Фильтр-пресс

Промышленный фильтр-пресс — это инструмент, используемый в процессах разделения , в частности, для разделения твердых веществ и жидкостей. Машина складывает множество фильтрующих элементов и позволяет легко открывать фильтр для удаления отфильтрованных твердых веществ, а также позволяет легко чистить или заменять фильтрующий материал.

Фильтр-прессы не могут работать в непрерывном процессе, но могут обеспечить очень высокую производительность, особенно когда требуется низкий уровень остаточной жидкости в твердом веществе. Помимо прочего, фильтр-прессы используются на мраморных заводах для отделения воды от шлама с целью повторного использования воды в процессе резки мрамора.

Обычно пульпа, которая будет разделена, впрыскивается в центр пресса, и каждая камера пресса заполняется. Оптимальное время заполнения гарантирует, что последняя камера пресса будет загружена до того, как грязь в первой камере начнет слеживаться. По мере заполнения камер давление внутри системы будет увеличиваться из-за образования густого шлама. Затем жидкость принудительно процеживается через фильтровальные ткани с помощью сжатого воздуха, но использование воды может быть более экономичным в некоторых случаях, например, если вода была повторно использована из предыдущего процесса.

Первая форма фильтр-пресса была изобретена в Великобритании в 1853 году и использовалась для получения растительного масла с помощью ячеек давления. Однако с ними было связано много недостатков, таких как высокие требования к рабочей силе и прерывистый процесс. Основные разработки в технологии фильтр-пресса начались в середине 20-го века. В Японии в 1958 году Кенитиро Курита и Сейити Сува преуспели в разработке первого в мире автоматического горизонтального фильтр-пресса для повышения эффективности удаления осадка и поглощения влаги. Девять лет спустя компания Kurita начала разрабатывать гибкие диафрагмы для снижения влажности в фильтр-кеках. Устройство позволяет оптимизировать автоматический цикл фильтрации, сжатие осадка, выгрузку осадка и промывку фильтровальной ткани, что приводит к увеличению возможностей для различных промышленных применений. Подробный исторический обзор, относящийся к тому времени, когда династия Шан использовала прессы для извлечения чая из листьев камелии и масла из шиповника в 1600 году до нашей эры, был составлен К. МакГрю. ^[1]

Существует четыре основных типа фильтр-прессов: пластинчатые и рамные фильтр-прессы, углубленные пластинчатые и рамные фильтр-прессы, мембранные фильтр-прессы и (полностью) автоматические фильтр-прессы.

Фильтр-пресс с пластинами и рамами является наиболее фундаментальной конструкцией и может называться «мембранным пластинчатым фильтром». Этот тип фильтр-пресса состоит из множества чередующихся пластин и рам, собранных с опорами пары рельсов, с фильтрующими мембранами, вставленными между каждой парой пластина-рама. ^{[ необходима цитата ]}

• Пластины обеспечивают поддержку мембран фильтра под давлением и имеют узкие щели, позволяющие фильтрату протекать через мембрану в пластину, а затем в систему сбора.
• Рамы образуют камеру между мембранами и пластинами, в которую закачивается шлам и накапливается фильтровальный осадок.

Стопка сжимается с достаточной силой, чтобы обеспечить герметичное уплотнение между каждой пластиной и рамой, мембрана фильтра может иметь встроенное уплотнение по краю или сам фильтрующий материал может выступать в качестве прокладки при сжатии.

По мере того, как пульпа прокачивается через мембраны, фильтровальный осадок накапливается и становится гуще. Сопротивление фильтра также увеличивается, и процесс останавливается, когда перепад давления достигает точки, когда пластины считаются достаточно заполненными.

Чтобы удалить фильтровальный осадок и очистить фильтры, стопка пластин и рамок отделяется, и осадок либо падает, либо соскребается с мембран и собирается в поддоне ниже. ^[2] Затем фильтровальные мембраны очищаются с помощью промывочной жидкости, и стопка повторно сжимается, готовая к началу следующего цикла. ^[3]

Ранним примером этого является фильтр-пресс Dehne, разработанный ALG Dehne (1832–1906) из Галле , Германия, и широко используемый в конце 19-го и начале 20-го века для извлечения сахара из сахарной свеклы и сахарного тростника , а также для сушки рудных шламов. Его большим недостатком было количество труда, затрачиваемого на его эксплуатацию. ^[4]

Автоматический фильтр-пресс имеет ту же концепцию, что и ручной фильтр и рамный фильтр, за исключением того, что весь процесс полностью автоматизирован . ^[5] Он состоит из более крупных пластинчатых и рамных фильтр-прессов с механическими «пластинчатыми сдвигателями». ^{[ требуется цитата ]} Функция пластинчатого сдвигателя заключается в перемещении пластин и обеспечении быстрой выгрузки фильтрационных лепешек, скопившихся между пластинами. Он также содержит мембранный компрессор в фильтрационных пластинах, который помогает оптимизировать рабочие условия путем дальнейшей сушки фильтрационных лепешек. ^{[ требуется цитата ]}

Полностью автоматические фильтр-прессы обеспечивают высокую степень автоматизации, обеспечивая при этом бесперебойную работу. Например, опция системы одновременного открытия фильтровальной пластины помогает реализовать особенно быстрое освобождение осадка, сокращая время цикла до минимума. Результатом является высокоскоростной фильтр-пресс, который позволяет увеличить производительность на единицу площади фильтра. По этой причине эти машины используются в приложениях с высокофильтруемыми продуктами, где требуются высокие скорости фильтрации. К ним относятся, например, концентраты и остатки горнодобывающей промышленности. Существуют различные системы для полностью автоматической работы. К ним относятся, например, устройства вибрации/тряски, версия с зажимом/тканью распределителя или скребковые устройства. Время работы полностью автоматического фильтр-пресса без обслуживающего персонала составляет 24/7. ^{[ необходима цитата ]}

Фильтр-пресс с утопленной пластиной не использует рамы, а вместо этого имеет углубление в каждой пластине с наклонными краями, в котором лежат фильтровальные ткани, фильтровальный осадок накапливается в углублении непосредственно между двумя пластинами, и когда пластины разделены, наклонные края позволяют осадку выпадать с минимальным усилием. ^[6] Для упрощения конструкции и использования пластины обычно имеют отверстие в центре, проходящее через фильтровальную ткань и вокруг которого она герметизируется, так что пульпа течет через центр каждой пластины вниз по стопке, а не внутрь от края каждой пластины. Хотя этот метод легче чистить, у него есть недостатки, такие как более длительное время замены ткани, невозможность размещения фильтрующих материалов, которые не могут соответствовать изогнутому углублению, например, бумаги, и возможность образования неравномерного осадка. ^[7]

Мембранные фильтр-прессы оказывают большое влияние на сухость твердого вещества, используя надувную мембрану в фильтровальных пластинах для сжатия остаточной жидкости из фильтровального осадка перед открытием пластин. По сравнению с обычными процессами фильтрации, он достигает самых низких значений остаточной влажности в фильтровальном осадке. Это делает мембранный фильтр-пресс мощной и широко используемой системой. В зависимости от степени обезвоживания, в фильтровальном осадке может быть достигнуто различное содержание сухого вещества (содержание сухого вещества - процент по весу сухого материала в фильтровальном осадке) путем сжатия мембранными пластинами. Диапазон достижимого содержания сухого вещества простирается от 30 до более 80 процентов. Мембранные фильтр-прессы не только предлагают преимущество чрезвычайно высокой степени обезвоживания; они также сокращают время цикла фильтрации в среднем более чем на 50 процентов, в зависимости от суспензии. Это приводит к более быстрому циклу и времени оборота, что приводит к повышению производительности. Среда надувания мембраны состоит либо из сжатого воздуха, либо из жидкой среды (например, воды).

Фильтр-прессы используются в огромном количестве различных применений, от обезвоживания шламов горнодобывающей промышленности до очистки плазмы крови . ^[3] В то же время технология фильтр-прессов широко применяется для сверхтонкого обезвоживания угля , а также для извлечения фильтрата на углеобогатительных фабриках. По словам Г. Прата, «фильтр-пресс оказался наиболее эффективным и надежным методом, отвечающим сегодняшним требованиям». ^[8] Одним из примеров является пластинчатый фильтр-пресс Pilot Scale, который специализируется на обезвоживании угольных шламов. В 2013 году Общество горного дела, металлургии и разведки опубликовало статью, освещающую это конкретное применение. ^[9] Было отмечено, что использование фильтр-пресса очень выгодно для работы завода, поскольку он обеспечивает обезвоживание сверхчистого угля в качестве продукта, а также улучшает качество удаляемой воды для очистки оборудования. ^[10]

Другие промышленные применения автоматических мембранных фильтр-прессов включают обезвоживание шлама городских отходов, ^[11] рекуперацию воды из готовой бетонной смеси, ^[12] рекуперацию концентрата металла и крупномасштабное осушение прудов с летучей золой. ^[13]

Многие специализированные приложения связаны с различными типами фильтр-прессов, которые в настоящее время используются в различных отраслях промышленности. Пластинчатый фильтр-пресс широко используется в операциях по сахарированию , таких как производство кленового сиропа в Канаде , поскольку он обеспечивает очень высокую эффективность и надежность. По словам М.Иссельхардта, «внешний вид может повлиять на ценность кленового сиропа и восприятие качества покупателем». ^[14] Это делает процесс фильтрации сырого сиропа чрезвычайно важным для получения желаемого продукта с высоким качеством и привлекательной формой, что еще раз показывает, насколько высоко ценятся методы фильтр-прессов в промышленности.

Ниже приведены некоторые типичные расчеты фильтр-пресса, используемые для операций по обработке, применяемых при очистке сточных вод:

S= (B x 8,34 фунта/галлон x s) ⁄ A
Где,

S — скорость загрузки твердого вещества в фунтах+h ⁄ фут 2 .<r />B — это твердые частицы биологического происхождения в галлонах / час,
s — это % твердых частиц/100.
A — площадь пластины в футах2 .

${\displaystyle NFY={\frac {S\times P}{TCT}}}$

Где:

• NFY — чистая производительность фильтра в кг/ч/м ² .
• S — интенсивность нагрузки по твердым частицам в кг/ч/м ² .
• P — период в часах.
• TCT — общее время цикла в часах.

(S × P) дает время работы фильтра. ^[15]

${\displaystyle u={\frac {1}{A}}{\frac {dV}{dt}}={\frac {\Delta P}{\mu \times (R_{c}+R_{f})}}}$

Где:

• u - скорость потока фильтрата через ткань и осадок (м/с),
• dV/dt – объемная скорость фильтрации (м ³ /с),
• R _c — сопротивление фильтрационной корки (м-1),
• R _ф - начальное сопротивление фильтра (сопротивление начального слоя осадка, фильтровальных полотен, пластины и канала) (м-1),
• μ — вязкость фильтрата (Н·с/м ² ),
• ΔP — это разница давлений (Н/м ² ) между двумя сторонами фильтрующего материала,
• А — площадь фильтрации (м2 ⁾ .

Это наиболее важные факторы, которые влияют на скорость фильтрации. Когда фильтрат проходит через фильтровальную пластину, образуются отложения твердых частиц и увеличивается толщина осадка, что также увеличивает Rc, в то время как Rf предполагается постоянным. ^[16] Сопротивление потоку от осадка и фильтрующей среды можно изучить, рассчитав скорость потока фильтрации через них.

Если скорость потока постоянна, можно получить соотношение между давлением и временем. Фильтрация должна осуществляться путем увеличения разницы давления, чтобы справиться с увеличением сопротивления потоку, вызванным закупоркой пор. ^[16] Скорость фильтрации в основном зависит от вязкости фильтрата, а также сопротивления фильтровальной пластины и осадка.

Высокая скорость фильтрации может быть получена при производстве тонкого осадка. Однако обычный фильтр-пресс представляет собой периодическую систему, и процесс должен быть остановлен для выгрузки осадка и повторной сборки пресса, что занимает много времени. Практически максимальная скорость фильтрации достигается, когда время фильтрации больше, чем время, необходимое для выгрузки осадка и повторной сборки пресса, чтобы обеспечить сопротивление ткани. ^[16] Свойства фильтр-кека влияют на скорость фильтрации, и желательно, чтобы размер частиц был как можно больше, чтобы предотвратить закупорку пор с помощью коагулянта . Из экспериментальной работы следует, что скорость потока жидкости через фильтрующую среду пропорциональна разнице давления. ^[17] По мере формирования слоя осадка давление, применяемое к системе, увеличивается, а скорость потока фильтрата уменьшается. ^[7] Если требуется твердое вещество, чистоту твердого вещества можно повысить путем промывки осадка и воздушной сушки. ^[18] Образец фильтр-кека можно взять из разных мест и взвесить, чтобы определить содержание влаги с помощью общего материального баланса. ^[9]

Выбор типа фильтр-пресса зависит от значения жидкой фазы или твердой фазы. Если требуется извлечение жидкой фазы, то фильтр-пресс является одним из наиболее подходящих методов для использования. ^[19]

В настоящее время фильтрующие пластины изготавливаются из полимеров или стали, покрытой полимером. Они обеспечивают хорошую дренажную поверхность для фильтровальных тканей. Размеры пластин варьируются от 10 на 10 см до 2,4 на 2,4 м и от 0,3 до 20 см для толщины рамы. ^[18]

Типичные площади ткани могут варьироваться от 1 м ² или менее в лабораторных масштабах до 1000 м ² в производственных условиях, хотя пластины могут обеспечивать площади фильтрации до 2000 м ² . Обычно пластинчатый и рамный фильтр-пресс может формировать до 50 мм толщины осадка, однако в экстремальных случаях его можно проталкивать до 200 мм. Углубленный пластинчатый пресс может формировать до 32 мм толщины осадка. ^[7]

На заре использования прессов в отрасли обработки твердых биоматериалов муниципальных отходов проблемы с прилипанием осадка к ткани были проблематичными, и многие очистные сооружения перешли на менее эффективные технологии центрифуг или ленточных фильтр- прессов. С тех пор качество ткани и технология производства значительно улучшились, что сделало эту проблему устаревшей. ^[20] В отличие от США, технология автоматической мембранной фильтрации является наиболее распространенным методом обезвоживания твердых биоматериалов муниципальных отходов в Азии. Влажность обычно на 10-15% ниже, и требуется меньше полимера, что экономит расходы на транспортировку и общую стоимость утилизации.

Рабочее давление обычно составляет до 7 бар для металла. ^[18] Усовершенствование технологии позволяет удалять большое количество влаги при давлении 16 бар и работать при 30 бар. ^[3] Однако для деревянных или пластиковых рам давление составляет 4-5 бар. ^[18] Если концентрация твердых частиц в расходном резервуаре увеличивается до тех пор, пока твердые частицы не прикрепятся друг к другу. Можно установить подвижные лопасти в фильтр-прессе, чтобы уменьшить сопротивление потоку жидкости через пульпу. [ ^21] Для процесса перед выгрузкой кека используется продувка воздухом для кеков, которые имеют проницаемость от 10−11 ^до 10−15 ^м2 . ^{[ 9]}

Предварительная обработка пульпы перед фильтрацией необходима, если твердая суспензия осела. Коагуляция в качестве предварительной обработки может улучшить производительность фильтр-пресса, поскольку она увеличивает пористость фильтрационного осадка, что приводит к более быстрой фильтрации. Изменение температуры, концентрации и pH может контролировать размер хлопьев. Более того, если фильтрационный осадок непроницаем и затруднен для потока фильтрата, в процесс предварительной обработки можно добавить химикат для фильтрования, чтобы увеличить пористость осадка, уменьшить сопротивление осадка и получить более толстый осадок. Однако фильтрационные добавки должны иметь возможность удаляться из фильтрационного осадка либо путем физической, либо химической обработки. Обычным фильтрационным вспомогательным средством является кизельгур, который обеспечивает пустотность 0,85. ^[21]

С точки зрения обработки осадка, фильтр-пресс периодического действия требует большого размера разгрузочного лотка для удержания большого количества осадка, и система обходится дороже по сравнению с фильтр-прессом непрерывного действия с той же производительностью. ^[3]

Существует два возможных метода промывки, которые используются: «простая промывка» и «полная промывка». При простой промывке промывочная жидкость протекает через тот же канал, что и пульпа, с высокой скоростью, вызывая эрозию кеков вблизи точки входа. Таким образом, образованные каналы постоянно увеличиваются, и поэтому обычно достигается неравномерная очистка. Лучшая технология — это полная промывка, при которой промывочная жидкость вводится через другой канал за фильтровальной тканью, называемый промывочными пластинами. Она протекает через всю толщину кеков сначала в противоположном направлении, а затем в том же направлении, что и фильтрат. Промывочная жидкость обычно выводится через тот же канал, что и фильтрат. После промывки кеки можно легко удалить, подавая сжатый воздух для удаления избытка жидкости. ^[18]

В настоящее время фильтр-прессы широко используются во многих отраслях промышленности, они также производят различные виды отходов. Вредные отходы, такие как токсичные химикаты из красильной промышленности, а также патогены из потока отходов, могут накапливаться в отходах; следовательно, требования к обработке этих отходов будут другими. Поэтому перед сбросом потока отходов в окружающую среду применение последующей обработки будет важным этапом дезинфекции. Это необходимо для предотвращения рисков для здоровья местного населения и рабочих, которые имеют дело с отходами (фильтр-кеками), а также для предотвращения негативного воздействия на нашу экосистему. Поскольку фильтр-пресс производит большое количество отходов, если их нужно утилизировать путем рекультивации земель, рекомендуется утилизировать в районах, которые кардинально изменены, например, в районах добычи полезных ископаемых, где разработка и фиксация растительности невозможны. Другой метод - сжигание, которое уничтожит органические загрязнители и уменьшит массу отходов. Обычно это делается в закрытом устройстве с использованием контролируемого пламени. ^[2]

Было много споров о том, достаточно ли фильтр-прессов, чтобы конкурировать с современным оборудованием в настоящее время и в будущем, поскольку фильтр-прессы были одними из старейших машинных устройств для обезвоживания. Повышение эффективности возможно во многих приложениях, где современные фильтр-прессы обладают наилучшими характеристиками для работы, однако, несмотря на то, что было сделано много механических усовершенствований, фильтр-прессы по-прежнему работают по той же концепции, что и при их первом изобретении. Отсутствие прогресса в повышении эффективности, а также отсутствие исследований по решению связанных с фильтр-прессами проблем предполагают возможность недостаточной производительности. В то же время многие другие типы фильтров могли бы выполнять ту же или лучшую работу, что и пресс-фильтры. В некоторых случаях важно сравнивать характеристики и производительность. ^[22]

Фильтр-прессы предлагают широкий спектр применения, одним из его основных предложений является возможность обеспечить большую площадь фильтрации в относительно небольшой площади. Доступная площадь поверхности является одним из важнейших измерений в любом процессе фильтрации, поскольку она максимизирует скорость потока и производительность фильтра. Фильтр-пресс стандартного размера предлагает площадь фильтрации 216 м ² , тогда как стандартный ленточный фильтр предлагает только около 15 м ² . ^[22]

Фильтр-прессы обычно используются для обезвоживания шламов с высоким содержанием твердых частиц на заводах по обработке металла, одной из технологий пресс-фильтрации, которая может выполнить эту работу, является метод ротационного напорного фильтра, который обеспечивает непрерывное производство в одном блоке, где фильтрация направлена ​​через давление. Однако в случаях, когда концентрация твердых частиц в шламах с высоким содержанием твердых частиц слишком высока (50%+), лучше обрабатывать эти шламы с помощью вакуумной фильтрации, например, непрерывного индексирующего вакуумного ленточного фильтра, поскольку высокая концентрация твердых частиц в шламах увеличит давление, а если давление слишком высокое, оборудование может быть повреждено и/или работать менее эффективно. ^[22]

В будущем требования рынка к современной фильтрационной промышленности станут более тонкими и более высокой степенью разделения, особенно в целях переработки материалов, энергосбережения и зеленых технологий. Для удовлетворения растущих требований к более высокой степени обезвоживания труднофильтруемых материалов требуются фильтры сверхвысокого давления. Поэтому тенденция к повышению давления для автоматических фильтр-прессов будет продолжать развиваться в будущем.

Обычные механизмы фильтр-пресса обычно используют механическое сжатие и воздух для удаления жидкости; однако эффективность производства кека с низким содержанием влаги ограничена. Был введен альтернативный метод, использующий пар вместо воздуха для обезвоживания кека. Метод парового обезвоживания может быть конкурентоспособным методом, поскольку он предлагает продукт в виде кека с низким содержанием влаги. ^[23]

На Викискладе есть медиафайлы по теме Фильтр-прессы .