СЕПАРАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

7.1. 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 7.1.

Таблица 7.1 - 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.

7.2. 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 φ_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.

7.4. ФИЛЬТРЫ

7.4.1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ФИЛЬТРОВ

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРЕГОРОДОК

1. 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 (Рисунок 7.1).

Рисунок 7.1 Схема многослойной

мягкой гибкой перегородки

1. Фильера

2. Подложка (плотная ворсистая) – бельтинг/диагональ 3

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.

2. 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.

3. ПЛЕНКИ

Плёнки используют в мембранных установках для ультра- и нанофильтрования., диализа и обратного осмоса. В таблице 7.1 в качестве примера приведены лишь самые распространённые плёночные материалы. Это чрезвычайно перспективный класс сепарационной техники, реализующий нанотехнологии.

4. 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.

5. КОМБИНИРОВАННЫЕ

5.1. 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. Схема такой перегородки приведена на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 - Схема многослойной

мягкой негибкой перегородки

1. Фильера

2. Подложка

3. Слой/слои фильтровальной бумаги

4. Покровный слой

5. Дренажный слой («подушка»)

Рисунок 7.3 – Аппаратурная схема узла

фильтрования с намыванием «подушки»

1. Фильтр

2. Аппарат для приготовления пульпы сорбента

3. Смотровой фонарь

4. Промежуточный сборник

5. Сборник основного фильтрата

6. Контейнер для отработанного сорбента

“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.

5.2. ЖЁСТКИЕ ГИБКИЕ

Жёсткие гибкие комбинированные перегородки (рисунок 7.4.) 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.

Рисунок 7.4 - Схема многослойной

мягкой негибкой перегородки

1. Фильера 4

2. Подложка (крупноячеистая сетка) 3

3. Фильтровальный слой 2

4. Покровный слой (мелкоячеистая сетка) 1

5. Крепёжный болт-фиксатор

6. 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 фильтрматериалов, 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.

7.3.2. ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПЕРЕГОРОДКИ

Таблица 7.5 – 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

7.6. 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.

7.6.1. ФИЛЬТРЫ

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.