Гидродинамическое вибрационное фильтрование в системах очистки и восстановления отработанных высоковязких жидкостей

Фильтрование – эффективный метод разделения жидких неоднородных систем, широко применяемый в лабораторных и промышленных условиях (в химической, пищевой, нефтеперерабататывающей, горнорудной и др. областях промышленности).

В соответствии со свойствами используемых фильтрующих материалов и извлекаемых из масел примесей процесс фильтрования состоит из отложения, фиксации и отрыва. Механизм отложения бывает двух видов: механическое задержание извлекаемых примесей и их отложение в порах. При механическом процеживании из масла удаляются все примеси, превышающие размеры пор, при этом задержанные частицы сами создают фильтрующий слой.

Чем меньше размеры пор фильтрующей перегородки, тем более высоким будет достигаемый эффект. Процесс поверхностного фильтрования подчиняется закону Дарси:

;

где U - скорость фильтрования, м/с;

P - потенциал напора, м;

- динамическая вязкость, Н×сек/м²;

W - масса осадка, кг, на единицу объема фильтрата V, м³;

r - удельное сопротивление осадка фильтрования;

А - площадь поверхности фильтра, м². 
 Фильтрование через пористую основу (объемное фильтрование) сопровождается 
отложением задержанных примесей на ее поверхности или внутри пор. Тип 
фильтрования определяется критерием:

E=18P/[2d(S-e)R],

где P - потери напора, м;

R - удельное сопротивление осадка фильтрования;

d - средний диаметр задержанных частиц, м;

S - коэффициент сжимаемости осадка.

Если Е<100 - фильтрование будет пленочным (поверхностным), при Е=100-1000 - фильтрование смешанное и в объеме, а если Е>100 - фильтрование объемное.

Отложение взвешенных веществ в порах фильтрующей перегородки происходит, если их размер меньше диаметра пор и траектория движения частиц приводит к их контакту с поверхностью поровых каналов. Этому способствуют прямое столкновение, диффузия за счет броуновского движения, инерция частиц, осаждение под действием сил гравитации, вращательное движение под действием гидродинамических сил, прилипание за счет Ван-дер-ваальсовых сил. Фиксирование частиц примесей на поверхности и в порах фильтрующей перегородки обусловлено небольшими скоростями движения жидкости, силами когезии и адсорбции. При фильтровании происходит уменьшение живого сечения проходных отверстий или порогового пространства фильтрующей перегородки вследствие осаждения частиц. Это влечет за собой увеличение скорости потока и изменение его режима от ламинарного к турбулентному. При этом задержанные частицы примесей будут частично отрываться и перемещаться потоком глубже в поры фильтрующей основы, забивая их и даже выноситься с фильтратом. Выбор объемного или поверхностного фильтрования обусловлен требуемым качеством фильтрата, качеством очистки и экономическими соображениями. Каждый вид фильтрования сопряжен с определенными капитальными и эксплуатационными затратами, которые определяются предварительной обработкой, методами промывки фильтров, степенью автоматизации процесса и способами контроля за ним.

При поверхностном фильтровании через перфорированные перегородки различают три вида процесса: макрофильтрование (макропроцеживание), при котором из масла извлекают частицы крупностью более 150 мкм, микрофильтрование-извлекают частицы размером 1-150 мкм и ультрафильтрование-извлекают частицы размером 0,004-0,4 мкм. В результате макрофильтрования через перфорированные пластины или сетки с размером отверстий более 0,3 мм (барабанные или ленточные сетки) из масла извлекают грубодисперсные примеси, имеющие размеры от 0,2 до некоторых миллиметров.

При фильтровании через пористую перегородку через слой зернистого материала в зависимости от заряда и соотношения размеров примесей масла и зерен фильтрующей загрузки имеют место три вида процесса:

1) отложение примесей на поверхности фильтрующего слоя (пленочное фильтрование), описываемое формулой Ханзена:

d_min=0,01(d_экв*V);

где d_min  - диаметр наименьших задерживаемых частиц;

D_экв -эффективный диаметр зерен загрузки;

V-скорость фильтрования;

2) отложение примесей  в порах фильтрующей загрузки (объемное фильтрование);

3) одновременное формирование примесями пленки и их отложение в порах фильтрующей загрузки. Пленочное фильтрование лежит в основе работы медленных фильтров. Это процесс чисто механического извлечения диспергированных примесей. В основе объемного фильтрования лежат физико-химические процессы, основанные на предварительном коагулировании примесей.

Коагуляция-(от лат. Coagulatio - свёртывание, сгущение), слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты - более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных). Первичные частицы в таких скоплениях соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц (увеличением размера и массы агрегатов) и уменьшением их числа в объёме дисперсионной среды - жидкости или газа.

Различают быструю и медленную коагуляцию. При быстрой коагуляции почти каждое соударение частиц эффективно, т. е. приводит к их соединению; при медленной коагуляции соединяется часть сталкивающихся частиц.

Коагуляция - самопроизвольный процесс, который, в соответствии с законами термодинамики, является следствием стремления системы перейти в состояние с более низкой свободной энергией. Однако такой переход затруднен, а иногда практически невозможен, если система агрегативно устойчива, т. е. способна противостоять укрупнению (агрегированию) частиц. Защитой от коагуляции при этом может быть электрический заряд или слой на поверхности частиц, препятствующий их сближению. Нарушить агрегативную устойчивость можно, например, повышением температуры (термокоагуляция), перемешиванием или встряхиванием, введением коагулирующих веществ (коагулянтов) и др. видами внешнего воздействия на систему.

В основе объемного фильтрования лежат процессы адгезии скоагулированных примесей на поверхности зерен фильтрующей загрузки, т.е. отрыва ранее адсорбированных частиц и перенос их гидродинамическими силами потока в нижние слои загрузки. В каждом слое загрузки масло осветляется до тех пор, пока силы частиц не начинают превалировать над силами адгезии и аутогезии (взаимодействия между частицами в адсорбированном слое)

 

 

2.2.1. Фильтры грубой и тонкой очистки топлива

Рисунок.2. Фильтры грубой (а) и тонкой (б) очистки топлива.

1 – корпус; 2 – пружина; 3 – штуцер; 4 – корпус; 5 – болт; 6 – штуцер; 7 – фильтрующий элемент; 8 – отверстия юля прохода топлива; 9 – латунные (алюминивые) пластины; 10 – стойка; 11 – стакан-отстойник; 12 - корпуса с топливоподводящим и отводящим штуцерами и ушком; 13 - стакан-отстойник; 14 - сетчатый фильтрующий элемент; 15 – пружина; 16 – уплотнительная бензостойкая прокладка; 17 – барашковая гайка.

 

Фильтр-отстойник (рис.2, а) служит для предварительной (грубой) очистки топлива от частиц более 0,05 мм и устанавливается на грузовых автомобилях ГАЗ и ЗИЛ между топливным баком и насосом. Он состоит из корпуса 4, к которому через уплотнительную прокладку болтом 5 крепится стакан-отстойник 11. В стакане на пустотелом стержне установлен фильтрующий элемент 7, набранный из латунных или алюминиевых пластин 9 на стойке 10 и пружиной 2 поджимается к корпусу 4 через уплотнительную прокладку. На каждой пластине выдавлены выступы высотой 0,05 мм и просверлены отверстия 8 для прохода топлива. Благодаря выступам между пластинами образуются щели, сквозь которые проходит топливо, примеси задерживаются и вместе с водой опускаются вниз в стакан-отстойник, откуда периодически удаляются. Топливо подводится по штуцеру 6 и, очистившись, по отверстиям 8 проходит в корпус и штуцером 3 отводится в топливный насос.

Фильтр тонкой очистки служит для окончательной очистки топлива от мелких примесей и воды. Устанавливается между топливным насосом и карбюратором. Он состоит (рис.2, б) из корпуса 12 с топливоподводящим и отводящим штуцерами и ушком для крепления на двигателе. Снизу к корпусу через уплотнительную бензостойкую прокладку скобой 16 и барашковой гайкой 17 крепится стакан-отстойник 13, внутри которого установлен керамический или латунный сетчатый фильтрующий элемент 14 с пружиной 15.

 

2.1.2. Достоинства и недостатки традиционного фильтрования

 

Достоинства традиционного фильтрования:

• аппараты фильтрования просты и надежны в работе;
• высокая степень очистки;
• из-за популярности такого вида фильтрования оно является доступным и дешевым.

 

Недостатки традиционного фильтрования:

• уменьшение пропускной способности с течением времени и увеличение перепада давления на ФП обуславливает определенную продолжительность времени работы фильтра, при достижении которого необходимо удалить с поверхности ФП или из ее пор задержанные частицы, т. е. восстановить ее фильтрующую способность (регенерировать);
• Также отрицательной стороной фильтровальных перегородок не находящихся в поле действия сил является тот фактор, что при достижении фильтровальной перегородкой предельного значения гидравлического сопротивления должен включиться специальный клапан, который пропускает часть неочищенной жидкости в зону с очищенной жидкостью для предотвращения аварии. Это особенно важно, если концентрация механических и других примесей строго нормируется и не допускается никакого превышения этих норм в особо ответственных процессах для получения стабильно чистых жидкостей. В этих случаях используют параллельные линии очистки, которые включаются в случае необходимости замены или регенерации основной линии очистки. Но для контроля достижения критического гидравлического давления на линиях очистки нужны различные регистрирующие устройства, автоматические средства управления и переключения процессов очистки, датчики, которые не всегда могут быть точны, т.к. сложно учесть все конкретные условия, такие как: температура жидкости, плотность жидкости, случайное засорение примесями, содержание влаги, стабильность эмульсии и содержания комплекса присадок, добавок и  т.д. Автоматическое управление параллельными линиями очистки является сложным, дорогим, имеющим большие габаритные размеры, увеличивающиеся  по мере увеличения пропускной способности или тонкости очистки, процессом;
• При фильтровании мелкодисперсных суспензий, крупность твердых частиц которых составляет менее 40 мкм, перегородка быстро забивается мелкими частицами и теряет способность к регенерации обычными методами – зачастую, для дальнейшей работы ФП должна быть заменена на новую;
• Для обеспечения требуемой тонкости очистки при глубинном фильтровании возникает необходимость использования высоконапорного гидравлического оборудования;
• Для повышения производительности фильтра необходимо интенсифицировать процесс. Одним из способов является сочетание действий различных силовых механизмов, совместная работа которых значительно интенсифицирует процесс очистки. Наибольшее распространение получило сочетание процесса фильтрования с центробежным и вибрационным полями.

 

2.3. Фильтрование в поле действия вибрационных сил

 

Вибрационные фильтры делятся:

1. по принципу действия:

1. колебательное движение создается перегородкой;

2. колебательное движение создается из-за парциальной подачи жидкости в фильтр.

2. по частоте вибраций:

1. высокочастотные;
2. низкочастотные.

3. по направлению вибраций фильтровальной перегородки:

1. поперечное;
2. продольное.

2.3.1. Вибрационный (ультразвуковой) фильтр

Рисунок 3. Вибрационный (ультразвуковой) фильтр

1 – корпус; 2 – фильтровальная перегородка; 3 – стержень электромагнитного вибратора; 4 – резиновая мембрана; 5 – излучатель; 6 – кожух излучателя.

 

Суспензия подается в нижнюю часть разъемного корпуса фильтра через боковой штуцер и поднимается к фильтровальной перегородке 2, состоящей из двух жестких решеток, между которыми заложена фильтровальная ткань. Перегородка закреплена на резиновой мембране 4, зажатой между верхней и нижней частями корпуса фильтра. Решетки перегородки 2 жестко соединены посредством вертикального стержня 3 с излучателем 5 (магнитострикционного или электромагнитного типа), который заключен Б кожух 6, охлаждаемый водой Фильтрат проходит сквозь фильтровальную перегородку, которой сообщаются упругие колебания, поступает в верхнюю часть корпуса аппарата и отводится через верхний боковой штуцер, осадок удаляется из конического днища фильтра через нижний штуцер. Описанный фильтр может длительное время работать без чистки и замены фильтровальной перегородки.

 

2.4. Вибрационно-фильтрующие центрифуги

2.4.1. Вертикальная фильтрующая центрифуга

 

На рис. 4 изображена схема вертикальной фильтрующей центрифуги с вибрационной выгрузкой осадка. Конический ротор центрифуги, обращенный большим основанием вверх, помимо вращения вокруг вертикальной оси совершает колебательные движения высокой частоты и малой амплитуды вдоль оси ротора. Исходный материал поступает в нижнюю часть вращающегося и колеблющегося ротора. Центробежной силой материал распределяется по внутренней поверхности ротора ровным слоем. Вода фильтруется через слой осадка и продольные щели в стенке ротора, после чего удаляется по сливной трубе. Осадок под действием продольных вибраций движется по стенке ротора вверх и разгружается через верхний край ротора.