Ülepítés, szűrés

A vegyipari műveletek nagy része többkomponensű homogén és heterogén anyagrendszerek szétválasztását igényli. Kétalkotós anyagrendszerek esetén a két komponens szétválasztását akarjuk megoldani, több komponens esetén többnyire egy komponenst akarunk kinyerni az anyagrendszerből.Az anyagrendszerek szétválasztása az anyagrendszert alkotó komponensek egymástól eltérő tulajdonságán alapszik. pl. anyagok eltérő sűrűségeIlyen szétválasztó műveletek pl. az ülepítés és a szűrés is.

Ülepítés gravitációs erőtérben

Az ülepítés gravitációs erőtérben megvalósuló, a fázisok sűrűségkülönbségén alapuló szétválasztási művelet, amely művelettel heterogén rendszerek ( emulziók és szuszpenziók ) választhatók szét.

Az ülepítés célja lehet a tiszta folyadékfázis kinyerése, ez a derítés. Lehet a cél a kis folyadéktartalmú szilárd fázis kinyerése is, ekkor a művelet neve zagysűrítés.

A tapasztalatok szerint csak nehézségi erő hatására a néhány mikrométernél kisebb átmérőjű szemcsék nem ülepednek, mivel az ilyen kisméretű szemcsék ülepedését gátolja a Brown-féle mozgás. Ilyenkor a szemcsékhez összecsomósító ( koaguláló ) vagy pelyhesítő ( flokkuláló ) szereket kell adagolni.

Az iparban használt ülepítőberendezések többsége folytonos üzemű, azaz a szuszpenzió folyamatos betáplálása mellett folyamatos a tiszta folyadék és az iszap elvétele. A folytonos üzemű ülepítőberendezések közül a leggyakoribb a Dorr-féle ülepítő.

Dorr – féle ülepítő

A Dorr-féle ülepítő hengeres készülék vagy betonból épített medence, amelynek átmérője lehet akár 100 m is.A szétválasztható szuszpenziót felül, az ülepítő tengelye mentén vezetjük be. A tartály fenekére leülepedett iszapot egy lassan forgó iszapterelő szerkezet a központi, alsó iszapgarathoz ( ürítőnyíláshoz ) szállítja, ahonnan elvezetik. A derített tiszta folyadék az ülepítő felső peremén túlcsorogva gyűjtőcsatornába folyik, amelyből szintén elvezethető.Az egészen nagy ( nagyobb, mint 60 m ) átmérőjű ülepítőknél az iszapterelő szerkezetet nem központi tengellyel forgatják, hanem a terelőlapátokat tartó kart – a tartály vagy a medence peremén lassan körben járó – kocsi forgatja.Az iszap elvezetése a tartály fenekének közepe helyett, annak szélén is lehetséges. Ilyenkor a terelőlapátok a tartály széle felé szállítják az iszapot.

A Dorr sűrítőben egymás fölött elhelyezkedő zónák:

tiszta folyadék derítő-ülepítő sáv felső sűrítő sáv alsó sűrítő sáv

Az ülepedés sebességét befolyásoló tényezők

Az ülepedés törvényszerűségeinek megismeréséhez tanulmányozzuk egy gömb alakú szilárd szemcse folyadékban történő ülepedését! A folyadékba helyezett golyó egyenletes mozgással süllyedni, ülepedni fog.Mivel a közeg folyadék, a golyó mozgását jelentősen befolyásolja a felhajtóerő és a közeg – ellenállási erő. A súlyerővel szemben a felhajtóerő és a közeg – ellenállási erő egyensúlyt hoz létre, ezért a golyó süllyedésére, az ülepedésre az állandósult sebesség a jellemző.

A golyóra hat a nehézségi erő, amelynek nagysága ( Fg ) arányos a test tömegével, valamint azzal ellentétes irányban hat rá a folyadék felhajtóereje ( Ff ) és a közeg – ellenállási erő ( Fk ).

Erőegyensúly esetén: FG = Ff + Fk

A lamináris ülepedési sebesség összefüggése:

Ahol : - d a szemcse átmérője- ρs az anyag sűrűsége- ρf a folyadék sűrűsége- ηf a folyadék viszkozitása

Dekantálás:

A dekantálás az a művelet, amikor a lecsapás után keletkezett keveréket ülepedni hagyjuk, majd a csapadék és az anyalúg szétválasztása után az anyalúg egy részét leöntjük, és a folyamatot mosófolyadék hozzáadásával és ismételt összerázás és ülepítés után többször megismételjük

Az erre a célra használt készülékek lehetnek szakaszos és folyamatos működésűek, melyeket dekantáló készülékeknek nevezünk

Szűrés

A szűrési művelet célja a szuszpenziók szétválasztása azáltal, hogy a szuszpenziót pórusos szűrőrétegen vezetjük át. A szilárd anyag a pórusos réteg felszínén vagy belsejében visszamarad, a szűrőn áthaladt folyadék pedig tisztán távozik.

Akkor alkalmazzák, ha a folyadékban kis méretű, szilárd részecskék vannak jelen, lebegő eloszlásban és a szűrendő anyag részecskéinek sűrűsége közel áll ahhoz a folyadékhoz, amelyben lebeg.

A szűrés mechanizmusa:

A szűrőpapír pórusain először az annál kisebb átmérőjű szemcsék átjutnak, ezért némileg zavaros lesz a szűrlet. A nagyobb szemcsék fennakadnak, befedik a szűrőelem felszínét. Erre rakódik rá az egyre kisebb méretű szemcséket is felfogó iszapréteg, hisz a szemcsék közötti pórusátmérő egyre csökken. Az áthaladó szűrlet is egyre tisztább lesz. Természetesen minél vastagabb a kialakult iszaplepény ( állandó nyomáskülönbség esetén ), annál lassabban fog áthaladni rajta a folyadék. A szűrésnek ez a módja a felületi szűrés.

A szűrőközegnek az a feladata, hogy kiválassza a szilárd részecskéket anélkül, hogy eltömődne. Ha azonban a részecskék behatolnak a szűrőközeg belsejébe, akkor a szűrés nem a felületen megy végbe. Ez akkor lehetséges, ha a szilárd anyag részecskéi kisebbek a szűrő pórusainál, és a szűrőközeg belső közegeiben, szabálytalan alakú csatornáiban, pórusaiban tapadnak meg. A szűrésnek ez a módja a mélységi szűrés.

A szűrés sebessége:

Ahol: - Δp a nyomáskülönbség- Rm a szűrő ellenállása- Ri az iszapellenállás

- η a folyadék viszkozitásaSzűrőberendezések:

Az alkalmazott nyomás alapján a következőképpen csoportosítjuk a szűrőberendezéseket: gravitációs szűrők, nyomószűrők ( szűrőprések ), vákuumszűrők.Üzemvitel tekintetében a gravitációs és a nyomószűrők szakaszos, a vákuumszűrők folyamatos működésűek.

1) Szakaszos szűrők

A) Gravitációs szűrők

A gravitációs szűrőket, így a homok vagy kavicsszűrőt elsődlegesen víz szűrésére használják. A szűrőközeget egy perforált ( lyuggatott ) lemezre halmozzák fel; alulra a nagyobb szemcséket, felfelé a finomabb szemcséket. A felső réteg finomabb homok - ,esetleg műanyag szemcse.

B) Szűrőprések

A szűrőprések sokféle szerkezeti kialakításban készülnek, ezáltal különféle feladatok megoldására alkalmasak. Nagy előnyük, hogy viszonylag kis térfogatban nagy szűrőfelületet adnak. A szűrőpréseket a vegyiparban és az élelmiszeriparban egyaránt használják, ahol a nagy szilárdanyagtartalmú közegeket szűrik velük.

a) Keretes szűrőprések

A keretes szűrőprés keretei közé szűrővásznat szorítanak, és egymás után váltakozva helyezik el az üres és a tele kereteket. A tisztítandó szuszpenziót megfelelő szűrőnyomással juttatják az üres keretekbe. A vászon a nyomás hatására ráfeszül a tele keret függőleges bordáira. A folyadék áthatol a kialakult iszaprétegen és a vásznon, azután pedig lecsorog a bordákon. A tele keret aljából elvezetik a szűrletet. Amikor a szűrő telítődik, megszüntetik az anyag rávezetését. Ezután szét kell szerelni a szűrőt, és ki kell tisztítani. Az összeszerelés után újra lehet kezdeni a szűrést.

b) Kamrás szűrőprések

A kamrás szűrőprés szerkezetében abban különbözik a keretestől, hogy csak egyfajta elemet alkalmaznak. A keretek közé nagy szilárdságú műanyag vásznat helyeznek szűrőközegnek. Az elemek között az összeállításkor kamrák alakulnak ki.

C) Táskás szűrők

A táskás szűrők kis készülékek a nagy szűrőfelületükhöz képest. Különféle szerkezeti kialakításban készülnek, de közös bennük a táskás szűrőelem. A szűrőtáska kialakítása kör vagy téglalap alakú lehet.

D) Gyertyás szűrők

A gyertyás szűrők általában álló helyzetű tartályban függőlegesen elrendezett hengeres egységek. A gyertyás szűrők nagyobb üzemi nyomást is elviselnek, mint a táskás szűrők.

Szakaszos szűrés esetén a szűrési teljesítmény úgy számolható, hogy az átfolyt szűrlet mennyiségét osztjuk a szűrési és az állási idők összegével.Az állásidő lényegében a szűrő tisztítására fordított időt tartalmazza.

2) Folyamatos szűrők:

Az iparban, a folyamatos műveletsorú technológiákban különösen fontosak a folyamatos szűrők. Az eddig ismert berendezéseknél rendszerint az iszapeltávolítás szakította meg a folytonosságot. A folyamatos szűrők közös jellemzője, hogy a szűrendő anyag bevezetése, az iszapeltávolítás, valamint a szűrletelvezetés is folytonos.

Vákuumdobszűrők:

A vákuumdobszűrő hengeres dobja lassan forog a vályúban, amelybe folyamatosan adagolják a szűrendő anyagot, szuszpenziót. A dob palástja szűrővászonnal van bevonva, belseje cellákra van felosztva, amelyek a megfelelő helyzetben vákuum alá kerülnek. Más esetben viszont a cellákba sűrített levegőt fúvatnak. Azt, hogy melyik cella mikor kerül vákuum alá, az álló osztófej határozza meg. Az osztófej és a forgódob között csúszó tömítést alkalmaznak. Amíg a cellák a vályúban tartózkodnak, addig az alsó vákuumcsatorna biztosítja a felszívódást. A felső vákuumcsatornához érkező celláknál kerül sor az iszap mosására, majd szárítására. Az összetömődött iszapot sűrített levegővel lazítják fel. Az iszapot szedőkéssel választjuk le.

Fontosabb szűrőközegek és szűrési segédanyagok:

A szűrőanyagok nagyon sokféle anyagból készülhetnek, attól függően, hogy milyen minőségű anyagok szerepelnek a konkrét szűrésben, és milyen feltételeknek kell megfelelnie a végrehajtási folyamatnak ( nyomás, hőmérséklet stb. ). A következőkben a leggyakoribb szűrőközegeket soroljuk fel.

1) Pamutszövetek: különböző szövési módokkal növényi anyagokból előállított ipari textíliák, amelyek könnyen beszerezhetők, az önköltségük kicsi, az ásványi és a szerves savak azonban roncsolják.

2) Gyapjúszövetek: a mechanikai hatásokkal szemben nem túl ellenállóak, de gyengén savas közegeknél jól használhatók.

3) Szintetikus anyagok ( polietilén, polipropilén, teflon stb. ): a kémiai hatásokkal szemben nagyon jó az ellenállásuk, egyes fajtáik igen jól bírják a viszonylag magas hőmérsékletet is, a mikroorganizmusokra sem érzékenyek.

4) Fémszövetek: a szűrendő anyag kémhatásától függően készülhetnek acélból, korrózióálló acélból, rézből, nikkelből stb. és merev, porózus szűrőként is.

Egyes esetekben szűrési segédanyagokat is kell alkalmazni. Többnyire olyankor, amikor finoman eloszlatott vagy könnyen összenyomható részecskéket szűrünk, és a szűrési segédanyagból kell kialakítani a szűrőréteget. Ilyen segédanyagok: a kovaföld, a papírpép, a szén, a perlit, az azbeszt.