Кинетика процесса фильтрования

Фильтры работают непрерывно, но при этом процесс обезвоживания осадка происходит через определенные циклы. Рассмотрим подробнее цикл работы на примере барабанного вакуум-фильтра. Вакуум-фильтр (рис. 4.4) состоит из приемной емкости для пульпы, вращающегося барабана и устройства для съема осадка.

Рис. 4.4. Схема потоков в барабанном вакуум-фильтре и циклы его работы

В процессе фильтрования различают следующие периоды (зоны):

I – зона набора осадка. В этот период некоторая часть поверхности барабана погружена в пульпу (угол j₁) и под действием разности давлений на ней образуется осадок определенной толщины. Под действием разности давлений происходит однофазное движение жидкости через поры фильтрующей перегородки и накапливающегося осадка, при этом из осадка удаляется гравитационная влага. В начале периода скорость фильтрования резко увеличивается (рис. 4.5) и достигает максимального значения во второй половине периода. К концу первого периода скорость фильтрования уменьшается, что объясняется увеличением сопротивления образующегося осадка и частичной забивкой пор фильтроткани. Высота осадка к концу периода достигает максимального значения. Влажность осадка уменьшается. Потери твердого с фильтратом в начале периода растут. Тонкие частицы легко проходят через поры чистой фильтроткани до тех пор, пока не образуются своды из крупных частиц над порами в фильтроткани, препятствующие прохождению более мелких частиц и загрязнению фильтрата. К концу периода потери твердого с фильтратом уменьшаются.

II – зона обезвоживания и просушки осадка. Начинается в тот момент, когда осадок вместе с фильтротканью выходит выше уровня пульпы в ванне. В зоне обезвоживания (первая половина II периода) под действием вакуума с внутренней стороны перегородки из образовавшегося кека удаляются остатки гравитационной влаги и начинается двухфазное движение, когда наряду с жидкостью через поры в кеке и фильтроткани движется воздух из атмосферы. Можно предположить, что жидкость течёт непосредственно у поверхности частиц, а воздух – по пустотам между частицами. При этом из кека удаляется внутрипромежуточная капиллярная влага. Скорость фильтрования резко уменьшается и к концу периода становится равной нулю.

Рис. 4.5. Кривые кинетики фильтрования:
1 – изменение влажности осадка; 2 – изменение скорости фильтрования;
3 – изменение содержания твердого в фильтрате; 4 – изменение высоты слоя осадка

Во второй половине II периода – зоне просушки осадка – увеличивается объем движущегося через поры воздуха и при этом из кека удаляется внутрипромежуточная капиллярная влага, частично капиллярно-стыковая и даже капельки адгезионной влаги при большом разрежении. Увеличивается количество движущегося по пустотам между частицами воздуха и он может захватывать капельки адгезионой влаги.

К концу II периода наступает момент, когда через слой осадка будет фильтроваться только воздух (однофазное движение воздуха). Конечное влагосодержание осадка соответствует равновесному состоянию, когда движущая сила фильтрования ∆Р уравновешивается адсорбционными и капиллярными силами частиц твердой фазы, то есть, чем больше влагоудерживающая способность материалов, тем большую разность давлений необходимо приложить для более глубокого обезвоживания осадка. Влажность кека к концу II периода достигает своего минимального значения.

III – зона отдувки кека и механического снятия его ножом. По времени это непродолжительный период. Подачей сжатого воздуха с внутренней стороны фильтрующей перегородки осуществляется разгрузка кека, то есть отделение его от фильтроткани на ленточный конвейер или в бункер. Одновременно достигается продувка пор фильтроткани воздухом. Для полного снятия кека с фильтроткани устанавливают специальные ножи.

Влажность отдуваемого кека несколько растет к концу периода отдувки по сравнению с концом периода просушки, за счет остаточной влаги, выдуваемой из пор фильтроткани.

IV – зона регенерации фильтроткани. Восстановление свойств фильтроткани перед следующим циклом осуществляется продувкой сжатым воздухом, промывкой водой, в некоторых конструкциях фильтров промывкой водой с реагентами, подаваемой с внутренней стороны перегородки под давлением.

Один цикл фильтрования в барабанных и дисковых вакуум-фильтрах включает все четыре периода. Соотношение времени первого, второго и третьего периодов в промышленных фильтрах определяется конструкцией камер распределительной головки. Время каждого периода и в целом цикла фильтрования можно изменить путем регулирования скорости вращения фильтрующей поверхности.