Rozdzielanie zawiesin. Filtracja. - Zakład Technologii Chemicznej

Rozdzielanie zawiesin. Filtracja. - Zakład Technologii Chemicznej

Wydział Chemii UMCS
Zakład Technologii Chemicznej
Ćwiczenie nr 8
Rozdzielanie zawiesin.
Filtracja.
Lublin
z.L.Rozdzielaniezawiesin.Filtracj a
2.1.L. PodstawowewiadomoScio filtracji
Filtracjajest operacjfuw ktorej niejednorodna
mieszanina
cieczylub ga r i zawieszonych cz4stekciala stalego(surowkafiltracyjna)podlegarozdzieleniuprzezoSrodekfiltrujqcy przepuszczajEcy
plyn, a zatrzymuj4cy
cz4stkistale.Cz4stkite, osiadajqcna porowatej
przegrodzie(filtrze, s4czku),tworz4 osad. Przegrodarazem z osademtworzy warstwg
filtracyjn4,a plyn przeplywajqcyprzezprzegrodqnosi nazwQprzes1czulub filtratu.
pewnejsity napgdowej,
Przeplywsur6wkifiltracyjnejzachodziw wyniku oddzialywania
na przyktadsity ciEzkoSci,
ciSnien,ia
lub sily odSrodkowej.
Jako przegrodyfiltracyjnestosujesiE luZnousypanewarstwyz materialowziarnistych,
napr4rklad:zwir, piasek,koks,kamienwapienny,wggieldrzewny,bqdlprzegrody
zwarte
jak siatki,tkaninyi ptyty ceramiczne.
Materialfiltracyjnymusibyi dostosowany
do wielkoSci ziaren osadu,cech konstrukcyjnychfiltru, wlaSciwoScichemicznychfiltrowanego
wfirzymalo5i i trwaloSi oraz
materialu.Ponadto powinien wykarywac wystarczajqcq"
rolE
mozliwiematy op6r wlasny.Przegrodafiltracyjnabardzoczqstoodgrywazasadnicz4
jakoSdi gruboSiosadzotylko w pocz4tkowym
okresieoperacji,potemwabniejsze
staj4siQ
negona niej osadu.Cykl filtracji skladasiEz nastgpuj4cych
etap6w:formowaniesig osadu
na przegrodzie,wstgpnepodsuszenie
osadu,przemywanie,wt6rne podsuszenie,
usuwanie
przegrodyfiltracyjnej.
osadui oczyszczanie
stosowane
filtry moznapodzieli(,ze wzglEduna charaktersily napgdowej
NajczqSciej
przeplywuprzezwarstwgfiltracyjnE na:
- gdziesil4 napEdow4
filtry grawitacyjne
filtracjijestciSnienie
hydrostatyczne
slupacieczy nadosadem,
filtrat zaS
filtry pr6zniowe- gdzienad warstw4osadupanujeciSnienieatmosferyczne,
przestrzeni
do
nilszym
ciSnieniu,
wplywa
o
- gdziezawiesinawprowadzanajest
do filtru pod ciSnieniemwylszym
filtry ciSnieniowe
od atmosferycznego.
W zalelno$ciod sposobupracy moznawyrolnii filtry pracuj4ceokresowoi w spos6b
pod uwaggrodzajprzegrodyfiltracyjnej.W tabeli2.1.1
ci4gty.Dalszaklasyfikacjabierze
przedstawiono
spotykanych
w przemySle
fi ltrow.
klasyfikacje najczESciej
spotykanychw przemySle
filtrow o dzialaniuciqglym i okresowym
Tabela2.1.l . ZestawienienajczESciej
Filtrvo dzialarriu
okresowym
Filtryprozniowe
Nucza fi ltracyjna otwarta
Filtrv workowe
Filtrv ciSnieniowe
Filtry piaskowe
Nucza fi ltracyjna zamkniEta
Prasyfiltracyjne
Filtry workowe
Filtry Swiecowe
Filtryo dziataniu
ci4glyrn
Filtry bqbnowe
Filtry tarczowe
Filtry karuzelowe
Filtrv ta$mowe
Filtrybgbnowe
Filtrvtarczowe
83
2.1.2. Filtracja przezwarstwy o stalej gruboSci
oczysz'
Jezelifiltruje siq zawiesinyo malym stEzeniucialastalego(na przyktadproces
zmraczaniawodyprzezfiltry piaslowe),wtedy warstwafiltruj4caulegatak nieznacznym
SzybkoScfiltracji (dla laminarnychprzeptynom, ze gruboSijej mozna przyjq(za stalar.
w6w cieczy)okreslawtedyogolner6wnanie:
ut
dv_ d:
_.LP'F
d r 2 0 0 . Q 2 Q - t ) ' 1 1' L
gdzie:
V
t
AP
F
A
n
L
d,
-
(2.1.r)
objEtoSdprzes4czuotrzymanegow czasre?'
porowatoscprzegrodyfiltracyjnej(materialz osadern),
roZnicacisnieripo obu stronachprzegrodyfiltracyjnej,
powierzchniafiltruj4ca (poprzecznyprzekrojfiltru),
kuli o tej samej
wspolczy'nik ksztaltu ziaren(rownystosunkowipowierzchniziarnado powierzchni
objEtoSci),
- lepkoSicieczYfiltruj4cej,
- gruboScwarstwYfiltrujqcej,
- Srednicazastgpczaziaren,ktorq
moznaobliczyc addytywnieze Srednicfrakcji otrzytnanychw wyniku
analizy sitowej:
.t .......'.."...
d r = d f i t * d z x z +d s ' r +
gdzie: xt, x2,x.r- ulamki wagowetych frakcji'
szybZ rownania(21.1) wyn rka,ze dla danegoosadui rodzajuprzegrodyfiltracyjnej
do roznicyciSnienna filtrzeAP, do powierzchnifiltrujqcej
koSi filtracjijestproporcjonalna
warstwyfiltrujqcejL i do lepkoScicieczy11'
do gruboSci
proporcjonalna
F orazodwrotnie
osadui cieczy nazyparametryokreslaj4cetylko wlaSciwoSci
WielkoSi zawieraj4cq
filtracji'
wamyoporemwlaSciwYm
2 0 0. Q '.z( 1- € ) ' zn
(2.r.2)
dz .e3
znanes4 parametry€',Q' n i d lub okreSlii go doSwiadczalOporten moznaobliczYC,jeSli
nie.
nastgOpieraj4csiq na powyZszym,moZemy calkowity op6r filtracji (R) zdefiniowal
puj4co:
L
Q'I'3)
R- r'F
qcqzaleL
r6wnania(2.1.3) w r6wnaniu(2 1. 1) otrzymujemy nastqpuj
Po uwzglqdnieniu
noSi dla wyra ZeniaszybkoScifiltracji:
dV
AP
dr
R
( 2 . r. 4 )
piaskowy) L i R
W przypadku s4czenia przezwarstwy o stalej gruboSci(na przyklad filtr
zachowuj4 stalqwartoSi.
2.L.3. Filtracj^ przezwarstwy o zmienneigruboSci
zmienia
W przypadkugdYzawiesina zawterawiEkszeiloSci cialastalego,gruboSi osadu
siqw czasiefiltracji.Szybko5ifiltracji okreSlawowczasrownanie:
84
F .AP
dV
clr
,
f
+a''
[n
Y)
(2rs)
I )
g d z ie:
l'1
a
t1)
- wspolczynrlikoporLlprzegrodyfiltracyjnej(oporwlaSciwy),
- wspolczynnikoporLlfiltracji przez osad zaleznyod rolnicy ciSnielioieczyfiltrowanej na gornej i
osadrr),
fizycznych(SciSliwoSci
orazod jego wlaSciwoSci
dolnejpowierzchniwarstwyosadLr
ktory definiu-iesi9jako:
- cigZarcialastalegow osadzieprzypada-y4cy
przes4czu,
najednostkqobtgtoSci
o -
c.y
(2 16)
I-m'c
gozle:
- udzialwagowycialastalegow cieczyliltrowanej,
(:
- cigzarr'vlaSciwyprzss1ezu,
y
- stosuttekcipzarowosaduwilgotnegoi sLrchego.
tn
Wspolczynnikoporu filtracji w przypadkuniezbytcienkichwarstw osadu moze byi
rownaniem:
okreslony
(2.r.1)
& ,- a . A P '
g dz ie:
a I s - s t alad l a d a n e g oo s a d u ,
o si a d rr.
. r ' - t liar a S c i Sl i w o Sc
osadunie3aleZyod ciSnienia),dla SciSliwego
.r - 0 (porowatoSc
Dla osaduniesciSliwego
q
0 < s 1, przy czym porowatoSiwarstwyosaduroSniew miarEwzrostuodlegloSciod podstawy warstwy osadulub inaczei,w miarQodlegloSciod powierzchniprzegrodyfiltruj4cej
JeSliopor przegrodyjest niewielki w porownaniuz oporem osadu,a wigc \ = 0, w6wczasprzyblilone r6wnanie na szybkoSi filtracji ma postac:
dV _
F .dr
P,-,
AI------l-------
/v )
q ' a ' 61 . 1 - l
(2'r'8)
[tr/
.=
ie niedopvszczalnedla pocz4tkowychmoUproszczeniepowyzsze(rr 0) jest oczywiSci
ment6w filtracji, gdy warstwaosaduma j eszczenrieznaczn4gruboSi.
(gdy s : 0) szybko6iIs4czeniabqdzieproporcjonalnado ciSnieDla osadunieSciSliwego
lzo SciSliwych(t = l) wykladnik przy L'P
nia filtracyjnegoAP. Natomiastdla osadowbard
bqdzie rowny zeru, a wiqc szybkoSi filtracji bqdlzie wtedy (* przyblileniu) niezaleZnaod
ciSnienia.
stosowanego
Aparatami, w ktorych zachodzi ten typ filtracjii, s4 na przyklad prasy filtracyjne, cedzidla
mechanrczne,filtry obrotowe.
2.1.4. Filtracja pod stalym ciSnieniem
W praktyce czQstojest wykorzystywanafiltracja pod stalym ciSnieniem.Wtedy, spelniaj4c warunek AP : const., otrzymujemywartoScparametrua z r6wnania (2.L.1), a korzystajqc z rownania (2.1.5) otrzymujemy zalelnoli migdzy objqtoSci4 przesqczv V oraz
sluszn4dla osadownieSciSliwych.
czasemr dla filtracji pod stalymciSnieniem,
V
F
= a . a . r l[ v ) , e ' r r
2Ap l'F)'^,
(2.r.e)
85
Korzystaiqc z powylszego r6wnania, mozemy okreSlii warto$ci wsp6lczynnika oporu
jeSli filtracjq bEdziemy
a dla osaduoraz dla tkaniny r1.Natomiastdla osad6wSciSliwych,
prowadzii pod r6znymi ciSnieniami,otrzymamykilka wartoScia. Pozwoli to na okreSlenie
dla danegoosadu,korzystaj4c z r6wnania(2.1.l), wspolczynnikowa I s.
R6wnanie(2.1.9) mozemywtedy zapisacw postacinastEpuj4cej:
.r,
J _ _ a . o . n . {v ) _ T l
L : 2^ P ^ l . F) " ^ P
(2.r .l0)
F
ZnajomoSi wartoSci s, d, r 11ma znaczeniepraktyczne,gdyZ pozwala na przewidywanie
przebiegu filtracji (zaleZnoScimiqdzy objqtoSci4przesEczui czasem) prty innych wartoSciachciSnienia,powierzchniachfiltracyjnychoraz temperaturachcteczyfiltrowanej.
Do konkretnegoaparatufiltracyjnego,przy ustalonymciSnieniui temperaturze,wartoSci
rt, a, q i AP s4 stale, a wiEc r6wnanie (2.1.10) molna przeksztalci(,mnoz4c stronami
pfzez:
v.F.2.LP
a'a 'n
i zapisacw postaci:
(.. c),, (2.rc.trr)
V2+2.1
" ' ' 1 . r = t -al .. 6r - q
\a.u)
[
)
(2.l.ll)
JeheliwyraZeniaw nawiasach,maj4cestalewartoSci,oznaczymyjako tak zwanestale
filtracji C i K:
r,,F
( 2 . r. 1 2 )
C : '
a.u
2.LP.F2
K_
a'a 'n
(2.r.r3)
wowczasprzebiegfiltracjimoznaprzedstawiir6wnaniem:
V2+2.V.C-K.r
(2.r.t4)
Jest to r6wnanie Rutha, zawieraj4ce2 staleC i K (wyznaczanedoSwiadczalnie).Rownanie Rutha molna teL przedstawic w nastqpuj4cej postaci :
( v* c ) ' = K ( r + r o )
(2.1.Is)
gdzie:
to =
C,
K
Powyaszerownanie,drugiego stopniawzglqdernV, wskazujena parabolicznqzaleZnolc
objgtoSciprzes4czu(V) od czasu(r). Przebiegfiltracji w ukladzie osi wspolrzqdnych(V+C,
r+rs) przedstawiaparabolamaj4ca wierzcholekw pocz4tkuukladu, co ilustruje rysunek
2 t.t.
RoZniczkuj4cr6wnanie Rutha (2 1.15) wzglpdernczasu,uzyskujemyrownaniewyraZajq.. szybkoSifiltracji w nastgpuj4cej
postaci:
dv_
dr
B6
K
2 ( v+ c )
(2.r 16)
fi l tra c j ip o d s ta l y mc i Sn i e ni ern
R ysunek2. 1. 1.P r ze b i e g
Rozniczkuj4cr6wnanieRutha (2.1.15)wzglgdem czasu,uzyskujemyr6wnaniewyraZajq.e szybkoSifiltracji w nastqpuj4cejpostaci:
d
V
K
( 2 . r. 1 6 )
ctr- z (v+C)
Parabolicznyprzebiegkrzywej filtracji (rysunek 21 1) wskazuje na duZqszybkoSi filtracji na pocz4tku tej operacji. Nie zawszejest to korzystne, gdy? na przyktad przy zbyt
duzych szybkoSciachznaczmeutrudnionejest tworzeniesiq pierwszejwarstwy na przegrodzie filtracyjnej, a osad, przechodzqcprzez tkaninp, bqdzie dawal mqtny przesEcz.Szkodliwy wplyw duzej pocz4tkowejszybko5cina przebiegfiltracji (wzrost oporu wlaSciwego
osadu) bqdzie tym wigkszy, im osadjest bardziej SciSliwyi bardziej niejednorodny.Czgsto
wiEc stosujesiEfiltracjEdwustopniow4.
Operacjq tak4 rozpoczynasiq przy stalej, umiarkowanej szybkoSciprzepty*u (l stopien),
zwigkszaiqcstopniowo ci5nieniedo wartoSci,jaka ma panowai w drugim okresie - przy
statymciSnieniu(rysunek2.I.2).
V
V
, d- V cottst.
dr
U AP = const.
I
aL
T2 T
Rysunek2.1.2. Przebiegfi ltracji dwustopniowej
81
2.1.5. Opis cwiczenia
Cel 6wiczenia
Celem (wiczenia jest wprowadzenie w podstawowe zagadnienia zwiqzane z filtracj4
oraz wskazanie,jakie parametryi w jaki spos6bwptywaja na jej przebieg.Ma to istotne
znaczenie,poniewa| czEstopracochlonnoSitej jednostkowej operacji limituje mozliwoSi
wprowadzenianowej technologii.
R6wnoczeSnieiwiczenie ma na celu praktycznezapoznaniestudentowz metodyk4 stosowan4przy badaniuprzebiegufiltracji, ze sposobemokreSleniajej szybkoScioraz z moZliwoSci4przeprowadzeniapewnychprzewidywandotycz4cychprzebiegufiltracji.
Zadania
I. Zbadac przebieg filtracji zawiesinyFe(OH)3 przy trzech stalych, leczrolniqcych siq ciSnieniach. ZawiesingFe(OH)3sporzqdzicprzez wytr4ceniejej wod4 amoniakaln4z roztworu NHaFe(SO+)2.LZH1O.
2. Wyznaczyi doSwiadczalniezalehnoScobjqtoSciprzes4czuod czasu filtracji dla uZytej
przegrody fi ltracyjneJ.
3. OkreSlii, na drodze grafrcznegorolniczkowania krzywej otrzymanej w punkcie2, szybkoSi filtracj r na u?ytej przegrodzie.
4. Wyznaczye,na podstawierohntczkowejpostacir6wnaniaRutha,stalefiltracji Ki C.
5. Przewidziec objgtoSi przesEczui szybkoSi filtracji po czasiedwukrotnie dluzszym od
pomiaru.
czasuprzeprowadzonego
Prowadzqcy twiczenia podaje sklad zawiesinyzgodnie z tabelq 2.1.2 oraz ciinienia filtracji
na podstawietabeli 2.I .3.
Aparatura
Aparatura do wyznaczaniaszybkoScifiltracji pod statym ci5nieniem,przedstawiona na
pomiarowpod roznymiciSnieniami.
FiltracjEw tym
rysunku2.1.3,umozliwiaprowadzenie
zestawie prowadzi siq w ten spos6b, 2e powierzchnia zawiesiny w zbiorniku otwartyrn
poddanajest dzialaniu ciSnieniaatmosferycznego,natomiastpod przegrod4 filtracyjn4
wytwarza siq zmniejszoneciSnienie.CiSnienie,pod jakim prowadzonajest filtracja, uwapod przegrod4filtracyjn4i ciSnieniemhydrorunkowanejest wiqc wielkoSci4podciSnienia
statycznymwywieranym przez slup cieczy na przegrodp.Przez podciSnienierozumie siQ
roznicq ciSnienmiEdzyatmosferycznyma panuj4cymwewn4trzukladu filtracyjnego.
W omawianym zestawiewyrozni(, molna zbiornik wyr6wnawczy Z, w kt6rym panuje
stale,obnizonedo ZqdanejwartoScipodciSnienieoraz polqczonez nim trzy uklady:
uklad wytwarzaiqcyprozniq (I) w zbiorniku wyr6wnawczymZ,
uklad zapowietrzajqcyzbiornik wyr6wnawczydo z4danegociSnienia(ll),
uklad pomiarowy do filtracji (lll).
Po wl4czeniuukladu wytwarzajAcegopr6zniq, w tym przypadkupompki wodnej, nie
zaznaczonejna rysunku2.1.3, nastgpujeodsysanie,nie zawszer6wnomierne,powietrzaze
zbiornikawyr6wnawczego(Z).CiSnieniew tym zbiorniku obnizasiE az do uzyskaniapewotwarciemodpowiednichkran6w w ukladziezapowietrzajqnej wartoSci,zdeterminowanej
cym. Wowczas zaczyna pracowai uklad zapowietrzajqcy.Kazdenu odessaniupowietrza,
rownowalnej iloSci
ponizej zdeterminowanej
wartoSciciSnienia,towarzyszywprowadzer"rie
przez uklad zapowietrzaj4cy.
Podci5nienie
uzyskanew ten sposobw zbiornikuwyr6wnawdalej do ukladupomiarowego.
czym przenoszonejest
BB
szybkoScifiltracji (l ,2 - cieczowyreduktorci(nienia;3, 4 kran tr6jRysnrrekz.l .3. Aparaturado wyzn aczanta
k
o
r
icowkaodl
l
z
b
i
o
r
n
i
k
z
a
r
l
k
n
i
E
t
y
;
9-filtr;
d r o z r r y5; - m a n o m e t r r t g c i o w6y,;8 , l 0 , l z , i r , l 4 - k r a n y ; 7
w
l
4
c
z
n
i
k
;
C' D' E' F
B
'
A
'
l
B
k
o
r
e
k
;
6 -; r n i e s z a d l o ;1 7
p r o w a d z a j . c al 5; - z b i o r n i k l r a p o r o w y r n u . u * r " s i r rl E
- krany; Rr, Rz - rulki; Z - zbrornikwyr6wnawczy)
W ukladzietym zainstaloUklad zapowietrzajqcyjest stosunkowoskomplikowany.
zamkniqte
wod4i szczelnie
wanes4 dwa cieczowereduktorycisnienia(1) i (2) napelnione
korekdo
przez
przechodz4ce
od gory korkami.Kazdy z nichposiadatrzy rurki redukcyjne,,
nad wod4'
powietrzez przestrzenr
roznychglpbokoSci,oraz krotk4 rurkq odprowadzajqcE
(A), (B)'
poszczeg6lne
rurki redukcyjnepol4czonesqod gory przypomocywQzyzkranatni
Wymienione
dlugoSciw obureduktorach.
(C) oraz(D), (E), (F) w kolejnosriwzrastaj4cych
posiada rurkq
krany zmontowane s4 w dwoch griebieniach, z ktorych kaady
pracy dowolnej rurki redoprowadzaj4cqpowietrze.Krany te pozwalajqna wl4czeniedo
ze zbiornikiemwyr6wnawjest bezpoSrednio
dukcyjnej.Reduktorpierwsry(l j potaczony
od drugiego,
ezym(Z) poprzezruikq odprowadzajqcq(Rr)i moze pracowacniezaleznie
ze swegogrzebieniapoprzeztrojdroznykran (3)' Reczerpiqcpowietrze atmosferyczne
pierwszympoprzez
z reduktorem
szeregowym
jest w polqczeniu
duktordrugi (2) ustawiony
z atmosferq'
reduktorowze sob4i/lubbezpoSrednio
kran(3). Kran i.n umozliwiinlqczenie
jest w przewodzielqczqcymzbiornik wyr6wnawczy
Trojdrozny kran (4) zamontowany
calej lewej
i calkowitezapowietrzenie
z uklademfiltracji.Kran ten umozliwiabezpoSrednie
powinienznajdowaisiq
lub prawej czqsciaparatury.W czasiefiltiacji kolek tego kranu
z atmosfer4.
pol4czenre
* potoreniuodcinaj4cym
po filtracji wszyi*i. Oiogikrunow(A), (B), (C), (D), (E), (F) i (3) ukladuzapowietrzaprzed
j4cego orazkran(+; po*inny byi otwarte(pol4czonez atmosfer4),co zabezpiecza
"pirecia*aniem
aparatury'
*ooy w redukiorachistanowistanwyjSciowydo uruchomienia
przystEpuj4c
do uruchomieniaukladu zapowietrzaiacegonalezywczesniejokreSlic,
ZapodciSnienia'
kt6re rurki redukcyjnebgdq wykorzystanedo uzyskaniapotrzebnego
najdlszszadrugiego'Po
lozmy,ze maj4to byi: najdtuzszarurka pierwszegoreduktorai
nalezy wlqczyc pompkq
sprawdzeniu,iunu wyjscilwego (wlasciweotwarciekranow)
89
wodn4. W zbiorniku (Z) nie zauwaZysiq spadku ciSnienia,poniewaz powietrze zasysane
jest do niego przez otwarfy kran (a). Po odciEciukranem (a) doplywu powietrza do zbiornika wyr6wn awczego nale|y obserwowac rurki redukcyjne w pierwszym reduktorze.
Zmniejszaneprzez pompkq ciSnienieprzenoszone
jest ze zbiornika (Z) przewodem do
przestrzeninad powierzchni4wody, co powoduje obnizeniesiq poziomu wody w rurkach
do momentu, gdy zrowna sig on z koricernnajkrotszejrurki. W6wczas powietrze zaczyna
przez ni4 barbotowai,zapowietrzaj4czbiornik (1) i utrzyrnuj4cw nim ciSnieniezdeterminowane przez slup wody. Pozostaledwie rurki pracujq jak manometry.Spelnianajest tu
zaleZnoic:
Po: P,+ Po
gdzie:P,,- ciSnienieatmosferyczne
(stalew c)asie) [mnrFlg],
P. - ciSnieniegazupanuj4cew zbiornikuwyrownawczytrl[rnrnHg],
P7,- ciSnieniewywieratleprzezslup wody wypartejz rurek [mrnHg].
z tegowynika,ze podcisnienie
(P,,-P,)panuj4ce
w zbiorniku(z) wynosi:
Pr,-Pr:P,,
Daje siq ono okreslicprzezpomiarwysokoSci
slupawyparlejz rurekwody i zrniangna
r6wnowaZny
sluprtqcihsr(przyczymllns- Pn).Do tegoceluwykorzystuje
siqzaleZno5i:
Itno.drr:lror.o.doro
gdzie:dys= 13,5g/cm3 - gEstoS6
rtEci,
drt = 1,0 g/cm3 - ggstoSc
lvody,
sk4d:
hr.,u
lrrr: Pn:#
I J,5
W celu dalszegoobnizeniaciSnienia,zamykaj4ckran (A), wylEczasiq najkrotsz4rurkq
z obiegu.Po chwili spadekciSnieniaw zbiornikuwyr6wnawczymosi4gnietak4 wartoS6,Ze
powietrzezaczniebarbotowai przez rurkg polqczonEzkranem(B). Zamykajqe z kolei kran
(B) uzyskuje siQ zapowietrzenrezbiornika wyr6wnawczegoprzez najdluzsz4rurkq polqczon4zkranem(C).
W celu wlqczeniado ukladu drugiegoreduktora,kran (C) przy pracuj4cejrurce w pierwszym reduktorze pozostawii nale|y otwarfy, natomiast kranem (3) odci4i od atmosfery
grzebiehpierwszegoreduktorai polqczyi go z rurk4 odprowadzaj4c4(Rz) drugiego reduktora. Powietrzeprzechodzi wowczasprzez grzebiehdrugiego reduktora i pol4czon4 z nim
kranem (D) najkrotsz4 rurk4 zaslla reduktor pierwszy. Uzyskany w ten sposob spadek
ciSnieniaw zbiorniku (Z) odpowiadasumie spadkowciSnieniana rurkachobu reduktorSw.
Wl4czeniew obieg nastgpnejrurki sprowadzasiq,jak poprzednio,do zamknipciakranem
w grzebieniupowietrza do rurki krotszej.Tak tez, drug4 rurkq wl4cza sig zamykaj4ckran
(D), atrzeciq- kran (E).
Po zakonczeniufiltracji zapowietrzenieukladu przeprowadzasip stopniowo,otwieraj4c
krany powoli, w kolejnoSciprzeciwnejniZ przy wlqczeniu.Najpierw otwiera siq kran (E),
poflniej kran (D), nastEpniekranern(3) wylEczasiq drugi reduktor i lqczy obydwa reduktory z atmosfer4(kranern(3)) Nastqpniekolejno otwiera siQ krany (B) i (A), a caloSd
ukladu zapowietrzasip kranem(a) (polaczenrez atrnosferfl.
Uklad pomiarowy do filtracji (lll) jest stosunkowoprosty.W skladtego ukladuwchodz4 nastApuj4ce urz4dzenia.
zbiornik naporowy (15) z zawiesinau
ze skal4 do odczytywaniawysokoScislupa zawiesiny nad przegrod4fi ltracyjn4
rnieszadlo( l6) utrzyrnuj4cezawiesinpw ci4glyrn ruchu i zapobiegaj4cesedymentacj
i
osadu,
90
rozbieralrryfiltr (9), pozwalaj4cyna wymianqprzegrodyfiltracyjnej(bibLriy),z rllrowym
odbieralnikiernposiadaj4cym podzialkEdo okreslenia objqtoScifi ltratu,
filtratu,
w przypadku,,przer7'vcenia"
aparaturE
zbiornik zarnknipty(7) zabezpieczajqcy
panujecegopod przegrod4.
rtqciowy(5) do pomiarupodciSnienia
ffranorrretr
(11) zbiornika napoFiltr po{4czonyjest od gory szlifernz koncowkq odprowadzai4c4
( i 4)
rowego, umozliwialacodl4czenierury filtracyjnej i nastgpniejej rozkrqcenie.Kran
(18) do odciqcia
w tej konc6wce sluzy do wprowadzeniazawiesinydo filtracji,,a korek
sluz4.
filtru
przestrzeninad przegrod4filtracyjn4 od atrnosfery.Krany w pokrywie
nad przegrod4po wykonanympomiarze.
( 13) do zlewarowaniazawiesiny z przestrzeni
Rurowy odbieralnik filtratu zaopatrzonyjest w kran (10) umozliwiaj4cy oproznienie
jest do
potrzebnedo filtracji przenoszone
przestrz.ninltratu pod przegrod4.PodciSnienie
jest na manometrzepo
iej przestrzeniprzezotwarciekranu (8), a j.go warloSi odczytywana
r6wnoczeorwarciu kranu (6). Mieszadlo wlqczasiq do pracy wl4cznikiem(17), sluz4cym
s4
Sniedo regulacji obrotow. Dalsze szczegolypotrzebnedo obslugi zestawuzamteszczone
w opisie wykonaniaiwiczenra.
Wykonanie dwiczenia
(11), lqczqcEgo
Realizacjp cwiczenianale\ rozpoczEcod rozi4czeniafiltru z koricowk4
szlifem z naczyniemnaporowym.Po osuniEciufiltru (9) razefflz rurowym odbieralnikiern
na
filtratu w dol luchwyclniu go w lapachpodnosisiq z kolei mieszadloizamocowuje
to
sratywie tak, aby wirnik znajdowal siq powyzei gorrrej krawqdzi naczynia.Umozliwia
wykonac
zdjqcie naczynii z polki i ewentualneoproznienieb4dz umycie go. Dalej nalezy
poniZszeczynnoSci.
go i po1. ZaloZyc w filtrze przegrodqfiltracyjnq. W tym celu rozkrqcii filtr, oczyScii
odszczegdlneelementy wytrzec do sucha.Nastqpnie na gornej plaszczylnie rurowego
(wgtebieralnika filtratu umiescii gumowq uszczelkqi kolejno dalej sitko usztywniaj4ce
s4czebieniem na oszczelkqw dot) i przegrodqfiltracyjn4 ktor4 wycina siE z bibuly do
gdyZ
nra. Krqzek bibuty nie powinien wystawacpoza krawqdzie sitka usztywniaj4cego,
. Zkolei, po zwllzenruprzegrody,ustawia
przyezyniasip to do powstanianieszczelnoSci
do,iE nu ni.; gOin4.rq5i filtru (zasobnik)i skrqcafiltr nakrEtk4stosuj4cumiarkowany
przegrody
uszkodzic
nie
cisk - trEcie nakrgtk4 unieruchamiaj4cgorn4 czeilcfiltru, aby
przez szltf
filtracyjnej. Tak przygotowanyfiltr po oproznieniugo kranem (10) lqcry siQ
naporowego.Przy pustym naczyniuwspolosiowe
z konc6*[E odpiowaAzajEcqnaczynia
polqczenieizlifu daje siq latwo uzyskai przez wlaSciweustawienienaczynia.
skladem,
2. przygotowai zawiesinq filtracyjnq. Odmierzyc wodq, zgodnie z zalozonym
jq do
przelac
w tabeli 2.1.2,
i zamieszczonym
podanym przez prowadz4cego-Cwiczenia
dna naczynaczynianaporowego,opuScii mieszadloi usytuowai jego wirnik w poblizu
do
nia. po uruchomieniu mieszadla i ustawieniu umiarkowanychobrotow zadozowa(
wskaza(w
iloSciach
naczynianajpierw roztwor soli, a nastqpnieodczynnik str4caj4cy
osadu"zawiesinajest gotowa do filnych w tabeli z.I.z). po 10 minutach,,dojrzewania
str4canie
tiacji. Dla kolejnychpomiarow,przy kazdym zwyznaczonychciSnienfiltracji,
qc
rozpoczqciern
przed
zachowuj
nowej porcji osadupir.pro* adzasig w ten sam spos6b,
filtracji ten sam czas,,dojrzewaniaosadu"'
pierwszejkolejno3. Czekij4c na,,dojrzewuni. osadu",przygotowai zestawdo filtracji. w
potrzebnedo uzyskaniapoSci okreslic rurki redukcyjnew ukladzie zapowietrzajEcyth,
przegrod4
leconegociSnieniafiltracji. Najpierw zmierzyc wysokoScslupazawiesinynad
skali
skroconej
i
na
filtracyjn4. W tym celu nalezy zatrzyrnacna chwilq mieszadlo
zbiornika naporowegoodczytaiwysoko5i poziomu zawiesinYh* w mm'
9r
Tabela2.1.2. Przykladoweskladyrnieszanindo otrzyrnaniazawiesiny
Lp.
1
2
3
A
+
5
6
Woda
Icrn3]
Roztw6rsoli.
Icm']
1000
l 000
1000
1500
l 500
l 500
50
75
r00
50
l5
100
Odczynnik
strqcaj4cy."
Wytr4cony
osad
Ictt't']
tel
P,,
[mmHg]
))
1,0
1,5
2,0
1,0
1,5
2.0
tl
l1
t1
20
20
20
5,0
) <
a
a
",.
5.0
+
S5l NH4Fe(SO+)z.l2HzO,
rozrwdr90 g/chn'r,
Odczynnikstr4caj4cyNH.rOH,rozrw6r25Vo,
r++
OsaclFe(OH):,
P,, PrzyblizoneciSnieniehydrostatyczne
slupazawiesirryna przegrodg.
Ze sposobuprowadzeniafiltracji wynika, ze ciSnieniefiltracji P wynosi:
P = Pn + Pn
gd,zie:
=
P, - ciSnieniehydrostatyczne
slupazawiesiny
, Pn
" +t 3 , 5
Pn - podciSnienie
pod przegrod4 Pn = (P,,- P.)
[mmHg].
[mrnHg],
Maj4c podane,w zadaniudo wykonania cwiczenia,ci5nieniefiltracjt P, z powyzszei
zalelnolci znajdujesiq potrzebnepodciSnienieP1.
Pt' = P - P'
i dalej doboru rurek dokonujesiEna podstawiezaleznosci:
Pn:P
+ iP =
i .+ ?
gdzie: ff i ff. - spadkiciSnierina rurkachpracuj4cychrv reduktorach,
h1r 1 4 - p ra c u j 4 c e
d l u g o S cru
i re k.
Dane 'dotycz4ce parametr6w odpowiadaj4cychposzczegolnym rurkom podane s4
t a b e l i2 . 1 . 3 .
Tabela2.1.3Charakterystyka
rurekredukcyjnychw zestawiedo filtracji
Symbolkranu
wlqczaj4cego
rurkg
Reduktor
A
B
C
D
E
F
I
I
I
2
2
2
Pracul4ca
dlugoScrurki
Imm]
640
I169
1126
423
952
I 504
Syrnbol
dl ugoS ci
Itt
hz
It.t
lu
It.s
lu
Wywolany
spadek
ciSnienia
ImmHg]
47,4
86,(r
l2'/,9
31,4
J0,6
I 18,4
Syrnbolspadku
c i S n i ei na
Pt,
Pn
Pn
It t,
p.
Pn
Url/AGA! Reduktor 2 pracuje tylko w spr:Qzenius:eregowymz reduktorem l.
4. Wl4czyc uklad zapowietrzal4cyi wytworzyc wyznaczonymirurkarni potrzebne podciSnieniew aparaturze.W tyrn celu po zarnkniqciukranow pomiarowejczQ5ciaparatury
92
zapowie((g) - do filtru i (6) - do manometru)isprawdzeniustanuwyjSciowegoukladu
(F) otwarteoraz
lrzaj4cego(wszystkiedrogi poi4czonez atmosfer4 krany (A), (B), ""
pompkq
kolki kran6w 3 i 4 w polozeniu lqcz4cym aparaturqz atrnosferE)wlqczyc
odcinaj4ckranem (a) doplyw powodn4. Nastqpnieuruchomicuklad zapowietrzal4cy,
w pierwszymrewietrza do zbiornikawyrownawczego(Z). Dalej wprowadzicdo pracy
do poprzedduktorze potrzeon4rurkq redukcyjnzukolejno zamykaj4cdoplyw powietrza
kranem (3)
niej krotszej (krany A, B, C). NastqpniefieSli tego wymaga zadanie)wlqczyc
jak w reduktorzepierwszym.
drugi reduktoi-iuruchomicpotrzebn4rurkq(krany D, E, F)
W tym celu nalezy przy
5. Sprawdzii wartoSi uzyskanegopodciSnieniaz zaplanowanym.
(Z) odczytac
pol4czonej pomiarowej czgs-i aparaturyze zbiornikiem wyrgynu.*.zym
na rlaioznicq ciSnienmiqdzy atmosferycznyma panuj4cymw ukladzie bezpoSrednio
nie powinno zasadnometrzepo otwarciukranu (6). Odczytane,w mmHg, podciSnienie
czy poniczo ro1nrcsiq od zaplanowanego.W przeciwnymwypadku nalezy sprawdzic,
Mogt tez zaziom wody w reduktorachnie ulegl zrnianieI czy pracuj4wlaSciwerurki.
istniei blad PrzYdoborzerurek.
filtru. W tym celu zarnkn4i wszystkiekrany lqczqcefiltr z atmos6. Sprawdzic s,zczelnoSi
gorn4rurkEkoncowki(11) korkiem (18). Po powolfer4 (10, 12 i 13) orazzakorkowac
odczytuje siQ
nym przekrqceniukranu (B), ktory lqczy fil,,trz obnizonym ciSnieniem,
poNie powinno siq ono roznic od okreSlonego
na manometrze.
wartoScpodciSnienia
ktor4 nalezy
przednio w punkcie 5. Mniejsze podciSnienieSwiadczyo nieszczelnoici,
go
(8) i zapowietrzaj4c
usun4i, odcinajqc wczesniejfittr od obnizonegociSnieniakranem
lub
filtru
kranem (10). Najczqsciejnieszczelnolcwynika z niewlaSciwegozmontowania
kran6w. Po usuniqciu usterki
zlego pol4czeniana szlifie, rzadzieiprzez nieszczelnoSc
potrzebnyrndo
filtr nalezyponowniesprawdzii ipozostawii pod obnizonymciSnieniem
pomiaru.
zaleznoici od czasu
1 . przeprowadzic filtracjq zawiesiny, okreslaj4c objqtoScfiltratu w
W tym celu
V - f (r). pom tar rozpoczEcz chwil4 uplyniqcia czasudojrzewaniaosadu.
wlqczal4csewprowa dzi( zawiesingOo filtru, przez otwarcie kranu (14), r6wnoczesnie
zbiornik z filkundomierz. Nastqpnieodkorkowac gornq rurkE koncowki (l l) lqczqcej
obserwuj4c
trem i atmosfer4(korek (18)) i odpowietrzyckranem (12) pojernnik filtru,
kran
powietrza
ptzy tym podnorr4.y siq w nim poziom. Z chwil4 calkowitegowyparcia
(11)
(lZ) zamkn4i. Usun4cbagietk4ewentualnepqcherzepowietrzaz rurek i koncowki
w ten spos6b,ze
doprow adz$qcejzawiesinqdo filtra. Rozpoczetypomiar kontynuujesiq
przesqczv,
wraz z uptywem czasufiltracji okresla siq wysokoScslupa nagromadzonego
przekroju odbierala co za tym idzie,jego objqtose. Mnoznik wyrazaiqcypowierzchniq
1,2,3,4,
nika *.n.', podanyjest ni filtrze. Odczyty nalezyprzeprowadzicpo czasach.
P
o
w
i
n n os i Qj e
6 , g , 1 0 , 1 2 , 1 5 , 2 0 , 2 5 , 3 0 ,3 5 i 4 0 m i n u t o d c h w i l i r o z p o c z q c ifai l t r a c j i .
i powykonac mozliwie dokladnie,korzystajqc ze skali zamieszczonejna odbieralniku
wedlug
tabelce
dac z dokladnoSci4do 0,1 cm. Dane z przebiegufiltracii zamiescicw
zawiesiny
doptyw
wzoru tabeli 2.1.4. po skonczonympomiarzekranem (14) zamkn4c
obnizoneciSniedo filtru, a kranem (8) odciEi od niego czqscaparatury,w ktorej panuje
(13) po
nie. Nastppnie zlewarowad zawartolc pojemnika filtru przez otwarcie kranu
nie chce wyuprzednimpodstawieniupod niego zlewki. W przypadkugdy zawiesina
(14). Po zlewarowapiywa6 (zbitniski poziom * ,ur.i (11)) na chwilq otwierasig kran
(8)
obnilone cisnienie'
niu zawiesiny osuszasiq placek, podlqczaj4cdo filtru kranem
W koncu zapoUmozliwi to po1nielszqrozbiorkq filtru bez rozlewaniasiq zawiesiny.
wyt4wretrzyc czE1cfiltruj4.4 upuratury (lll) kranem (4), a w czEScizapowietrzai4cej
zaleceniami
czac stopniowo z praay-port"regolne rurki redukujqce zgodniez podanyrni
nalezyod rozprzy opisie tego ukladu. przygotowaniedo nastqpnegopomiaru zaczynac
iq"t"nru filtru z konc6wk4 (1 1) lqczqcqgo z naczynremnaporowym'
93
Opracowaniewynik6w doSwiadczeri
Opracowaniewynik6w kazdego pomiaru nale|y przeprowadzic w kolejnoScipodanej
w zadaniu,wpisujqcr6wnoczesnieznalezionewartoSciw tabeli wedlug w z o r ut a b e l i2 . 1 . 4 .
T abela2. 1. 4.W y n i k i fi l tra c j ip o d s ta l y rnc i Sn i erri 6m
SzybkoSifiltrac-ii
Czasfiltracji
T
Irninuty]
Poziomfiltratu
w odbieralniku
H
Ic m]
ObjEtoSc
filtratu
V
dV
dr
,1,
dV
Icrn3]
Icm3/mi n]
V_S.H
z rolniczkowania
graficznego
Irnin/cm]l
I
z pomlarLl
z pomlalu
I
4v
u, l tr
I. Poczqtkowo dlakaZdego czasu filtracji nale?y obliczyc objEtoSi otrzymanegoprzesEczu
ze zmierzonejwysokoscifiltratu w odbieralnikuIl [cm]:
V=H.S
[.rn']
gdzie: S - wielkoSi powierzchniprzegrodyfiltracyjnej,
a nastqpniesporzEdzicwykres znalezionej zalehnosciV - f (r) w ukladzie wspolrzqdnych V - t [.t', min]. W przypadku rozrzutuwynik6w eksperymentalnychkrzywe nale?y interpolowai miqdzy punktami.
2. Nastgpnie,dla poszczegolnych
czas6wfiltracji okreslicjej szybkoSc,
to jest znale2cwartoSi pochodnejdV/dr wykreSlonejfunkcji (sposobpostqpowanianie zaleZyod tego, czy
wykreSlanafunkcja spelnia zaloZeniateoretycznefi ltracji). Przy j ednakowej dlugoSci
jednostek osi V i r r6wnoznacznejest to ze znalezieniemtangensak4ta nachylenia
sfycznejdo krzywej w danym punkcie. W przypadkuroznej dlugoScijednostek osi V i r
nale?y,opieraj4c siE na stycznej,zbudowai trojk4t prostok4tny(przyprostok4tneodpowiednio r6wnolegledo osi V i r), anastEpnieokreSlii wartoSi pochodnejw zaleanoSci:
dV
V, -V,
E:;i
gdz ie: V z - V r - i l o $ c j e d n o s te k o sVp
i rz ypadal 4canai ,vysokoS ctro_;k4ta
[crn3],
r : . - r r - i l o S ij e d n o s te ko s i rp rz y padaj 4ca
na podstaw E
troj k4ta frni nutyl .
W praktyce przeprowadzasiE to w ten sposob, 2e najpierw przez rozpatrywanypunkt
krzywej wykreslasip normaln4(rysunek 2. 1 4). W tym celu tuL przy punkcie,prostopadle do krzywej, ustawiasiq lusterko,a nastgpnieobserwuj4cw nim zwierciadlaneodbicie czqScikrzywej zmieniasiq k4t jego ustawienia,aZ do zaobserwowania,
ze krzywa na
wykresie i jej zwierciadlaneodbicie nie tworzE zalamania.W tym polozeniu, kre5l4c
prost4 wzdluZ lusterka,wykre5lasiq normaln4.Dalej juZ otrzymujesiE stycznqdo krzywej, przeprowadzajqcprzez rozpatrywanypunkt prostopadl4do normalnei. Z kolei buduje siE trojk4t prostok4tny,zgodnie z tym co powiedzianowczeSniej,wykorzystuj4c
czQscstycznejjako przeciwprostok4tn4.
Wygodniejest przy tym budowai trojk4t w ten
spos6b,2e pocz4tkowobierzesipjego podstawqo dtugoSci10 jednostekosi z w prawo
od punktu stycznej,a nastqpniewysokoSido przecigciaze styczn4.Wowczaspo znalezieniu Vz- V1,latwo wyliczasiq pochodn4:
94
sryczna
I
, normalna
Tt
Tz
pochodnej
Rysunek2.1.4. Metoclykawyznaczenia
dv _v,-v,
dr
icm3/min1
10
przegrodg filtracYjn4
Znalezionew ten sposob szybkoScifiltracji liczone sA na calq
* a-t'min-'.
na wykorzystaniuzroZniczko3. Wyznaczaniestalych szybkoScifiltracji K i C opiera siq
wanego16wnaniaRutha:
d
V
K
d r 2 ' ( V+ C )
filtracjijako funkcji objqtoSciprzesqczu
Jak latwo stwierdzic,odwrotnoSiszybkoSci
prostej
jest r6wnaniemkierunkowym
dt _2'V
*2'C
d V K K
prostej
o wsp6lczynnikuk4towymr6wnym 2lK rownymtangensowik4ta nachylenia
orazrzqdnejpocz4tkowejptzy V = 0 r6wnejz'ClK'
cznej(rysunek2.1.5)miqdzy2lK i 2'ClK wyz rozpatrzeniazaleznolcitrygonometry
wartoSciodciqtejna ujemnymzwrocieosi V w przenika, ze Cjestrownebezwzglqdnej
dr
dV
tga -
dr
dV
dr
dV
v,*v,
Rysunek2.1.5.SposobwyznaczeliastalychszybkoScifiltracji KiC
95
ciEciuz wyl<reSlon4
prost4.W ten spos6bobie staleK i C s4 wyzn aczalnena drodzegraficznej.
PrzystppujEcdo wyznaczaniastalych szybkoScifiltracji, nalely najpierw wyhczyi dla
poszczeg6lnychpunktow odwrotnoSi szybkoScifi ltracji :
dt_
dV
I
dV
E
nastEpniesporzqdzicwykres odwrotnoSciszybkoScifiltracji od objEtoSciw ukladzie
wspolrzqdnychdr lclV, V [min/c*', cm3]. Jezeli przez otrzymanepunkty daje sip przeprowadzii prost4 Swiadczyto, ze spelniones4 warunki stosowalnoSci
r6wnaniaRutha i
wyznaczonestale K i C mogq sluzyi do przewidywari.
4. Przewidywanie objqtoSci przes4czuprzeprowadza siQ na podstawie r6wnania Rutha,
maj4c wczeSniejwyznaczonestale K i C, a nastqpnieszybkoScfiltracji ze zroZniczkowanegor6wnania.
Literatura
L MolendaJ.,Tecluutlogiar:ltenir:un,WydawnictwaSzkolnei Peclagogrczne,
Warszawa1991.
2. Kozak D., I'Vybraneoperacjejednostkowe i aparaty przemyslu chenticznego,Wyclawnictwo Uniwersytetu
M ar ii Cur i e -Sk l o d o w s k i eLju, b l i n I 9 8 6 .
3. Warych J., AparaQ i urzqdzeniaprzemysluchemicznegoi przetw6rczego,Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne,Warszawa1996.
4. Zuzikor,v W., Filtrar:ja. Teoria i praktltka rozdzielania za.wiesin,Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
W ar s z awa1 9 8 5 .