbție sărăcăcioase (nailon). Ultimul din doi poate absorbi mai mult de 4% din greutate; aceasta poate fi comparat cu 0.4% din terilenă.

Dezvoltările filtrelor, în termenii automatizării complete, au fost numite cereri suplimentare asupra caracteristicilor mediilor. Tăvile cu colțuri sunt preferate platourilor și ramelor în ordine pentru a facilita mecanizarea. Descărcarea turtelor este de obicei o prioritate ridicată și se realizează în general fără greutate în întreruperea filtrării; descărcarea turtei de filtrare din filtrul cu plăci și rame nu trebuie neapărat să urmărească să se deschidă filtrul.

Creșterea constată în mărimea tăvii, ex. mai mult de 2 m, însoțită de diferite modele de drenare și aranjamente variate de refugii de golire au fost de asemenea plasate cereri suplimentare pentru forțele mecanice ale mediilor. Astfel creșterea deformării pânzei, rezultată din schimbarea dintre tăvi și cadre ce duc la întreruperea tăvilor au fost considerate pentru țesături mai rezistente la întindere sub presiune.

Automatizarea, care poate implica descărcarea turtei de filtrare relativ diluată pe lângă cojirea de o parte a pânzei și solidelor, de obicei implică stoarcerea la o presiune mare în timpul ciclului de evacuare a apei de filtrare. Ciclul complet de umplere, presare, suflare cu aer, descărcare și spălare a pânzei poate fi scurt (5 – 6 minute) în camera modernă autovariabilă [Barlow, 1983]. Astfel, pânza poate fi supusă la o tensiune prea mare în zile, în unități moderne, comparativ cu luni în sistemele de operare manuală.

Toate aceste aprecieri consideră pentru pânze o strângere mare pe când caracteristicile de reținere sunt la un nivel ridicat. De exemplu țesătura tradițională de poliester foarte potrivit pentru utilizarea tăvilor întinse (40×40 in) și 350N/cm (băteală). Aceste cifre pot fi comparate cu pânzele de aceeași mărime în unități mecanizate:1800 N/cm (urzeală) și respectiv 1600 N/cm (bătătură).

Camera variabilă de filtrare a fost recent demonstrat ca opțiune economică în evacuarea nămolului rezultat, când se compară cu centrifugele și zonele de stoarcere. Solidele din turtă peste 24% DS din limita autotermică de incinerare poate fi realizată cu înalte doze de flocurare decât normele utilizate în operațiile de presare.

2.4.3. Producerea turtei de filtrare

Producerea adecvată a turtei de filtrare este cerută anterior în operațiile de presare eficiente, în menținerea scăzută de-a lungul timpului, td peste tot timpul „sarcină”. Productivitatea completă este dată prin câtul (Vf/tc)unde Vf este filtratul produs pe ciclu și timpul ciclului tc = tf + tw + td : tf și tw sunt timpul de umplere/filtrare și respectiv timpul de spălare.

Înțelegerea insuccesului mecanismului de producere urmează considerarea balanței dintre forțele ce pricinuiesc adeziunea turtei de filtrare la mediu și forțele de descărcare. Rumpf[1977] și Shubert [1977] concluzionează că în timp ce o mare parte din studii au fost publicate despre adeziunea particulei, ambelor informații teoretice și practice li s-a limitat aplicarea lor generalizată. Adeziunea particulelor dispersate în lichid este în special rezultatul interacțiunilor electrostatice și a interacțiunilor Van der Waals; de asemenea, angajarea chimică joacă un rol important.

Angajarea chimică este caracterizată prin interacțiunea directă a atomilor și a moleculelor. Forțele de suprafață implicate sunt, de altfel, în limite strânse comparativ cu alte forțe de atracție. Angajamentele chimice sunt atât de specifice substanței încât, teoretic, este imposibil să se generalizeze apropierea de departe care este atât de sensibilă la starea, tipul și structura suprafeței straturilor.

Temperaturile ridicate (aproximativ 60/75% din punctul de topire absolut a adezivilor) pot rezulta din colmatare, la punctul de contact. În acești adezivi solide similare sunt cerute iar procesul este puțin probabil să se întâmple, să zicem filtrarea dintre un solid organic asupra mediului polimeric. Pe de altă parte, dacă particulele de tipul arătat în Fig. 4.5 vor veni înaintând ferm în mediu, aceste particule pot fi responsabile pentru adeziunea la particulele subțiri. Cristalele de zahăr, separându-se la mai mult de 600C servește ca exemplu unor efecte similare. Recristalizarea soluțiilor poate realiza unirea materialului dintre soluția depozitată și solidele filtrate. Ultimele pot fi din același material ca și soluția. Acest efect poate fi produs prin procese de evaporare sau de răcire care se întâmplă în timpul uscării turtei de filtrare la evacuarea apei.

Cum turtele ude se usucă, se nasc colmatările lichidului dintre suprafețele solidului; materialele dizolvate tind să se concentreze în alcooli reziduali și, la un anumit stadiu, va precipita în lichidul colmatat. Cristalizarea în interiorul lichidelor similar colmatate poate realiza o aderare importantă între solide; mutarea poate fi posibilă doar prin redizolvarea colmatărilor. Aceasta se urmărește în sistemele precipitative, procesele de uscare trebuie să fie controlate deasupra nivelului de umezeală concomitent cu formarea nucleului cristalin. Aceasta sugerează limitarea uscării turtei la nivele de umezeală relativ ridicate sau prefațând procesul de drenare , prin spălarea exterioară eficientă a soluțiilor.

Forța de aderare creată prin colmatări ale lichidului a fost acceptată cu atenție; raportul dintre forța de aderare F și tensiunea de suprafață γ este legată de mărimea particulei, separarea particulei și volumul de alcool în Fig. 4.8.

Când colmatarea lichidului este extinsă prin creșterea distanței dintre solide, colmatarea devin instabilă și se fisurează în separarea particulară. Pe de altă parte, aceste studii arată cum forța de colmatare a lichidului se schimbă odată cu uscarea.

Aceste aprecieri punctează importanța turtei de filtrare alcoolice reziduale în influența sa asupra mecanismului de descărcare a turtei. Se urmărește ca procesul de descărcare a turtei este afectat material prin drenarea turtei sau prin evacuarea eficientă a apei. Raporturile industriale [Hong Xiang, 1991] se referă la reducerea umezelii în turtă cu mai puțin de 25% din necesarul existent pentru descărcarea efectivă a turtei. Umezelile scăzute în camera de presare variabilă a vopselelor, hidroxizi metalici și sterili urmăresc să utilizeze pânza din poliester monofilar, calandrarea reducând mărimea panoului la 30 μm [Reid, 1974], cum s-a menționat mai sus. Carleton și Heywood [1993] au discutat aspectele fundamentale a proprietăților turtei de filtrare și mecanismul de descărcare a turtei. Eficacitatea descărcării va depinde de:

1) Forța de legătură dintre pânză și turtă; aceasta este influențat de către turtă: înfingerea și caracteristicile firului/țesăturii tabelul 4.3). Forța de legătură depinde de modul de depunere a primului strat.

2) Forța de legătură a turtei. Dacă coroziunea stratului este mai mică decât de aderarea la pânză, turta va pica în interior iar solidele vor părăsi pânza. Conținutul umezelii se va schimba de-a curmezișul în adâncimea turtei.

3) Aplicarea forței de descărcare (ex. descărcarea verticală de pe o suprafață verticală).

Placa de descărcare optimă solicită a coeziune internă ridicată a turtei și o aderare scăzută a pânzei; turtele care au fost comprimate și slab redilatate datorită eliberării presiunii satisfac aceste cereri. În unele circumstanțe aerul de uscare poate produce variații de umezeală care agravează mecanismul de descărcare. În această privință descărcarea din filtrele sub presiune (pe scară largă) este dificil, în special, să se simuleze pe cele de scară mică.

2.4.4. Efectele structurale ale pânzei

Fiecare pânză are caracteristica sa particulară care poate fi folosită în avantajul procesului de filtrare. Astfel, suprafața plană a pânzelor mono și multifilară (puternic răsucită) este potrivită în particular către lichidul din mediul înconjurător, în separarea cleioasă, substanțe de înfundare ca de pildă noroi și coloizi. Reținerea unor materiale așa de mici depind de formarea rapidă a stratului de suprafață din particule în raportul folosirii poliamidelor monofilare pentru tratamentele uzinale influente [Gave & Daveloose, 1982]. Aparent în această aplicație, schimbarea din firele toarse către pânza țesută duce la creșterea duratei de viață a pânzei de la 3 luni la 2.5 ani! Natura adezivului a unor solide similare poate fi modificată prin tratament cu polielectroliți. Rezultatele complet opuse pot fi de asemenea cunoscute, totuși, acolo unde se prind caracteristicile tridimensionale a materiei prime din fibră este cea mai bună opțiune.

Tipul de țesătură de postav închis a fost raportat [Muller, 1983] țintind reducerea în astuparea porilor când se filtrează particulele coloidale/subțiri. Cu toate că permeabilitatea scăzută inițial comparată cu postavurile olandeze și monofilamente netede, postavurile închise sunt curățate mult mai repede. Aceste pânze sunt atribuite ca două părți, cu o suprafață alunecoasă formată din fibre de urzeală peste mai multe fibre de băteală înainte să treacă peste dedesubt. Proiectarea acestei țesături permite particulelor mici să treacă liber de la un capăt la celălalt al pânzei, stoarcerea completă a deschiderilor în formă de pâlnie făcându-se pe partea inferioară a țesăturii.

Structurile stratificate, sau mijloacele asimetrice, au fost folosite cu succes în gaz și în sistemele de filtrare cu membrană. Pânzele țesute mono și multifilare combinate cu firele toarse au fost produse în țesături speciale [Carleton & Heywood, 1983]. Aceste pânze sunt disponibile când se combină eficiența reținerii, căderea de presiune (scăzută) și caracteristicile de filtrare din mijlocul fibrelor toarse cu trăsături ale suprafețelor netede a calandrării monofilare. Provocând caracterul de materie primă a fibrei la presarea pânzei se reduc problemele muchiei de curgere, în vederea naturii compresibile a fibrelor similare.

Desigur, mediul asimetric sau stratificat poate fi produs prin utilizarea pânzei din spate (ex. pâslă) din partea superioară, a cărei pânză de filtrare strânsă este suprapusă. Această construcție a fost aplicată cu succes în camera de presiune variabilă (presiunea tubului) a 8 – 10000 cicluri între schimbările pânzelor [Johns, 1991], cu diferențieri de presiune mai mari de 100 de bari. Presiunea ridicată reduce importanța rezistenței pânzei în așa fel încât poate fi aplicată reținerea particulelor mari în mediu. Acest sistem este în particular corespunzător solidelor ca argile (50 – 80% particule < 2μm) dar nu este recomandat pentru fibre sau pentru compresibilitate mare ca: noroi, bentonită, etc. Cu aceasta filtrarea materialelor încetează formarea primului strat (ca pielea) de înaltă rezistență.

Folosirea tuburilor goale în mediu pentru utilizarea în filtrele plate se reduc până la 30 – 40% de elemente din timpul de repânzare {Hongxiang, 1991]. Ultimul raport se referă la avantajele specificării corecte a pânzei care conduce la o descărcare simplă prin mișcarea plăcilor filtrului. Masa redusă a plăcii reduce o parte din pagubele pânzei.

Alegerea corectă a pânzei filtrante adesea urmează unei perioade lungi, unei perioade de probă, ex. ca raportarea în presarea filtrului cu cărbuni [English & Radford, 1977]. În timpul dezvoltării, schimbările medii pentru pânza din spate direct hesian, sisal, PVC și polipropilenă unde se cuplează exact cu schimbările din vârful pânzei: bumbac, nailon.

2.4.5. Procese de curățare a pânzei de filtrare

O atenție deosebită trebuie acordată operațiilor de spălare a pânzei, reduceri serioase ale timpului de viață efectiv al pânzei va urma practicii spălării sărăcăcioase. Stropirea cu presiune ridicată sau curățarea prin spălarea în întregime a pânzei (Fig. 4.9) este satisfăcătoare pentru unele sisteme. Spălarea din ultima diagramă este automat controlată si indexată între plăci. Apa la o presiune de 50 de bari poate fi folosită în aceste sisteme. Ultimele sunt avantajoase în special în operații de minerit.

Efectele distribuirii după mărimea particulelor trebuie, totuși, să fie luate în considerare întrucât materialele conținând procentaje ridicate de solide subțiri pot, în plus la dificultățile de filtrare, cauza probleme dacă este folosită pulverizarea cu presiune ridicată pentru spălarea pânzelor. Aici, presiunea fluidului pot forța particulele subțiri să se depoziteze pe suprafața țesăturii, prin aceasta mai mult agravând decât ameliorând fenomenul de astupare. În aceste circumstanțe, metoda de curățare în loc (CIP), folosind spălarea prin pulverizare cu fluide de curățare adecvate se va demonstra mai eficientă. Fluidele de curățare utilizate vor depinde în special de sistem și poate vor fi doar cu apă, cu tratamente de acizi / alcalini, detergenți, etc. Multe fluide pentru curățare brevetate sunt descrise în literatura de specialitate.

Un aspect important a curățării pânzei prin pulverizare este de a asigura că mediul instalației tehnice pe scară largă este stropit pe întreaga suprafață. Aceasta este o problemă esențială pentru proiectarea hidraulică, similar cu aceasta fiind atașarea la o distribuție incorectă a curgerii în depozitarea turtei și în spălare. Un alt factor este considerarea pH apei de spălare.

Tipic, practicarea spălării facilitează folosirea filtrelor cu membrană ca umplere – strângere – descărcare în cicluri de timp de câte patru ore putând implica spălarea pânzei cu apă cu presiune ridicată. Ciclul poate fi variat (1 – 3 spălări pe lună) pentru diferite aplicații.

2.5. Medii de filtrare fără țesături

Secțiunea de mai sus s-a concentrat pe utilizarea mediilor de filtrare țesute în filtrele de presiune. Se observă că se acordă un larg interes în aplicarea nețesăturilor, în mediile de filtrare cu fibre întâmplătoare și sisteme de filtrare a lichidului [Fletcher, 1982]. Placa și rama de presare acoperite cu fetru greu (nailon și polipropilenă amestecată cu fibre) sunt folosite în limpezirea lacului vâscos. Aceste procese, implicând o scoatere lentă a substanțelor de tip gel din faza lichidă, sunt folosite mai bine pe nețesături când colmatarea suprafeței poate fi evitată. Aceasta se aplică de asemenea la scoaterea gelurilor din polimerii topiți prin presiunea mare de filtrare a nețesăturilor din filtrele cu fibre metalice. Nețesăturile sunt mai puțin sensibile la schimbările procesului, tipic prin scoaterea proteinelor în filtrarea siropului de cereale.

Aplicațiile în interiorul ariei pânzei țesute sunt sporite în vederea îmbunătățirii performanței urmând tratamente de suprafață pentru mărimea porilor și controlul eliberării turtei. Pâslele jupuite, pentru presiuni, sunt uneori livrate cu suprafața finisată pe ambele părți ale pânzei.

Pânzele polimerice de tipul menționat mai sus sunt realizate prin procese de uscare. Hârtia este un exemplu pentru realizarea nețesăturii din procesele de stropire, în separarea fibrelor celulozice din dispersia lor în apă, prin influențarea asupra vitezei mari, mutând controlul monofilar. Tendința este spre îmbunătățirea performanței nețesăturii, prin metoda de reducere a mărimii fibrelor.

În ciuda proceselor de filtrare din antichitate ce implicau nețesături, ex. fetru, hârtia, etc. dezvoltările mediului continuă să apară implicând pregătirea fibrelor moderne din polimeri, sticlă, fluorocarbonați, etc. Acestea sunt folosite singure sau în amestec cu fibrele tradiționale ca de pildă: lână, bumbac, celuloză, etc., pentru a realiza o vastă înveșmântare a țintirii mediilor la separările solid-lichid. O listă detaliată a proprietăților fizice relevante a acestor fibre este disponibilă în literatură [Purchas, 1981].

Structurile nețesute sau fetrul este esențial încurcat în asamblarea fibrelor la întâmplare de o porozitate ridicată. Strângerea fizică a țesăturii depinde de aspectul intern și mecanic a fibrelor. Forma vagă, partea inferioară slabă mecanic, este uneori întărită prin incluziunea alteia puternice odată cu începerea țeserii țesăturii. Acest material (considerat) își găsește aplicarea în filtrarea aerului. Densitatea limită de 0.2 gm/c.c realizată prin necesitate poate fi necesar poate fi crescută suplimentar, prin așezarea fierbinte a trecerii prin fetru, la realizarea porului mediu util pentru filtrarea umedă. Aceste tehnici [Fletcher, 1980] includ pârlirea suprafeței, laminarea, pârlirea urmată de trecere și în final trecând cu temperatura și presiunea. Ultimul tratament este cel mai favorabil să fie folosit în sistemele lichide în medii.

Porozitatea ridicată a materialelor nețesute este avantajoasă în realizarea unei capacități de reținere ridicată pentru filtrele de adâncime. Aceste filtre conțin de obicei fibre legate. Astfel, strângerea la umezeală și rezistența totală la pierderea fibrelor, etc., poate fi îmbunătățită prin etanșarea fibrelor, una de alta, pentru a realiza o rețea rigidă. Legarea poate fi efectuată prin adăugarea adezivilor sau prin instalarea căldurii. Ultima este intrinsecă în legătură cu toarcerea țesăturilor. Aceasta implică extrudarea polimerilor topiți în firele cilindrice care sunt dispersate prin curgerea gazului fierbinte în interiorul întortocheat, la întâmplare. Amestecul fibrei poate include o mică proporție a punctului de curgere scăzut a materialului.

În diametrul fibrei există o variație extinsă. Exemplele sunt:

i) 10 μm polyester (1.3 dtex unde ultima unitate este greutatea în grame la 10000 m de fibre);

ii) 40 μm polipropilenă (13.3 dtex);

iii) 30 μm celuloză (poate fi fibrilată pentru producerea fibrelor subțiri atașate sau fibrili).

Și caracteristicile permeabilității și ale filtrării nețesăturii depind de porozitatea pâslei și diametrul fibrei. Tratamentele suprafeței și/sau folosind laminările diferitelor porozități tind la îmbunătățirea performanței de filtrare a turtei și la eliberarea acesteia. În general vorbind, eficiența filtrării la o anumită mărime a particulei este invers proporțional cu diametrul fibrei, alți factori existând la fel.

Relațiile de legătură cantitative pentru diferențele de presiune create prin curgerea lichidului prin nețesături sunt prezentate mai jos. Întrebarea eficienței filtrării este de asemenea discutată, cu referiri la testele de laborator pentru reținerea particulei.

2.6. Modele matematice ale curgerii prin medii de filtrare complete

2.6.1. Permeabilitatea mediului de curățare

Curgerea exactă prin mediul de curățare va fi determinată prin caracteristici geometrice impuse asupra mediului prin țesătură, în formarea modelelor diferite (postav, satin, etc.) din firele de bază. În țesătura pânzei, ultimele sunt fiecare din fire solidare sau sunt multifilare. În unele cazuri, suprafața mediului poate fi modificată îmbunătățind abilitățile sale la eliberarea turtei de filtrare, etc. Fibrele nețesute sunt asemănătoare hârtiei care pot fi obținute în multe forme: fibre uniforme, aranjând la întâmplare fibrele care pot fi obținute în multe forme: fibre uniforme, umplutură mixtă și compozită, etc. Acest mediu, ca țesăturile pot fi acoperite modificând suprafața.

Între timp, productivitățile totale sunt legate de caracteristicile (V, t) sau (ΔP, t) sistemului, ce este direct interesat să aibă înțelegerea efectului construcției mediului asupra curgerii filtrate. De la această bază, poate fi posibil să se identifice cauzele unei funcționări defectuoase (ex. astuparea) când este folosită pânza.

Curgerea completă prin țesătura curățată poate fi descrisă în termenii diferenței de presiune ΔP, viteza de curgere (dV/dt) și aria filtrului A prin:

(4.3)

unde υ este viteza de filtrare.

Alternativ, raporturile multor publicații se referă la permeabilitatea mediului, B m-2, definită prin:

(4.4)

în care: L – este grosimea sau adâncimea mediului. Ultima ecuație își are originile în prima muncă a lui Darcy și studiile sale ale curgerii directe prin stratul gros de nisip.

Permeabilitatea mediului curățat are importanță în determinarea cerințelor de putere, ex. mărimea ventilării în stațiile de filtrare a gazelor și în hotărârea vitezei de curgere inițiale a fluidului complet prin mediu. Viteza de curgere inițială are efect asupra structurii turtei a depozitării particulelor aproape de mediu, și, în sistemele de filtrare ascendente influența depozitării mărimii particulelor.

Unde este obținută cu succes filtrarea turtei, rezistența mediului va avea în general un procentaj scăzut (<10%) a rezistenței medii de filtrare a turtei. O altă cale a exprimării acestui principiu este că mediul trebuie reprezentat în extra „grosimea echivalentă a turtei” în domeniul 0.02 < L < 0.15.

Poate cel mai serios criteriu legat de performanțe spre permeabilitate este folosirea mediului. Eșecul la eliberarea solidelor după depozitarea inițială are de asemenea serioase consecințe economice, exceptând acele cazuri unde dispunerea elementelor de filtrare sunt folosite intenționat. În acele cazuri, fluidele conținând cantități extrem de mici de solide sunt prelucrate, particulele fiind reținute în interior și fără nici o greutate se face curățarea elementului. O caracteristică importantă a unor elemente similare este capacitatea lor de menținere a solidelor.

2.6.2. Puterea de oprire a particulei

Puterea de oprire a particulei mediului este, desigur, prima importanță în hotărârea rutei către filtrarea de succes. O muncă intensă a fost raportată în literatură care este țintită la descrierea mediului în termeni „mărimea porilor echivalenți”, care poate fi legată de mărimea particulei în depozit. Testele de eficacitate a mediilor sunt realizate folosind suspensii diluate a particulelor; concentrația particulelor în fluid înainte și după trecerea directă prin mediu este măsurată și este acordată o atenție sporită la tehnicile corespunzătoare de luare de mostre și dispersarea particulei. Ultima are o mare importanță întrucât concentrația particulelor în fluid are o mare importanță în determinarea probabilității de colmatare a porilor și producând mecanismul de filtrare asemănător cu o sită. S-a menționat mai sus, întrucât cele mai multe dificultăți ale procesului se întâlnesc în practică, urmează că atunci când mecanismul ca o sită cedează, specificarea mărimii porilor din mediu are o importanță fundamentală. Efectul mărimii particulei și concentrația asupra probabilității de colmatare a porilor de o anume mărime este tratat mai jos.

Mărimea și forma porului în mediu va determina posibilitatea separării complete prin cernere, în particular cu marginea mediului, placa perforată, fir simplu sau filtre de tip monofilar. Unde fibrele la întâmplare, elemente pline sau poroase, sunt folosite ca materii prime pânza din fibră, mărimea porului mediului are o importanță mică sau utilizarea în prezicerea comportării mediului. În pânza țesută simplu proiectarea „scuar” deschis este calculată direct din calculele ochiului de pânză și diametrul firului și date similare sunt folosite la prezicerea particulelor sferice foarte mici care pot fi reținute în ochiul pânzei. Metodele de calcul microscopice similare sunt atrăgătoare deoarece simplicitatea lor și compararea „diametrelor porilor” cu măsurarea prin tehnici similare mai complicate ca (a) teste ale punct-balonului și (b) teste ale permeabilității. În (a) mostra mediului filtrat este inundat în lichid și presiunea aerului necesară la forța aerului direct prin țesătură este măsurată. Pentru porul de formă circulară, raza acestuia poate fi calculată din:

(4.5)

unde: rbp este raza punctului balon; σ este tensiunea de suprafață a fluidului; ΔP este presiunea aplicată și θ este unghiul de contact.

Apariția primelor baloane, la măsurarea diferenței de presiune poate să fie astfel legată de o mărime a porilor echivalentă. Unde există o distanță a mărimii porilor, se continuă creșterea cu ΔP, cu asocierea creșterii curgerii gazului, poate fi măsurată în porometri. Aceste analizări automate copie histogramele mărimii porilor și a frecvenței; teste similare sunt continuate mai ridicat față de punctul de uscare a curgerii gazului exact prin mediu, vezi Fig. 6.24.

Testele punct-balon sunt folosite exclusiv în determinarea celui mai mare și a celui mai mic por în filtrele noi și în cele reciclate. Simultan, integritatea filtrului poate fi de asemenea stabilită [Johnston, 1986] în detectarea uzurii și a ruperii țesăturii filtrului.

Raza porului r poate fi de asemenea dedusă din testele permeabilității și folosirea ecuației (4.6):

(4.6)

unde: K este constanta Kozeny și ε este porozitatea porului.

Determinările experimentale ale lui r, rbp și rc (raza porului prin calcul microscopic) a fost stabilită [Rushton & Green, 1968] urmărind relațiile simple pentru firele de țesătură a pânzelor monofilare:

(4.7)

(4.8)

Nici o relație de legătură similară nu este valabilă pentru pânzele multifilare întrucât permeabilitatea nu este calculată pentru inspecție sau pentru testul balonului. În ultimul caz sunt măsurați cei mai mari pori dintre fire. Calculele firelor multifilare [Rushton & Griffiths, 1987] arată că, în cazuri similare, mărimea porului în interiorul fibrei rf este în general mai mic decât mărimea porilor dintre fire și rf < r < ry.

Testele din interior sunt „nedistructive” în timp ce mediul filtrului este neschimbat după completarea testului. Testele de probă, implicând filtrarea particulelor de mărime cunoscută sunt „distructive” întrucât după teste, teoretic fiind imposibil să se refacă originalul, neutilizând caracteristicile mediului. Aceste teste de încercare sunt considerate în secțiunea următoare.

2.6.3. Medii nețesute, fibre ale mediului la întâmplare

Problema corelării permeabilității mediului de filtrare cu dimensiuni de bază a materialelor compuse a fost primită cu atenție [Davies, 1952]. Problema fundamentală este legată de B, ca definirea din ecuația 4.4 a variabilelor, ca de pildă diametrul fibrei, construcția țesăturii, etc. În timp ce permeabilitatea oarecare a sistemului nu are un interes principal aici, este important să se noteze unele lucruri prezentate în acest sens, în dezvoltarea aplicării nețeserii în zona filtrării sub presiune.

Poate cea mai bună ecuație cunoscută pentru descrierea relațiilor solicitate în îngrămădirea staturilor de particule sau fibre este ecuația Kozeny-Carman în termenii porozității ε și a suprafeței specifice a mediului Sv:

(4.9)

Așa numita constantă a lui Kozeny, K a fost arătată ca fiind variablă [Johnson, 1986] care depinde de porozitatea depozitului; au fost raportate creșteri rapide ale lui K când ε > 0.7 . Structurile fibroase a lânei, bumbacului, mătase artificială, sticlă și vată de sticlă au cuprins cu atenție și ecuațiile semiempirice de forma:

(4.10)

au prezentat în termenii ecuației: diametrul fibrei df și porozitatea ε [Davies, 1952]. Informații asupra permeabilității și porozității poate fi folosită la estimarea diametrului fibrei. În schimb, df poate fi folosit în estimări teoretice a eficienței filtrului de reținere a particulelor [Stinson, 1990].

Pentru sensibilitățile materialelor și curgerea aerului, s-a recomandat ecuația:

(4.11)

unde: k* = 4.29 x 106 x Wc; și Wc este greutatea pânzei în grame pe centimetrul pătrat (lână, mătase artificială și bumbac) [Cunningham, 1984].

Filtrele din fibră sunt adesea utilizate in clasificarea proceselor, ex. în sisteme hidraulice, în industria alcoolului, în industria electronică pentru a asigura claritatea absolută în clătirea apei sau în industria băuturilor nealcoolice.

Specificațiile stringente sunt făcute asupra reținerii mediului filtrat pentru particule de aproape aceeași mărime; alte solicitări sunt absența scuturării fibrelor și capacitatea ridicată s de păstrare a solidelor la specificarea unei presiuni superioare la un nivel scăzut. Domeniul materialelor utilizate în construcția cartușelor interschimbabile a filtrelor includ hârtia, pâsla, polimeri nețesuți, pudre metalice sinterizate, fibre metalice, etc. În general, presiunea de cădere a solidelor și a caracteristicilor de depozitare a cestor medii sunt în mare măsură diferite; acele proiectate să evite suprafața de depozitare și va duce la intrarea particulelor în adâncul filtrului expunând capacitatea cea mai bună.

Testele eficiente ale mediului de filtrare sunt făcute folosind suspensii diluate a particulelor „standard”. O largă varietate de teste cu pulberi este disponibilă, în grade subțiri sau grosolane. Utilizatorii industriali vor tinde să folosească testul cu mixtură tipică produselor interesate. În mediul gazos, ambele solide (cristale de clorură de sodiu submicroscopice) și particule lichide (dispersii dioctoftalat) sunt utilizate.

În vederea naturii la întâmplare a porilor în materiale nețesute sau filtre conținând sfere îngrămădite, răspunderea trebuie să fie exercitată în interpretarea valorii de filtrare furnizate prin aprovizionare. Valorile pot fi absolute sau nominale. Termenul anterior este relativ ușor de înțeles ca mărimea particulei de mai sus a cărui mediu este declarat să fie 100% eficient în reținerea particulelor. În viteza nominală a mediului, specificațiile sunt de tipul: „îndepărtarea a 90 – 95% a particulelor mai mari decât valoarea nominală a porului”. Aceste declarații sunt intenționate să ghideze spre folosire, mai repede decât garanția, ca în evaluări absolute. Particulele de latex sferice pot fi generate în domenii variate înguste ca mărime și sunt populare în testele de lucru [Bentley și Lloyd, 1992]. Sferele de sticlă pot fi folosite în procese de filtrare „absolute” țintind la determinarea celei mai mari mărimi a porilor în mediu. Tradițional, particulele iregulate cu o distribuție a mărimii cunoscută au fost utilizate în testele cu lichide. Aceste pudre sunt cunoscute ca teste de curățare a aerului de prafuri și sunt disponibile ca pulberi subțiri (ACFTD) și pulberi grosolane (ACCTD). În industria farmaceutică, organisme ca de pildă Pseudomonas Diminuta sunt folosite în încercări absolute a mediului de filtrare și membrane la un nivel de 0.2 μm [Meltzer, 1987].

Testele sunt prezentate în echipamentul din Fig. 4.10 care descrie aranjamentul testului multitreceri. Suspensiile de particule sunt răspândite complet în filtru, iar măsurătorile făcându-se asupra concentrației de particulelor înainte și după filtrare. Raportul acestor concentrații este înregistrat la un anumit număr a lui x:

Raportul βx =
Evident, un raport mare a lui B indică o revenire ridicată a particulelor la numărul x. Eficiența cumulativă E a particulelor mai mari decât o anume mărime poate fi calculată din:

E % = [(β – 1) / β] x 100

Această relație de legătură conduce la valori numerice legând E% și β:

Aceste figuri sugerează că [Williams și Edyvean, 1995] noțiunea raportului β este utilizat doar în cererile de filtrare absolute. La randamente scăzute este preferat randamentul de îndepărtare a particulei simple Ex = (1 / β).

Detalii ale testului multitreceri și singurul test de trecere simplă s-au relatat în literatură (a) asupra cartușelor reîncărcabile [Williams și Edyvean, 1995] și (b) pentru materiale metalice poroase [de Bruyne, 1979].

O altă metodă de notare a randamentului de reținere a particulelor în „valoarea micșorată în jurnal” (LRV), care este dată prin . Aici N1 și N0 sunt concentrația particulelor la intrarea și la ieșirea din filtru [Bentley și Lloyd, 1992]. Ultimii autori au discutat de asemenea dificultățile legate de testele nedistructive ca de pildă valoarea punctului-balon la randamentul testelor distructive folosind suspensii de particule. Aceste teste sunt evident un subiect de controversă și dezvoltare. Folosirea descrierilor performanței unui singur punct a fost refuzată în favoarea unui profil complet în condiții de testare specifice. Aceasta poate fi comparată cu recomandările [Verdegan, 1992] ce implică specificarea nivelelor microparticulelor la care β = 2.20 și respectiv, 7.5.

Acesta valori ale lui β corespund valorilor lui E% 50. 95. respectiv 98.7%. Capacitatea de reținere a noroiului în adâncul filtrelor la căderi de presiune de opt ori timpul de curățare ΔP este de obicei menționat înainte cu informații despre randament.

Capturarea particulelor suspendate în timpul trecerii complete prin fibrele de filtrare depind de procesul de interceptare a difuziunii sau mișcarea browniană și de forma suprafeței de aderare / atracție. În mediile lichide, la modelele matematice pentru prezicerea randamentului filtrării se ignoră de obicei procesele de difuziune [Stinson, 1990]. Totuși, influența puternică de absorbție în sistemele d curățare a apei au fost observate în îndepărtarea particulelor mici încărcate pozitiv cu latex și bacterie [Raistrick, 1980].

2.6.4. Medii nețesute

2.6.4.1. Permeabilitatea pânzei multifilare

În pânzele multifilare, curgerea fluidului se poate realiza direct sau în jurul firelor permeabile. Gradul de divizare a acestui fluid în fire sau printre fire a fost demonstrat pentru a explica anumite caracteristici de colorare a anumitor pânze [McGregor, 1965]. Dacă definim B0 ca permeabilitatea firelor poroase, și B1 ca permeabilitatea pânzei dacă firele au fost întărite, i.e. monofilare, se poate arăta că:

(4.12)

unde: B este permeabilitatea totală a pânzei iar dy este diametrul firului. S-a arătat că indicele Ω variază în limita 1 < Ω <20 fără o precizie a ordinii măsurătorilor experimentale necesare pentru determinarea lui B și B0. Pânza monofilară are de atunci un coeficient de unitate:

Ω = Permeabilitatea pânzei / Permeabilitatea pânzei alcătuită din fire monofilare

(4.13)

Punctele având valoarea ridicată a lui Ω la un procentaj mare al curgerii trec direct prin fire.

Aceste ecuații au fost folosite în studiul larg a efectului caracteristicilor multifilare în filtrare, incluzând aspecte ca tendința de scurgere, modul de filtrare [Rushton & Hassan, 1980]. Bazele acestui studiu a fost premisa că acolo unde particulele sunt destul de mici pentru a intra în porii pânzei și în circumstanțele unde curgerea prin fire este posibilă (Ω > 1), urmează posibilitatea că particule similare vor urma curgerea filtrată în interiorul firelor. Aceste particule devin incrustate în interiorul firelor; această tendință este de diminuare a porozității în fire cu aproape unitatea W. Îndepărtarea particulelor prin clătire devine dificilă, dar între timp clătirea va avea tendința să urmeze calea cu cea mai mică rezistență, i.e. în jurul firelor astupate.

Problema corelării permeabilității materialelor multifilare este agravată în mediul format din materiale naturale ca lâna, bumbacul, etc. În aceste cazuri, caracterul ușor a așa numitului filament continuu (CF)este înlocuit prin materia primă a fibrei poroase la întâmplare (SF). Descrierea matematică a unor sisteme similare este dificilă, deși un mare progres a fost făcut prin metode de simulare computerizată [Davies ș.a., 1993].

Împărțirea curgerii în multifilare, cu asocierea creșterii în densitate a pânzei (cu țesătură strâmtă) este arătată mai jos în Fig. 4.11. Proprietățile tipice mediului multifilar [Rushton & Griffiths, 1987] sunt înregistrate în tabelul 4.5 de mai jos.

Tabelul 4.5. Proprietățile tipice mediului multifilar [Rushton & Griffiths, 1987].

2.6.4.2. Permeabilitatea pânzei monofilare

În aria monofilară un succes mult mai mare în corelarea permeabilității cu structura pânzei a fost urmat de sugestiile lui Pedersen [1969], care a adaptat formula tip-orificiu corelat cu informația despre căderea de presiune a curgerii pentru variate modele de țesături:

Coeficientul de descărcare a fost definit ca:

(4.14)

unde: a este fracția efectivă pentru aria deschisă a porului:

(4.15)

în care:

(ec) = firele urzite pe centimetru;

(pc) = firele de băteală pe centimetru;

A0 = aria efectivă a orificiului.

Coeficientul de descărcare a fost anticipat să fie o funcție de numărul Reynolds în interiorul țesăturii.

Figura 4.12 descrie configurațiile a patru fire de urzeală care sunt posibile într-un singur strat a țesăturii monofilare. Pederson a testat studiul prin comparația cu permeabilitatea aerului date asupra țesăturilor clare de postav 2 / 2; corelarea cu succes a fost obținută realizând bune rezultate decât acele ce se bazează pe proiectarea mărimii porului.

În ultima lucrare [Rushton & Griffiths, 1971] au fost analizate postavuri mult mai complicate 5 / 1 și satin 5 / 1 și date despre curgere extinse la curgerea apei. Rezultatele sunt descrise în Fig. 4.13A. Folosirea proiectării simple a diametrului de intrare (por văzut de sus) dau rezultatele porului prezentat în Fig. 4.13B. Datele curgerii în limita 1 < Re < 10 a fost arătat să fie reprezentat prin:

(4.16)

pentru curgerea apei, pe țesături lucioase și pe postav, cu o eroare maximă de 18%. În ecuația de mai sus numărul Reynolds a curgerii prin por Re = (vp dp ρ) / μ.

Pentru a corela datele despre postav 2 /1 și satin 5/1 este necesar să se definească „celula de curgere”, care este repetată în modelul țesăturii. În acest caz se descrie (postav 2 /1) celula care este formată din 6 pori deasupra la postav și trei pori la pânză; procedurile de măsurare sunt propuse în așa măsură încât:

unde: aτ, ap sunt fracțiile efective ale ariilor deschise a porilor din postav și pânză. Calcularea perimetrului orificiului este tratat similar. Calcularea caracteristicilor porului monofilar sunt prezentate în tabelul 4.6. Aceste rezultate pot fi aplicate studiului oricărei celule de curgere.

Anlauf și Muller [1990] raportează efectul mărimii porului multifilar și forma asupra procesului de formarea turtei, și de asemenea asupra trecerii aerului direct prin sistem în timpul scurgerii apei. În ultimul, avantajele porilor mici ale mediului de filtrare sunt demonstrate.

Tabelul 4.6. Proprietățile pânzei monofilare.

2.6.5. Colmatarea porilor pânzei de filtrare

În timp ce informațiile experimentale conținute în această secțiune se referă la modelul de țesătură al mediului, se consideră că raportarea la relațiile de legătură variate va constata utilizarea cuantificării colmatării porilor de suprafață în țesăturile fără model. Formarea particulei stabile depusă pe suprafața țesăturii (filtrarea turtei) va urmări dacă primul strat de solide sosit poate să colmateze efectiv porii pânzei. Prima lucrare a lui Hixson ș.a., [1926], utilizând capilarități subțiri, punctează relația de legătură dintre mărimea porilor și mărimea particulei pentru colmatarea suspensiei puternic concentrată de cuarț:

; s > 20 % w/w (4.18)

O valoare ridicată a lui k2 indică o bună caracteristică de colmatare cum s-a demonstrat în ultima lucrare [Rushton & Hassan, 1980] asupra limitei solidelor. Aici, efectul de concentrare a fost extins la diluarea extremă cu rezultat:

(4.19)

Tabelul 4.7 de mai jos conține valori k2, k3 și i pentru ajutoare de filtrare, etc. Reprezentarea grafică a ecuației de această formă este dată în Fig. 4.14. Condițiile de colmatare sunt obținute sub curbă; coborârea rezultatelor concentrației în timpul colmatării duce la mărimea porului constantă. Materialele cu caracteristici de colmatare sărăcăcioase pot fi îmbunătățite prin adăugarea substanțelor corpului cu valori ridicate ale lui k2, ex. ajutoare de filtrare.

Tabelul 4.7. Caracteristici de colmatare.

Graficul din Fig. 4.14 ilustrează că relația de legătură a lui Hixson referitoare la limita superioară a mărimii porilor de deasupra a căror colmatare este imposibilă pentru detaliul particulei normale indiferent de concentrația particulelor. Din nou, trebuie menționat că Hixson folosește singurele capilarități în lucrarea sa; concentrațiile de colmatare a unui singur por poate fi mai mare de 35% solide, la colmatarea obișnuită a pânzelor în limita 0.01 – 2%.

Nerealizarea colmatării pe suprafața pânzei va duce la penetrarea porului. Factorii ce cuprind această problemă complicată a vitezei de curgere și a divizării acesteia, mărimile efective ale porilor, distribuția mărimii particulelor și tipul particulei. În ultimul caz, anumite particule sunt formate din precipitate subțiri aglomerate ceea ce în zonele cu tensiuni tangențiale ale fluidului se pot desprinde de particule curățind complet turta de filtrare și mediul, rezultând un filtrat tulbur. La fel, particulele care se deformează ușor pot produce rezultate neobișnuite când se observă termenii fracției mărimii porilor particulelor. Prima lucrare a sugerat că divizarea curgerii, cum s-a măsurat prin fracția Ω, are o influență asupra rezistenței mediului în condiția de exploatare a procesului de curățare a pânzei prin spălare.

Înainte de concentrația particulelor, viteza de filtrare are influență asupra procesului de colmatare [Rushton & Hassan, 1980]. Sosirea simultană a destule particule ce formează colmatarea va fi influențată de scoaterea particulelor din fluid așa cum ele intră în mediul de filtrare. Măsurătorile experimentale au raportat în termenii fluxului de particule calculat din rezultarea concentrației particulelor și viteza de intrare:

(4.20)

Valorile pentru kp și η sunt scrise în tabelul 4.8 de mai jos pentru depozitările asupra porilor pânzei monofilare întinse. Acestea sunt calculate folosind valorile nominale și minime a mărimii porilor pânzei ceruți pentru colmatare. În ecuațiile (4.19) și (4.20) „constantele” k3 și kp pot fi considerate o măsură a „colmatării efective” a asociației particulă / por; în acest caz k3 și kp reprezintă mărimea fracției por / particulă pentru colmatarea la concentrația unitară / respectiv a fluxului de particule.

Variațiile în kp și η sunt de asemenea atribuite parametrilor distribuției mărimii particulelor; σ (abaterea standard) și SF (factorul de ardere) sunt înregistrați în tabelul 4.8 de mai jos. Datele raportate în Fig. 4.15 pe MgCO3, folosind pânza multifilară arată că particulele simple din mostra A (x = 29 μm) nu se colmatează doar la concentrații scăzute decât mostra B (x = 51 μm) dar, de asemenea, au fost pierdute mai puține materiale din pânză decât prin scurgeri. Aparent, observațiile lui Hixson [1926] care a spus că probabilitatea formării colmatării este legat de numărul particulelor grosolane în găsirea sprijinului în populația particulară în aceste limite experimentale.

În adăugarea la mărimea relativă, viteza, etc. tipul porului va avea o legătură importantă asupra procesului de colmatare. Porii pânzei raportați la toți porii de mai sus vor avea aceeași formă și sunt limitate prin patru fire care sunt cel puțin parțial în același plan, Fig. 4.12. Această trăsătură nu se aplică pentru țesăturile pânzelor sau alte orientări ale porilor; în porii de postav sau simpli de tipul doi, trei fire (două urzite și unul de băteală) sunt coplanare unde tipul de por al suprafeței are doar două fire de urzeală situate similar. Acești factori au fost considerați în definirea „colmatării porilor” pentru țesături complexe ca celula care are patru fire ca granițe, în primul rând luând legătura cu influențarea solidelor.

Cum poate fi observat, această apariție nu avantajează cu adevărat în folosirea minimă a porilor, în vederea răspândirii valorilor kp. Ultimul poate fi de asemenea observat ca „factorul de colmatare efectiv” reprezentând fracția particulei la por cu fluxul unitate.

Datele disponibile, insuficiente în timp ce se furnizează calculele complete ale fenomenului, scot în relief variabilele importante. În particular, viteza fluidului are o clară legătură în creșterile vitezelor conducând la concentrații scăzute de colmatare; reflecțiile acestor influențe sporește concentrația particulelor asupra particulelor și rezultatele complete depind de mărimile relative ale dârei fluidului și inerția particulelor. Acest tip de comportare este intrinsecă în comportarea particulelor asupra varietății membranelor nucleelor porilor.

Tabelul 4.8. Efectul de colmatare asupra fluxului de particule; pânze monofilare.

Datele experimentale asupra colmatării postavurilor 2 /1, 2 /2 și satin 5 /1 sunt comparate cu țesăturile monofilare întinse, din Fig. 4.16. În tabelul de mai sus, σ și SF sunt abaterea standard și factorul de ardere asociat cu distribuția mărimii particulelor.

2.6.6. Insuccesul colmatării și scurgerea particulelor

Când condițiile de proces sunt așa încât colmatarea porilor de la suprafața mediului este imposibilă, particulele pot fi depozitate în interiorul interstițiilor pânzei sau în particular pentru monofilare, scurgându-se exact prin pori. În mediile multifilare sau nețesute, depozitările interne în pânză pot dovedi că sunt permanente, în ciuda încercărilor de curățare a filtrului prin spălare, clătire, etc.

Apariția solidelor în filtrat poate fi persistentă pentru pânzele grosolane și particulele subțiri, dar scurgerile uzuale sunt observate doar pentru o perioadă scurtă de timp la începutul separării. În unele circumstanțe prezența unei cantități mici de solide în filtrat nu poate fi gravă iar avantajele la o rezistență scăzută a mediului de filtrare poate depăși costul scurgerilor; ultimul poate fi de asemenea refăcut prin reciclarea premergătorilor. În alte circumstanțe penetrarea materialului subțire în interiorul porilor pânzei este asociată cu o creștere bruscă sau accidentală în rezistență a mediului care poate fi ușurată. Eventual, în acele circumstanțe astuparea mediului poate fi înlocuită. Înlocuirea pânzei constituie o problemă economică importantă în industria filtrării și este evident interesat să aibă informații legate de stabilirea astupării pânzei.

Din informația adunată în secțiunea anterioară, variabilele importante afectează colmatarea, unde definește prea bine raportul mărimii particulelor porului și fluxul de particule către por a porilor monofilari.

2.6.7. Rezistența curgerii asupra mediilor utilizate

Hatschek [1926] a publicat studiul înăbușirii zonei libere în mediu, urmând depozitarea solidelor. Efectul este mai pronunțat în depozitare primului strat de particule și această primă lucrare a demonstrat că structura depozitelor ulterioare va fi influențată prin procesul inițial de înăbușire. Rezistența suplimentară a pânzei a stratului subțire a turtei este mult mai mare decât se impune din suma rezistenței la spălare a pânzei și rezistența stratului.

Studiile ulterioare [Rushton & Hassan, 1980] au implicat filtrări repetate a suspensiilor diluate a particulelor subțiri asupra pânzelor de variate tipuri. Între fiecare filtrare, pânzele au fost clătite complet, apoi verificate pentru permeabilitatea la apă curată. S-a demonstrat că raportul Ω apare la influența schimbării permeabilității cu uzul. Rezultatele de mai jos se referă la schimbarea în permeabilitate după cincisprezece cicluri de filtrare-spălare.

Datele adunate sugerează că pentru concentrații scăzute și acolo unde particulele sunt destul de mici pentru a intra în porii dintre fibre, sporește curgerea printre fire prin țesătura strâmtă ce va promova astuparea pânzei. Vitezele de curgere relativ ridicate întâlnite la pânzele cu Ω scăzut vor realiza performanțe mai bune în acest sens; această concluzie a fost dată de McGregor [1965] cu indicație la vopsirea firelor răsucite. În pânzele multifilare sau nețesute, în măsura scurgerilor provenite peste toate șirurile de concentrații, ex. în materialul din pâslă unde particulele sunt reținute în porii creați la întâmplare prin fibrele tangențiale. Ultimul proces a fost descris de Davies [1984] în seria studiilor computerizate și simulărilor depozitărilor curgere / particule în medii.

Astfel, în Fig. 4.17, modelul computerizat a fibrelor reprezintă o ilustrare bună a filtrării reale. Aceste modele sunt bombardate cu distribuții produse pe calculator a particulelor și viteza de astupare prezise din zona de curgere pierderilor disponibile [Davies ș.a., 1993].

Măsurările cantitative și reproductibile au fost făcute dificil prin faptul că gradul de astupare a porului este legat de forma particulei; ultimele tendințe de orientare însăși în orientarea fluidului în așa măsură încât este reprezentată rezistența minimă la forța de tragere a fluidului.

Grace [1958] descrie curgerea filtrată-relația de legătură a timpului în „condițiile legii standard”, în termenii proprietăților de filtrare a mediului; pentru presiune constantă și viteză constantă de filtrare:

Presiune constantă

(4.21a)

Viteza de curgere constantă

(4.21b)

Aici εp este porozitatea particulelor împachetate, lungimea porului h și r0 raza porului curat. Grupul (π N H r02) este numit valoarea de „pătare” și a fost legată de distribuția mărimii porului mediului. A fost admis că, cuantificările vor găsi o aplicare rară la separațiile reale, unde depozitele de particule se vor produce în special în modul mixt, în special la începutul separării. Astfel, Hertjes [1957] demonstrează că schimbarea în modă cu schimbarea în concentrații de particule a fost arătat mai jos în Fig. 4.18.

Dmitrieva și Pakshver [1951] relatează tendința de astupare a vitezei de sedimentare a suspensiei. Parametrul a fost sugerat pentru clasificarea tendinței de astupare a particulelor de mărime x în rezistența medie Rm.

Astuparea porilor pentru valori Θ mai mari decât 1000, pentru filtrarea turtei va urma Θ < 100. Între aceste limite 100 < Θ < 1000 ia locul tipul de depozitare intermediară. Kehat [1967] dezvoltă relația de legătură de mai jos pentru rezistența totală RT a astupării parțiale a mediului:

(blocare completă)

(legea standard)

În relațiile de mai sus: R0 este rezistența efectivă la începutul ciclului; Rb este reducerea în R0 cauzată prin astupare sau curățare; Rc este reducerea în R0 datorită astupării. „Constantele” I și Ka depind de condițiile de filtrare și de particule.

Studiile experimentale a multor sisteme [Rushton & Wakeman, 1977] a demonstrat că rezistența pânzei la lichide este cel puțin egală cu rezistența aerului. În unele cazuri, creșterea R0 este înregistrată, după alocația pentru viscozitate, mai ridicată spre valorile duble ale rezistenței la curgere a gazului. Acest efect este atribuit la umezirea sărăcăcioasă a mediului în unele sisteme lichide. Folosirea mediului în filtrarea solidelor care tinde la „suprafața de filtrare” produce creșterea în Rm mai mari de trei ori fată de rezistența de curățare a apei. Această valoare poate crește material dacă particulele sunt penetrante. Asocierea descreșterii în permeabilitate poate fi graduală peste mai multe utilizări sau dramatică, într-o singură utilizare a mediului.

Cap. 3. Aplicații practice ale procesului de filtrare în instalațiile de filtrare a lubrifianților. Tipuri de centrifugi și aspecte constructive

Echipamentele și calculele procesului de filtrare

3.1. Introducere.

Scopul acestui capitol este să descrie unele scări – largi vacuumatice și filtre de presiune folosite industrial pentru separarea solid – lichid. În scopul limitărilor spațiale, doar câteva reprezentative a multor mașini disponibile pot fi menționate; descrierile cuprinzătoare ale mașinilor de filtrat sunt variabile în altă parte în literatura importantă [Purchas, 1981; Dickenson, 1992].

Procesul important de selecție a filtrării este protejat în detaliu în literatura recentă a filtrării [Purchas, 1984; Shirato ș. a., 1987]. Un sistem expert este disponibil [Wakeman, 1995] a căror facilități stabilesc selecția. În aplicație, mai multe informații asupra caracteristicilor filtrării a suspensiei în problemă, cea mai precisă va fi rezultatul selecției. În general, chiar atunci când aspectele economice a stabilirii capitalului și a costurilor de operare sunt chibzuite, nu se va da un singur răspuns la o problemă specifică. Mai multe tipuri de filtrare pot răspunde la această problemă, cu diferite grade de eficacitate. Eșecul complet este rar, poate excepția în alegerea mediului de filtrare. Tendința generală, cu ambele utilizări și furnizări este când filtrarea specifică este aplicată cu succes la anumite procese, întinderile ultimului va include de obicei aceeași filtrare.

În tabelul 11.1, unele proprietăți neclare sunt înscrise, cu influență asupra stabilirii selecției [Tiller & Crump, 1977]. Fig. 11.1 prezintă o clasificare mare a filtrelor potrivite împotriva parametrilor de distribuție a mărimii particulei. Desigur, clasificări similare nu pot fi văzute ca fiind riguroase în toate circumstanțele, dar datele arată că filtrele de presiune vor fi întemeiate mai mult în general în acele procese conținând suspensii cu liniștire greoaie, suspensii cu filtrare lentă.

Tabel 11.1. Proprietăți ale suspensiilor.

Din fig. 11.1, poate fi interpretat că suspensiile particulelor subțiri vor necesita filtre de presiune în timp ce suspensiile groase vor fi procesate potrivit în filtrele de tablă. Unde mărimea distanței este întinsă, stabilirea alegerii actuale poate fi afectată prin concentrația particulelor subțiri: la suspensia cu 10 % mai mare decât 10 m se poate cere filtrarea sub presiune; la aceeași mărime normală creșterea proporțională mai mare cu 10 m poate face posibilă filtrarea rotativă.

3.1.1. Bazele productivității filtrării

Productivitatea tuturor filtrelor este legată de cererea de timp a unui ciclu întreg de separarea completă. În plus la cererea de timp pentru filtrarea tf, perioadele în continuare pot fi necesare pentru scoaterea apei td și spălarea turtei tw. Este uzual să se pună laolaltă ultimele operații în interiorul „timpului scăzut” tdw. În anumite operații de presare, perioada de filtrare poate fi extinsă să se aloce compresiunii turtei de filtrare prin umflarea diagramelor.

Ciclul de timp complet tc este astfel dat prin:

(11.1)

Pe scară largă, cantitatea operată în unități de presiune poate fi luată mai mare în umplerea cadrului, descărcarea turtei, etc.

Productivitatea unității P* (kg de solide uscate pe secundă) poate fi estimată din:

(11.2)

unde: V este volumul de filtrat și c este masa solidelor uscate depozitate pe unitatea volumului filtrat. Valoarea lui c este dată de:

(11.3)

în care: ρ este densitatea fluidului (kg/m3), s este masa solidelor pe unitatea de masă a alimentării suspensiei și m este raportul dintre masa umedă și masa uscată a turtei de filtrare.

În specificațiile procesului, este important să se estimeze stratul turtei de filtrare produsă pe ciclu. Masa solidelor depozitate și asociate stratului turtei are un efect important asupra mecanismelor de descărcare. Așa cum se va scrie mai jos, fabricarea filtrelor continuu dă informații despre stratul minim al turtei necesar pentru a evita problemele la descărcarea turtei de filtrare.

Masa solidelor uscate depozitate din V volume de filtrat și asociate stratului turtei poate fi calculată din:

(11.4)

unde: M este masa solidelor pe ciclu (kg), ρs este densitatea solidelor (kg/m3), ε este media porozității turtei, A este aria de filtrare (m2) și L este grosimea stratului (m).

Capitolul 2 conține informații despre metodele folosite pentru estimare perioadei de filtrare tf. Ecuația de bază a filtrării este:

(11.5)

legată de viteza de curgere q sau (dV/dt) în (m3/s) direct de rezistența medie specifică a turtei de filtrare și rezistența mediului de filtrare Rm (m-1), după realizarea unui volum de filtrat V în t secunde ale procesului.

Expresia de mai sus poate fi integrată sub alocarea condițiilor procesului:

Diferență de presiune constantă ΔP;

Viteză de curgere constantă (dV/dt) = q;

Viteză variabilă – presiune variabilă.

Condiția (a) se aplică elementelor vacuum sau prin operarea filtrelor sub presiune sub un ΔP constant. Condiția (b) se aplică alimentării filtrelor sub presiune prin procedee de pompare cu viteză constantă. Folosirea unei pompe centrifugale va produce condiția (c), care s-a discutat în capitolul 2.

Filtrarea sub presiune poate fi asigurată în condițiile curgerii filtrării constante, în care caz ecuația aplicabilă procesului este:

(11.6)

unde:

(11.7)

(11.8)

Ecuațiile de mai sus indică că în aceste operații, diferența de presiune va crește cu creșterea timpului de filtrare, tf. Pregătirile sunt făcute pentru a se termina separarea când diferența de presiune atinge limita superioară, de siguranță. În unele cazuri, filtrul este preacoperit cu un ajutor pentru filtru înainte de separare. Timpul cerut pentru preacoperire trebuie să fie adăugat la ciclul complet de timp în calculele productivității procesului.

Studiile practice au raportat [Silverblatt ș.a., 1974], [Rushton și Matsis, 1994] care indică vitezele de curgere optime, în acest mod de separare. În corespondență cu zona de filtrare minimă au fost identificate cererile [Shirato ș.a., 1987].

Mai multe unități de filtrare continui discutate mai jos pot fi operate în condiții de presiune și vacuum; astfel, toba vacuumatică rotativă continuu, brâul de filtrare orizontal sau disc poate fi închis într-un vas de presiune. Separarea poate deci urma prin folosirea unei pături de gaz sub presiune în vas. Această tehnică este adesea utilizată în filtrările solvenților.

Valoarea unor procese simultane folosesc presiunea contra curentului, cu curgerea vacuumatică a filtrului; în acest mod caracteristica de filtrare continuă poate fi cuplată cu mari diferențe de presiune ale filtrării.

În final, unele echipamente de proces pot opera în mod mixt. Presiunea de umplere și construirea timpurie a depozitării turtei se poate urmări controlul curgerii constante; depozitele finale, cu scurgerea apei, poate fi efectuată la un nivel ridicat la o diferență de presiune constantă [Svarovsky, 1981].

Aceste comentarii generale și dezvoltările teoretice prevăzute în capitolul 2 punctează nevoia de informare asupra efectului diferenței de presiune asupra rezistenței turtei de filtrare, porozității, conținutul de topitură, etc. Testul de lucru trebuie să proiecteze cuantificarea caracteristicilor compresibilității în interiorul suspensiei. Această informație facilitează estimarea mărimii filtrului și a productivității în condiții de operare variate. Destul de des, nivelul presiunii folosit în gama separărilor stabilită sunt complet diferite la acele folosite în testul de laborator.

3.1.2. Spălarea și scurgerea apei din turta de filtrare

Metodele pentru estimarea timpilor de spălare și scurgere a apei sunt prezentate în capitolul 9, bazându-se în special pe informațiile prezentate în literatură [Wakeman și Tarleton, 1990]. Alte surse de informare [Stahl și Nicolaou, 1990] arată diferite stadii în procesele de filtrare rotative vacuumatice, incluzând calculul complet al solidelor, descărcarea turtei umede, necesitățile pompei vacuumatice, etc.

Tehnicile grafice raportate în capitolul 9, relatează așa numita reducere a saturării SR la o funcție completă Θ care include timpul de scurgere a apei td, până la atingerea nivelului de saturare S:

(11.9)

(11.10)

Aceste expresii includ: k – permeabilitatea turtei de filtrare (m2); Pb – presiunea de intrare inferioară, în care, aerul nu va penetra porii turtei de filtrare (N/m2); – saturarea ireductibilă a turtei la echilibru, funcție de numărul capilarelor Nc (definit mai jos); ε – porozitatea turtei de filtrare.

Folosirea acestor expresii necesită în continuare relații de legătură pentru Pb, k, și Nc. Aceste relații de legătură sunt de obicei raportate în termenii mărimilor medii a particulelor în turta de filtrare. Relațiile de legătură alternative au fost dezvoltate [Rushton și Arab, 1986] în termenii rezistenței specifice medii a turtei ; s-a presupus că ultimul dacă se măsoară imediat înainte des curgerea apei, va servi ca baze utile pentru corelarea cineticii scurgerii apei. Din capitolul 2, relația de legătură dintre și k, și permeabilitatea poate fi scrisă:

În continuare, relația de legătură dintre XX și mărimea particulei este dezvoltată în capitolul 2 și prelungirea A. Astfel pentru sfere:

unde: x este diametrul mediu al suprafeței particulelor; abaterile de la relațiile de legătură asemănătoare sunt legate de forma particulei.

Pentru sfere, relația de legătură a variației procesului va lua forma:

(11.11)

unde: σ este tensiunea superficială a fluidului:

(11.12)

Măsurătorile actuale ale lui pentru turtele de filtrare ale carbonatului de calciu iau forma:

(11.13)

în care: Nc este calculat cu ecuația (11.11).

S-a sugerat de asemeni că, în procesele de scurgere a apei, datele grafice conținute în capitolul 9 pot fi corelate prin:

; ΔP > 0.25 (11.14)

; ΔP < 2.5 (11.15)

unde:

ΔP* = (pereche, intrare / Pb) – (pereche, ieșire / Pb) (11.16)

și

(11.17)

Utilizarea acestor expresii este demonstrată în exemplul 11.2. Întrucât relațiile de legătură de mai sus sunt bazate pe o cantitate limitată a datelor experimentale, aplicarea întinsă a altor materiale decât acele folosite în realizarea corelațiilor nu este propusă. Aceasta se demonstrează prin diferențele din ecuația (11.13), și:

pentru Nc > 10-4 (9.35)

redată în capitolul 9. Ultima ecuație a fost obținută cu solide tip nisip, sfere de sticlă.

Aceste diferențe în ecuațiile indicate pentru (de aici S la timpul de drenare t) pot fi comparate cu încercările industriale [Carleton &Mehta, 1983] pe o gamă mare a filtrelor producând turte de nisip, ghips, pigmenți, calcar și „impurități”. Scopul general de aici este în diferențele dintre viteza de filtrare a turtei, măsurată prin testul foii și a filtrelor. S-a găsit că, , rezistența specifică medie a turtei crește productivitatea elementelor pe scară largă dar oarecum mai puțin decât realizarea în laborator pe foaie. Acest efect este arătat în Fig. 11.2A. Diferențele în performanța filtrării cu schimbările de pe scară largă au fost de asemeni notate în teste ca 0.1, 0.3 și 1.0 m2 RVFs [Rushton, 1981]. Aceste diferențe au fost atribuite efectelor de amestecare și sedimentare.

Pe de altă parte, o înțelegere excelentă a fost obținută [Carleton & Mehta, 1983] între umezeala cuprinsă în testele de pe scară largă și acelea prezise prin ecuațiile Wakeman’s. Fig. 11.2B arată nivelul acestei înțelegeri pentru turte cu proprietăți în rândurile:

5.0×106(nisip) < alfa (m/kg) < 2×1012(pigment)

În aceste studii, grosimea stratului de filtrare se întinde de la 70 mm pentru materialul de filtrare liber la mai puțin de 1 mm pentru unii pigmenți de înaltă rezistență. Aceste rezultate pot fi comparate cu încercările practice în centrifugele de filtrare, în capitolul 8, unde corelările publicate par să prezică cinetica drenajului. Evident sunt necesare mai multe informații în ultimul subiect.

Poate zona principală a ignoranței în filtrarea precipitatelor și scurgerea apei din acestea are ca efect morfologia cristalului. Problemele serioase teoretice și practice apar în cazurile unde „cristalul” posedă de fapt porozitatea internă. Limita interioară a alcoolilor din cristal vor fi imposibil de îndepărtat prin metode de scurgere a apei normale. Din nou, în calculele proceselor, și corelările rezultatelor experimentale, nesiguranțele apar în valorile densității pentru aceste materiale.

Schimbările în forma cristalului, cu schimbări în condițiile de proces au fost studiate în relația de filtrare și spălare a ghipsului din soluțiile acide fosforice [Van der Sluis, 1989]. Condițiile optime de filtrare au fost observate în termenii concentrațiilor acide, timpilor de rezistență, etc. și diferențele dintre variate modele de filtrare au fost discutate, cu referire la aspectul formei de ac a ciorchinilor de cristal.

Se așteaptă că aceste materiale vor expune abaterea de la relațiile de legătură, ca de pildă de la relația Kozeny-Carman, capitolul 2, pentru pătrunderea stratului împachetat și staționar. Pe de altă parte, metodele disponibile în capitolul 9 pot fi folosite cu încredere când se leagă precipitatele granulare cu solidele. În alte condiții, valorile experimentale pentru , S, , etc. trebuie să fie căpătate.

Soluția de îndepărtare a soluției din turta de filtrare spălată este reprezentată prin curbe de tipul arătat în Fig. 11.3A. Aici, schimbarea concentrației este măsurată prin concentrația inițială de ieșire c. Aceasta poate fi normalizată prin împărțirea concentrației c0 a soluției inițiale.

Raportul c/c0 este plănuit contra timpului de spălare tw. Alternativ, raportul de spălare este furnizat mai sus la un anumit timp, poate fi împărțit prin conținutul de lichid în turta de filtrare la începutul spălării. Acest așa numit gol de volum sunt evident legate de timp, în vederea faptului că spălarea va continua la o anumită viteză.

În ciuda studiilor vaste asupra spălării turtei, cum s-a relatat în capitolul 9, descrierea completă a proceselor matematice implicate în scoaterea soluțiilor dizolvate este încă așteptată. Totuși apropierea generalizată [Wakemwn & Tarleton, 1990; Carleton & Taylor, 1991] implică schimbări în soluția turtei cu volume de spălare suplimentare și ca o funcție a „parametrului de dispersare”: (vL/D) prezintă în Fig. 11.3B bazele teoretice schimbate pentru acest subiect.

În acest grup variabilele: v este viteza de spălare (m/s); L este stratul turtei (m), D este coeficientul dispersiei axiale (m2/s). Valorile ridicate ale ultimului parametru produce „obturarea curgerii” în curba spălării ; valorile scăzute, tind să producă lungi „cozi” de spălare cu creșteri cerute de timpul de spălare pentru a produce îndepărtarea unei soluții acceptabile.

Situația este mult mai complicată prin faptul că turta de filtrare poate fi scursă de apă înainte de spălare. Scurgerea turtei poate avea canale exact prin turtă prin care spălarea va curge preferențial. Îndepărtarea soluției poate să urmeze doar prin difuziunea din buzunarele de lângă punctele de contact dintre particule. Această situație a fost considerată [Wakeman & Rushton, 1974] în modelul „interiorului porului” care își găsește aplicarea calculului refacerii soluției din turtele scurse.

În calculele proceselor vacuum sau cu presiune constantă, spălarea este asumată să fie transmisă la sfârșitul perioadei formațiunii filtrului; dacă este utilizată aceeași diferență de presiune ca cea în timpul filtrării, viteza de spălare va fi egală cu viteza de spălare la stadiul final de filtrare.

Randamentele de spălare sunt definite în termenii fracției de îndepărtare a soluției după trecerea unui volum gol de spălare. Calculele teoretice sugerează că eficiența spălării va varia cu parametrul dispersiei discutate mai sus [Wakeman & Attwood, 1988]. Unele aproximații ale acestor calcule sunt:

Randamentele de spălare a filtrelor pe scară largă variază de la 35 la 90%; cauzele principale pentru unele ineficacități sunt turtele neregulate, distribuirea defectuoasă a apei de spălate și spargerea turtei.

În operația RVF, viteza de filtrare și sfârșitul perioadei de formare a turtei, în combinație cu limita de timp disponibilă pentru spălarea tobei, făcută în mai puțin probabil decât trei volume de vid în spălare vor fi date de turtă. Pentru numere mari de dispersie, aceasta nu prezintă a problemă încât, în ciuda ineficacităților practice, spălarea satisfăcătoare a turtei poate fi încă obținută. Totuși, la valori mici ale grupului de dispersare, vor fi cerute mai multe volume de vid mai mari pentru o spălarea adecvată.

În alte sisteme unde este practicată operarea în grup, ex. Pe scară largă filtrele vacuumatice sau unitățile de presiune, poate fi alocat extra timpul în ordinea îndeplinirii îndepărtării soluției ridicate. În general, extra timpul de spălare înseamnă o productivitate scăzută pe unitatea de suprafață; când tw devine mare în mod nejustificat, este necesar să se ia măsuri pentru a schimba condițiile de curgere în timpul fazei de spălare (ex. schimbări în presiunea de aplicare).

Tulburarea turtei de filtrare în timpul spălării poate fi avantajoasă în sisteme continui [Dresner & Bailey, 1973]. Aici apa pentru spălare a fost furnizată complet cu jeturi împrăștiate care dau efectul de remânjire în turta umedă.

3.2 Filtre continui pe scară largă

Exemplele acestor elemente includ:

Figura

a) Filtre cu tobă rotativă 11.4

b) Filtre cu disc rotativ 11.5

c) Filtre orizontale cu aripioare înclinate 11.6

d) Filtre orizontale cu curea 11.7

Descrierile cuprinzătoare ce includ detalii mecanice și operaționale sunt disponibile în opera de specialitate [Dahlstrom & Silverblatt, 1986].

3.2.1 Filtre cu tobă rotativă

Cum s-a descris în Fig. 11.4, suprafața de filtrare este de obicei situată pe fața exterioară a tobei cilindrice; totuși, există instalații tehnice unde filtratul intră în tobă. Pentru al doilea caz considerat, solidele filtrate sunt depozitate pe o altă suprafața exterioară a discului vertical, Fig. 11.5.

Axele de rotație sunt orizontale pentru ambele filtre și suprafața de rotație este parțial imersată în murdărie. În ambele cazuri, suprafața activă este împărțită în interiorul porțiunii elementare independente care este legată la sursa vacuum prin legătură cu colectorul circular sau valvula de rotație. Ultima este realizată cu suprafețe de ștergere, una care îi corespunde împărțirea zonei de filtrare și este rotativă cu toba sau cu discul, în timp ce alta are deschideri corespunzătoare împărțirii ciclului procesului. După formarea turtei, scurgerea apei este înlocuită prin vacuum urmată de descărcarea turtei la sfârșitul unui ciclu de rotație. Spălarea poate fi efectuată dacă este cerută; întrucât geometria acestor filtre face dificilă menținerea acoperirii lichide, de obicei procedeele de spălare sunt prin pulverizare. Din nou, timpul disponibil pentru spălare este limitat prin constrângeri evident geometrice. Ambele sisteme solicită întreruperea murdăririi uniforme pentru a sigura depozitarea turtei uniform. Omogenitatea suspensiei poate fi obținută prin malaxoare integrale sau prin pompări controlate complet în cutia conținând murdăria.

Desenul tobei a fost dezvoltat în două moduri: (a) elementul unde întreaga tobă este sub vacuum și (b) diversitatea deschis – închis, în care doar compartimentul anulat exterior este evacuat, ca în Fig. 11.4. Ultimul este mai comun întrucât problemele mecanice pot fi produse cu tipul (a) prin capacitatea mare de plutire a forței dezvoltată prin imersarea tobei.

În domeniul metalurgic sau în alt domeniu, pentru solidele grele, uneori au fost realizate convenții să se depoziteze turta în interiorul tobei sau să se folosească alimentarea de vârf, filtrele rotative implicând murdărirea cutiei situată aproape de partea superioară a filtrului; astfel, avantajul este în stabilirea rapidă a caracteristicilor particulelor. În aceste circumstanțe unde sunt cerute zone mari de filtrare, va fi preferat probabil filtrul orizontal cu curea.

Cum se poate observa în Fig. 11.8, poziționarea relativă a cuțitului de descărcare în punctele de intrare în interiorul murdăriei realizează proporționarea suprafeței tobei neimplicate în procesul de filtrare [Pierson, 1981].

3.2.1.1. Productivitatea filtrului cu tobă rotativă

Teoria elementară de filtrare din capitolul 2 poate fi folosită la realizarea ecuației procesului legată de filtrarea rotativă. Astfel, din ecuația parabolică pentru separarea la presiune constantă a particulelor incompresibile:

(11.18)

Amplificând în față prin și folosind relația de legătură de echilibru a materialului va duce la ecuația de mai jos pentru producerea solidelor uscate pe unitatea de suprafață produsă prin filtrarea în tf secunde:

(11.19)

Folosind soluția algebrică a ecuațiilor rezultă:

(11.20)

în care:

;

Aceasta este descrierea solidelor uscate (kg/m2) pe ciclu al tobei. Timpul ciclului și timpul de filtrare sunt determinate prin fracțiunea suprafeței filtrului inundată în murdărie ψ. Astfel, tf = ψtc. Împărțind ecuația 11.20 prin t, rezultă viteza producerii filtrării (kg m-1 s-1):

(11.21)

O expresie echivalentă poate fi obținută în termenii vitezei de filtrare volumetrică, Vr (m3 m-2 s-1).

Exemplul 11.1

Calculați solidele uscate din 10 m2 RVF operate la 68 kN/m2 de filtrare a grupului de transport uraniu, în condițiile detaliate mai jos:

Rezistența turtei α: 1×1010 m / kg

Rezistența medie/ a stratului Rm: 1×1010 m-1

Viteza tobei ω: 0.105 rad/s; (1 rpm)

Fracțiunea inundată ψ: 0.3

Concentrația de solide: kg solide / kg murdărie s: 0.1

Umezeala turtei: kg turtă umedă / kg turtă uscată m: 3.5

Densitatea lichidului ρ: 1000 kg/m3

Vâscozitatea lichidului μ: 0.001 N m-2 s-1

NB: Viteza tobei este raportată uneori în termenul ω [rad].

Fracțiunea inundată: .

Soluția

1. Timpul ciclului și timpul de formare:

Timpul unui ciclu tc = 60 [s]; timpul de formare tf = 20 [s]; viteza tobei ω = 0.105 [rad/s].

2. k1 și k2

k1 = α / 2 = 0.5×1010 [m/kg]

NB: [kg/m3]

[kg/m3]

3. Calculul producerii solidelor uscate:

[kg/m2 s]

Pentru timpul unui ciclu de 2 minute, ex. 0.5 rpm:

tc = 120 [s]; tf = 40 [s]; ω = 0.052 [rad/s]

[kg m-2 s-1]

tone / h pe filtru

Astfel viteza lentă a tobei are o productivitate scăzută. Dacă Rm este neglijabil, comparativ cu rezistența turtei, productivitățile la diferite viteze pot fi estimate din:

(Productivitatea la viteza A) / (Productivitatea la viteza B) =

Aceste estimări teoretice ale productivității turtei indică avantajul la viteze ridicate, concomitent cu subțirimea turtelor de filtrare și producerea crescută a solidelor. O turtă subțire poate fi realizată prin mărirea vitezei de rotație; condiția finală optimă este determinarea prin limitări mecanice și de stratul minim solicitat pentru descărcare.

Calculele de acest tip sunt întruchipate în recentele proceduri ale filtrului vacuumatic rotativ, folosind foile largi ale calculatorului [Holdich, 1990] cuprinse în prelungirea C.

3.2.1.2. Descărcarea turtei și stratul acesteia

Uneori, descărcarea poate fi o problemă, și au fost dezvoltate variate metode în acest scop, incluzând:

Descărcarea cuțitului urmează înfrângerea anterioară a curentului de aer. Aici este cerută o grosime a turtei rezonabilă și uneori este necesară să protejeze mediul de filtrare, care acoperă toba, prin utilizarea muchiei cuțitului la cauciuc sau plastic. Tehnica de aruncare înapoi poate crea reumezirea turtei parțial umezită cu filtratul care rămâne nedrenat în conductele din spatele turtei de filtrare.

Rolele pot fi folosite când se prelucrează turtele de filtrare lipicioase.

Sforile și arcurile sunt valabile pentru descărcare, în particular a materialelor dificile.

În unele tobe ale filtrelor, astuparea mediului poate fi îmbunătățită prin îndepărtarea continuu a pânzei în timpul rotirii, cu clătire. Din nou, aceasta produce o pierdere a zonei de filtrare liberă asupra tobei, Fig. 11.8; acest efect nu este prezent în filtrele orizontale cu curea.

Descărcarea poate fi dificilă în circumstanțele unde partea subțire (turtele lipicioase) este produsă. Teoretic rezultă că turtele subțiri conduc la o productivitate ridicată ce a fost legată de dificultatea descărcării acestei turte și, desigur, de problemele mecanice atașate rotirii mașinilor mari. Experiența practică conduce la variația grosimii turtei minime care sunt prezentate în tabelul 11.2; acestea sunt nevoite să evite problemele la punctul de descărcare cel puțin la filtrele considerate aici.

Tabelul 11.2. Stratul turtelor recomandat.

Masa calculată cu ecuația (11.4) poate fi legată de recomandarea de mai sus a stratului minim pentru a defini condițiile de operare (viteza tobei, inundarea) pentru producția optimă a solidelor [Wakeman, 1983].

Stratul turtei poate fi legat de wr prin ecuația:

(11.22)

Substituind în ecuația 11.21 se produce expresia:

(11.23)

unde: ψ este fracțiunea inundată.

Datele date sunt disponibile asupra proprietăților murdăriei, expresia de mai sus poate fi folosită la estimarea interacțiunii variabilelor mecanice ΔP, ψ și viteza tobei ω la producerea stratului recomandat L. Termenul c are efect asupra ridicării turtei și a preconcentrației trebuie să fie considerată când condițiile sunt optime. Ecuația poate fi folosită la estimarea efectului de schimbare a proceselor asupra eficacității scurgerii apei și a spălării. O ecuație similară este folosită pentru filtrele orizontale.

3.2.1.3 Teoria împotriva practicii: filtrul vacuumatic cu tobă rotativă

O serie de măsurători practice a instalației tehnice pilot folosește 0.1, 0.3 și 1m2 din filtrul vacuumatic rotativ indică că în multe sisteme se pot întâmpla abateri serioase între multe prezicerile teoretice folosind testele foilor obținute la scară și rezultatele practice [Rushton & Wakeman, 1977]. Producția practică este afectată prin factori ce nu sunt considerați în modelul teoretic care își asumă că masa tutei de filtrare depusă pe trecerea volumelor filtrate V poate fi calculată din ω = cV, unde c este dat de ecuația (11.3). În continuare se poate întâmpla spargerea turtei, în acest caz putând fi redusă ridicarea efectivă a particulelor prin vacuum.

Spargerea turtei a primit o atenție limitată în literatură [Rushton & Hameed, 1969; Wakeman, 1974]. Contribuțiile recente [Yagishita ș.a., 1990] înșiră metodele normale sugerând evitarea spargerii turtei:

Formarea turtelor din alimentări diluate mai debgabă decât din unele concentrate. Astfel, în formarea preînvelișurilor din ajutoarele de filtrare (pământ diatomaceous, perlită), straturi de 1 – 2 mm sunt uzuale de la murdăriile din alimentare a 3 – 6 wt %. Aceste depozite 0.5 kg / m2 (grad fin) la 1.0 kg / m2 (grad grosolan) furnizează o matrice pentru furnizarea solidelor fine.

Evitarea scurgerii necontrolate a apei din turta de filtrare.

Formarea turtelor subțiri mai repede decât cele groase; stratul turtei poate fi controlat prin schimbări în viteza tobei.

Formarea preînvelișului sub un vacuum mai scăzut decât cel folosit în procesul de filtrare.

Spargerea turtei este atribuită schimbărilor bruște în porozitatea turtei, ex. În timpul operațiilor de spălare a turtei. Porozitatea turtei de filtrare și rezistența sa este de obicei o funcție a concentrației mari a solidelor, cum se arată în Fig. 11.9. În timpul spălării, solidele introduse ce satisfac curgerea alcoolilor este zero; aceasta poate conduce la schimbări în structura turtei depuse.

În continuarea lucrării [Gross ș.a., 1989] sugerează că spargerea turtei de filtrare poate fi controlată printr-un mediu de calcul corespunzător care este împărțit pe suprafața țesăturii în interiorul grupurilor din zonele permeabile mici; formele turtei terminate mai târziu se lărgește în afară în formarea fagurelui. Folosirea mediilor de filtrare cu pori fini și / sau calitățile membranelor pot realiza avantaje în filtrarea vacuumatică și în acele procese prin detonarea gazului / mecanice a tehnicilor de scurgere a apei [Anlauf, 1990].

Scăderea turtei în timpul procesării nămolului [Gale, 1971] este în continuare o problemă iar coeficienții au fost sugerați pentru a corecta sensul; scăderea se poate întâmpla imediat după ce noua turtă de filtrare părăsește cutia.

În multe cazuri studiate [Osborne & Robinson, 1972] se obțin diferențe în producția actuală de solide și asta se prezice din colectarea volumului de filtrat ce a fost înregistrat. Un exemplu pentru această comportare este prezentată în tabelul 11.3 de mai jos [Rushton & Wakeman, 1977].

Tabelul 11.3 Curgerea filtratului și uscarea solidelor: 0.1 m2 RVF, filtrarea sulfatului de calciu.

ΔP = 54 kN / m2; s = 0.12; Rm = 2.4×1011 m-1; tc = 58 s.

Aceste date arată diferența dintre producția solidelor actuale ωr și se calculează din curgerea filtratului. Se poate nota că producția solidelor uscate este mai mică decât predicția din volumul filtratului prin: ωr = cVr. Aceste diferențe sunt atribuite pierderii solidelor prin sedimentare, etc. S-a notat că îmbunătățirea inițială în reducerea turtei creată prin sporirea agitației este compensată prin acțiunea de dezbrăcare la viteze ridicate; maximul este creat în curba producției, Fig. 11.10.

În timp ce spargerea și scăderea turtei sunt sursele principale ale diferențelor în producția actuală a instalațiilor tehnice, se compară cu testele de laborator la scară, alte condiții incluzând: (1) egalitate pentru diferența de presiune folosită pentru formarea turtei și (2) echivalența condiției mediului și a rezistenței. Ultima caracteristică va depinde de durata mediului și operațiile efective de spălare a pânzei. Echipamentul de filtrare este în general instrumentat sărăcăcios. Locația lui ΔP măsoară abaterea și pierderea de presiune (vacuumatică) prezentă între măsurătoare și punctul de filtrare va varia din loc în loc.

Probele pot fi utilizate la măsurarea variației ΔP de-a curmezișul turtei și a mediului în timpul trecerii complete a murdăriei; aceste măsurători demonstrează variațiile sinusoidale datorită schimbărilor în timpul scufundării.

În ciuda acestor observații, o altă lucrare [Carleton & Cousens, 1982] în evaluarea industrială a opt filtre vacuumatice relatează utilizarea relațiilor de legătură teoretice pentru filtrare și scurgerea apei. Invers, această lucrare a înșirat multe cauze cu performanțe sărăcăcioase prin unitățile vacuumatice pe scară largă. Aceste cercetări au fost extinse ulterior[Carleton & Salway, 1993] incluzând scurgerea apei din turtă prin detonarea gazului și prin stoarcere.

Diferențele în producerea turtei în sistemele de filtrare ascendente și descendente au fost studiate extensiv [Rushton & Rushton, 1973] și modelul alocat pentru sedimentarea departe de zona de filtrare ce a fost propusă. În acest mod, caracteristicile mărimii particulelor sunt incluse în lucrare. Datele de mai sus demonstrează că mecanismele de scoatere a turtei realizată prin agitație puternică trebuie de asemeni să fie incluse.

Desfacerea turtei poate fi influențată puternic prin rezistența mediului care determină viteza de filtrare inițială și forțele de tragere create de aceasta, care stabilizează straturile turtei. Fig. 11.11 arată influența rezistenței mediului asupra ratei de filtrare a turtei care se preconizează din curgerea lichidului, planificată împotriva vitezei agitatorului.

Indicarea acestor posibile dificultăți pot fi obținute prin teste atente de laborator la scară sau prin teste Buchner. Diferențele în producția solidelor, când se folosește filtrarea foii în modul de filtrare ascendent comparate cu testele Buchner descendente, este indicația clară că filtrarea este însoțită cu efecte de sedimentare. Sedimentarea severă este manifestată în schimbul pantei diagramei (t / V, V) atașată la încercările Buchner; formarea turtei poate fi completată prin combinarea mecanismului de filtrare – sedimentare. În aceste circumstanțe o cantitate de alcool original poate rămâne pe suprafața rutei. Trecerea acesteia, prin pătrunderea completă a turtei se mărește cu timpul V. Pătrunderea în stratul turtei fixat conduce la o relație de legătură orizontală (t /V, V).

În sistemele de filtrare ascendente unde este prezentă sedimentarea sau unde rezistența mediului reduce viteza de filtrare, depozitarea particulelor subțiri în suspensie poate fi promovată. Aceasta va rezulta în rezistența sporită a primului strat depus pe filtru.

Sugestiile practice ce evită unele din aceste dificultăți cuprind amânarea aplicației vacuumatice la „celulele” de rotație până când ultimele au fost scufundate bine în murdărie. Aceasta evită prima depozitare a particulelor subțiri neafectată prin sedimentare [Tiller ș.a., 1986].

Evident, această discuție sugerează că acolo unde este posibil, încercările instalațiilor tehnice pilot sunt recomandate pentru sistemele vacuumatice, în particular în sistemele de filtrare ascendente, iar atenția trebuie orientată spre efectele de pierdere în aplicațiile gamei superioare a turtelor.

Industrial, efectele de sedimentare în timpul filtrării doar creează condițiile de îngroșare a filtrului. Dacă ultimul îi ia locul în cutia murdară atașată anumitor filtre, eventual va urma ridicarea turtei accidentală.

În operarea vacuumatică a instalațiilor tehnice cele mai bune posibilități pentru scara adecvată sunt obținute cu ajutorul filtrelor cu curea orizontală și filtrele cu masă. Performanțele acestor unități poate fi simulat prin încercările Buchner, întrucât pierderile de solide sunt absente, și amestecarea efectelor sau efectele gravitaționale prezente în toba rotativă sau în filtrele cu disc nu se amestecă cu formarea turtei. Amestecarea murdăriei în filtru este inutilă în filtrele orizontale.

3.2.1.4. Spălarea și scurgerea apei asupra RVF

În proiectarea și optimizarea filtrelor se găsește adesea că timpul pentru scurgerea apei și/sau spălarea acesteia este un factor controlabil. Pregătirea timpului suficient pentru spălare/scurgere a apei este adesea dificilă în aplicațiile RVF, în vederea ciclului de timp normal implicat.

Astfel, în proiectarea RVF, viteza de formare a turtei luată înainte cu timpul de scufundare disponibil, poate fi folosită la prezicerea producției de solide. În continuare constrângerile pot cauza schimbarea considerabilă în mărimea filtrului sau condiții de operare comparate cu acele baze doar asupra formării turtei. Se amintește că, la viteze de operare „medii” de 1 rpm și cu scufundare de 30%. Sunt disponibile doar 40 s pentru spălarea turtei, scurgerea apei și descărcare.

Timpii lungi de spălare implică folosirea unei viteze reduse a tobei și pentru a menține solicitările stratului turtei la scufundare scăzută. Efectul total este reducerea considerabilă a producerii solidelor. Acest comentariu demonstrează importanța timpului de spălare în mărimea filtrului și în operarea acestuia. Exemple echivalente pot fi menționate pentru scurgerea apei – un factor de o mare importanță în mânuirea solidelor și legislația corespunzătoare la descărcarea deșeurilor.

Valorile monetare a produselor solide și lichide au efecte asupra stratului turtei optim să fie folosite în operațiile RVF ce implică filtrarea și spălarea. Aceasta urmează din evidența teoretică că straturile groase ale turtei conduc la o productivitate ridicată, dar o spălare mai bună este obținută cu turte groase.

Fig. 11.2 arată măsurătorile practice a variației în alcoolul conținută în turta de filtrare în jurul suprafeței externe de 0.3 m2 RVF. Se va nota că creșterile în aplicarea vacuumetrică de la 17 la 54 N / m2 are un efect mic asupra umezirii turtei de filtrare și la punctul de descărcare. Porozitatea unei turte de filtrare este sensibilă la schimbările diferențelor de presiune în particular la sistemele vacuum.

Aplicarea diferențială are prima efectul de presiune capilară ceea ce furnizează o viteză de scurgere potrivită; schimbările în proprietățile turtei față de un montaj mult mai rezistent va minimaliza efectul creșterii ΔP. Aceasta este manifestarea compresibilității turtei; schimbările relativ mari în porozitate sunt adesea create prin schimbări mici în ΔP în sistemele cu presiune scăzută.

S-au observat că eficiențele spălării turtei de filtrare pot fi mai mici în aceste filtre. Asemenea efecte sunt atribuite la distribuția defectuoasă a apei de spălare; unele din anumite cascade inevitabile peste suprafața turtei vor fi adunate în cutia de alimentare. Ca mai înainte, limita de timp pentru spălare este de asemenea o problemă. În unele cazuri, două etape (sau mai multe) de filtrare pot fi considerate, cu etapa intermediară a respălării murdăriei. Aceste componente sunt aplicate și filtrelor cu disc rotativ discutate în secțiunea următoare.

3.2.2. Filtre cu disc rotativ

Filtrele cu disc rotativ se găsesc în multe aplicații industriale, în special în industria minieră grea. Aceste unități furnizează zone de filtrare mari, pe unitatea spațiului pardoselii, când elementele tobei rotative sunt, și de aceea, mai puțin scumpe. Desigur, asemănător cu filtrele cu tobă, efectele practice limitează viteza disponibilă, vacuumetrică, etc. a unităților disc mari, stratul turtei de filtrare trebuie de asemenea controlat pentru a evita dificultățile în descărcarea turtei, a umezelii ridicate, etc. Un dezavantaj special cu filtrele disc este dificultatea realizării unor eficiențe mari de spălare pe suprafețele verticale. Aceste considerații țin seama de modul interesant [Gaudfrin, 1981] a relației de legătură dintre Fk (filtrabilitate constantă măsurată la 1 bar), presiunea de operare ΔP, viteza tobei sau a discului ω și viteza de curgere a filtratului. Fig. 11.13 s-a realizat prin super impunerea graficului Fk contra vitezei de rotație pentru viteze variate de curgere a filtratului (m3/h) a relației de legătură grafică dintre Fk și presiunea de operare. Ultimele date pentru materiale cristaline date în operațiile de rafinare a zahărului tind către o valoare limită la o presiune mare. Valoarea acestei operații se apropie de proiectarea filtrului având legătură cu definirea limitelor de operare asupra graficului dintre turtele subțiri și cele groase.

Trebuie notat că Fk (folosit în calcule în industria europeană a zahărului) este definit prin:

(11.24)

De aici:

unde:

O altă versiune a filtrului disc este arătată în Fig. 11.14. Aici, discurile sunt realizate din ceramică poroasă [Ekberg & Rantala, 1991]. Ultimul are proprietatea că permite curgerea apei pe când prin controlul presiunii capilare se previne trecerea aerului. Aceasta reduce pierderile vacuumetrice și costurile; este solicitată o realizare mai bună a spălării / scurgerii apei.

În aceste unități, cum sunt filtrele cu tobă, alimentarea suspensiei este livrată continuu în interiorul jgheaburilor, în care curgerea alcoolului este aranjată în aceeași direcție ca discurile rotative. Ultimele se mișcă cu viteze variate de ordinul 0,5…3,5 rpm. Scufundarea cu mai mult de 50% a suprafeței de filtrare poate fi aranjată prin controlul nivelului. Filtrele disc sunt disponibile în suprafețele de la 0.5 la 300 m2.

Îmbunătățirea cu filtru disc a fost obținută cu proiectarea discului conținând 30 de segmente, în schimb 12 au dat capacități de creștere cu 10%. O viteză operațională ridicată permite cu noua proiectare sporiri de 35% a productivității. Aceste rezultate practice au fost prezise în modelul teoretic a filtrului disc [Rushton, 1974] care permite distribuția în timpul de scufundare peste medie, înainte de presiunea de filtrare variabilă peste fiecare segment al discului. În continuare, îmbunătățirile au fost obținute prin furnizarea murdăriei în compartimente pentru fiecare disc și asigurând viteze adecvate ale murdăriei pentru a evita efectele de sedimentare. O atenție la drenarea filtratului din discurile individuale și folosind filtrele disc în interiorul vasului sub presiune, au facilitat mânuirea turtelor subțiri produse la viteze relativ mari a discurilor cu capacități de producție mari. Fig. 11.14 arată filtrele disc realizate din materiale ceramice; acestea reduc pierderile vacuumetrice prin prevenirea curgerii aerului complet prin porii mici în discuri [Ekberg, 1990].

Broșurile de informare tehnică relatează rar „bazele” umezelii turtei. Testele de laborator despre aceasta [Bosley, 1986] implică încercarea cu atenție a turtei umede; cântărirea cantitativă a acestora duce la o uscare cântărită la o temperatură constantă de 1050C. Cantitatea de alcool evaporat este exprimată ca procentaj al turtei umede (uscate). În tabelul de mai jos se reprezintă fundamentele de umezire.

Tabelul 11.4 prezintă unele productivități tipice obținute în industrie cu utilizarea filtrelor de tip tobă și disc. Informații similare demonstrează variația largă în vitezele de producție și conținutul de umezeală; aceste variații depind de concentrație, mărimea particulei, distanță, temperatură, pH și alte variabile.

Tabelul 11.4 Productivitatea filtrelor vacuumetrice.

3.2.3. Filtre orizontale

Constrângerile intrinseci geometrice în proiectarea tobei rotative (filtrarea în sus) și unitățile de disc verticale au fost discutate în legătură cu turta sărăcăcioasă de ridicare și spălare. În schimb, prezentarea mărimii particulei de spectru larg la un element orizontal se poate dovedi a fi avantajoasă, dacă particulele mari din alimentare pot fi încurajate să se depună ca primul strat în mediul de filtrare. În consecință suspensia va trebui să aibă o acțiune de prestrângere însăși asupra pânzei.

Unde s-a răspândit în mărimile existente și unde efectele de astupare sunt relevante, clasificarea particulelor asupra priorității de alimentare a filtratului se poate dovedi benefică. Cum s-a subliniat în capitolul 4, o alternativă este să permită trecerea materialelor subțiri în etape de separare timpurii; aceste „precurgătoare” pot fi reciclate de filtru.

Trei elemente industriale sunt valabile în această categorie; toate aceste filtre orizontale au avantajul efectului gravitației în formarea turtelor. Aceste elemente sunt:

3.2.3.1. Filtru cu taler înclinat

Trăsăturile operaționale ale acestor elemente pot fi imaginate ca un set de pâlnii Buchner orientate încerc. Pe rotație, fiecare pâlnie este: a) umplută cu murdării; b) filtrată vacuum; c) spălată contra curentului (maxim 3 spălări); d) scurse de apă; e) descărcată turta cum este arătată în Fig. 11.6.

În timpul etapei de descărcare a turtei, pâlnia (sau talerul) este răsturnată complet. După eliberarea turtei, se reîntoarce talerul în poziția verticală și se reumple cu murdărie. Acesta este cel mai scump filtru de acest tip. În general ocupă o zonă foarte mare pe podea pe unitatea de suprafață a filtrului, este complex din punct de vedere mecanic și admite dificultăți în procesare. Pe de altă parte, randamente de spălare ridicată pot fi obținute în filtrele care, în prezent, este folosit în special în industria de fertilizare pentru filtrarea acidului fosforic.

3.2.3.2. Filtru cu masă rotativă

Aceasta este orizontală, masa circulară fiind formată din mai multe sectoare. Acestea sunt conectate la o sursă vacuumetrică cu formarea turtei de filtrare acționând asupra suprafeței poroase superioare. Fiecare sector este acoperit cu un mediu de filtrare apropiat; emanarea alcoolului din diferite sectoare poate fi colectată separat dacă este necesar. Modul de descărcare al turtei este prin sul care este neimportant peste masa rotativă și pânză, Fig. 11.15.

Acțiunea solului este de pildă părăsirea unui „toc” rezidual a turtei de filtrare (mai mari de 1.5 cm în grosime), asupra suprafeței de filtrare a mediului; prezența continuă a tocului în condiții de spălare cerute prin mai multe procese, poate conduce la migrarea particulelor. Ultimul poate avea tendința de astupare. Elementul este mai ieftin în cele trei filtre descrise și este de obicei aplicat la filtrarea materialelor cristaline filtrate liber.

3.2.3.3. Filtru cu curea orizontală

Acest element este cea mai populară versiune a filtrelor orizontale continui discutate în acest capitol. Diagrama unui element tipic este arătat în Fig. 11.16. Din nou, aceste elemente sunt ajutate gravitațional, cu alimentarea murdăriei ce prezintă la partea superioară a pânzei filtrului orizontal. În schimb, ultimul este sprijinit prin curgerea nesfârșită care este situată mai sus de cutia vacuumetrică a receptorilor de filtrare.