Фильтрация при переработки вторичных отходов

В различных технологических процессах переработки вторичных материалов широко используют фильтрацию жидкостей и газов.

Фильтрацией называется разделение суспензий или аэрозолей с помощью пористых перегородок, пропускающих жидкость (или газ) и задерживающих твердые частицы. Разделение происходит за счет разности давлений среды по обе стороны фильтрующей перегородки.

Фильтрующей средой является не только фильтрующая перегородка, но и осадок на ней, образующий в процессе фильтрования вспомогательный фильтрующий слой, который, собственно, и обеспечивает задерживание мельчайших частиц суспензии. По мере увеличения толщины слоя роль фильтрующей перегородки (ткани) сводится лишь к удержанию и транспортировке фильтрующего вспомогательного слоя. Увеличение толщины слоя обеспечивает улучшение качества фильтрации, но уменьшает производительность фильтра.

Фильтруемость суспензий характеризуется удельным сопротивлением осадка. В данном случае под осадком имеется в виду слой твердых частиц, отлагающийся на фильтровальной перегородке.

Удельным сопротивлением осадка называется сопротивление единицы массы твердой фазы, отлагающейся на единице площади фильтра при фильтровании под постоянным давлением суспензии, вязкость жидкой фазы которой равна единице. Удельное сопротивление осадка, характеризующее сопротивление фильтрации и фильтруемость (водоотдачу) осадков, определяют по формуле:

где P - давление (вакуум), при котором происходит фильтрование; F -площадь фильтрующей поверхности; n - вязкость фильтрата; c - масса твердой фазы кека, отлагающегося на фильтровальной перегородке при получении единицы объема фильтрата; Ь = t/V₂ - параметр, получаемый эмпирическим путем; t - продолжительность фильтрации; V - объем выделяемого фильтрата.

Аппараты для фильтрации классифицируют по следующим признакам: режиму работы, способу создания движущей силы (величине рабочего давления), конструкции.

Фильтрующие аппараты могут работать в непрерывном и периодическом режимах. Фильтрование в них может осуществляться под вакуумом и под давлением. В непрерывном режиме могут работать барабанные, дисковые, карусельные, ленточные фильтры, а также фильтр­прессы.

Процесс фильтрации достаточно сложен, поэтому выбор аппарата и фильтровального материала для фильтрующей перегородки, как правило, проводится экспериментально на основе предварительных испытаний с учетом свойств суспензии, особенностей технологического процесса и заданной производительности.

Фильтрование состоит из нескольких последовательных стадий: собственно фильтрации, промывки, сушки и выгрузки осадка и регенерации фильтрующей перегородки. Эти стадии единого процесса в непрерывно действующих фильтрах осуществляются одновременно в разных зонах, но благодаря непрерывности перемещающейся фильтрующей перегородки процесс в целом также является непрерывным.

Наибольшее распространение в промышленности для фильтрования различных суспензий получили барабанные, ленточные, карусельные вакуум-фильтры, различные фильтр-прессы, работающие в непрерывном режиме, а также листовые, патронные многоярусные фильтры периодического действия. Схема работы и устройство барабанного вакуумного фильтра показаны на рис. 37 и 38.

Барабанный вакуум-фильтр работает следующим образом. Перфорированный барабан 1, обтянутый фильтровальной тканью, разделен внутренними перегородками на секции. Часть его находится в емкости 3, куда через патрубок 6 непрерывно пода­ется фильтруемая суспензия. Барабан вращается по стрелке. Фильтрат через фильтрующую перегородку засасывается в секцию барабана во время ее погружения в суспензию.

Осадок осушается на поверхности барабана после выхода соответствующей секции из суспензии. Затем секция попадает в зону действия маточника 11, где осадок промывается жидкостью, а затем снимается в следующей зоне с помощью ножа 9 и сбрасывается в шламосборник 7, откуда выгружается шнеком 8. Вывод промывной жидкости и фильтрата производится через штуцеры 4 и 5 соответственно, которые вместе со штуцером 10 для подачи обдувочного воздуха присоединены к распределительной головке 2. С ее помощью секции барабана последовательно соединяются с одной из четырех камер (для фильтрации под вакуумом, для подсушки образовавшегося осадка под вакуумом, для промывки, для обдува воздухом и удаления осадка). Затем цикл повторяется.

1 - промывное устройство; 2 - наружный перфорированный цилиндр; 3 - фильтрующие ячейки; 4 - внутренний сплошной цилиндр барабана; 5 - барабан; 6 - торцевые крышки барабана; 7, 16- фланцевые цапфы; 8 - подшипник скольжения; 9 - электродвигатель; 10 - маятниковая мешалка; 11 - ванна; 12 - распределительная головка; 13 - шайба; 14 - выводные трубки; 15 - ролики; 17 - соединительная трубка

Барабанные вакуум-фильтры выпускаются с диаметром и длиной барабана до 3 и 4 м соответственно и с площадью фильтрующей поверхности до 40 м. Аналогичным образом, т.е. при последовательном протекании стадий процесса фильтрования, работают и другие вакуумные фильтры. На рис. 39 показана конструкция ленточного вакуумного фильтра.

Фильтрующая поверхность ленточного вакуум-фильтра выполнена в виде непрерывной ленты, благодаря конструкции которой обеспечивается ее плотное прилегание к столу и предотвращается слив суспензии.

Лента 4 натянута на приводной 1 и натяжной 7 барабаны. Ее верхняя ветвь находится на столе, а нижняя часть опирается на ролики. По всей длине стола, имеющего форму желоба, проходит вакуум-камера 3. Суспензия подается на ленту из разливочного бункера 6, а промывная вода - из камеры 2.

а - общий вид; б - конструкция фильтровальной ленты

Камеры соединены между собой коллекторными трубами 5. При работе ленточного вакуумного фильтра фильтрат проходит через перфорированную ленту и фильтровальную ткань, а осадок задерживается на последней. При дальнейшем продвижении ленты осадок промывается, подсушивается, срезается ножом 8 и сбрасывается в шламосборник 9. Поверхность фильтровальной ленты в ленточных вакуум-фильтрах достигает 10 м .

Преимуществом ленточного вакуум-фильтра является то, что направление движения потока при фильтровании совпадает с направлением действия силы тяжести. При фильтровании суспензий сначала осаждаются грубые частицы, образуя дополнительный фильтрующий слой, через который идет дальнейшее фильтрование, что создает оптимальные условия для процесса. К недостаткам ленточных вакуум-фильтров следует отнести их сравнительно большие габариты.

Другим распространенным оборудованием для обезвоживания осадков являются фильтр-прессы. Они обеспечивают наиболее полное обезвоживание фильтруемых суспензий, но имеют несколько меньшую производительность, чем вакуум-фильтры. Широко распространены фильтр-прессы, которые могут работать в непрерывном и периодическом режимах. В отличие от рассмотренных выше аппаратов они работают под давлением. Фильтр­прессы используются для отделения твердых частиц диаметром до 3 мм при их содержании в жидкости от 5 до 500 г/л. Поверхность фильтрации фильтр­прессов может составлять от нескольких квадратных метров до нескольких сот квадратных метров, давление фильтрации - от 0,3 до 2,0 МПа. Примером может служить высокопроизводительный вертикальный фильтр-пресс типа ФПАКМ с поверхностью фильтрования до 50 м (рис. 40).

1 - рама; 2 - приемный лоток; 3 - камера регенерации; 4 - фильтровальная ткань; 5 - верхний ролик; 6 - ролик регулировки положения ткани; 7 - натяжное устройство; 8 - коллектор подачи; 9 - верхняя упорная плита; 10 - направляющий ролик ткани; 11 - коллектор давления; 12 - фильтровальные плиты; 13 - стяжка; 14 - нажимная плита; 15 - блок слива; 16 - опорная плита; 17 - механизм гидрозажима; 18 - привод передвижения ткани

Фильтр-пресс типа ФПАКМ устроен следующим образом. Комплект горизонтальных подвижных фильтрующих плит 12 расположен между верхней упорной 9 и нижней нажимной 14 плитами. Фильтрующие плиты опускаются и поднимаются с помощью механизма гидрозажима 17. Фильтровальная ткань 4 проходит между плитами и циклически приводится в движение механизмом 18. Очистка фильтровальной ткани от осадка производится в камере регенерации 3, которая вместе с опорной плитой 16 установлена на общей раме 1. Отвод фильтрата и промывной жидкости производится через блок слива 15. Суспензия, промывная жидкость и воздух поступают на фильтрующие
перегородки через общий коллектор 8.

Управление фильтр-прессом автоматическое. Промышленность выпускает фильтр-прессы этого типа с поверхностью фильтрации 2,5; 5; 12,5; 25 и 50 м².

Наряду с фильтр-прессами вертикальной конструкции промышленность выпускает и горизонтальные фильтр-прессы, например, полностью механизированный и автоматизированный камерный фильтр­пресс типа ФПАВ.

Автомат, управляющий работой пресса, обеспечивает последовательную работу на всех стадиях процесса фильтрования. Выпускаемые аппараты имеют поверхность фильтрации 20; 32; 50 и 100 м.

Более совершенны фильтр-прессы с диафрагмами для отжима осадка, под которые подаются вода и воздух соответственно для промывки и подсушки осадка. Эластичная резиновая или пластмассовая диафрагма исполняет роль дренажной поверхности. Использование отжимных диафрагм повышает эффективность процесса (производительность пресса), снижает конечное содержание влаги в осадке, улучшает качество его отмывки, снижает расход промывной жидкости и сжатого воздуха.

Наряду с непрерывно действующими фильтрами в промышленности широко используются и фильтры периодического действия. Многие из них достаточно совершенны в работе, имеют большую производительность и высокое качество разделения суспензии, что делает их применение в циклических технологических процессах вполне оправданным. К ним относятся работающие под давлением листовые, патронные, многоярусные фильтры и друк-фильтры, а также нутч-фильтры, работающие под вакуумом.

Для удаления твердых частиц из жидкостей используют также механические фильтры с насыпным или намывным слоем фильтрующей массы, а также напорные фильтры с плавающей фильтровальной массой. В качестве фильтрующего материала в насыпных фильтрах используют песок, антрацит, дробленый мрамор, керамзит, перлит, а для намывного слоя -
перлит; в фильтрах с плавающей загрузкой - вспененные материалы: пенополистирол и пенополиуретан (рис. 41).

1 - трубопровод сточной воды; 2 - плавающая загрузка; 3 - трубопровод промывной воды; 4 - вантуз; 5 - трубопровод очищенной воды; 6 -решетки; 7 - трубопровод слива промывной воды; 8 - трубопровод слива шлама; 9 - трубопровод сжатого воздуха

Повышение эффективности фильтрации в фильтрах различной конструкции может быть достигнуто специальной обработкой суспензии, правильным выбором фильтрующей перегородки.

Для разрушения и удаления осадка с фильтрующей перегородки в некоторых фильтрах используют вибрацию, пульсацию, центробежную силу и другие способы.

Улучшение фильтруемости суспензии достигается физическими и физико-химическими методами: обработкой в магнитном поле

напряженностью 8-10⁴ А/м, применением коагулянтов и флокулянтов. Хорошие результаты дает предварительная классификация суспензии в гидроциклонах или флотаторах, позволяющая перед фильтрацией удалить из нее особо мелкие частицы. Улучшению фильтруемости способствует повышение температуры суспензии, так как при этом снижается вязкость жидкости.

При выборе фильтрующей перегородки следует учитывать форму и размер пор, химическую активность материала перегородки, ее износостойкость, способность к регенерации, прочность при растяжении, способность к многократным деформациям, жесткость. В качестве фильтровальных материалов используют специальные сорта бумаги, картона, хлопчатобумажные и шерстяные ткани, нетканые полотна, ткани и сетки из полимерных синтетических материалов (полиамида, полиакрилонитрила, поливинилхлорида, полиэтилена, полипропилена, политетрафторэтилена и др.), стеклянные и угольные ткани, ме- таллические сетки, керамику и металлокерамику. В частности, для высоковязких жидкостей и расплавов полимеров с высокой температурой при фильтрации используют фильтрующие элементы из спеченных порошков металлов (сплавов на основе титана, никеля, меди).

При выборе аппаратов для фильтрации и материалов для фильтрующих перегородок учитывают свойства фильтруемых суспензий, размер и содержание дисперсных частиц, вязкость жидкости, производительность по суспензии, особенности организации технологического процесса. Для правильного выбора аппаратов в ряде случаев при отсутствии данных о фильтрации аналогичных суспензий проводят предварительные испытания.