Средний размер и форма пор фильтровальных перегородок  определяются размерами и формой элементов, из которых они изготовлены. При этом средний размер пор тем больше, чем крупнее указанные элементы, а форма пор тем единообразнее, чем правильнее форма этих элементов. Так, в зернистых слоях размер пор увеличивается с возрастанием размера составляющих частиц, а форма пор в слое из шарообразных частиц песка одинакового размера единообразнее, чем в слоях из одинаковых по размеру частиц диатомита или угля, имеющих очень неправильную форму. Аналогичные выводы можно сделать и для фильтровальных перегородок других типов. Фильтровальные перегородки почти всегда размещаются на различных опорных устройствах, которые также оказывают сопротивление движению жидкости. Так, фильтровальные перегородки из волокон и тканей размещаются обычно на опорных перегородках с отверстиями; при этом жидкость движется не только в направлении, перпендикулярном поверхности фильтровальной перегородки, но отчасти и в направлениях, параллельных этой перегородке, в тех зонах, которые находятся вблизи границы между фильтровальной и опорной перегородками.

Отделение твердых  частиц суспензии от жидкости при  помощи фильтровальной перегородки  является сложным процессом. Особенно существенно, что для такого отделения нет необходимости применять перегородку с порами, средний размер которых меньше среднего размера твердых частиц. Как оказывается, твердые частицы успешно задерживаются фильтровальными перегородками с порами, средний размер которых значительно превышает средний размер отделяемых частиц. Твердые частицы, увлекаемые потоком жидкости к фильтровальной перегородке, попадают в различные условия. Наиболее простой случай, когда твердая частица задерживается на поверхности фильтровальной перегородки и не проникает в пору вследствие того, что размер последней в начальном сечении меньше размера твердой частицы. Если размер твердой частицы меньше размера поры в самом узком ее сечении, частица может пройти через фильтровальную перегородку вместе с фильтратом. Однако она может задержаться внутри перегородки в результате адсорбции на стенках поры или механического торможения на том участке поры, который имеет очень неправильную форму. Такая застрявшая частица уменьшает эффективное сечение поры, и вероятность задерживания в ней последующих твердых частиц увеличивается. 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 фильтровальной перегородки. Это происходит тогда, когда над входом в пору на поверхности фильтровальной перегородки образуется сводик из нескольких относительно небольших твердых частиц, который пропускает жидкость и задерживает другие твердые частицы. Образование сводика наблюдается лишь при достаточно высокой концентрации твердых частиц в разделяемой суспензии. Все описанные явления встречаются на практике.

Мутность фильтрата  в начале фильтрования объясняется  прониканием твердых частиц через поры фильтровальной перегородки. Фильтрат становится прозрачным, когда перегородка приобретает достаточную задерживающую способность. Это достигается либо за счет уменьшения эффективности сечения пор при проникании в них твердых частиц, либо вследствие образования сводиков над входами в поры. При уменьшении эффективного сечения пор происходит фильтрование с закупориванием пор: на поверхности фильтровальной перегородки осадок почти не образуется и твердые частицы задерживаются внутри пор. Во втором случае осуществляется фильтрование с образованием осадка, когда твердые частицы почти не проникают внутрь фильтровальной перегородки. Увеличение сопротивления прохождению жидкости при фильтровании с закупориванием пор объясняется возрастанием сопротивления фильтровальной перегородки, а при фильтровании с образованием осадка — повышением сопротивления увеличивающегося слоя осадка.

В практических условиях необходимо считаться с  возможностью протекания более сложных процессов, в которых сочетаются характерные особенности процессов фильтрования с закупориванием пор и образованием осадка.

Рассмотренные взаимоотношения между фильтровальной перегородкой и твердыми частицами суспензии очень существенны и в значительной мере определяют закономерности фильтрования.

Процесс фильтрования с образованием осадка на практике встречается чаще, чем фильтрование с закупориванием пор. По достижении установленной толщины слоя осадка его снимают с фильтровальной перегородки различными механическими  устройствами или отделяют от нее обратным потоком фильтрата. Чтобы предотвратить появление мутного фильтрата в первый момент последующего цикла фильтрования, при снятии осадка механическими устройствами на фильтровальной перегородке иногда оставляют тонкий слой твердых частиц. С той же целью фильтрование в некоторых случаях начинают при небольшой, постепенно возрастающей разности давлений и приблизительно постоянной скорости процесса, а затем переходят к фильтрованию при постоянной разности давлений и постепенно уменьшающейся скорости процесса.

Структура образующегося  осадка и, следовательно, его сопротивление потоку жидкости зависят от свойств твердых частиц и жидкой фазы суспензии, а также от условий фильтрования.

Структура осадка прежде всего определяется гидродинамическими факторами, к числу которых относятся пористость осадка, размер составляющих его твердых частиц и удельная поверхность или сферичность этих частиц. Однако на структуру осадка очень сильно влияет и ряд других факторов, которые до некоторой степени условно можно назвать физико-химическими. Такими факторами являются, в частности, степень коагуляции или пептизации твердых частиц суспензии; содержание в ней смолистых и коллоидных примесей, закупоривающих поры; влияние электрокинетического потенциала, возникающего на границе раздела твердой и жидкой фаз в присутствии ионов и уменьшающего эффективное сечение пор; наличие сольватной оболочки на твердых частицах (действие ее проявляется при соприкосновении частиц в процессе образования осадка). Вследствие совместного влияния гидродинамических и физико-химических факторов изучение структуры и сопротивления осадка крайне осложняется и возможность вычисления величины сопротивления как функции всех этих факторов почти исключается. Влияние физико-химических факторов, тесно связанное с поверхностными явлениями на границе раздела твердой и жидкой фаз, в особенности проявляется при небольших размерах твердых частиц суспензии. По мере увеличения размера твердых частиц усиливается относительное влияние гидродинамических факторов, а по мере уменьшения их размера возрастает влияние физико-химических факторов. Из условий фильтрования, влияющих на его течение, наибольшее значение имеют разность давлений по обеим сторонам фильтровальной перегородки и температура суспензии. Температура суспензии влияет на вязкость ее жидкой фазы и соответственно на способность этой фазы проходить через поры осадка и фильтровальной перегородки.

Значение процессов  фильтрования возрастает с увеличением  масштабов производства химической и родственных ей отраслей промышленности. Это объясняется тем, что процесс  разделения суспензии нередко вызывает затруднения, обусловленные главным  образом большим сопротивлением осадка и соответственно малой скоростью  фильтрования. При этом для достижения заданной производительности фильтровальной установки требуется большое  число фильтров определенной конструкции. Поэтому возникла тенденция к  увеличению размеров фильтровального  оборудования и интенсификации процессов  фильтрования.

2.3 Барабанные фильтры.

Вакуум-фильтр

Вакуум-фильт -  аппарат для разделения суспензий, то есть жидкостей, содержащих твёрдые частицы во взвешенном состоянии. Разделение происходит в результате разности давлений, создаваемой вакуум-насосом, над фильтрующей перегородкой и под ней. Известны вакуум- фильтры периодического (рис. 1) и непрерывного (рис. 2) действия. Последний представляет собой горизонтальный вращающийся барабан, который изнутри разделён радиальными герметичными перегородками на отдельные ячейки, соединённые трубками с распределительной головкой. По мере вращения барабана в ячейках создаётся вакуум или избыточное давление. При вращении барабан проходит зону фильтрации, где жидкость засасывается в барабан, а твёрдые частицы оседают на фильтрующей ткани. После промывания осадка водой барабан входит в зону сушки, где через осадок просасывается воздух, затем в зону удаления осадка. Здесь изнутри барабана подаётся сжатый воздух, а осадок с поверхности барабана срезается ножом. Известны также дисковые, ленточные, тарельчатые, карусельные и др. В.-ф. непрерывного действия. В.-ф. широко применяют в химической и др. отраслях промышленности.        

Рис. 1. Вакуум-фильтр периодического действия: 1 — суспензия; 2 — резервуар; 3 — фильтрующая  поверхность (ткань, сетка, керамические плитки); 4 — решётка; 5 — штуцер, соединяющийся  со сборником фильтрата и вакуум-насосом; 6 — осадок.        

Рис. 2. Барабанный вакуум-фильтр непрерывного действия: 1 — барабан; 2 — перегородки; 3 —  распределительная головка (золотниковый механизм); 4 — корыто; 5 — нож для  срезания осадка; 6 — распределитель воды для промывания осадка; 7, 8 —  трубы для откачки соответственно отфильтрованной жидкости и промывной  воды; 9 — труба для подачи сжатого  воздуха. 

Барабанные фильтры представляют собой непрерывнодействующие барабанные фильтры, работающие чаще всего под вакуумом, значительно реже под давлением гидростатического столба суспензии и еще реже под избыточным давлением, создаваемым внешним источником.

Преимуществом этих фильтров является непрерывность  их действия; к недостаткам можно отнести невозможность произвольно изменять в широких пределах продолжительность отдельных операций в общем цикле их работы и относительную сложность конструкции. Поэтому следует поддерживать по возможности постоянными свойства разделяемой суспензии, поскольку при изменении этих свойств может значительно изменяться требуемая продолжительность отдельных стадий процесса разделения.  Барабанные фильтры со степенью погружения менее 0,5 используют главным образом для разделения малорасслаивающихся суспензий, так как в этих случаях необходимо лишь слабое перемешивание суспензии для предотвращения осаждения твердых частиц под действием силы тяжести. Эти фильтры менее пригодны для разделения полидисперсных суспензий, содержащих твердые частицы различных размеров, которые осаждаются под действием силы тяжести с разной скоростью. В таких случаях возможно образование на фильтровальной перегородке первоначального слоя осадка, состоящего из частиц небольшого размера и обладающего повышенным удельным сопротивлением.

Существуют различные  виды барабанных фильтров.

• Ячейковый барабанный вакуум-фильтр с наружной поверхностью фильтрования. Он характеризуется степенью погружения барабана в суспензию, равной 0,3—0,4; из барабанных фильтров он наиболее распространен в промышленности
• Барабанный вакуум-фильтр с устройством для снятия осадка шнурами
• Барабанный вакуум-фильтр со сходящей фильтровальной тканью.
• Барабанный вакуум-фильтр, работающий со слоем вспомогательного вещества.
• Ячейковый барабанный вакуум-фильтр без распределительного устройства
• Безъячейковый барабанный вакуум-фильтр
• Барабанные фильтры, работающие под давлением и вакуумом

 
Принцип работы барабанного  вакуум-фильтра

 
     фильтрование  аппарат перегородка дисперсный 

 
Рис.  Барабанный вакуум-фильтр:

1 – перфорированный  барабан, 2 – волнистая сетка;  З – фильтровальная перегородка; 4 – осадок; 5 – нож для съема  осадка, б – корыто для суспензии; 7 – касающаяся мешалка; 8 – устройство  для подвода промывной жидкости; 9 – камеры (ячейки) барабана; 10 –  соединительные трубки; 11 – вращающаяся  часть распределительной головки; 12 – неподвижная часть распределительной  головки; I – зона фильтрования  и отсоса фильтрата; II – зона  промывки осадка и отсоса промывных  вод; III – зона съема осадка; IV – зона очистки фильтровальной  ткани.  

Фильтр имеет  вращающийся цилиндрический перфорированный  барабан 1, покрытый металлической сеткой 2 и фильтровальной тканью 3. Часть  поверхности барабана (30–40%) погружена  в суспензию, находящуюся в корыте 6. С помощью радиальных перегородок  барабан разделен на ряд изолированных  друг от друга ячеек (камер) 9.

Ячейки с помощью  труб 10, составляющих основу вращающейся  части распределенной головки 11, соединяется  с различными полостями неподвижной  части распределительной головки 12, к которым подведены источники  вакуума и сжатого воздуха. При  вращении барабана каждая ячейка проходит несколько зон (I–IV).

Зона I – зона фильтрования и подсушивания осадка; где ячейки соединяются с линией вакуума. Благодаря возникающему перепаду, давления фильтрат проходит через фильтровальную ткань 3, сетку 2 и перфорацию барабана 1 внутрь ячейки и по трубе 10 выводится из аппарата. На наружной поверхности фильтровальной ткани формируется осадок 4. При выходе ячеек из суспензии осадок частично подсушивается.

Зона II – зона промывки осадка и его сушки, где ячейки соединены с линией вакуума. С помощью устройства 8 подается промывная жидкость, которая проходит через осадок и по трубам 10 выводится из аппарата. На участке этой зоны, где промывная жидкость не поступает, осадок высушивается.

Зона III – зона съема осадка, здесь ячейки соединены с линией сжатого воздуха для распыления осадка, что облегчает его удаление. Затем с помощью ножа 5 осадок отделяется от поверхности ткани.

Зона IV – зона регенерации фильтровальной перегородки, которая продувается сжатым воздухом от оставшихся на ней твердых частиц.

В корыте 6 для  суспензии происходит осаждение  твердых частиц под действием  силы тяжести, причем в направлении  обратном движению фильтрата. В связи  с этим возникает необходимость  перемешивания суспензий, для чего используют мешалку 7. Ячейки при вращении барабана проходят так, называемые «мертвые»  зоны в которых они оказываются  отсоединенными от источников, как  вакуума, так и сжатого газа.