При разделении суспензий твердые частицы обычно образуют на ФП слой влажного осадка, который при необходимости промывают водой или др. жидкостью, а также обезвоживают, продувая через него воздух или другой газ. Фильтрование производят при постоянной разности давлений или при постоянной скорости процесса w (кол-во фильтрата в м3, проходящее через 1 м2 поверхности ФП в единицу времени). При постоянной разности давлений суспензию подают на фильтр под действием вакуума или избыточного давления, а также поршневым насосом; при использованние центробежного насоса разность давлений повышается, а скорость процесса понижается.
В зависимости от концентрации суспензий различают несколько видов фильтрования. При концентрации более 1% фильтрование происходит с образованием осадка, а при концентрации менее 0,1% — с закупориванием пор ФП (осветление жидкостей). Если на ФП не образуется достаточно плотный слой осадка и в фильтрат попадают твердые частицы, фильтруют с использованием тонкодисперсных вспомогательных материалов (диатомит, перлит), которые предварительно наносят на ФП или добавляют к суспензии. При начальной концентрации менее 10% возможно частичное разделение и сгущение суспензий.
Различают фильтры непрерывного и периодического действия. Для последних основные стадии работы — фильтрование, промывка осадка, его обезвоживание и разгрузка. При этом применима оптимизация по критериям наибольшей производительности и наименьших затрат. Если промывку и обезвоживание не производят, a гидравлическим сопротивлением перегородки можно пренебречь, то наибольшая производительность достигается, когда время фильтрования равно продолжительности вспомогательных операций.
Применимы гибкие ФП из хлопчато-бумажных, шерстяных, синтетических и стеклянных тканей, а также нетканые ФП из природных и синтетических волокон и негибкие — керамические, металлокерамические и пенопластовые. Направления движения фильтрата и действия силы тяжести могут быть противоположными, совпадать или быть взаимно перпендикулярными.
Конструкции фильтров разнообразны. Одна из наиболее распространенных — вращающийся барабанный вакуум-фильтр (см. рис.) непрерывного действия, в котором направления движения фильтрата и действия силы тяжести противоположны. Секция распределительного устройства соединяет зоны I и II с источником вакуума и зоны III и IV — с источником сжатого воздуха. Фильтрат и промывная жидкость из зон I и II поступают в отдельные приемники. Получил распространение также автоматизированный фильтрпресс периодического действия с горизонтальными камерами, фильтровальной тканью в виде бесконечной ленты и эластичными мембранами для обезвоживания осадка прессованием. На нем выполняются чередующиеся операции заполнения камер суспензией, фильтрования, промывки и обезвоживания осадка, разъединения соседних камер и удаление осадка.
2.Фракционная кристаллизация
Различают следующие виды фракционной кристаллизации: массовую, на охлаждаемых поверхностях, направленную, зонную плавку.
Массовая кристаллизация. Метод состоит в одновременном получении большого кол-ва кристаллов во всем объеме аппарата. В промышленности реализовано нсколько вариантов массовой кристаллизации, которую осуществляют в периодически или непрерывно действующих аппаратах: емкостных, снабженных наружными охлаждающими рубашками либо внутренними змеевиками и часто перемешивающими устройствами; трубчатых, скребковых, дисковых, шнековых и др. Из-за отсутствия методики расчета параметр aэ, при массовой кристаллизации находят экспериментально.
Кристаллизация с теплопередачей через стенку. В случае расплавов процесс проводят их охлаждением. При кристаллизации растворов выбор режима процесса определяется главным образом характером зависимости растворимости веществ от температуры. Если растворимость вещества мало изменяется с изменением температуры (напр., NaCI в воде), кристаллизацию осуществляют частичным или практически полным выпариванием насыщенного раствора при постоянной температуре (изотермическая кристаллизация). Вещества, растворимость которых сильно зависит от температуры (напр., КNО3 в воде), кристаллизуют охлаждением горячих растворов, при этом исходное кол-во растворителя, который содержится в маточной жидкости, в системе не изменяется (изогидрическая кристаллизация). Образовавшиеся кристаллы в зависимости от их свойств, формы и условий проведения процесса захватывают различное количество маточного раствора. Содержание его в твердой фазе в виде включений в порах, трещинах и полостях существенно зависит от способа разделения кристаллов и маточной жидкости. Так, при отделении кристаллов на барабанном вакуум-фильтре концентрация в них маточного раствора составляет 10-30%, на фильтрующей центрифуге-3-10%.
Основное достоинства процесса: высокая производительность, отсутствие контакта разделяемой смеси и хладагента, простота аппаратурного оформления; недостатки: сравнительно невысокие коэффициент теплопередачи, инкрустация поверхностей охлаждения, большой захват маточной жидкости кристаллами, необходимость установки дополнит, оборудования для разделения твердой и жидкой фаз, недостаточно высокий выход кристаллического продукта. Примеры применения: получение хлоридов К и Na из сильвинита, разделение изомеров ксилола.
3. Выпаривание, осуществляют для концентрирования раствора, выделения растворенного вещества или получения чистого растворителя. Выпариванию подвергают главным образом водные растворы. Теплоносителем чаще всего служит водяной пар (давл. 1,0—1,2 МПа), который называют греющим, или первичным; пар, образующийся при кипении раствора, называют вторичным. Движущая сила выпаривания— разность температур греющего пара и кипящего раствора, называется полезной. Она всегда меньше, чем разность температур первичного и вторичного пара. Это обусловлено тем, что раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель (физико-химическая, или концентрационная, депрессия). Кроме того, температура кипения раствора повышается из-за более высокого давления в растворе, чем в паровом пространстве. Причины повышения давления: гидростатическое давление раствора; гидравлическое сопротивление при движении кипящей (парожидкостной) смеси; увеличение скорости движения этой смеси вследствие того, что она занимает значительно больший объем, чем исходный раствор (соответственно гидростатическая, гидравлическая и инерционная депрессия).
Для выпаривания применяют аппараты , работающие под давлением или разрежением. Их основные элементы: греющая камера; сепаратор для разделения парожидкостной смеси в отбора сконцентрированного раствора; циркуляционная труба, по которой раствор возвращается из сепаратора в камеру (при многократном выпаривании). Конструкция аппарата определяется главным образом составом, физико-химическими свойствами, необходимой степенью концентрирования растворов, их склонностью к образованию накипи и пены (накипь резко уменьшает коэффициент теплопередачи, нарушает циркуляцию раствора и может быть причиной коррозии в сварных стыках, а обильное ценообразование повышает унос раствора вторичным паром).
Наиболее распространены вертикальные аппараты с трубчатыми греющими камерами, поверхность нагрева которых достигает 1250 м2. В таких аппаратах раствор находится в трубном, а греющий пар — в межтрубном пространстве камеры. Циркуляция раствора в них может быть естественной или принудительной, создаваемой специальным насосом.
Выпаривание маловязких (л до 6—8 мПа -с) ненасыщенных растворов хорошо растворимых солей, не выпадающих при концентрировании в осадок (например, NaNO2, NaNO3, NH4NO3, KC1) и не образующих накипи, осуществляют обычно в выпариваемых аппаратах с естественной циркуляцией, в греющих трубках которых раствор не только нагревается, но и кипит. Для выпаривания растворов плохо растворимых веществ, которые при концентрировании выпадают в осадок [например, СаСО3, CaSО4, Mg(OH) 2, алюмосиликат Na], а также при опреснении морской воды применяют аппараты, над греющей камерой которых установлена дополнит, подъемная циркуляционная труба, обеспечивающая высокую скорость естественной циркуляции. Для выпаривания сильно пенящихся и термочувствительных продуктов, например в производстве дрожжей, ферментов, антибиотиков, фруктовых соков, растворимого кофе, используют вертикальные пленочные выпаривательные аппараты, в которых концентрирование происходит в результате однократного движения тонкого слоя (пленки) раствора вместе с вторичным паром вдоль трубок длиной 6—8 м (поверхность нагрева до 2200 м2). Достоинства этих аппаратов: отсутствие гидростатического эффекта, небольшое гидравлическое сопротивление, высокий коэффициент теплопередачи, большая производительность при относительно небольших объемах
4. Центрифугирование, разделение суспензий, эмульсий и трехкомпонентных систем (эмульсий, содержащих твердую фазу) под действием центробежных сил. Применяется для выделения фракций из суспензий и эмульсий, а также для определения молекулярных масс полимеров, дисперсионного анализа.
Центрифугирование осуществляется с помощью специальных машин — центрифуг, основной частью которых является ротор (барабан), вращающийся с большой скоростью вокруг своей оси, благодаря чему создается поле центробежных сил до 20 000 g в промышленных центрифугах и до 350 000 g в лабораторных (g — ускорение свободного падения). Центрифугирование может производиться по принципам отстаивания или фильтрования соответственно в центрифугах со сплошным или перфорированным ротором, покрытым фильтрующим материалом. Различают два типа осадит, центрифуг: 1) периодического действия, в которых суспензия вводится в центр, часть полого ротора во время его вращения; твердые частицы оседают на внутренней поверхности ротора и выгружаются из него через спец. сопла или через периодически открывающиеся щели, осветленная жидкость (фугат) отводится из верх его части; 2) непрерывного действия, в которых суспензия подается вдоль оси полого ротора, а образовавшийся осадок выгружается с помощью шнека, вращающегося внутри ротора с несколько иной скоростью, чем ротор (рис. 1).