Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Волгоградский государственный технический университет Химико-технологический факультет Кафедра: «Процессы и аппараты химических и пищевых производств» Контрольно-семестровая работа по дисциплине «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» Выполнил: студент группы РХТ-449 Бурмистрова А.С. Проверил: доц., кн. тех. наук Залипаева О.А. Волгоград 2021 Содержание Введение...................................................................................................... 3-4 1.Описание процесса фильтрования и волокнистых фильтров ............ 5-8 1.1 Процесс фильтрования ........................................................................ 5-8 1.2 Волокнистые фильтры ............................................................................ 8 2. Расчет оценки качества волокнистого фильтра ..................................... 9 3.Сравнение волокнистых фильтров с аналогами ................................... 10 Заключение ............................................................................................. 11-12 Список использованных источников ........................................................ 13 2 Введение Процессы и аппараты химических технологий (ПиАХТ) – это отрасль науки, изучающая теорию основных процессов, принципы устройства и методы расчетов аппаратов и машин, используемых для проведения химикотехнологических процессов. Она находится на стыке таких наук, как физика, физическая химия, термодинамика, механика, гидравлика, производственный менеджмент, экономика и др. Во многих странах мира подготовка специалистов в области процессов и аппаратов химической технологии (химической инженерии) является основной. В Республике Беларусь же – наоборот, основное внимание уделялось и по-прежнему отводится узким химико-технологическим эксплуатационной механике. специальностям Именно такой и конструкторско- узкопрофильный подход послужил первопричиной высокой ресурсоемкости, невысокого качества продукции отечественной промышленности. Поэтому процессы и аппараты являются комплексной и системообразующей инженерной дисциплиной, которой следует уделять намного больше внимания. Несмотря на прошедшие десятилетия многие проблемы промышленности и подготовки кадров попрежнему остаются нерешенными. В современной химической промышленности насчитывается множество разнообразных производств. Причем в этих производствах используются вещества, различающиеся физико-химическими свойствами исходных, промежуточных и конечных продуктов, а также характером и условиями протекания технологических процессов. Несмотря на перечисленные различия, число общих процессов ограничено. Поскольку часто вещества, используемые в этих процессах, находятся в текучем состоянии, то значимую часть среди них занимают гидромеханические процессы: 1) процессы, протекающие с разделением неоднородных систем (осаждение, классификация, фильтрование, центрифугирование); 2) процессы, связанные с образованием неоднородных систем (перемешивание, псевдоожижение). 3 Фильтрование является важным механизмом, суть которого состоит в том, что происходит выделение (или удаление) из исходного объекта некоторой части с заданными свойствами. Существует огромное количество фильтров: фильтры жидкости (от простых бытовых фильтров воды до сложных установок периодического действия для разделения под давлением жидких неоднородных систем на жидкую фазу и твердую фазу), фильтры газа (начиная от примитивного фильтра на сигарете, заканчивая огромными производственными фильтровальными аппаратами), различные фильтры в электронике и электрике, светофильтры, биофильтры и многие другие. На производствах, в которых происходит образование большого количества загрязненного воздуха, применение фильтров газа просто необходимо с точки зрения экологической безопасности (снижение вредных выбросов), а также и экономической (уловленные частицы могут быть вторично использованы). 4 1.Описание процесса фильтрования и волокнистых фильтров 1.1 Процесс фильтрования Фильтрованием называется процесс разделения суспензий, пылей и туманов через пористую, так называемую фильтровальную перегородку, способную пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные в них частицы. Фильтрование осуществляется под действием разности давлений перед фильтрующей перегородкой и после нее или в поле центробежных сил. От правильного выбора фильтровальной перегородки во многом зависят производительность фильтра, чистота получаемого фильтрата. В качестве пористых перегородок используются: - зернистые материалы: песок, уголь, асбест и др.; - ткани: шерстяные (в основном грубошерстные), хлопчатобумажные (бязь, фланель), минеральные (асбестовая ткань), металлотканые (металлические сетки); - жесткие пористые перегородки (в основном керамические). По целевому назначению процесс фильтрования может быть очистным или продуктовым. Очистное фильтрование применяют для разделения суспензий, очистки растворов от включений. В этом случае целевым продуктом является фильтрат. В пищевой промышленности очистное фильтрование используют при осветлении вина, виноматериалов, молока, пива и других продуктов. Цель продуктового фильтрования - выделение из суспензии диспергированных в них продуктов в виде осадка. Примером фильтрования такого вида может быть разделение дрожжевых суспензий, в которых целевым продуктом является осадок. Интенсивность фильтрования зависит от качества суспензий, полученных на предыдущих стадиях технологического процесса: дисперсной системы с пониженным сопротивлением осадка, без смолистых, слизистых и коллоидных веществ. 5 Процесс фильтрования в промышленных условиях проводится на фильтрах периодического и непрерывного действия. Фильтры периодического действия позволяют проводить фильтрование в любом режиме. Непрерывно действующие фильтры работают только при постоянной разности давления, обеспечивая непрерывное удаление осадка, что является их существенным преимуществом. По способу создания разности давления (движущей силы) различают фильтры, работающие под давлением, и фильтры, работающие под вакуумом. Давление над фильтрующей перегородкой вызывает уплотнение осадка, в результате чего создается добавочное сопротивление, снижающее скорость фильтрования. Кроме того, создание герметичной конструкции над фильтрующей перегородкой осложняет процесс выгрузки осадка, в связи с чем в большинстве конструкций используют вакуум под фильтрующей перегородкой. По расположению слоя осадка относительно фильтрующей перегородки различают перегородки с верхним расположением осадка, вертикальным расположением и с расположением осадка под фильтрующей перегородкой. Осадки, образующиеся при фильтровании, разделяют на несжимаемые и сжимаемые. Примером несжимаемых осадков могут служить частицы песка, кристаллы карбоната кальция, их пористость в не меняется процессе фильтрования. Примером сжимаемых осадков могут служить осадки гидроокисей металлов, их пористость уменьшается при фильтровании. Сжатие осадка ведет к повышению гидравлического сопротивления, как следствие уменьшается скорость фильтрования. Для повышения пористости осадков к суспензиям добавляют реагенты, которые способствуют агрегированию мелких частиц. Фильтрация является эффективным методом разделения жидких неоднородных систем (взвесей, коллоидных растворов). Метод широко применяется в различных сферах промышленности (в химической, пищевой, нефтеперерабатывающей, горнорудной и др.), а также 6 в лабораториях. Способ фильтрации также используется для очистки газообразных сред от жидких и твердых фракций. Виды фильтрования При разделении суспензий в зависимости от вида фильтровальной перегородки и свойств самой суспензии фильтрование может происходить с образованием осадка на поверхности перегородки, с закупориванием пор фильтрующей перегородки и с тем и другим явлениями одновременно (промежуточный вид фильтрования). Фильтрование с закупориванием пор происходит, когда твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки. Закупоривание пор твердыми частицами наблюдается уже в начальный период процесса фильтрования, что снижает производительность фильтра. Для поддержания ее на должном уровне фильтр регенерируют, промывая обратным током жидкости либо прокаливая металлические фильтровальные перегородки. Фильтрование с образованием осадка происходит в тех случаях, когда диаметр частиц больше диаметра пор перегородки, в результате чего только первые порции фильтрата уносят с собой небольшую часть твердой фазы, прошедшую через фильтр. В дальнейшем отверстия перекрываются сводами из частиц. Образуется осадок, толщина которого увеличивается по мере продолжения процесса фильтрования. И он начинает играть основнуюроль при задержании последующих частиц, размеры которых больше размеров капилляров осадка. По мере роста толщины слоя осадка увеличивается сопротивление фильтрованию и уменьшается его скорость, которая определяется перепадом давления перед и после фильтрующей перегородки, т.к. только при выполнении этого условия процесс будет осуществляться. Промежуточный одновременного вид фильтрования имеет закупоривания пор место фильтровальной в случае перегородки и отложения осадка на ее поверхности. Таким образом, тип фильтрования зависит от свойств суспензии, фильтрующей перегородки, давления 7 фильтрования. Поэтому одна и та же суспензия может фильтроваться при соответствующих условиях различно. 1.2 Волокнистые фильтры В основе работы волокнистых фильтров лежит процесс прохождения газового потока через фильтровальную перегородку, в ходе которой взвешенные частицы задерживаются в ней, а газы полностью проходят через нее (как уже упоминалось выше). Волокнистые фильтры представляют собой слои различной толщины, в которых более или менее однородно распределены волокна. Это фильтры объемного действия, так как они рассчитаны на улавливание и накапливание частиц преимущественно по всей глубине слоя. В связи с высокой пористостью аэрозольные частицы легко проникают в глубину пористой перегородки. Регенерация отработавших волокнистых фильтров в большинстве случаев затруднена и нерентабельна. По окончании срока службы отработавшую фильтрующую среду заменяют новой. Вследствие этого волокнистые фильтры применяют главным образом для фильтрации слабозапыленных потоков с концентрацией пыли не более 5 мг/м3. Волокнистые фильтры широко применяют для очистки атмосферного воздуха в системах приточной вентиляции, кондиционирования и воздушного отопления, а также в ряде установок специального назначения. Волокнистые фильтры, применяемые для улавливания твердых или жидких частиц из газов и воздуха во время проведения технологических процессов или выбрасываемых в атмосферу, называют промышленными, в отличие от воздушных, предназначенных для очистки атмосферного воздуха от пыли в системах приточной вентиляции. К промышленным волокнистым фильтрам относятся: Сухие: тонковолокнистые, глубокие, фильтры предварительной очистки (пред – фильтры); Мокрые: сеточные, самоочищающиеся, с периодическим или непрерывным орошением. 8 2.Расчет оценки качества волокнистого фильтра Основными характеристиками фильтров являются эффективность улавливания частиц определенного размера при заданной скорости и перепад давления. Осаждение частиц на волокнах фильтра характеризуется коэффициентом захвата η, который зависит от условий течения газа в фильтре и размера частиц. Коэффициент захвата – безразмерная скорость осаждения частиц на единицу длины волокна в фильтре, связанная с эффективностью фильтра Е следующим соотношением: 𝐸 = 1 − 𝑁⁄𝑁 = 1 − 𝑒𝑥𝑝(−2𝛼𝐿𝜂) 0 𝐿 = 𝛼𝐻⁄𝜋𝛼 2 Перепад давления на фильтре Δp пропорционален сумме сил сопротивления потоку волокон длиной L ∆𝑝 = 𝑈𝜇𝐿𝐹 Для сравнения начальных характеристик фильтров выбрана величина отношения логарифма проскока частиц к перепаду давления, названная критерием качества, 𝛾= ln 𝑁⁄ 𝑁0 ∆𝑝 ⁄𝑈𝜇 Эта величина размерная и зависит от условий фильтрации. Чем больше γ, тем лучше фильтр подходит для данных условий. 9 3.Сравнение с аналогами Фильтр Достоинства Материал выдерживает высокую температуру уходящих газов Устойчив к повышенной влажности Устойчив к воздействию хим. активных соединений Тканевые Волокнистые Зернистые Улавливание и накапливание частиц идет по всей поверхности фильтра Эффективность улавливания составляет до 99,99% Доступность материала Тонкая фильтрующая среда Улавливание мелкодисперсных частиц Доступность материала Возможность работать при высокой температуре и агрессивной среде Выдерживает перепады давления и изменения температуры 10 Недостатки Дефицит применяемого материала Невысокая тонкость отсева Быстро загрязняются и разрушаются Улавливание частиц на поверхности фильтра происходит неравномерно Невозможность регенерации Необходимость частой регенерации Заключение В заключении, проанализировав материал можно сделать следующие выводы. Волокнистые фильтры намного эффективнее и производительнее тканевых– скорость фильтрования в них в несколько десятков раз выше, да и эффективность улавливания капель чуть ли не 100%. Это обусловлено тем, что в данных фильтрах используется совершенно новый способ очистки промышленных газов от растворимых частиц и капель тумана. В волокнистых фильтрах газ пропускается через специальный волокнистый туманоуловитель, который представляет собой слой войлока, состоящий из множества синтетических волокон. Волокнистые фильтры сегодня в основном применяются в производствах термической фосфорной и серной кислоты, где они выступают в роли уловителей брызг при упаривании и концентрировании щелочей и кислот. Кроме этого, они нередко используются в скрубберах (аппараты промывки газов) в качестве абсорбционной насадки, задача которой – улавливать различные газообразные примеси (например, примеси, содержащиеся в вентиляционных выбросах гальванических цехов). Применение данных фильтров все же несколько ограничено в силу того, что при очистке газов, содержащих твердые частицы, волокнам обязательно нужна периодическая промывка, да и в принципе данный вид фильтров тяжело поддается регенерации и в большинстве случаев единственным выходом является замена фильтрующего материала. Именно по этой причине волокнистые фильтры применяют в основном для очистки малозапыленных потоков. Волокнистые фильтры превосходят тканевые еще и в том, что они способны улавливать не только пыль, но и жидкие аэрозоли. В целом, применение волокнистых фильтром имеют ограниченный характер, но в современном мире существуют различные разработки расширения диапазона из использования. 11 Так, например, описывающих можно применение найти огромное волокнистых количество фильтров не трудов, только в производственных целях, но и в аналитических и даже в медицинских исследованиях, т.к. определенный вид волокна в определенных создаваемых условиях способен улавливать различные вирусы и микроорганизмы. 12 Список использованных источников: 1. Г.Д. Каветский, В.П. Касьяненко. Процессы и аппараты пищевых производств, 2008. 2. Ю.М. Плаксин, Н.Н. Малахов, В.А. Ларин. Процессы и аппараты пищевых производств, 2007. 3. Будыка А.К, Борисов Н.Б. Волокнистые фильтры для контроля загрязнения воздушной среды – Москва: ИздАТ, 2008 г. 4. Огурцов А.В. Разработка высокоэффективных волокнистых фильтров для улавливания высокодисперсной жидкой фазы вентиляционных выбросов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук – Воронеж, 2004 г. 5. Процессы и аппараты химической технологии. Гидромеханические процессы: учеб. пособие для студентов учреждений высшего образования по направлению «Химическая промышленность» / И. В. Войтов [и др.] ; под ред. И. В. Войтова. – Минск: БГТУ, 2019. – 352 с. 13