Сепарационное оборудование

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Сепарационное оборудование

1. Применение и значение сепарационного оборудования в ХПБАВ

Этим термином мы будем обозначать машины и аппараты для гидромеханических процессов разделения гетерогенных систем. Гидромеханические процессы разделения имеют большое значение для выделения продуктов синтеза, особенно твёрдых; очистки конденсированных и газообразных отходов. В технологии БАВ применяются практически все виды сепарационного оборудования (СО). Технологическая классификация СО приведена в таблице 1.

Таблица 1

Технологическая классификация сепарационного оборудования

Ввиду недостатка объёма лекций основное внимание будет уделено аппаратуре, используемой для выделения продуктов на стадиях и операциях ТП, т.е. - перегородочным и мембранным фильтрам; центрифугам и суперцентрифугам; жидкостным сепараторам; магнитным сепараторам.

2. Воздушно-проходные и циркуляционные сепараторы

Циклоны. Гидроциклоны

Воздушно-проходные сепараторы используют эффект резкого уменьшения скорости несущего потока газа при расширении камеры, что ведёт к изменению гидродинамического режима от уноса до седиментации дисперсной фазы. Для технологии БАВ они в основном значимы как рабочие камеры аэрофонтанных пневмосушилок. Аналогичными узлами циклонных и трубно-циклонных пневмосушилок являются циклоны и циркуляционные сепараторы. Поэтому данные устройства будут рассмотрены подробнее в разделе «Сушильное оборудование».

Как известно из курса ПАХТ, циклоны и циркуляционные сепараторы широко используют в системах воздухоочистки в комбинации с рукавными фильтрами. Ещё один важный аспект - применение циклонов в качестве узлов загрузки-выгрузки систем пневмотранспорта продуктов; это позволяет механизировать и привести в соответствие с требованиями GMP многие процессы перегрузки продуктов из фильтров и центрифуг в сушилки, смесители и дозаторы.

Гидроциклоны в основном применяют для предварительного концентрирования (сгущения) суспензий и эмульсий с объёмной долей дисперсной фазы ц_Д?5% в установках непрерывного фильтрования/центрифугирования или сепарации. Такой приём позволяет существенно снизить нагрузку на основной аппарат (фильтр, центрифугу, сепаратор) и повысить эффективность работы всей установки.

3. Фильтры. Основные типы фильтров, применение перегородок

Волокнистые тканые и нетканые материалы

Перегородки на основе тканых и нетканых (бумага, картон, сукно и войлок) волокнистых материалов широко используют для отделения продуктов синтеза в нутч-фильтрах, друк-фильтрах, рамных фильтр-прессах, листовых фильтрах; центрифугах с ручной выгрузкой осадка.

Ткани из натуральных и искусственных волокон, бумага, картон, сукно и войлок отличаются большей удерживающей способностью по сравнению с тканями из синтетических волокон и стеклотканями. Однако первые выделяют ворсинки, загрязняющие продукт, а последние - нет. В этой связи для эффективного фильтрования - особенно готовых АФC, - применяют многослойные перегородки, где нижний слой (подложка) обеспечивает полное (без проскока, вызывающего механические потери) удержание осадка, а верхний предотвращает засорение продукта ворсинками (Рис. 1).

Рис. 1. Схема многослойной мягкой гибкой перегородки

1. Фильера

2. Подложка (плотная ворсистая) - бельтинг/диагональ

3. Слой/слои фильтровальной бумаги

4. Покровный слой (неворсистый)

Фильтровальную бумагу и специальные сорта картона используют также в фильтрах грубой очистки масел и теплоносителей в энергоустановках.

Углеродно-волоконные фильтры применяют также для тонкой очистки растворов полуподуктов и субстанций, растворителей и воды в производствах особо чистых препаратов (в первую очередь - биотехнологи); по существу это нанотехнологии.

Дренажные материалы («подушки»)

Дренажные материалы самостоятельно применяют практически только в гидростатических песочных и угольно-песочных фильтрах систем водоочистки. Во всех остальных случаях их используют как дренажные «подушки» комбинированных перегородок.

Пленки

Плёнки используют в мембранных установках для ультра- и нанофильтрования, диализа и обратного осмоса. В таблице 1 в качестве примера приведены лишь самые распространённые плёночные материалы. Это чрезвычайно перспективный класс сепарационной техники, реализующий нанотехнологии.

Сетки

Сетки из нержавстальных и титановых нитей отличаются высокой прочностью, термической и коррозионной стойкостью. Однако размеры пор в таких сетках составляют не менее 50 мкм; поэтому их удерживающая способность (размеры улавливаемых частиц) - наименьшая. Самостоятельно их применяют для отделения продуктов с размерами частиц свыше 100 мкм в фильтрах и центрифугах с механизированной выгрузкой осадка; в патронных фильтрах грубой очистки воды, конденсата, масел и теплоносителей в энергоустановках.

В ХПБАВ такие сетки чаще всего используют в качестве подложек и защитных верхних слоёв комбинированных перегородок в фильтрах и центрифугах с ножевой или скреперной выгрузкой осадка.

Комбинированные

1. Мягкие негибкие

Мягкие негибкие перегородки типа «ткань + дренаж» или «ткань + бумага + дренаж» в технологии БАВ чрезвычайно широко используют в процессах очистного фильтрования растворов субстанций и растворителей от отработанных сорбентов и твёрдых загрязнений.

“Подушку” в таких процессах готовят in situ. Параллельно с ходом основного процесса и подготовкой фильтра Ф-1 в суспензаторе А-2 готовят пульпу сорбента в соответствующем растворителе. Пульпу передают в фильтр Ф-1 и фильтруют, собирая фильтрат в сборник Сб-3; цикл повторяют. Пока не будет получен совершенно прозрачный фильтрат - тогда установка готова к работе.

Дренажный сорбент кольматирует (забивает) слишком большие поры в фильтровальной перегородке: это увеличивает гидравлическое сопротивление фильтра, но гарантирует высокое качество очистки раствора от тонкодисперсного материала. «Подушку», как правило, можно использовать один-два раза; растворитель - многократно.

2. Жёсткие гибкие

Жёсткие гибкие комбинированные перегородки применяют во всех фильтрах (нутч-фильтрах; друк-фильтрах; камерных фильтр-прессах; барабанных и дисковых фильтрах) и во всех фильтрующих центрифугах (ножевых; шнековых; поршневых; скреперных) - в которых осадок выгружается срезанием с фильтрующей поверхности. Прочная металлическая сетка играет роль механической защиты плотного мягкого фильтрующего слоя от механических повреждений.

Микропористые

Микропористые жёсткие негибкие перегородки - металлопорошковые (нержавсталь и титан); керамические; фторопластовые - в виде цилиндрических трубок-патронов или плоских полых двухсторонних дисков-тарелок являются основным рабочим узлом современных патронных и тарельчатых фильтров. Металлопорошковые и керамические сплошные плиты-диски используют как фильеры в механизированных нутч- и друк-фильтрах.

Недостатком фторопластовых элементов является их низкая температурная стойкость и непрочность; достоинство - высокая химическая инертность.

Керамические элементы более прочны; способны работать при температурах порядка 300^ОС; но хрупки и ограниченно стойки в сильно щелочных и фосфатных средах, нестойки к фторидным средам. Металлопорошковые элементы исключительно прочны; предел рабочих температур превышает 500^ОС; недостаток - меньшая стойкость к кислым и окисляющим средам.

Особое достоинство этих материалов - способность удерживать частицы субмикронного размера. Фильтры с такими элементами не нуждаются в использовании дополнительных фильтр-материалов, применении дренажных слоёв и иных аналогичных приёмах. В тарельчатых фильтрах осадок, как правило, выгружают вибрацией через нижний спуск; в патронных - пневмо- или гидроударом также через нижний спуск; в ёмкостных фильтрах - механическим скребком-мешалкой через боковой люк или - с переворачиванием фильтра - через нижний спуск.

Процесс фильтрования эффективен, максимально технологичен (нет вспомогательных процедур), производителен. Поэтому соответствующая аппаратура, несмотря на дороговизну, находит всё более широкое применение.

Фильтровальные материалы и перегородки

Таблица 5

Свойства основных фильтровальных материалов и перегородок

Примечания А) коррозионная стойкость сталей определяется сочетанием кислотных и окислительных свойств среды.

Б) Титан стоек в средах, не содержащих влажных галогенов и галогенводородов.

* - R = R*толщину

4. Общие рекомендации по применению фильтров и центрифуг

Применение фильтров и центрифуг даёт технологу значительную свободу выбора; жёстких однозначных норм и неких предписаний здесь нет. Однако особенности конструкции и принципов работы фильтров и центрифуг позволяют дать общие рекомендации относительно условий их применения.

Условия применения фильтров очень разнообразны. Один и тот же тип фильтра зачастую можно применить и для выделения продукта синтеза и для очистного фильтрования раствора либо жидкого продукта.

Фильтры принципиально не следует применять для отделения сильноуплотняемых тиксотропных осадков.

1. Нутч-фильтры. Статические нутч-фильтры предпочтительнее использовать для выделения небольших количеств полупродуктов в маломасштабных - в т.ч. - опытных производствах. Закрытые механизированные нутч-фильтры применимы и для очистного фильтрования и для выделения продуктов.

2. Друк-фильтры. Статические друк-фильтры предпочтительнее использовать для очистного фильтрования жидких продуктов (в т.ч., растворов) от примесей и отработанных сорбентов при объёмной доле осадка до (2…3)%. Для выделения продуктов они эффективно применимы в маломасштабных - в т.ч. - опытных производствах, поскольку их эксплуатация требует, как правило, ежесерийной замены фильтрующей перегородки (трудоёмкая ручная работа). Механизированные друк-фильтры применимы и для очистного фильтрования и для выделения продуктов. Ввиду возможности многократной промывки в режиме репульпирования осадка, механизации процедур выгрузки продукта, автоматизации управления процессом и соответствия GMP - эти фильтры во многих случаях не уступают и даже порой превосходят центрифуги по технологической эффективности. При организации непрерывных процессов следует использовать батареи из 2-4 работающих циклически друк-фильтров.

3. Рамные и листовые фильтр-прессы. Все фильтр-прессы можно использовать и для очистного фильтрования и для выделения продуктов. Открытые рамные фильтр-прессы не соответствуют GMP; капсулированные .камерные фильтр-прессы соответствуют GMP для процессов очистного фильтрования; фильтры типа ФПАКМ вполне соответствуют GMP. Рабочая поверхность типовых фильтр-прессов: 25-800 м²; т.е., они предназначены для высокопроизводительных процессов, редких в производствах БАВ.

4. Патронные и тарельчатые фильтры. Вполне соответствуют GMP. По эффективности равно применимы и для очистного фильтрования и для выделения продуктов. В настоящее время в ХПБАВ эти фильтры применяют главным образом для очистного фильтрования.

5. Барабанные и дисковые фильтры. Вполне соответствуют GMP. Применимы и для очистного фильтрования и для выделения продуктов. В настоящее время в ХПБАВ (как и во всех отраслях ТОС) эти фильтры применяют главным образом для выделения продуктов в непрерывных процессах.

Конструкция вертикальных фильтров (рамных, листовых, патронных, тарельчатых) такова, что они работают только в условиях полного затопления внутренней камеры разделяемой суспензией - как только обнажается лишь маленькая часть поверхности фильтрования, происходит дросселирование газа сквозь фильтр - и фильтрование останавливается. Т.о., не занятый патронами, листами или тарелками внутренний объём фильтра представляет собой т.н. «мёртвую» зону. «Мёртвый» объём (хотя и незначительный) присущ также друк-фильтрам со сферической фильерой.

Для преодоления этого эффекта применяют ряд приёмов, приведённых в таблице 2.

Таблица 2

Приёмы обеспечения полноты фильтрования

Горизонтальные фильтры (ёмкостные, ФПАКМ) - этого недостатка лишены.

фильтр центрифуга химический биологический активный

5. Поверхность фильтра и скорость фильтрования

Поверхность фильтра

Наиболее надёжный способ оценки требуемой поверхности фильтрования основан на учёте количества осадка и допустимой толщины слоя. Общих рекомендаций здесь не существует; однако можно предложить приблизительную корреляцию допустимой толщины слоя с размерами частиц и удельным сопротивлением осадка.

В отсутствие экспериментальных данных сопротивление осадка можно оценить по формуле Козени-Кармана

Где d - эквивалентный диаметр частиц осадка, м;

е - порозность (свободный объём) слоя осадка.

Кроме того, для ряда фильтров (камерных, рамных, тарельчатых, патронных, листовых, дисковых) - существуют ограничения толщины осадка, предопределённые конструкцией. Эти сведения приводят в паспортах фильтров.

Поверхность фильтра вычисляют из условий материального баланса

Плоские фильтры

Где М_УСО - масса условно сухого осадка, кг;

с_Т - плотность материала истинная, кг/м³;

Цилиндрические фильтры (барабанные, патронные)

В этих фильтрах фильтрование может происходить как на внешней, так и на внутренней поверхности фильтра. Обычно в паспорте или каталоге указывают диаметр элементов d₀ и их число n. В таком случае задача сводится к вычислению необходимой длины цилиндрического элемента L.

Наружное фильтрование

Внутреннее фильтрование

Скорость фильтрования

Как известно, скорость фильтрования (определённая как объём фильтрата, проходящий через единичную поверхность перегородки в единицу времени) в общем случае описывается уравнением Рута-Кармана

Где = V/F - удельный объём фильтрата, м;

ДР_Ф - давление фильтрования, Па;

м - вязкость фильтрата, Па.с;

- удельное сопротивление осадка, м^-2_;

- сопротивление перегородки, м^-1_;

- толщина слоя осадка, м;

- относительная массовая концентрация осадка в фильтрате, кг/м³.

Удельное сопротивление осадка

Сопротивление осадков в общем случае зависит не только от их дисперсности и порозности, но также - от давления и продолжительности фильтрования

-

При m = k = 0 - несжимаемый осадок;

k = 0 и m>0 - мгновенносжимаемый осадок;

k>0 и m>0 - тиксотропный осадок

Сопротивление перегородки

Полное сопротивление перегородки складывается из сопротивления самой и кольматирующего слоя осадка. Этот слой образуется на всех типах перегородок в начальный период фильтрования. С одной стороны, это повышает эффективность отделения наиболее мелких частиц (эффект «подушки»), с другой стороны, - приводит к возрастанию сопротивления. Толщину его можно принять равной

д_*= (0,01…0,25) мм, т.е. (0,00001…0,00025) м. Отсюда получаем

Продолжительность фильтрования

Для несжимаемых и мгновенносжимаемых осадков уравнение Рута-Кармана имеет аналитическое решение, которое для плоских фильтров выглядит следующим образом.

Продолжительность

Параметры уравнения фильтрования

С_Ф =

К_Ф =

Таблица 3

Области и условия применения фильтров

Примечания: А) Одинаково пригоден для отделения дисперсного продукта и очистки жидкости. Б) В числителе дроби указан наиболее частый вид продукта; в знаменателе - относительно редкий. В) Герметизированные фильтры соответствуют; открытые - нет.

Центрифуги

Применение центрифуг в целом более однозначно сравнительно с фильтрами. Центрифуги сравнительно редко применяют для очистного фильтрования жидких продуктов; главным образом - для выделения продуктов синтеза.

Если осадок сжимаемый (тиксотропный), следует применять только осадительные центрифуги. Другие аспекты применения определяются режимом производства, требованиями GMP и особенностями технологии.

Таблица 4

Области и условия применения центрифуг

Таблица 5

Свойства основных фильтровальных материалов и перегородок

Примечания

А) коррозионная стойкость сталей определяется сочетанием кислотных и окислительных свойств среды.

Б) Титан стоек в средах, не содержащих влажных галогенов и галогенводородов.

Материальный баланс фильтрования и центрифугирования

Фильтрование и центрифугирование всегда включают два основных типа технологических процедур: разделение (собственно фильтрование) и промывку.

1. Разделение

Разделение является чисто гидромеханическим процессом. В этом процессе участвуют: разделяемая суспензия и фильтрующая перегородка аппарата. В ходе процесса происходит разделение суспензии на влажный осадок и маточный раствор; при этом перегородка увлажняется средой и частично удерживает [кольматируется (забивается)] осадок.

Соответственно, матбаланс процесса выражается соотношением

Наибольшие потери присущи процессам фильтрования на перегородках из тканых материалов, бумаги и на дренажных подушках. Удержание влаги в них достигает = (200…500) г/м² [(50…150)% собственной сухой массы]. Плёночные и микропористые мембраны удерживают в (2…10) раз меньше.

Удержание осадков зависит не только от свойств перегородк...