Устройство и принцип работы ФЭК
Введение
Работоспособность фильтрующего оборудования во многом определяется фильтрующими перегородками, с помощью которых осуществляется отделение частиц твердой фазы от жидкости или газа. Фильтрующие перегородки как правило выполняются из пористых материалов в виде плоских или цилиндрических поверхностей, называемых фильтрующими элементами.
Фильтрующие элементы обычно изготавливаются из ткани, керамики, металлокерамики, различного вида сеток, набора пластин, из волокнистых материалов и др., образующих фильтрующие проходные сечения заданной величины. Общим во всех перечисленных фильтрующих элементах является неизменность фильтрующих зазоров в обоих режимах работы фильтра: и при фильтровании, и при регенерации обратным током жидкости или газа. В отличие от такого рода фильтрующих элементов в фильтрующих элементах Крапухина (ФЭК) обеспечено различие свойств элементов: при фильтровании фильтрующие проходные сечения имеют заданную (при их изготовлении) неизменную величину, а при регенерации ФЭК обратным током жидкости или газа эти проходные сечения увеличиваются и, кроме того, имеют возможность совершать колебательные движения под воздействием регенерирующего потока жидкости или газа. Существуют и другие преимущества ФЭК перед известными фильтрующими элементами, выполненными на основе пористых фильтрующих перегородок, о которых будет удобнее сказать после ознакомления с конструктивными особенностями ФЭК.
Устройство ФЭК
Общий вид ФЭК (его вертикальное сечение) показан на рис.1.
ФЭК состоит из фильтрующей перегородки (1), крышки (2), штуцера (3), каркаса (4) и пружины (5). Фильтрующая перегородка (1) выполняется из проволоки диаметром 0.6-0.8 мм. Фильтрующая перегородка может быть выполнена длиной до 400мм с проходными фильтрующими зазорами от 7 до 100 микрон. Наружный диаметр фильтрующей перегородки 14-15мм. Осветляемые жидкость или газ подаются на внешнюю поверхность фильтрующей перегородки (1). Задержанные частички твердых взвесей остаются на внешней поверхности элемента, а очищенные жидкость или газ (фильтрат) выводятся через штуцер (3). После окончания цикла фильтрования, когда производительность фильтра упадет ниже заданной, проводится регенерация ФЭК. При этом жидкость или газ подаются в штуцер (3) в направлении, обратном направлению выхода фильтрата. В этом случае происходит растягивание фильтрующей перегородки (1) и увеличение ее фильтрующих зазоров, что дает возможность практически полностью удалить частицы загрязнений с наружней поверхности фильтрующей перегородки и из фильтрующих зазоров.
Первоначально ФЭК разрабатывались для радиохимического производства, поэтому преимущественно они nизготавливаются из нержавеющей стали и могут отличаться способом крепления их в фильтрующем аппарате и конструктивным исполнением. Однако это не исключает их изготовления и из других (обычных или со специальными свойствами) металлов.
Основные отличия ФЭК от пористых фильтрующих материалов
Отличие ФЭК от пористых фильтрующих материалов поясняется на рис.2.
На рисунке схематично показаны две фильтрующие перегородки: пористая - А и В, - выполненная из проволоки в виде винтовой спирали для ФЭК. Как видно из рис.2, пористая перегородка имеет множество извилистых каналов неправильной формы, а проходные сечения ФЭК образованы за счет зазоров между гладкими поверхностями цилиндрической формы.
Начальная стадия фильтрования в любом случае сопровождается некоторым периодом времени, в течение которого происходит образование сводов над фильтрующими каналами. В этот период неизбежен проскок твердых частиц, содержащихся в фильтруемой суспензии (более подробные сведения о начальной стадии фильтрования можно получить в следующей главе). После формирования над каналами устойчивых фильтрующих сводов наступает период непосредственного фильтрования с получением чистого фильтрата. Чистота фильтрата в этот период будет зависеть от устойчивости фильтрующих сводов по отношению к воздействию давления фильтруемой суспензии и от устойчивости фильтрующих сводов по отношению к возможным вибрациям фильтрующей перегородки.
От величины пор фильтрующей перегородки зависят все стадии фильтрования: во-первых, время образования сводов, а, следовательно, и величина первоначального проскока твердых частиц суспензии; во-вторых, прочность образованных сводов; и, наконец, качество последующего установившегося процесса фильтрования. На этапе установившегося процесса фильтрования качество фильтрата (его чистота) зависит от пористости слоя, сформированного из задержанных частиц. Частицы, не задержанные слоем осадка, сумевшие проникнуть сквозь фильтрующие своды имеют возможность прилипнуть к внутренним поверхностям фильтрующих каналов за счет сил адгезии и уменьшить проходное сечение фильтрующей перегородки. Этот процесс прогрессирует с течением времени в случае использования пористой перегородки. В случае использования ФЭК частицы также могут проникнуть сквозь фильтрующий слой и далее через фильтрующий свод. Но в этом случае площадь возможного контакта проскочивших частиц с цилиндрической поверхностью витков несравненно меньше, чем в случае использования пористой перегородки. Адгезия частиц к поверхности фильтрующих каналов при фильтровании постепенно приводит к снижению скорости фильтрования пористых фильтрующих перегородок, а затем и к полному закупориванию пор. Регенерация таких перегородок потоком жидкости, направленным в сторону, противоположную тому направлению, при котором производилось фильтрование, с каждым разом становится все менее эффективной. Даже использование химических реагентов не приводит к восстановлению первоначального сечения пор. Это объясняется тем, что доступ реагентов к поверхностям застрявших в порах частиц затруднен из-за самих частиц, находящихся в порах пористой фильтрующей перегородки. В отличие от пористых фильтрующих перегородок вся фильтрующая поверхность ФЭК и, соответственно прилипшие к ней частички, становятся легко доступными и для противотока жидкости, и для реагентов, предназначенных для регенерации фильтрующей перегородки.
После проведения ряда циклов "фильтрация - регенерация" поры фильтрующих материалов, таких как картон, ткани и др., необратимо nзакупориваются частичками твердой фазы, поэтому фильтрующие элементы, составляющие основу всякого фильтра, приходится извлекать из фильтрующих аппаратов и заменять новыми. Извлеченные из аппаратов фильтрующие материалы превращаются в отходы. Кроме того, сама процедура замены фильтрующих материалов также требует непроизводительных затрат времени и средств. Все описанные трудности проведения процесса фильтрования многократно возрастают, когда приходится иметь дело с токсичными и радиоактивными жидкостями или газами.
ФЭК свободны от необратимого закупоривания пор. На фильтрах, оснащенных ФЭК, можно проводить бесконечное число циклов "фильтрация-регенерация", не опасаясь их остановки из-за необратимого закупоривания пор и необходимости замены фильтрующих материалов. Использование ФЭК позволяет предприятиям-пользователям получить экономию на ремонтно-восстановительных работах, закупках фильтрующих материалов и реагентах, которые в ряде случаев применяются для регенерации фильтрующих материалов.
Высокая способность ФЭК к регенерации подтверждается многочисленными экспериментальными данными, фрагмент которых показан на рис.3.
На рисунке приведено сравнение фильтрационных характеристик металлокерамического фильтрующего элемента (МКФ) и ФЭК. Испытания проводились на элементах, имеющих одинаковые фильтрующие поверхности и пористость при одинаковом начальном перепаде давления на фильтрующих перегородках. Условия регенерации обратным током жидкости также были одинаковыми. Каждая последующая точка на графике (рис.3) указывает на производительности ФЭК и МКФ, которые получаются после регенерации элемента, проводимой вслед за проведением предыдущего цикла фильтрования. Из рис.3 видно, что производительность ФЭК выше, чем у металлокерамического элемента, что происходит, по-видимому, из-за меньшего гидравлического сопротивления ФЭК по сравнению с МКФ, а главное: производительность ФЭК практически не изменяется в зависимости от объема отфильтрованной жидкости, т.е. не зависит от числа циклов "фильтрация - регенерация". В то же время, производительность МКФ непрерывно падает, что указывает на необратимое закупоривание его пор. Аналогичные зависимости W от q, были получены практически для всех испытанных сред.
Процесс фильтрования
Характер процесса фильтрования с использованием ФЭК также, как и при использовании любых других фильтрующих материалов или элементов, зависит, прежде всего, от характеристики среды, подвергаемой очистке. В любом случае процесс всегда сопровождается снижением производительности фильтров по мере накопления на фильтрующей поверхности задерживаемых частиц, приводящих к росту гидравлического сопротивления фильтра. Ряд зависимостей производительности фильтров (на основе ФЭК) от времени (или удельной нагрузки на фильтры) в течение одного цикла фильтрования, т.е. до проведения регенерации, приведены ниже.
Зависимость производительности (W) от удельной нагрузки (q) при фильтровании московской водопроводной воды с использованием вспомогательного фильтрующего слоя из перлита.
Зависимость производительности (W) от удельной нагрузки (q) при фильтровании производственных растворов среднего уровня радиоактивности Производственного Объединения "Атомфлот". Фильтрование с перлитом.
Зависимость производительности (W) от удельной нагрузки (q) при фильтровании раствора высокого уровня радиоактивности через слой перлита.
Зависимость производительности (W) от удельной нагрузки (q) при очистке сточных вод от помывки автотранспорта с использованием перлита.
Зависимость производительности (W) от удельной нагрузки (q) при фильтровании растворов поваренной соли в хлебопекарном производстве.
Зависимость производительности (W) от содержания твердой фазы на поверхности ФЭК (Q) при очистке воздуха от высоко дисперсных частиц FeO.
Зависимость производительности (W) от времени фильтрования (T) при очистке подсолнечного масла с использованием вспомогательного фильтрующего слоя из перлита.
Зависимость производительности ФЭК (W) от удельной нагрузки при очистке сгущенной донной суспензии из ванны для проведения процесса электрохимического цинкования.
Как видно из графиков, начальные и конечные значения производительности фильтрования W и удельной нагрузки q для различных сред различны. Общей тенденцией зависимостей W от q является снижение W с увеличением нагрузки q на ФЭК, что объясняется закупориванием фильтрующих зазоров твердой фазой по мере ее накопления на фильтрующей перегородке, приводящим к росту гидравлического сопротивления фильтра. Отсюда следует, что длительности циклов фильтрования (до очередной регенерации фильтра) для различных сред могут существенно отличаться друг от друга. В каждом отдельном случае для определения возможностей фильтра, его режимов работы необходимо провести экспресс-анализ работы фильтрующих элементов, обладающих различными проходными сечениями фильтрующих перегородок. Это позволяет определить оптимальные проходные сечения ФЭК, длительность единичного цикла фильтрования, качество фильтрата и, конечном итоге, получить все необходимые данные для расчета фильтра на заданную потребителем производительность.
Регенерация фильтра
Регенерация ФЭК осуществляется потоком жидкости или газа, подаваемого в направлении, обратном направлению фильтрования. На рис.4 приведена зависимость, полученная при фильтровании радиоактивного раствора с многократной регенерацией ФЭК.
Из кривой видно, что с увеличением нагрузки производительность фильтрования снижается до определенного значения. После регенерации имеет место резкое повышение производительности (пики на кривой). После регенерации производительность с увеличением нагрузки опять падает до определенного значения и требуется последующая регенерация. Как видно из кривой, после первой регенерации ФЭК производительность не восстанавливается до первоначального уровня, из-за некоторой адгезии твердых частиц к ФЭК, однако при последующих циклах регенерации начальная производительность практически не снижается.
Заключение
Как видно из приведенных материалов, ФЭК может использоваться во многих случаях, когда требуется отделить твердые частицы от несущего их потока газа или жидкости. При этом ФЭК имеют несомненные преимущества перед широко используемыми пористыми фильтрующими материалами за счет их долговечности и отсутствия физической возможности закупоривания фильтрующей поверхности, т.к. она представляет собой гидравлически гладкую цилиндрическую поверхность.