SPRAWOZDANIE

Data 08.12. 15.12.2010r.	Aleksandra Rybka
	Wyznaczanie parametrów filtracji oraz badanie wpływu flokulantów na przebieg filtracji.

Cel ćwiczenia:

• wyznaczenie w czasie filtracji pod stałą różnicą ciśnień: parametrów filtracji, współczynników oporu osadu i przegrody filtracyjnej

• stwierdzenie wpływu flokulantów na przebieg procesu filtracji.

Część teoretyczna

Filtracja jest to operacja jednostkowa w czasie której zachodzi rozdzielanie faz układu przy pomocy przegród porowatych. Rozdziałowi można podawać układy:

• Ciało stałe- ciecz

• Ciało stałe- gaz

• Ciecz- gaz

Najprostszymi urządzeniami filtracyjnymi są nucze. Filtracja to proces hydrodynamiczny tzn. jego szybkość zależy od różnicy ciśnień po obu stronach przegrody filtrującej, jest odwrotnie proporcjonalna do oporu jaki napotyka substancja przepływając przez przegrodę oraz warstwę tworzącego się podczas przepływu osadu.

Opór występujący podczas filtracji jest sumą oporów warstwy filtrującej osadu. Bez względu od sposobu wytwarzania różnicy ciśnień siła napędowa filtracji wzrasta wprost proporcjonalnie do tej różnicy. Kluczowe znaczenie w procesie filtracji ma różnica ciśnień, przy której prowadzony jest proces oraz temperatura zawiesiny wpływająca na lepkość fazy ciekłej.

Dodatek substancji koagulacyjnych i flokulujących powoduje tworzenie się większych agregatów, co ma wpływ na szybkość filtracji.

Na przebieg filtracji decydujący wpływ mają następujące czynniki:

• powierzchnia warstwy filtrującej

• różnica ciśnień

• grubość warstwy osadu

• lepkość fazy ciekłej

• kształt i wielkość cząstek osadu

• rozmiar i kształt porów warstwy filtrującej

Równanie kinetycznego filtracji i wygląda następująco:

$$\frac{\text{dv}}{\text{Sdt}} = \frac{p}{\eta(R_{\text{os}} + R_{p})}$$

Gdzie:

- oznacza lepkość dynamiczną filtratu

R_os- opór osadu

R_p – opór przegrody

v - objętość odebranego filtratu

t - czas filtrowania

S – powierzchnia filtru

Podczas przepływu cieczy przez warstwy porowate opór R stawiany przez tą warstwę zależny jest od jej mechanicznych własności, co ilustruje równanie Levy’ego;

$$\mathbf{R =}\frac{\mathbf{248}\mathbf{(1 - \varepsilon)}^{\mathbf{2}}\mathbf{\text{Hη}}}{\mathbf{d}^{\mathbf{2}}\mathbf{\varnothing}^{\mathbf{2}}\mathbf{\varepsilon}^{\mathbf{3}}}$$

Gdzie:

- oznacza lepkość dynamiczną filtratu

ε – oznacza porowatość warstwy filtrującej

H – oznacza grubość warstwy filtrującej

Φ – oznacza współczynnik kształtu ziaren warstwy

d – oznacza średnica zastępcza ziaren warstwy

Podczas filtracji pod stałą różnicą ciśnień przy założeniu, że r, η, R_p, Δp są stałe otrzymujemy równanie Rutha:

$$v^{2} + 2v\left( \frac{R_{p}S}{\text{ru}} \right) = \left( \frac{2pS^{2}}{\text{ru}} \right)t$$

Parametry filtracji jakie można wyznaczyć:

• czas filtrowania

• objętość przesączu

• wydajność właściwą

• opór właściwy osadu i przegrody filtracyjnej

Przebieg doświadczenia:

1. Przygotowano pierwszą surówkę filtracyjną z 30 g CaCO₃ i 350 cm³ wody.

2. Surówkę przeniesiono do urządzenia filtracyjnego (nucza filtrująca).

3. Następnie odczekano 5 minut aż do momentu utworzenia się warstwy filtrującej o stałej grubości oraz włączono pompę.

4. Prowadzono pomiary mierząc czas napełniania się zbiorników, przy czym jednocześnie kontrolowano ciśnienie w układzie.

5. Po skończeniu pomiaru osad suszono powietrzem przez 1 minutę.

6. Po zakończeniu suszenia utworzony w czasie filtracji kek przeniesiono na płaską powierzchnię oraz mierzono jego grubość

7. Kolejne surówki sporządzono z 40 i 50g CaCO₃ i 350 cm³ wody, dalej postępowano tak samo jak w przypadku pierwszej surówki.

Wyniki filtracji przeprowadzonej dla surówki sporządzonej z 30g CaCO₃ i 350cm³ wody.

Lp.	Czas pomiaru t [s]	Objętość przesączu v [m^3]	Przyrosty	Δt/Δv[s/m3]	Grubość keku [cm]
			Czas Δt	Objętość Δv
1	106	0,586	106	0,586	180,887
2	214	1,16	108	0,574	188,153
3	312	1,678	98	0,518	189,189
4	416	2,216	104	0,538	193,309
5	526	2,778	110	0,562	195,730
					średnia

Wyniki filtracji przeprowadzonej dla surówki sporządzonej z 40g CaCO₃ i 350cm³ wody.

Lp.	Czas pomiaru t [s]	Objętość przesączu v [m^3]	Przyrosty	Δt/Δv[s/m3]	Grubość keku [cm]
			Czas Δt	Objętość Δv
1	132	0,586	132	0,586	225,256
2	263	1,16	131	0,574	228,223
3	385	1,678	122	0,518	235,521
4	514	2,216	129	0,538	239,777
5	650	2,778	136	0,562	241,993
					średnia

Wyniki filtracji przeprowadzonej dla surówki sporządzonej z 50g CaCO₃ i 350cm³ wody.

Lp.	Czas pomiaru t [s]	Objętość przesączu v [m^3]	Przyrosty	Δt/Δv[s/m3]	Grubość keku [cm]
			Czas Δt	Objętość Δv
1	162	0,586	162	0,586	276,451
2	325	1,16	163	0,574	283,972
3	477	1,678	152	0,518	293,436
4	632	2,216	155	0,538	288,104
5	826	2,778	194	0,562	345,196
					średnia

Z równań otrzymanych prostych wyznaczono stałą szybkości filtracji K, znając tangens nachylenia prostej a, stałą C, współczynnik prostej b.

Korzystano ze wzorów

$K = \frac{2}{a}$ $C = b \times \frac{K}{2}$

Opór właściwy i opór przegrody wyliczono z odpowiednich wzorów

Δp=0,07Pa – stałe ciśnienie atmosferyczne

V= 2,778m³ przesączu

	K1	K2	K[m^6/s^-1]	C[ m^3]	S[m^2]	Rp [N*s/m^3]	u[ m^3]	r[N*s/m^2]
30 g CaCO3	6,4	179	0,31	27,8	1,41	17684458	0,0026	344866439
40 g CaCO3	8,3	220	0,24	26,7	1,41	21804628	0,0039	296756966
50 g CaCO3	26,2	253	0,08	9,7	1,41	25086310	0,0043	859194552

Część II

Przebieg doświadczenia:

1. Przygotowano kolejno surówki filtracyjne:

   1. 40 g CaCO₃ , 350 cm³ wody oraz 3 cm³ optiflocu anionowego

   2. 40 g CaCO₃ , 350 cm³ wody oraz 6 cm³ optiflocu anionowego

   3. 40 g CaCO₃ , 350 cm³ wody oraz 9 cm³ optiflocu anionowego

   4. 40 g CaCO₃ , 350 cm³ wody oraz 3 cm³ praestolu 2540

   5. 40 g CaCO₃ , 350 cm³ wody oraz 6 cm³ praestolu 2540

   6. 40 g CaCO₃ , 350 cm³ wody oraz 9 cm³ praestolu 2540

2. Surówkę przeniesiono do urządzenia filtracyjnego (nucza filtrująca).

3. Następnie odczekano 2 minuty aż do momentu utworzenia się warstwy filtrującej o stałej grubości oraz włączono pompę.

4. Prowadzono pomiary mierząc czas napełniania się zbiorników, przy czym jednocześnie kontrolowano ciśnienie w układzie.

5. Po skończeniu pomiaru osad suszono powietrzem przez 1 minutę.

6. Po zakończeniu suszenia utworzony w czasie filtracji kek przeniesiono na płaską powierzchnię oraz mierzono jego grubość

7. Z kolejnymi surówkami postępowano tak samo jak w przypadku pierwszej surówki.

Wyniki filtracji przeprowadzonej dla surówki sporządzonej z 40g CaCO₃ 350cm³ wody

oraz 3 cm³ optiflocu anionowego

Lp.	Czas pomiaru t [s]	Objętość przesączu v [m^3]	Przyrosty	Δt/Δv[s/m3]	Grubość keku [m]
			Czas Δt	Objętość Δv
1	102	0,586	102	0,586	174,061
2	206	1,16	104	0,574	181,185
3	303	1,678	97	0,518	187,259
4	405	2,216	102	0,538	189,591
5	511	2,778	106	0,562	188,612
					średnia

Wyniki filtracji przeprowadzonej dla surówki sporządzonej z 40g CaCO₃ 350cm³ wody

oraz 6 cm³ optiflocu anionowego

Lp.	Czas pomiaru t [s]	Objętość przesączu v [m^3]	Przyrosty	Δt/Δv[s/m3]	Grubość keku [m]
			Czas Δt	Objętość Δv
1	93	0,586	93	0,586	158,703
2	193	1,16	100	0,574	174,216
3	284	1,678	91	0,518	175,676
4	381	2,216	97	0,538	180,297
5	484	2,778	103	0,562	183,274
					średnia

Wyniki filtracji przeprowadzonej dla surówki sporządzonej z 40g CaCO₃ 350cm³ wody

oraz 9 cm³ optiflocu anionowego

Lp.	Czas pomiaru t [s]	Objętość przesączu v [m^3]	Przyrosty	Δt/Δv[s/m3]	Grubość keku [m]
			Czas Δt	Objętość Δv
1	79	0,586	79	0,586	134,812
2	165	1,16	86	0,574	149,826
3	245	1,678	80	0,518	154,440
4	329	2,216	84	0,538	156,134
5	417	2,778	88	0,562	156,584
					średnia

	K1	K2	K[m^6/s^-1]	C[ m^3]	S[m^2]	Rp [N*s/m^3]	u[ m^3]	r[N*s/m^2]
3 cm^3 opiflocu	6,9	173	0,29	25,1	1,41	17081578	0,0038	256670378
6 cm^3 opiflocu	10,2	157	0,19	15,4	1,41	15568935	0,0039	366869270
9 cm^3 opiflocu	9,2	135	0,21	14,7	1,41	13352438	0,0039	331285484

Wyniki filtracji przeprowadzonej dla surówki sporządzonej z 40g CaCO₃ 350cm³ wody

oraz 3 cm³ praestolu 2540

Lp.	Czas pomiaru t [s]	Objętość przesączu v [m^3]	Przyrosty	Δt/Δv[s/m3]	Grubość keku [m]
			Czas Δt	Objętość Δv
1	105	0,586	105	0,586	179,181
2	214	1,16	109	0,574	189,895
3	314	1,678	100	0,518	193,050
4	418	2,216	104	0,538	193,309
5	534	2,778	116	0,562	206,406
					średnia

Wyniki filtracji przeprowadzonej dla surówki sporządzonej z 40g CaCO₃ 350cm³ wody

oraz 6 cm³ praestolu 2540

Lp.	Czas pomiaru t [s]	Objętość przesączu v [m^3]	Przyrosty	Δt/Δv[s/m3]	Grubość keku [m]
			Czas Δt	Objętość Δv
1	85	0,586	85	0,586	145,051
2	179	1,16	94	0,574	163,763
3	261	1,678	82	0,518	158,301
4	347	2,216	86	0,538	159,851
5	439	2,778	92	0,562	163,701
					średnia

Wyniki filtracji przeprowadzonej dla surówki sporządzonej z 40g CaCO₃ 350cm³ wody

oraz 9 cm³ praestolu 2540

Lp.	Czas pomiaru t [s]	Objętość przesączu v [m^3]	Przyrosty	Δt/Δv[s/m3]	Grubość keku [m]
			Czas Δt	Objętość Δv
1	109	0,586	109	0,586	186,007
2	222	1,16	113	0,574	196,864
3	325	1,678	103	0,518	198,842
4	433	2,216	108	0,538	200,743
5	547	2,778	114	0,562	202,847
					średnia

	K1	K2	K[m^6/s^-1]	C[ m^3]	S[m^2]	Rp [N*s/m^3]	u[ m^3]	r[N*s/m^2]
3 cm^3praestolu	10,7	174	0,19	16,3	1,41	17262739	0,0037	408687087
6 cm^3 praestolu	6,2	148	0,32	23,7	1,41	14617594	0,0038	230613826
9 cm^3 praestolu	6,9	185	0,29	26,7	1,41	18352674	0,0039	249519338

Wnioski

Tabela porównująca wyniki:

	bez flokulnta	Opifloc	Praestol 2540
	30 g CaCO3	40 g CaCO3	50 g CaCO3
r[N*s/m^2]	344866439	296756966	859194552
Rp [N*s/m^3]	17684458	21804628	25086310

W przypadku gdzie filtrację przeprowadzano dla różnych mas CaCO₃ można stwierdzić iż:

Wraz ze wzrostem masy CaCO₃dodawanym do surówki zwiększał się czas przeprowadzenia filtracji. Zwiększa się również grubość keku. Ma to związek także na wzrost oporu przegrody i osadu. Opór właściwy w przypadku 50 g CaCO₃ jest prawie 3 krotnie większy niż w przypadku gdy dodano 30 g CaCO_3. Opór przegrody przyjmuje najmniejszą wartość w przypadku gdzie przepuszczano najmniejszą ilość CaCO_3.

Natomiast w odniesieniu do filtracji gdzie dodawano flokulantów( opiflocu i praestolu) wysuwają się następujące wnioski:

Proces flokulacji powoduje, że tworzą się agregaty z cząstek fazy stałej na drodze oddziaływania i wiązania się ich powierzchni za pośrednictwem zaadsorbowanego na niej makrocząsteczki specjalnego związku polimerowego .Powstają ciężkie i porowate agregaty, tworzy sie osad o dużej objętości. Flokulanty wpływają na opór osadu a tym samym na szybkość filtracji. Dla wszystkich surówek filtracyjnych, objętość przesączu wzrastała wraz z upływającym czasem. Z tą różnicą, że czas pomiaru surówki filtracyjnej z dodatkiem opiflocu przebiegał nieznacznie szybciej niż miało to miejsce przy dodatku preastolu. Na podstawie otrzymanych wyników można zaobserwować, że zarówno dodatek jednego jak i drugiego flokulantu spowodował skrócenie czasu filtracji, a także wzrost grubości keku. Ponadto zaobserwowano spadek oporu właściwego osadu po dodaniu polimerów rozpuszczalnych w wodzie. Na tak otrzymane wyniki wpływ mają błędy popełnione w trakcie wykonywania ćwiczenia.