Фильтрованием называют процесс разделения неоднородных систем при помощи пористых перегородок, которые задерживают одни фазы этих систем и пропускают другие. К этому процессу относится разделение суспензий на чистую жидкость и влажный осадок, аэрозолей на чистый газ и сухой осадок или на чистый газ и жидкость.

Целесообразно различать понятия фильтрование и фильтрация, обозначая первым из них процессы разделения суспензий и других неоднородных систем в промышленных и лабораторных условиях, а вторым процессы движения жидкостей и газов через пористые грунты в природных условиях.

Разделение суспензии можно проводить для получения твердой или жидкой фазы, когда другая фаза является отходом, а также для одновременного получения твердой и жидкой фаз. В зависимости от этого и осуществляют подбор соответствующей перегородки.

Процессы промышленного фильтрования весьма разнообразны как по характеру, так и по технологическим условиям и задачам. Однако их можно свести к нескольким основным видам.



1. Фильтрование суспензий с образованием слоя осадка наиболее частый случай в промышленном фильтровании. В этом процессе в результате фильтрования от жидкости отделяются частицы твердой фазы, образующие на фильтровальной ткани значительный слой осадка. Твердые частицы, отделяясь от жидкости, постепенно откладываются у оснований пор фильтровальной ткани, образуя над ними свод (слой осадка, лепешку). Эта лепешка, составленная из твердых частиц малого размера и самой разнообразной формы, имеет мельчайшие поры и при достаточной ее толщине обладает высоким коэффициентом фильтрования, одновременно являясь причиной появления высокого гидравлического сопротивления.

В данном процессе роль фильтровальной ткани сводится в основном к тому, чтобы обеспечить быстрое нарастание слоя задерживаемых частиц с минимальными первоначальными потерями. Затем, когда образовавшаяся лепешка становится основным фильтрующим слоем, фильтровальная ткань должна являться надежной, механически прочной подложкой, хемо- и теплостойкой в обрабатываемой среде, гладкой со стороны осадка (для более легкого и полного удаления осадка).

2. Осветление растворов от загрязняющих их тонких частиц твердой фазы или улавливание из отходящих вод ценной твердой фазы.



Этот процесс характерен тем, что основной фильтрующей средой является сама ткань: образование слоя твердой фазы происходит очень медленно, и слой осадка получается тонким. Поры ткани в этом процессе забиваются мельчайшими частицами почти на всю длину их канала (толщину ткани). В этом процессе следует применять более плотную ткань с ворсистой поверхностью, обеспечивающую тонкость очистки.

3. Сгущение суспензий отфильтровыванием из них части жидкой фазы.

Сгущение суспензий применяется для повышения концентрации твердой фазы перед фильтрованием их на фильтрах непрерывного действия. При процессе сгущения фильтровальная ткань остается все время погруженной в фильтруемую жидкость, а образующийся осадок периодически удаляется с поверхности ткани в суспензию либо с помощью фильтрата, поступающего в обратном направлении под давлением сжатого воздуха, либо механическим путем с помощью ножа и т. п. Ткань должна быть плотной, с гладкой поверхностью, хемо-и теплостойкой в обрабатываемой среде.

4. Очистка воздуха и фильтрование технологических газов (пылеулавливание).

Как показал опыт использования в этих процессах тканых фильтров, последние наиболее полно и эффективно задерживают твердые частицы (пыль) на своей поверхности. Эффективность работы тканевых фильтров во многом зависит от правильного подбора ткани в соответствии с конструкцией фильтра, а также с режимом его эксплуатации.

В промышленных условиях применяют разнообразные, часто довольно сложные по конструкциям фильтры, которые обычно подразделяют на периодически и непрерывно действующие. В первых фильтровальная перегородка (ткань) неподвижна, во вторых она непрерывно перемещается по замкнутому пути. При этом в фильтрах периодического действия на всех элементах перегородки одновременно осуществляются одни и те же процессы, например, поступление суспензии, образование осадка или удаление его, в фильтрах непрерывного действия на различных элементах перегородки происходят разные процессы в зависимости от того, на каком участке замкнутого пути находится в данный момент рассматриваемый элемент перегородки: так, на один участок перегородки поступает суспензия, а на других ее участках происходит образование и удаление осадка.



Скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений, создаваемой по обеим сторонам фильтровальной ткани (движущая сила процесса), и обратно пропорциональна сопротивлению, испытываемому жидкостью при ее движении через поры фильтровальной ткани и слой образовавшегося осадка.

Разность давлений по обеим сторонам фильтровальной ткани создают при помощи компрессоров, вакуум-насосов, поршневых и центробежных насосов, а также используя гидростатическое давление самой разделяемой суспензии. Для вакуум-насосов эта разность давлений в производственных условиях обычно находится в пределах 0,50,9 кг/см2, а для компрессоров в пределах 0,53 кг/см2. При использовании поршневых и центробежных насосов разность давлений обычно не превышает 5 кГ*см-2, но иногда достигает значительно большей величины. Для тканей, в особенности для волокнистых слоев, характерна значительная сжимаемость под действием разности давлений. При сжатии толщина фильтровальной ткани уменьшается, что сопровождается не только уменьшением ее пор, но и изменением их формы, обусловленным и деформацией и относительным сдвигом элементов ткани. Существенное влияние на средний размер и форму пор оказывают процессы, происходящие в фильтровальной ткани во время ее работы и приводящие к уменьшению эффективного размера пор, а следовательно, к повышению сопротивления движению жидкости.

Основной процесс, протекающий при фильтровании, состоит в проникновении твердых частиц разделяемой суспензии в поры фильтровальной ткани. В случаях применения тканей из волокон органического происхождения следует также считаться с их набуханием.

Фильтровальные ткани размещаются обычно на перфорированных опорных каркасах, при этом жидкость движется не только в направлении, перпендикулярном поверхности фильтровальной ткани, но отчасти и в направлениях, параллельных ткани, в тех зонах, которые находятся вблизи границы между фильтровальной тканью и опорным каркасом.



Отделение твердых частиц суспензий от жидкости при помощи фильтровальных тканей является сложным процессом. Особенно существенно, что для такого отделения нет необходимости применять ткани с порами, средний размер которых был бы не меньше среднего размера твердых частиц.

Как оказывается, твердые частицы успешно задерживаются фильтровальными тканями с порами, средний размер которых значительно превышает средний размер отделяемых частиц. Твердые частицы, увлекаемые потоком жидкости к фильтровальной ткани, попадают в различные условия. Наиболее простым является случай, когда твердая частица задерживается на поверхности фильтровальной ткани и не проникает в пору вследствие того, что размер последней в самом широком сечении меньше размера твердой частицы. Если размер твердой частицы меньше размера поры в самом узком ее сечении, частица может пройти через фильтровальную ткань вместе с фильтратом. Однако она может задержаться внутри фильтровальной ткани в результате адсорбции на стенках поры или механического торможения на участке поры, который имеет неправильную форму. Такая застрявшая частица будет уменьшать эффективное сечение поры, и вероятность задерживания в ней последующих твердых частиц увеличится.

Возможен также случай, когда отдельная твердая частица полностью закупоривает пору и делает ее непроходимой для других частиц. Наконец, небольшая по сравнению с порами твердая частица может тем не менее не войти в пору и остаться на поверхности ткани. Это происходит тогда, когда над входом в пору на поверхности ткани образуется сводик из нескольких относительно небольших твердых частиц, который пропускает жидкость, но задерживает другие твердые частицы.

Нельзя не считаться и с физико-химическими факторами, такими, как содержание в суспензии смолистых и коллоидных примесей, засоряющих поры, влияние электрокинетического потенциала, возникающего на границе раздела твердой и жидкой фаз, уменьшающего эффективное сечение пор, наличие сольватной оболочки на твердых частицах (действие ее проявляется при соприкосновении частиц в процессе образования осадка) и другими факторами.

Вследствие совместного влияния гидродинамических и физико-химических факторов изучение работы тканей в процессах фильтрования и их сопротивления как функции всех этих факторов крайне сложно. Процесс фильтрования осложняется и из-за неравномерного размера твердых частиц суспензии, способности этих частиц деформироваться при действии разности давлений и оседать под действием тяжести.