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
| Потенциал | Виды СО | Область применения |
| 1. Силы тяжести | Осадительные камеры; жалюзийные пылеуловители | 1. Очистка воздуха в приточных вентсистемах. 2. Очистка газовых выбросов (стадии ПО и ОБО) |
| Отстойники | 3. Очистка стоков (ОБО) | |
| 2. Силы давления | Фильтры перегородочные для газов и жидкостей | 1. Выделение твёрдых продуктов синтеза (ТП). 2. Отделение отработанных сорбентов (ТП). 3. Отделение твёрдых отходов (ПО, ОБВ и ОБО); |
| Мембранные фильтры | 1. Разделение коллоидных систем и истинных растворов (нанофильтрование и обратный осмос) | |
| 3. Центробежные и аэроподъёмные силы | Воздушно-проходные и циркуляционные сепараторы | 1. Камеры аэрофонтанных пневмосушилок 2. Очистка газовых выбросов (ОБВ) |
| Циклоны | 1. Камеры циклонных и трубно-циклонных пневмосушилок. 2. Узлы загрузки-выгрузки систем пневмотранспорта. 3. Очистка воздуха и газовых выбросов (ОБВ) | |
| Гидроциклоны | 1. Предварительное концентрирование суспензий в процесса фильтрования/центрифугирования (ТП). 2. Разделение эмульсий. 3. Очистка стоков (ПО и ОБО) | |
| Центрифуги | 1. Разделение суспензий | |
| Суперцентрифуги | 1. Разделение золей, гелей и растворов полимеров | |
| Жидкостные сепараторы | 1. Разделение эмульсий (реже – суспензий с сжимаемым осадком) | |
| 4. Электростатические силы | Электросепараторы | 1. Разделение и очистка золей (ТП и ОБО). 2. Пылегазоочистка (узлы рукавных фильтров). |
| 5. Магнитные силы | Магнитные сепараторы | 1. Выделение дисперсных катализаторов (Fe, Ni, Co, Pd) - (ТП). 2. Очистка газов, жидкостей и сыпучих продуктов от ферропримесей (ТП, ПО, ОБО). |
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 φД ≤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
| Вид | Класс | Применение | ||||||||
| рН | Стойкость | dMIN, мкм | ΔР, МПа | tMAX, OC | GMP | Rп | ||||
| Орган. | Окислит. | |||||||||
| 1. ВОЛОКНИСТЫЕ ТКАНЫЕ И НЕТКАНЫЕ | ||||||||||
| 1.1. Бязь | Мягкие гибкие | 1…10 | Х | О | 1…5 | 0,5 | - | 1E5 | ||
| 1.2. Диагональ | 1…10 | Х | У | 0,5…2 | - | 4E5 | ||||
| 1.3. Бельтинг | 1…12 | Х | У | 0,5…2 | - | 5E5 | ||||
| 1.4. Сукно и войлок | 0…12 | Х | У | 0,5…2 | - | 5E5 | ||||
| 1.5. Нитрон (ПАН) | 2…10 | У | О | 1…5 | + | 1E5 | ||||
| 1.6. Лавсан | 1…10 | У | У | 2…10 | + | 1E5 | ||||
| 1.7. Полипропилен | -1…10 | У | О | 2…10 | 0,5 | + | 1E5 | |||
| 1.8. Стеклоткань | -11…14 | В | В | 2…10 | 0,5 | - | 1E5 | |||
| 1.9. Бумага/картон | 0…10 | Х | О | 0,5…1 | 0,5…2 | - | 1E6 | |||
| 1.9. Углеродные волокна | -11…19 | В | Х | 0,1…1 | 2,5 | + | 1E6 | |||
| 2. ДРЕНАЖНЫЕ («подушки») | ||||||||||
| 2.1. Уголь | Мягкие негибкие | -11…16 | В | У | 0,01..0,1 | >1000 | - | (0,1..5) E15* | ||
| 2.2. Силикаты (перлит, кизельгур и т.п.) | -8…14 | В | В | >500 | ||||||
| 2.3. Древесная мука | 0…12 | Х | Н | <200 | ||||||
| 2.4. Песок+уголь | -8…14 | В | В | >0,1 | - | - | ||||
| 3. ПЛЕНКИ | ||||||||||
| 3.1. Нитрон (ПАН) | Мягкие гибкие | 2…10 | У | О | 10-…10-3 | 0,5…1 | + | 1E16* | ||
| 3.2. Лавсан | 1…10 | У | У | + | 1E16* | |||||
| 3.3. Тефлон | -11…19 | B | B | + | 1E16* | |||||
| 4. СЕТКИ | ||||||||||
| 4.1. Нерж. Сталь | Жёсткие гибкие | -11…19 | B | B | 5..50 | >500 | + | 1E6 | ||
| 4.2. Титан | -11…19 | B | B | |||||||
| 5. КОМБИНИРОВАННЫЕ | ||||||||||
| 5.1. Сетка+ ткань | Жёсткие гибкие | Определяются свойствами ткани и дренажа | ||||||||
| 5.2. Ткань+дренаж / ткань+бумага+дренаж | Мягкие негибкие | |||||||||
| 6. МИКРОПОРИСТЫЕ | ||||||||||
| 6.1. Нерж. СтальБ | Жёсткие негибкие | -11…19 | B | B | 0,05..0,1 | >500 | + | 1E16* | ||
| 6.2. ТитанВ | -11…19 | B | B | |||||||
| 6.3. Тефлон | -11…19 | B | B | 2,5 | + | 1E16* | ||||
| 6.4. Керамика | -11…14 | B | B | 2,5 | + | 1E16* | ||||
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.