Классификация

Промышленные фильтры разделяются по режиму работы на фильтры периодического и непрерывного действия, а по величине рабочего давления на вакуумфильтры и фильтры, работающие под давлением.

Автоматический камерный с механическим зажимом плит фильтрпрес

Он предназначен для фильтрования тонкодисперсных суспензий, содержащих от 5 до 500 кг/м твердых частиц, размерами не более 3 мм при температуре суспензий от 5 до 90 °С. Фильтр можно применять в химической, нефтяной, угольной, пищевой, .горнорудной и других отраслях промышленности.

Преимущества фильтра: развитая фильтрующая поверхность при незначительной занимаемой производственной площади; фильтрация и отжиме осадка в оптимальном слое под гидравлическим давлением до-15МПа. через гибкие диафрагмы, что резко снижает затраты сжатого воздуха на просушку осадка; незначительное время 1-2 мин - на вспомогательные операции ( раскрытие плит, выгрузка осадка, закрытие пресса и др.), причем достигается хорошая регенерация фильтровальной ткани.

Фильтр полностью автоматизирован и механизирован, что позволяет быстро настраивать его на оптимальный технологический режим. Металлоемкость фильтрпресса ФПАКМ, отнесенная к единице производительности по фильтруемой суспензии в 2-3 раза меньше, чем у рамных прессов, а металлоемкость, отнесенная к 1м2 фильтрующей поверхности, ниже, чем у барабанных фильтров непрерывного действия.

Применение ФПАКМ позволяет увеличить производительность труда в 4-10 раз по сравнению с рамными фильтрпрессами периодического действия (один оператор может обслуживать до 10 фильтрпрессов) и резко сократить расход фильтровальной ткани.

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

Автоматический фильтрпресс типа ФПАКМ (рисунок 37) состоит из набора горизонтально расположенных одна над другой фильтрующих рам 1, между которыми зигзагообразно протянута бесконечная лента фильтровальной ткани 2, приводимой в движение механизмом 10.

Рамы располагаются с зазором между верхней упорной 5 и нижней нажимной 7 плитами и могут быть сжаты механизмом зажима 8. Усилие зажима воспринимают стойки 6. Уплотнение между плитами, и рамами осуществляется резиновой прокладкой. Для натяжения ленты предназначено устройство 4.

1 - фильтрующие рамы; 2 - фильтровальная ткань: 3 - ножки: 4 - затяжное устройство; 5 - упорная плита; 6•- стойка: 7 - нижняя нажимная плита: 8 - механизм зажима; 9 - камера регенерации; 10 - механизм передвижения ткани.

Рисунок 37 - Автоматический фильтр-пресс ФПАКМ.

Съем осадка при движении ленты выполняют ножи 3 по обе стороны фильтрпресса, после снятия осадка лента проходит камеру регенерации 9. Фильтрующая рама (рисунок 38) состоит из двух частей - нижней со спиралями и отверстием для отвода фильтра и верхней, которая служит камерой для суспензии и осадка. Рамы имеют бобышки, образующие при их сжатии коллектор подачи и коллектор отвода.

1 - коллектор: 2 - фильтровальная ткан: 3 - нижняя плита; 4 - верхняя плита: 5 -диафрагма: 6 - спирали: 7 - коллектор подачи; 8 ,9 ,10 - блоки клапанов соответственно подачи, отвезла и сброса: 11 - клапаны коллектора давления.

Рисунок 38 - Конструкция и схема работа блока фильтрующих плит.

Между верхней и нижней частями фильтровальной рамы установлена резиновая диафрагма, которая вытесняет жидкую фазу и спрессовывает осадок.

Цикл работы фильтра включает стадии фильтрации промывки и отжима или просушки и выгрузки осадка.

При сжатых рамах суспензия под давлением поступает в пространство над фильтровальной тканью. Жидкая фаза проходит фильтровальную ткань, твердая фаза задерживается, образуя слои осадка. При достижении нужной толщины стоя осадка подачу суспензии прекращают и оставшуюся в полости рамы суспензию вытесняют резиновой диафрагмой, мой. подавая к ней под давлением воду. В случае необходимости осадок промывают и затем прессуют диафрагмой или продувают сжатым газом. После этого плиты разжимаются, включается механизм передвижения ткани и осадок удаляется.

Управление фильтрпрессом автоматическое.

Листовые (пластинчатые) фильтры представляют собой резервуар, в котором размещают фильтрующие элементы - листы, состоящие из рамки с натянутой на нее тканью, суспензия подается под давлением в резервуар, а фильтрат выводится по трубкам из внутренней полости каждого элемента. Осадок отжимается от фильтрующей поверхности элементов воздухом или паром, и поверхность очищают в ручную либо, если это доступно по технологическим условиям, осадок вымывают другой жидкостью, не открывая фильтра. Листовые фильтры различают по форме и расположению резервуара и фильтрующих элементов.

На рисунке 39 показан распространенный листовой горизонтальный фильтр-пресс с круглыми элементами. Эти фильтр-прессы применяют в процессах очистки масел. Цилиндрический корпус состоит из двух частей 1 и 2. Нижняя половина закреплена на оси 3 и прижимается к верхней откидными болтами 4. Герметичное прижатие осуществляет эксцентриковый вал 5, поворотом которого одновременно подтягивают все откидные болты. Вал приводится во вращение через цилиндрическую передачу. Для подъема и опускания нижней половины корпуса предусмотрено специальное гидравлическое устройство.

1 ,2 - части корпуса; 3 - ось; 4 - откидные болты; 5 - эксцентриковый вал; 6 - штуцер ввода суспензии; 7 - распределительная решетка; 8 - фильтрующий элемент; 9 - коллектор.

Рисунок 39 - Листовой фильтр.

Фильтрующий элемент представляет собой металлическую рамку, на которую натянута каркасная четка. Поверх каркасной сетки уложены один или несколько слоев более мелкой сетки, затем фильтрующая ткань, закрепленная шнуром. Суспензия поступает в резервуар через штуцер 6 под распредели тельную решетку 7. Фильтрат выводят от каждого элемента 8 через стеклянную трубку 9 и общий коллектор 10. Стеклянная трубка позволяет контролировать работу элемента. Трубку устанавливают между двумя кранами, при помощи которых элемент отключают в случае его неудовлетворительной работы.

Барабанные фильтры

Наиболее широкое в химической промышленности распространение получили барабанные фильтры, работающие под разрежением (барабанные вакуум-фильтры). По конструкции эти фильтры подразделяют на аппараты с внешней фильтрующей поверхностью и внутренней.

Чередование операций в барабанных фильтрах происходит с помощью распределительной головки или специальных клапанов.

Внутри барабана расположена система распределительных труб, связывающих поверхность обечайки барабана с вращающимся диском, который приварен к торцу правой цапфы (рисунок 40). Барабан опирается двумя цапфами на подшипники скольжения, установленные вне корпуса фильтра. В местах выхода цапф из корпуса предусмотрены сальниковые уплотнения. Левая цапфа оканчивается червячным колесом привода барабана. На правой цапфе установлена распределительная головка барабана.

1 - барабан; 2 - нижнее полукорыто; 3 - крышка; 4 - распределительная головка; 5 - система распределительных труб; 6 - устройство для промывки осадка; 7 - привод барабана.

Рисунок 40 - Барабанный вакуум-фильтр.

В верхней части корпуса над барабаном расположен ряд труб, по которым к поверхности барабана подастся растворитель для промывки осадка. На образующей барабана установлен нож для съема осадка, который попадает затем в шнек и выводится через штуцер.

Часть нижней поверхности барабана погружена в суспензию. В барабане имеется несколько рабочих зон: фильтрации, промывки осадка растворителем, просушки, просушки, отдувки и съема осадка.

При помощи распределительной головки фильтра (рисунок 41) с поверхности барабана отводят фильтат и растворитель (промывочную жидкость) а также инертный газ для отдувки осадка.

1 - подвижный диск; 2 - неподвижный диск; I - зона фильтрации; II - зона просушки; III - зона промывки и просушки осадка; IV - зона отдувки осадка; V - зона оситки ткани.

Рисунок 41 - Схема устройства распределительной головки.

В головке имеются прикрепленные к барабану подвижный диск 1 и неподвижный диск 2. Отверстия в подвижном диске сообщаются с камерами барабана, а отверстия в неподвижном диске - с соответствующими трубопроводами.

Стандартные барабанные вакуум-фильтры с поверхностью фильтрации от 1 до 40 м имеют барабан диаметром 1 - 3 мм, длиной от.35 - 4,0 м. Барабан совершает от 0,1 до 3 оборотов в минуту, необходимая мощность двигателей фильтра от 0.1 - 4.5 кВт.

Способ удаления осадка зависит от его свойств и толщины. Так, плотный, маловажный осадок толщиной 8 - 10мм снимают с помощью ножа. Для удаления тонких (2 - 4мм) слоев осадка применяют бесконечные шнуры, охватывающие барабан, тонкие мажущие осадки удаляются съемным валиком, очень тонкий (толщиной около 1 мм) осадок снимаю с помощью бесконечного полотна фильтрующей перегородки. Для предохранения осадка от растрескивания (во избежании уменьшения вакуума) применяют приспособления для затирания трещин и промывки осадка через холст. Для дополнительного удаления влаги из осадка используют отжимные валики и специальные вибраторы. Наиболее распространенным является угол, соответствующий части барабана фильтра, погруженной в жидкость, обычно составляет около 170^o, однако, имеются вакуум-фильтры с большей или меньшей глубиной погружения.

Для разделения высококонцентрированных суспензий с тяжелой твердой фазой имеются вакуум-фильтры с неглубоким погружением барабана в жидкость. Эти фильтры позволяют снимать тонкий слой осадка, так как его фильтрующая поверхность легко очищается. Благодаря расположению съемного ножа. ниже центра барабана осадок под действием силы тяжести легко очищается от поверхности барабана, и отдувка не требуется. Фильтры этой конструкции нашли применение для обезвоживания флотационных концентратов и промывки цианистых шламов.

Для фильтрации коллоидных и легких веществ служат вакуум-фильтры барабанного типа с намывной, зернистой или волокнистой фильтрующей поверхностью. Для нанесения этого слоя ванну фильтра предварительно заполняют жидкостью, содержащей определенное количество вспомогательного фильтрующего вещества. При включении фильтра в работу на его поверхность в течении 0.5 - 1 часа наносится фильтрующий слой толщиной 25 - 50мм. Для удаления осадка служит передвижной нож с острым лезвием, который снимает вместе с осадком очень тонкий слой намытого слоя фильтрующей перегородки. Нож имеет микрометрическое устройство для автоматического перемещения на 0.01 - 0.05 мм за один оборот барабана. Иногда фильтр снабжают двумя ножами, один из которых удаляет осадок, а другой фильтрующую перегородку.

Для фильтрации жидкости с тяжелыми взвешенными частицами применяют также барабанные вакуум-фильтры с внутренней фильтрующей поверхностью.

Дисковые фильтры

Эти аппараты имеют более развитую фильтрующую поверхность, чем барабанные. Поверхность фильтрации стандартных фильтров (рисунок 42а) от 1 до 85 м диаметр диска от 0,9 до 2.5 м, число дисков от 1 до 10, частота вращения фильтрующих дисков 0,13 - 2об/мин, мощность электродвигателя 0,2 - 5 кВт, большие фильтры имею две распределительные головки.

Диски фильтра изготовляют из отдельных секторов. Для облегчения отделения осадка и уменьшения износа фильтрующей перегородки применяют выпуклые секторы.

Для съема осадка с поверхности дисков применяют сжатый воздух (для отдувки) и ножи или валки (для отрыва направления осадка). Направляющими для отделенного осадка служат также наклонные пластины, закрепленные на шарнирах, и ролики, катящиеся но поверхности диска. Ролики прижимаются к диску противовесами.

По сравнению с другими аппаратами дисковые фильтры отличаются наибольшей фильтрующей поверхностью на единицу занимаемой площади, возможностью независимого ремонта отдельных дисков, малым расходом фильтрующей ткани и небольшим расходом энергии. Однако, в, этих аппаратах плохо осуществляется промывка осадка, при которой разбавляется суспензия в ванне фильтра. Дисковые фильтры, так же, как и барабанные, изготовляют для работы под давлением. Фильтрующая поверхность этих фильтров составляет 2,3 - 74,3 м . По устройству такие фильтры аналогичны дисковым вакуум-фильтрам. Вал с дисками помещен в закрытом корпусе , в котором подачей свежего воздуха или инертного газа создастся давление до 0,7 МПа. Мутный и чистый фильтрат выходит отдельно через концы дискового вала. Осадок снимается с поверхности диска ножами и выводится из аппарата шнековым устройством с пружинным клапаном. Иногда дисковые фильтры под давлением применяют только для сгущения суспензий, тогда их конструкция упрощается.

Тарельчатый фильтр

Для фильтрации суспензий, осадок которых состоит из тяжелых и крупнозернистых материалов и его необходимо тщательно промывать, применяю тарельчатый фильтр, или планфильтр (рисунок 42б). Суспензия поступает на горизонтальный диск с низкими бортами, обтянутый фильтрующей тканью. Осадок удаляется ножами после полного оборота диска, фильтрат проходит через ткань, попадает в ячейки диска, а оттуда удаляется через каналы в вертикальном валу. Некоторые план фильтры имеют опрокидывающие секторы, что позволяет лучше очищать ткань.

а) дисковые: 1- полый вал; 2- диски; 3- ванна; 4-распределительная головка; б) тарельчатый фильтр; 1- горизонтальный пустотелый диск; 2- трубки для слива фильтрата; 3- распределительная головка; 4- фильтрующая ткань; 5-нож.

Рисунок 6 - Вакуум-фильтры.

Достоинства планфильтров: ускорение процесса фильтрации, благодаря совпадению направления давления суспензии с направлением естественного осаждения частиц твердой фазы, удобство промывки, возможность фильтрации суспензии с неоднородными по величине частицами.

Недостатками этого аппарата являются громоздкость установки малая фильтрующая поверхность, затруднение съема осадка и регенерации ткани.

Ленточный вакуумфильтр

На длинном столе закреплены открытые сверху вакуум-камеры 3, имеющие в нижней части патрубки для соединения с коллекторами фильтрата 8 или промывающей жидкости 10. К верхней части вакуум-камер прижимается бесконечная резиновая лента 4 с бортами, натянутая на приводной барабан 1 и натяжной барабан 6. Фильтрующая ткань 9 в виде бесконечною полотна прижимается к резиновой ленте при натяжении ее роликами 7. Суспензия подается на ленту из лотка 5. При прохождении ленты с суспензией над вакуум-камерами происходит фильтрование и отложение на ткани осадка. Промывающая жидкость подается через форсунки 2. На приводном барабане фильтрующая ткань отделяется от резиновой ленты и огибает валик 11, при 'лом осадок отделяется от ткани и падает в бункер 12. При прохождении между роликами 7 ткань просушивается и очищается.

1 - приводной барабан; 2 - форсунки; 3 - вакуум-камеры; 4 - бесконечная резиновая лента: 5 - лоток для подачи суспензии; 6 - натяжной барабан; 7 - натяжные ролики: 8 - коллектор фильтрата; 9 - фильтрующая ткань: 10 - коллектор промывающей жидкости; 11 - валик для съема осадка; 12-бункер для осадка.

Рисунок 43 - Схема ленточного вакуум-фильтра.

Ленточные фильтры изготовляют с шириной ленты 0,5- 1,0 м и площадью фильтрации 3,2 - 4,3 м .

Преимущества ленточных фильтров: отсутствие распределительной головни, возможность осаждения крупных частиц под действием силы тяжести (благодаря чему фильтрация ускоряется), удобство промывки, возможность работы с тонким слоем осадка. Однако, ленточные фильтры обладают малой поверхностью фильтрации, малым коэффициентом использования фильтрующей ткани, требуют равномерной подачи суспензии, кроме того, в этих аппаратах получается мутный фильтрат и охлаждается фильтруемая суспензия.

Усовершенствованной моделью является непрерывно действующий ленточный фильтр, работающий под давлением, однако, он может работать только над незначительным давлением, так как корпус выполнен с плоскими стенками.

В ленточных капиллярных фильтрах жидкая фаза суспензии всасывается капиллярами войлочной ленты, а твердая фата остается на ленте. Промытый осадок обезвоживается такими же лентами. Эти фильтры применяют для фильтрации суспензий с небольшим содержанием жидкой фазы.

Достоинства этих фильтров: простота конструкции, отсутствие вспомогательных устройств для создания разрежения или давления, довольно значительная производительность.

3.3.1 Фильтры периодического действия (фильтр-прессы)

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

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

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

, (3.7)

где

, (3.8)

, (3.9)

, (3.10)

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

Минимальная продолжительность цикла работы фильтра:

, (3.11)

при этом время фильтрации , (3.12)

время промывки , (3.13)

Полная максимальная производительность фильтра:

, (3.14)

Здесь площадь фильтрования:

, (3.15)

При этом объем фильтра: , (3.16)

и толщина осадка: , (3.17)

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

Затраты на работу установки, включающей фильтров,

, (3.18)

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

Затраты на проведение одного цикла работы фильтра:

, (3.19)

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

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

, (3.20)

откуда вспомогательное время , (3.21)

Оптимальная толщина слоя, а следовательно и оптимальная толщина плиты

, (3.22)

Оптимальная продолжительность цикла работы фильтра: , (3.23)

При этом время фильтрации , (3.24)

время промывки , (3.25)

Оптимальная производительность фильтра:

, (3.26)

Оптимальное число фильтров для получения фильтрата в количестве :

, (3.27)

Минимальные затраты на работу одного фильтр-пресса за цикл:

, (3.28)

Минимальные затраты на работу нескольких фильтров:

, (3.29)

Затраты при максимальной производительности фильтра:

, (3.30)

Минимальное число фильтр-прессов:

, (3.31)

Если , то :

, (3.32)

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

3.3.2 Фильтры непрерывного действия

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

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

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

Необходимая производительность фильтра по фильтрату:

, (3.33)

по воздушно-сухому осадку:

, (3.34)

где -содержание твердой фазы в воздушно-сухом осадке.

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

Параметры уравнения фильтрации для единицы площади фильтра:

Время фильтрации:

, (3.35)

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

,

Определение скорости промывки аналогично определению скорости фильтрации:

, (3.37)

откуда время промывки:

, (3.38)

Заменив

, (3.39)

и учитывая, что , получают время промывки:

, (3.40)

где

, (3.41)

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

, (3.42)

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

, (3.43)

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

Эти величины могут быть заданы или выбраны по конструктивным соображениям.

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

, (3.44)

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

Рисунок 44 - Расчетная схема барабанного вакуум-фильтра.

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

, (3.45)

Тогда время просушки осадка:

, (3.46)

Полная поверхность фильтра:

, (3.47)

Частота вращения барабана в минуту:

, (3.48)

Углы секторов фильтра:

зоны фильтрации

, (3.49)

зоны промывки

, (3.50)

зоны просушки

, (3.51)

мертвых зон (ниже уровня жидкости)

, (3.52)

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

Глубина погружения барабана в суспензию:

, (3.53)

где диаметр барабана.

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

, (3.54)

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

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

Полезный объем ванны для фильтров:

, (3.55)

где объем поступающей суспензии:

, (3.56)

здесь плотность суспензии:

, (3.57)

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

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

, (3.58)

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

, (3.59)

здесь площадь поверхности, покрытой неуравновешенной частью осадка.

Для барабанного фильтра:

, (3.60)

где и диаметр и длина барабана

, (3.61)

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

, (3.62)

2. Момент сопротивления срезу осадка.

Для барабанного фильтра:

, (3.63)

где коэффициент трения при срезании осадка; усилие срезания осадка.

Усилие срезания осадка:

,

где удельное сопротивление срезанию осадка.

Тогда:

, (3.64)

3. Момент сопротивления трению барабана или дисков о суспензию.

По некоторым опытным ориентировочно можно принимать:

, (3.65)

4. Момент сопротивления трению вала фильтра о распределительную головку:

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

Площадь поверхности трения:

, (3.68)

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

Радиус трения:

, (3.69)

5. Момент сопротивления трению в подшипниках вала:

, (3.70)

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

Полная мощность электродвигателя для барабанного фильтра:

, (3.71)

3.3.1 Фильтры периодического действия (фильтр-прессы)

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

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

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

, (3.7)

где

, (3.8)

, (3.9)

, (3.10)

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

Минимальная продолжительность цикла работы фильтра:

, (3.11)

при этом время фильтрации , (3.12)

время промывки , (3.13)

Полная максимальная производительность фильтра:

, (3.14)

Здесь площадь фильтрования:

, (3.15)

При этом объем фильтра: , (3.16)

и толщина осадка: , (3.17)

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

Затраты на работу установки, включающей фильтров,

, (3.18)

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

Затраты на проведение одного цикла работы фильтра:

, (3.19)

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

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

, (3.20)

откуда вспомогательное время , (3.21)

Оптимальная толщина слоя, а следовательно и оптимальная толщина плиты

, (3.22)

Оптимальная продолжительность цикла работы фильтра: , (3.23)

При этом время фильтрации , (3.24)

время промывки , (3.25)

Оптимальная производительность фильтра:

, (3.26)

Оптимальное число фильтров для получения фильтрата в количестве :

, (3.27)

Минимальные затраты на работу одного фильтр-пресса за цикл:

, (3.28)

Минимальные затраты на работу нескольких фильтров:

, (3.29)

Затраты при максимальной производительности фильтра:

, (3.30)

Минимальное число фильтр-прессов:

, (3.31)

Если , то :

, (3.32)

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

3.3.2 Фильтры непрерывного действия

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

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

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

Необходимая производительность фильтра по фильтрату:

, (3.33)

по воздушно-сухому осадку:

, (3.34)

где -содержание твердой фазы в воздушно-сухом осадке.

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

Параметры уравнения фильтрации для единицы площади фильтра:

Время фильтрации:

, (3.35)

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

,

Определение скорости промывки аналогично определению скорости фильтрации:

, (3.37)

откуда время промывки:

, (3.38)

Заменив

, (3.39)

и учитывая, что , получают время промывки:

, (3.40)

где

, (3.41)

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

, (3.42)

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

, (3.43)

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

Эти величины могут быть заданы или выбраны по конструктивным соображениям.

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

, (3.44)

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

Рисунок 44 - Расчетная схема барабанного вакуум-фильтра.

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

, (3.45)

Тогда время просушки осадка:

, (3.46)

Полная поверхность фильтра:

, (3.47)

Частота вращения барабана в минуту:

, (3.48)

Углы секторов фильтра:

зоны фильтрации

, (3.49)

зоны промывки

, (3.50)

зоны просушки

, (3.51)

мертвых зон (ниже уровня жидкости)

, (3.52)

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

Глубина погружения барабана в суспензию:

, (3.53)

где диаметр барабана.

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

, (3.54)

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

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

Полезный объем ванны для фильтров:

, (3.55)

где объем поступающей суспензии:

, (3.56)

здесь плотность суспензии:

, (3.57)

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

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

, (3.58)

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

, (3.59)

здесь площадь поверхности, покрытой неуравновешенной частью осадка.

Для барабанного фильтра:

, (3.60)

где и диаметр и длина барабана

, (3.61)

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

, (3.62)

2. Момент сопротивления срезу осадка.

Для барабанного фильтра:

, (3.63)

где коэффициент трения при срезании осадка; усилие срезания осадка.

Усилие срезания осадка:

,

где удельное сопротивление срезанию осадка.

Тогда:

, (3.64)

3. Момент сопротивления трению барабана или дисков о суспензию.

По некоторым опытным ориентировочно можно принимать:

, (3.65)

4. Момент сопротивления трению вала фильтра о распределительную головку:

где число распределительных головок фильтра; коэффициент трения; сила прижима головки к торцу вала фильтра ( пло