FILTRACJA

• dobór przegrody filtracyjnej zależy od:

• rodzaju procesu technologicznego

• stężenia osadu i jego rozkładu granulometrycznego (jak wielkie są ziarenka osadu, czy jednakowej wielkości, czy różnej)

• określenie wielkości filtra zależy od:

•wielkości przepływu cieczy

•jej lepkości i temperatury roboczej

• wymaganej dokładności filtracji

• sposobu pracy filtra(ciągły, okresowy)- rzutuje na ekonomikę procesu - duże ilości- ciągły sposób pracy; mniejsze - okresowe

• ciśnienia roboczego cieczy i max dopuszczalnego spadku ciśnienia

• stężenia zanieczyszczeń i ich rozkładu granulometrycznego

Szybkość filtracji zależy:

• wprost proporcjonalnie od współczynnika przepuszczalności, powierzchni przegrody filtracyjnej, różnicy ciśnień( to główna siła napędowa procesu - dąży się do jej maksymalizacji);

• odwrotnie proporcjonalnie od grubości placka i lepkości cieczy.

1.Filtracja oczyszczająca - pozwala na uzyskanie czystego filtratu

( np. uzyskiwanie wody oczyszczonej do produkcji)

- stosowana przy zawiesinach ciała stałego <0.1% mas;

2. Filtracja rozdzielająca - stosowana przy stężeniach ciała stałego > 1%

• jej produktem jest osad lub filtrat

Zasadniczy element każdego urządzenia filtracyjnego to przegroda filtracyjna - tworzą ją:

- usypana warstwa mat. drobnoziarnistego - filtracja wgłębna ( objętościowa)

- tkanina filtracyjna, masy porowate, własny osad ( placek) filtracyjny - filtracja powierzchniowa

Najnowszy obszar zastosowań - filtracja membranowa ( oczyszczająca); dzieli się na:

- mikrofiltrację- rozdział na poziomie mikrocząsteczek

- ultrafiltrację- rozdział na poziomie makromolekuł

- odwróconą osmozę- rozdział na poziomie jonów

Rodzaj filtracji zależy od:

- celu filtracji

- rozmiaru cząstek rozdzielanych ( zależy od rodzaju i jakości przegrody filtracyjnej)

Klasyfikacja filtracji

• odsiewanie- zanieczyszczenia

• filtracja powierzchniowa- drobne cząstki i zanieczyszczenia

• filtracja wgłębna- drobne cząstki i mikrocząstki

• mikrofiltracja- mikrocząsteczki

• ultrafiltracja- mikrocząsteczki i makrocząsteczki

• odwrócona osmoza- jony, cząsteczki

FILTRACJA OCZYSZCZAJĄCA

- bardzo popularna

- oczyszczanie wody wodociągowej

- urządzenia:

1. FILTRY KOSZOWE

- usuwanie dużych zanieczyszczeń: piasku, rdzy, zawiesin; montowane w rurach wodociągowych; wewnątrz- filtr w postaci siatki o łatwej wymianie, ciągłej pracy ( dwa filtry- bateria), duże zbiorniki w elektrociepłowni; różna wielkość w zależności od przepływu

2. FILTRY WORKOWE

- wyłapują 90% zanieczyszczeń;

zasada działania filtru workowego- próżniowego

1. filtry umieszczone są na szynie zaopatrzonej w podnośnik ze stali nierdzewnej, na który zakłada się worek

2. do filtrów podłączona jest próżnia lub sprężone powietrze

3. filtry zanurzamy do pierwszego zbiornika, z którego chcemy usunąć substancję, podłączamy próżnię, ciecz zostaje usunięta, substancja osadza się na zewnętrznej stronie filtra

4. filtr przenosimy do drugiego zbiornika, tu przemywanie osadu

5. filtr przenosimy do trzeciego zbiornika, tu zmiana kierunku przepływu powietrza, osad suszy się, spada pod wpływem sprężonego powietrza na przenośnik ślimakowy do wyładunku

6. oczyszczony filtr wraca do pierwszego zbiornika

7. filtracja ciągła - stos. kilku jednocześnie

- filtry workowe są szeroko stos. jako f. wstępne ( przed świecowymi, membranowymi)

• ich zadanie to przedłużanie żywotności przegrody filtrów końcowych

3. FILTRY ŚWIECOWE

• usuwają zanieczyszczenia 0,1-200mikrometrów

• stosowane standardowo w dużych ilościach, kosztowne, najpop. w przem. farmaceutycznym

• wada: są 1-razowe, nie nadają się do regeneracji

• budowa - rdzeń (stal nierdz., polipropylen) z nawiniętym materiałem filtracyjnym (najgęstszy przy rdzeniu, rzadszy na obwodzie)w postaci modyfikowanej bawełny, wiskozy, nylonu, waty szklanej, polipropylenu;

• cel: zmniejszenie oporu przepływu - różne zanieczyszczenia zostają na różnych głębokościach

Mogą być stos.:

-do uzyskania cieczy o bardzo wysokiej czystości (filtracja kondensatów),

- w celu poprawy jej jakości w procesie produkcyjnym ( filtracja produktu),

- w celu zapewnienia wysokiej jakości produktu finalnego ( filtracja końcowa).

Zastosowanie - rozdział układów ciecz/ciało stałe.

1. Świece do filtracji wgłębnej:

-selektywna filtracja w zakresie 0,5-200µm

- stabilna i wysoka jakość filtracji

2. Świece do filtracji powierzchniowej (większa skut. filtrowania):

• selektywna filtracja w zakresie 0,1-30µm

• filtracja sterylna płynów (np. asymetryczna membrana polisulfonowa)

• 1 warstwa materiału filtr.

3. Świece z węglem aktywnym

• procesy dechloracji, deodoryzacji, odbarwiania cieczy

• 1 lub 2 warstwy materiału wokół węgla

4. TECHNIKI MEMBRANOWE

drogie- stosowane tam, gdzie są niezbędne

• odwrócona osmoza(masa molowa < 300)

• ultrafiltracja (5000 <masa molowa < 300000)

• mikrofiltracja ( cząsteczki o rozmiarach około 0,15 µm)

Zastosowanie:

• Produkcja wody technologicznej o ustalonych parametrach

• dejonizacja wody

• ultraczysta woda dla celów biotechnologii i farmacji

• oczyszczanie ścieków przemysłowych

• procesy biotechnologiczne - usuwanie drobnoustrojów

FILTRACJA ROZDZIELAJĄCA

- stosowane, gdy stęż. zawiesiny przekracza 1%

- można używać jednego lub sekwencji filtrów; ważna jest kolejność

- dobór urządzenia zależny od stężenia zawiesiny; uzyskanie większej czystości powoduje zmniejszenie wydajności

A. PŁYTOWE FILTRY CIŚNIENIOWE

1. zamocowane pionowo, dwustronne płyty filtracyjne umocowane równolegle

2. płyty zawierają w większości przypadków 5 warstw siatki ze stali nierdzewnej. Zewn. siatka ma najbardziej gęsty splot.

3. Duża pow. filtrowania (procesy ciągłe i w dużej skali)

4. Zawartość ciała stałego od 0,1-7% i zakres przepływów cieczy 30-800 m³/godz.

Zastosowanie:

• przemysł farmaceutyczny

• produkcja olejów jadalnych ( oddzielanie katalizatorów)

• browarnictwo (odzysk drożdży i klarowanie piwa)

• prz. spożywczy ( filtracja żelatyny, glukozy, fruktozy)

B.FILTRY PRÓŻNIOWE

A. Zastosowanie nuczy- cedzideł otwartych

• na siatce nierdzewnej- rozciągnięty ruszt; zbiornik podłączony do pompy próżniowej- tworzy się różnica ciśnień będąca siłą napędową filtracji

• stosowane tylko do r-ów wodnych, nielotnych, nietoksycznych- duża powierzchnia filtrowania

B. Zastosowanie cedzideł zamkniętych ( zaopatrzone w pokrywę, obudowę)

• wytwarzania obiegu ciągłego zamkniętego- brak zagrożenia ulatniającymi się parami, większe możliwości stosowania- rozp. organiczne, łatwopalne, toksyczne

• możliwość prowadzenia procesu pod ciśnieniem

Próżniowy filtr bębnowy

- zawiera: bęben perforowany obciągnięty tkaniną, koryto wypełnione zawiesiną i mieszadło, głowicę sterującą, skrobak

- bęben- wewn. pusty podzielony na kilka sekcji (ze zmniejszonym ciśnieniem lub sprężonym powietrzem)

- pow. filtracyjna 100m²

Schemat działania: bęben zanurzony w cieczy ( dostarczana w sposób ciągły ) obraca się z regulowaną prędkością; powierzchnia bębna podzielona jest na sekcje ( podłączone są do próżni lub sprężonego powietrza)- w zależności od kierunku przepływu powietrza lub tworzenia próżni osad przytwierdza się, suszy lub odstaje; osad pozostaje na powierzchni przegrody a przesącz odprowadzany jest do zbiornika przez głowicę;

1. Filtracja

2. Przemywanie placka

3. Suszenie placka- sprężone powietrze suszy, spulchnia, przygotowuje do zdjęcia osad

4. Usuwanie placka:

• rozładunek skrobakowy

• tylko przy określonej grubości osadu

• wada: osad blisko materiału filtracyjnego

• rozładunek strunowy

• na zasadzie drgania strun ( dokładniejszy)

• rozładunek wałeczkowy

- dla małej grubości osadu

• rozładunek taśmowy

• daje łamanie osadu

C. FILTRY TAŚMOWE

- duża powierzchnia filtracji ( do 120m²)

- możliwa duża szybkość przesuwu taśmy (do30m/s)

- dobre uformowanie placka filtracyjnego (możliwość stosowania taśm dociskających)

- zastosowanie w procesach ciągłych o dużej skali produkcji

- schemat filtru taśmowego: ma taśmę o szerokości do 4m i długości 30m ; pod taśmą są nieruchome komory próżniowe; ruch taśmy i różnica ciśnień powoduje osadzanie substancji; wadą jest duża wilgotność osadu

D. PRASY FILTRACYJNE

- zastosowanie - tam gdzie wymagana jest niska wilgotność placka filtracyjnego

- zastosowanie wyższego ciśnienia niż w innych rodzajach filtrów (do 20 atmosfer)

- najnowocześniejsze płyty filtracyjne zawierają membrany (dodatkowe wytłaczanie cieczy z placka w końcowej fazie procesu

- złożone z płyt (ostatnia nieruchoma)

- można dobrać odpowiedni materiał filtracyjny

WIROWANIE

- proces jednostkowy

- siła napędowa to siła odśrodkowa ( filtrację powodowała siła ciążenia i gradient ciśnień)

- efektywniejszy od filtracji

- zastosowanie do drobnych osadów, gdy proces rozdziału musi być szybki (antybiotyki- szybki rozkład w środowisku kwaśnym)

- służy do oddzielania ciał stałych od cieczy lub rozdzielania cieczy o dużych różnicach w ciężarze właściwym

Φ- współczynnik uwielokrotnienia- określa ile razy siła na którą działa osad jest większa do siły ciężkości(ile razy wirowanie jest bardziej efektywne od sączenia pod normalnym ciśnieniem

φ= w²r/g

gdzie: r- promień bębna

w- prędkość kątowa bębna wirówki

g- przyspieszenie ziemskie

Wniosek: lepiej jest zwiększyć liczbę obrotów bębna niż promień wirówki

w= 2πn/60

gdzie: n- liczba obrotów bębna

φ=n²r/900

300<wirówki<3000

3000<ultrawirówki<45000

A- wskaźnik wydajności wirówki

A= ΦS

gdzie: S- powierzchnia osiadania wirówki

- zależy od: materiału, cech konstrukcyjnych wirówki, określa wytrzymałość mechaniczną

ν- prędkość osadzania ciała stałego w wirówce

ν= d²(γ_s-γ_c)Φ/18η[m/s]

gdzie: d- średni wymiar cząstek(0,5-100μm)

γ_s- ciężar właściwy ciała stałego

γ_c- ciężar właściwy cieczy

η- lepkość cieczy

Wirówki to urządzenia, w których bęben obraca się wokół osi własnej poziomel i pionowej wraz z wprowadzoną do środka bębna zawiesiną lub emulsją. Podział ze względu na czas działania:

• wirówki o działaniu okresowym

• wirówki o działaniu ciągłym

A. WIRÓWKI FILTRACYJNE

- schemat: ściany wykonane z przegrody filtracyjnej ; osad zostaje na ściankach a ciecz przechodzi przez przegrodę filtracyjną; duża wilgotność osadu

- cykl pracy okresowy

B. WIRÓWKI SEDYMENTACYJNE

1. cykl pracy okresowy:

- schemat: pełne boczne ściany bębna nie przepuszczają a ciecz przelewa się górą i odpływa na zewnątrz kanałem ;ruch cieczy wywołuje wał obrotowy; osad rzucany na ścianki pod wpływem siły odśrodkowej

- osad zawiera dużo rozpuszczalnika- musi być dodatkowo suszony

2. cykl pracy ciągły

- schemat: wprowadzona ciecz z osadem przez zwężenie stożkowe trafia na wirującą ściankę ;nagromadzony osad jest przesuwany przez tłok ruchomy wzdłuż przegrody filtracyjnej gdzie jest przemywany wodą i podlega odsączeniu pod zmniejszonym ciśnieniem i trafia do zbiornika osadu.

EKSTRAKCJA

Wyznaczamy współczynnik rozdziału

K=C₁ /C ₂

C_{1 -} - stęż. składnika w rafinacie

C ₂ - stęż. składnika w ekstrakcie --> dla dwóch nie mieszających się cieczy; wartości stężeń wyznaczamy doświadczalnie;

M= kS(C₁ - C ₂) [kg/s]

- siłą napędową jest różnica stężeń - ważne utrzymanie stałego gradientu - p. przeciwprądowy

k - współczynnik wymiany masowej, zal. od sposobu prowadzenia procesu, od wymieszania, charakteru warstwy granicznej

- dużą różnicę stężeń w obu fazach można osiągnąć przez:

a) zwiększenie ilości rozpuszczalnika

b) zasilanie ekstrahowanego surowca co pewien czas nowymi porcjami świeżego rozpuszczalnika

c) wzrost szybkości przepływu rozp. przez w-wę surowca

d) zastosowanie przeciwprądu

e) zwiększenie powierzchni zetknięcia obu ośrodków

A. Ekstrakcja ciecz - ciecz.

Zastosowanie rozdziału:

• gdy ciecze mają punkty wrzenia położone blisko siebie - nie można prowadzić destylacji

• przy mieszaninach azeotropowych

• gdy mieszaniny są wrażliwe na wyższe temp.

Dobór rozpuszczalnika:

• gęstość rozp. powinna różnić się od gęstości surówki (warunkuje szybkość rozdziału dwóch faz)

• rozp. powinien rozpuszczać tylko składnik wyodrębniony

• wyraźna różnica temp. wrzenia między ekstrahowanym składnikiem a rozp.

• zdolność rozpuszczania skł. ekstrahowanego powinna być b. duża (jak najmn. objętość)

• napięcie powierzchniowe na granicy faz powinno być duże, by przeciwdziałać powst. trwałych emulsji

• rozp. powinien być niepalny, w miarę możliwości nieszkodliwy dla zdrowia obsługi

• cena niezbyt wysoka

• lepkość mała, aby opory przepływu były małe a współcz. wnikania ciapła i masy duże

1. Aparaty pracujące na zasadzie mieszalnik-odstojnik.

~ ekstraktory mieszalnikowo- odstojnikowe

- stosowany jest przepływ turbulentny, pompy mieszają ciecze przeciwprądowo; dobre współ. przenikania ciepła i masy

- mieszanie przeprowadza się za pomocą pompy. Stopień ekstrakcji przy jednoczesnym zmieszaniu cieczy jest niski; znaczna część substancji ekstrahowanej pozostaje w surówce, by zwiększyć stopień ekstrakcji stos. się ekstrakcję wielostopniową.

2. Kolumnowe aparaty ekstrakcyjne

~`przeciwprądowe kolumny ekstrakcyjne

- kolumna na całej wysokości poprzegradzana denkami sitowymi a zainstalowana na dnie pompa tłokowa powoduje pulsację cieczy z niewielką amplitudą i częstością; pulsacja powoduje szczególne rozproszenie jednej z faz

- kolumna wypełniona jest cieczą, do której przez urządzenie rozdzielne wprowadza się w postaci rozpylonej drugą fazę ciekłą

- dąży się do zwiększenia powierzchni kontaktu obu faz przez rozbicie cieczy na małe kropelki

- pompka pulsacyjna nadaje ruch cieczy

- poprzeczne siatki powodują dodatkowe rozdrobnienie cieczy

3. Ekstraktory z elementami ruchowymi

~ kolumna rotująca przeciwprądowa z elementami rotującymi

- dodatkowe pierścienie rotujące powodują zawirowania, zwiększają mieszanie

- łączy w sobie cechy mieszalnika z cechami przeciwprądowej kolumny ekstrakcyjnej; przez środek kolumny przechodzi oś obrotu z płaskimi tarczami mieszającymi ciecz; do ścianek kolumny przymocowane są przegrody pierścieniowe dzielące cylindryczny korpus na kilka sekcji; wirujące tarcze powodują turbulentny przepływ wzdłuż całej wysokości aparatu

- wydajność i efektywność procesu zależy od:

1. liczby obrotów wirnika

2. wzajemnego stosunku wymiarów tarcz i przegród pierścieniowych

4. Ekstraktory odśrodkowe

~ ekstraktor odśrodkowy Podbielniaka

- ekstraktor zawiera rotujące blaszki dziurkowane uformowane w kształcie koncentrycznej spirali; obie fazy są doprowadzane i odprowadzane przez wydrążony wał obrotowy

- jedna z faz (lżejsza) wprowadzana jest na obwód a druga (cięższa) pośrodku- osiągnięcie przepływu przeciwprądowego;

-dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu kanałów i otworów pod wpływem siły odśrodkowej w czasie obrotu wirnika następuje załamanie ciężkich warstw cieczy przez otwory i po kanałach wirnika odbywa się intensywne mieszanie,

-rozdział; szybkość obrotu wirnika ok. 2000-2500 obrotów/minutę

B. Ekstrakcja w układzie ciecz- ciało stałe

1. Ekstraktor periodyczny do ekstrakcji ciał stałych

- ekstraktor z mieszadłem zębatym i dnem sitowym zawiera ciało stałe rozdrabniane ( większa powierzchnia kontaktu), do niego stale wprowadzamy ze zbiornika rozpuszczalnik

- mieszanina ekstrakcyjna trafia do kotła destylacyjnego, skąd wyekstrahowany składnik jest odprowadzany a rozpuszczalnik trafia do chłodnicy i zbiornika

2. Ekstraktor obrotowy do ekstrakcji ciał stałych

- przegroda filtracyjna odprowadza rozpuszczalnik

- para wodna porywa rozpuszczalnik- odzyskanie dodatkowej porcji rozpuszczalnika

3. Urządzenie do ekstrakcji ciągłej

- rozpuszczalnik wprowadzany w przeciwprądzie

- trzy transportery ślimakowe

- od góry załadowywany surowiec idzie w przeciwprądzie do rozpuszczalnika

- rozpuszczalnik dodatkowo oczyszczany przez przegrody filtracyjne

- następuje rozładunek surowca po dojściu do góry

- bardzo efektywna metoda

ZASADA NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW

1. (procesy związane z uzyskaniem najlepszej wydajności, musimy znać zapotrzebowanie na materiał, ilość sub uzyskiwanej z jednej objętości aparatu w jednostce czasu).

2. -rozpatrzenie bilansu materiałowego

3. -określenie strumieniowego bilansu materiałowego

4. -określenie sposobu prowadzenia operacji jednostkowych (zasada p/prądu, współprądu, obiegu kołowego)

5. -zmniejszenie reakcji ubocznych (źródła zanieczyszczeń) przez odpowiedni dobór katalizatora

6. -w przypadku r. odwracalnych usuwanie jednego z produktów (gł. przez destylację)

7. -maksymalne wykorzystanie produktów ubocznych

8. -regeneracja materiałów (możliwość wykorzystania ich w innych procesach)

ZASADA NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW

1. -sporządzenie bilansu cieplnego (musimy znać efekt energ. wszystkich reakcji)

2. -wielokrotne wykorzystanie ciepła (nośniki ciepła do ogrzewania)

3. -wykonywanie czynności jednostkowych w temp możliwie bliskiej otoczenia (tak aby nie było gwałtownego ogrzewania lub chłodzenia procesów jednostkowych)

4. - stosowanie aparatów o określonych wymiarach

5. - wykonywanie tylko pracy niezbędnej

6. - wykorzystywanie naturalnego ruchu materiałów

7. - odzyskiwanie ciepła (p/prąd, obieg kołowy)

8. - wymiana Q jest wprost proporcjonalna do pow. aparatu i ilości substratu

9. - stały gradient temp bardziej optymalny, mniejsze straty ciepła

10. - są to mat. wysokoenerg. stąd duże koszty , wykorzystanie gradientów temp na wzajemne przekazywanie ciepła

11. - budujemy tak aparaty aby ogrzewać ich małe sekcje

ZASADA NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY

1. -maksymalne oddalenie do stanu równowagi reakcji (siła napędowa zmniejsza się w pobliżu punktu równowagi)

2. -obieg kołowy

3. -stosowanie katalizatorów i optymalnej temp (katalizatory zapewniają selektywność pr. utlenienia)

4. -rozwinięcie powierzchni reagujących faz

5. -stosowanie odpowiednich mieszalników

6. -optymalna prędkość ruchu faz względem siebie

7. -ciągłość pracy

8. -zharmonizowanie prac

---