Способ фильтрации

1 Данное изобретение относится к способу фильтрации, в котором регулируют разницу давлений между окружающей атмосферой и жидкостью, содержащейся в материале, подлежащим фильтрации, во время различных стадий фильтрации. В патенте США 4 357 758 раскрыт способ капиллярной фильтрации, в котором материал, подлежащий фильтрации, при создании фильтрационной лепешки приводят в контакт с микропористой фильтрующей средой, насыщенной жидкостью. Следовательно, по существу, все поры фильтрующей среды заполнены жидкостью. Фильтровальную лепешку образуют на поверхности фильтрующей среды в отстойном резервуаре с использованием разницы давлений между окружающей атмосферой и жидкостью, содержащейся в фильтрующей среде. При формировании лепешки жидкость удаляется из лепешки на основе разницы давлений. Когда вся свободная жидкость удалена из пор фильтрационной лепешки, то газ не проникает через фильтрующую среду, как в случае обычной вакуумной фильтрации. Причиной этому являются капиллярные силы, преобладающие в фильтрующей среде. Микропористая фильтрующая среда ведет себя как большое число узких капиллярных трубок, которые образуют сеть. Когда к влажной, гидрофильной поре с радиусом r прикладывают разницу давленийР, то величина силы, которая пытается вытолкнуть жидкость из поры, равна Рr2. Сила, которая пытается удержать жидкость в поре, является вектором силы с величиной 27rcos, гдеявляется поверхностным натяжением, а- углом смачивания. Разность давлений можно определить из равенства по величине указанных выше сил: Р описывает разницу давлений, которую необходимо использовать для преодоления капиллярной силы, преобладающей в пористом материале. Когда эта разница давлений превышается,то газ имеет возможность проходить через поры. Если размер пор составляет, например, 2 микрона при хорошо смачиваемом материале,то разница давлений при использовании чистой воды составляет 1,4 бар. При величинах разницы давлений меньше этой предельной разницы давлений, газ не проходит через поры. Однако,если ввести воду на поверхность пористого материала, то вода проходит через капилляры, образованные порами, при любой разнице давлений. Преимущество этого вида капиллярной фильтрации заключается в том, что исключается использование энергии накачки для всасывания газа через фильтрующую среду в процессе фильтрации. Таким образом, экономится около 90% энер 004598 2 гии накачки по сравнению с обычной вакуумной фильтрацией. Однако, поскольку газ не может свободно проходить через фильтрующую среду, является существенным то, что совсем нельзя использовать газ для улучшения формирования фильтрационной лепешки. Фильтрационная лепешка может становиться слишком компактной на поверхности фильтрационной лепешки, так что трудно удалять остаточную влагу из фильтрационной лепешки. Задачей данного изобретения является устранение некоторых недостатков уровня техники и создание усовершенствованного способа фильтрации, в котором в различных стадиях процесса фильтрации используют частично капиллярную фильтрацию, частично обычную вакуумную фильтрацию. Существенные новые признаки изобретения следуют из прилагаемой формулы изобретения. В способе фильтрации, согласно изобретению, материал, подлежащий фильтрации, с целью формирования фильтрационной лепешки приводят в контакт с фильтрующей средой, и фильтрация происходит за счет использования как капиллярной фильтрации, так и вакуумной фильтрации, так что переход от капиллярной фильтрации к вакуумной фильтрации и наоборот выполняется между различными стадиями фильтрации. В стадии капиллярной фильтрации разница давлений Р между окружающей атмосферой и жидкостью, содержащейся в фильтрующей среде, поддерживают ниже величины,заданной поверхностным натяжением , углом смачиванияи радиусом r пор фильтрующей среды, при этом эта величина равна так что предотвращается поток газа через фильтрующую среду. С другой стороны, при вакуумной фильтрации давление Р поддерживается выше величины разницы давлений Р, определяемой формулой (1), так что газ может проходить через фильтрующую среду. С помощью потока газа частицы и поры, существующие в фильтрационной лепешке, механически перегруппировываются, так что из фильтрационной лепешки удаляется больше жидкости. Когда в процессе фильтрации используется как таковая капиллярная фильтрация, то можно различать следующие стадии: формирование фильтрационной лепешки, сушка фильтрационной лепешки, возможная промывка фильтрационной лепешки, удаление фильтрационной лепешки и повторная промывка фильтрующей среды. Согласно изобретению, различные стадии капиллярной фильтрации, например, сушку фильтрационной лепешки можно предпочтительно выполнять за счет использования вакуумной фильтрации. В этом случае способ фильтрации, согласно изобретению, включает по меньшей мере одну стадию использования капиллярной фильтрации, во время которой 3 предотвращается поток газа через фильтрующую среду, и по меньшей мере одну стадию, в которой используется вакуумная фильтрация, во время которой газ может проходить через фильтрующую среду. Поток газа через фильтрационную лепешку и фильтрующую среду, который необходим для стадий вакуумной фильтрации в способе фильтрации, согласно изобретению, предпочтительно создают с помощью распределительного элемента фильтра, то есть клапана. Распределительный элемент разделен на несколько секторов, и давлением в каждом секторе управляют с помощью элементов управления. Управление давлением можно также выполнять с помощью сокращения давления в одном или нескольких секторах. В способе фильтрации, согласно изобретению, проникающей способностью газа через влажную фильтрующую среду можно также управлять, согласно формуле (1), путем регулирования поверхностного натяжения у фильтрующей среды. Если разрешено проникновение газа, то это может быть обеспечено с помощью понижения поверхностного натяжения фильтрующей среды путем выбора температуры начала кипения ниже, чем у чистой жидкости. Изменение поверхностного натяжения можно предпочтительно, обеспечивать, например, так,что промывка фильтрационной лепешки выполняется с помощью подачи поверхностноактивных веществ в промывную жидкость фильтрационной лепешки. Если фильтрацию необходимо выполнять с заданной разницей давлений, то потоком газа можно предпочтительно управлять путем выбора фильтрующей среды, которая имеет другой угол смачивания. Например, при использовании основанных на алюминии материалов угол смачиваниясоставляет 10, a cos равен, соответственно, 0,985. Если используемая фильтрующая среда является полиамидом, то угол смачиваниясоставляет 60, а cos равен, соответственно, 0,500, так что разница давлений Р уменьшается в соответствии с формулой (1) до половины величины по сравнению с материалами на алюминиевой основе. Способ фильтрации, согласно изобретению, можно осуществлять в пространстве, которое, по существу, по меньшей мере, частично является закрытым, в котором, при необходимости, может быть создана инертная атмосфера с помощью газа азота или аргона. В, по существу,закрытом пространстве могут быть созданы, при необходимости, восстановительные или окислительные условия. По меньшей мере, частично закрытое пространство можно использовать также тогда, когда при правильном учете условий процесса в закрытом пространстве обеспечивается конкретная химическая реакция между фильтрационной лепешкой и газовой атмосфе 004598 4 рой, которая окружает фильтрационную лепешку. Ниже приводится описание использования способа фильтрации, согласно изобретению, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено: фиг. 1 - предпочтительный вариант выполнения изобретения на боковой проекции с частичным разрезом; фиг. 2 - другой предпочтительный вариант выполнения изобретения на боковой проекции с частичным разрезом; фиг. 3 - третий предпочтительный вариант выполнения изобретения на боковой проекции с частичным разрезом; фиг. 4 - еще один предпочтительный вариант выполнения изобретения на боковой проекции с частичным разрезом. На фиг. 1 показано применение способа,согласно изобретению, в вакуумной сушилке, в которой в корпусе 2, вращаемом вокруг оси 1,имеется установленная радиально фильтрационная поверхность, образованная одним или несколькими фильтрующими элементами 3 фильтрующей среды. Корпус 2 вакуумной сушилки расположен так, что когда корпус 2 вращается вокруг оси 1, то фильтрующая поверхность вакуумной сушилки приводится в контакт с суспензией 5, расположенной в отстойнике 4,которую необходимо высушить с помощью фильтрации. В этом случае фильтрующая поверхность во время вращения оси 1 находится часть времени ниже поверхности суспензии 5. Как показано на фиг. 1, фильтрующая поверхность вакуумной сушилки, образованной фильтрующими элементами 3 фильтрующей среды, разделена на секторы с целью иллюстрации различных стадий фильтрации. Секторы должны схематично иллюстрировать различные положения, создаваемые вокруг оси 1 фильтрующей поверхности во время одного цикла вращения относительно суспензии 5, подлежащей сушке, и секторы как таковые не образуют точные границы между различными стадиями фильтрации. Как показано на фиг. 1, на стадии 11 в способе, согласно изобретению, на поверхности фильтрующей поверхности вакуумной сушилки образуют фильтрационную лепешку с использованием капиллярной фильтрации. Стадия 12 сушки фильтрационной лепешки также начинается с помощью капиллярной фильтрации(РР), так что во время этой стадии сушки из фильтрационной лепешки удаляется большая часть свободной капиллярной жидкости. После этого сушку фильтрационной лепешки продолжают в качестве стадии 13 вакуумной фильтрации, в которой преодолевается разница давлений Р в соответствии с формулой (1) (РР), и поток газа может проходить через фильтрационную лепешку и фильтрующую поверхность 5 фильтрующей среды. Поток газа перераспределяет механически частицы и поры фильтрационной лепешки, так что из фильтрационной лепешки удаляют больше жидкости. Дополнительно к этому, поток газа как таковой захватывает часть жидкости, подлежащей удалению из фильтрационной лепешки. Описанная стадия 13 сушки может продолжаться до стадии 14 удаления, в которой фильтрационную лепешку механически удаляют с поверхности фильтрации с помощью скребков. На фиг. 1 показана также стадия 15 повторной промывки. На фиг. 2 показано использование аналогичной вакуумной сушилки, что и на фиг. 1,поэтому на фиг. 2 применительно к вакуумной сушилке применяются те же позиции, что и на фиг. 1. Как показано на фиг. 2, фильтрующая поверхность, образованная фильтрующими элементами 3 фильтрующей среды, разделена на секторы, аналогично фиг. 1, с целью лучшей иллюстрации различных стадий фильтрации. Секторы должны схематично иллюстрировать положения фильтрующей поверхности относительно суспензии 5, подлежащей сушке, когда ось 1 вращается вокруг указанной поверхности во время одного поворота, и секторы как таковые не образуют точную границу между различными стадиями процесса. Согласно фиг. 2, фильтрационную лепешку формируют на стадии 21, и после образования фильтрационной лепешки следует стадия 22 сушки (РР), осуществляемая в виде капиллярной фильтрации, а стадию 23 сушки (РР) реализуют в виде вакуумной фильтрации. Таким образом, стадии 22 и 23 сушки соответствуют стадиям 12 и 13 сушки на фиг. 1. Однако стадия 23 сушки с применением вакуумной фильтрации заканчивается уже перед стадией 25 удаления фильтрационной лепешки, выполняемой с помощью продувки воздухом, так что стадия 24 сушки, предшествующая стадии 24 удаления,реализуется в виде капиллярной фильтрации. Для выполнения стадии 25 удаления с помощью продувки воздухом необходимо создание, по существу, ровной и контролируемой жидкой пленки между фильтрационной лепешкой и фильтрующей средой, что возможно только,если стадия 24 сушки, предшествующая стадии 25 удаления, реализуется в виде капиллярной фильтрации. Причиной этому является то, что если разрешить газу входить в фильтрующую среду в предшествующей стадии 24, то жидкость не имеет достаточно времени для обеспечения, по существу, равномерного распределения по поверхности фильтрующей среды. В этом случае фильтрационная лепешка прилипает в тех точках, куда жидкость не имела времени проникнуть, а в других местах фильтрационная лепешка растворяется из-за избыточного потока жидкости. 6 В показанном на фиг. 3 варианте выполнения также используется вакуумная сушилка,согласно фиг. 1, но с той разницей, что, по существу, во всей части, расположенной над отстойником 4, вакуумная сушилка покрыта защитным кожухом 6, внутри которого создана не окисляющая атмосфера, например, с помощью газа азота или аргона. Аналогично фиг. 1 и 2,фильтрующая поверхность, состоящая из фильтрующих элементов 3 фильтрующей среды, разделена на секторы с целью схематичной иллюстрации различных стадий процесса фильтрации. В варианте выполнения, согласно фиг. 3,материал, подлежащий фильтрации, является органическим материалом, который необходимо сначала частично окислить с целью улучшения контакта с воздухом или с обогащенной кислородом атмосферой перед удалением фильтрационной лепешки из вакуумной сушилки. Органический материал, подлежащий фильтрации, сначала формируют в фильтрационную лепешку на стадии 31, за которой следует стадия 32 сушки в виде капиллярной фильтрации. Созданная фильтрационная лепешка не должна подвергаться воздействию окислительной атмосферы,и поэтому фильтрационную лепешку переводят во время стадии 32 сушки из суспензии 5 в инертную атмосферу азота, создаваемую внутри защитного кожуха 6. За стадией 32 сушки следует стадия 33 сушки с вакуумной фильтрацией внутри защитного кожуха 6, так что инертный газ азот может свободно проходить через фильтрационную лепешку и тем самым заменять кислород, ранее содержащийся в ней. После стадии 33 сушки с применением вакуумной фильтрации, фильтрационную лепешку удаляют механически на стадии 34 удаления. В показанном на фиг. 4 варианте выполнения используется вакуумная сушилка, согласно фиг. 1 или 2. На фиг. 4 фильтрующая поверхность, образованная фильтрующими элементами 3 фильтрующей среды, также разделена на секторы с целью схематичной иллюстрации различных стадий процесса фильтрации. Как показано на фиг. 4, формирование фильтрационной лепешки из материала, подлежащего фильтрации, выполняют на стадии 41, когда фильтрующая поверхность находится, по существу, полностью ниже поверхности суспензии 5. После стадии 41 формирования фильтрационной лепешки выполняют стадию 42 сушки фильтрационной лепешки с применением капиллярной фильтрации. За стадией 42 сушки следует стадия 43 промывки фильтрационной лепешки, в которой через фильтрационную лепешку пропускают промывочную жидкость, в то время как давление ниже разницы давлений,согласно формулы (1), и тем самым внутри диапазона капиллярности (РР). После стадии 43 промывки выполняют стадию 44 сушки с применением вакуумной фильтрации, так что дав 7 ление повышают выше разницы давлений, согласно формуле (1). Наконец, фильтрационную лепешку удаляют с фильтрующей поверхности с помощью механического скребка 45, и фильтрующую поверхность очищают на стадии 46 повторной промывки путем подачи моющей жидкости через фильтрующую среду на фильтрующую поверхность. После стадии 46 повторного промывания начинается стадия 41 формирования новой фильтрационной лепешки. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ фильтрации, в котором материал,подлежащий фильтрации, приводят в контакт с фильтрующей поверхностью фильтрующей среды, расположенной в вакуумной сушилке, и на фильтрующей поверхности фильтрующей среды формируют фильтрационную лепешку и затем фильтрационную лепешку подвергают процессу сушки по меньшей мере с одной стадией перед ее удалением с фильтрующей поверхности фильтрующей среды, отличающийся тем, что в процессе сушки фильтрационной лепешки выполняют по меньшей мере одну стадию (12, 22,32, 42) сушки, во время которой предотвращают прохождение газа через фильтрующую среду, и по меньшей мере одну стадию (13, 23, 33, 44) сушки, во время которой газ проходит через фильтрующую среду. 2. Способ фильтрации по п.1, отличающийся тем, что разницу давлений между окружающей атмосферой и жидкостью, содержащейся в материале, подлежащим фильтрации,регулируют во время различных стадий фильтрации. 8 3. Способ фильтрации по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что сушку фильтрационной лепешки начинают на стадии (12, 22,32, 42) сушки, во время которой предотвращают прохождение газа через фильтрующую среду. 4. Способ фильтрации по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что стадию (13, 23,33, 44) сушки фильтрационной лепешки, во время которой газ проходит через фильтрующую среду, выполняют между двумя стадиями сушки, во время которых исключают прохождение газа через фильтрующую среду. 5. Способ фильтрации по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что между стадией(12, 22, 32, 42) сушки фильтрационной лепешки,во время которой предотвращают прохождение газа через фильтрующую среду, и стадией (13,23, 33, 44) сушки фильтрационной лепешки, во время которой газ проходит через фильтрующую среду, выполняют стадию (43) промывки фильтрационной лепешки. 6. Способ фильтрации по любому из пп.15, отличающийся тем, что стадии сушки фильтрационной лепешки выполняют в закрытой атмосфере (6). 7. Способ фильтрации по п.6, отличающийся тем, что стадии сушки фильтрационной лепешки выполняют в инертной атмосфере. 8. Способ фильтрации по п.6, отличающийся тем, что стадии сушки фильтрационной лепешки выполняют в восстановительных условиях. 9. Способ фильтрации по п.6, отличающийся тем, что стадии сушки фильтрационной лепешки выполняют в окислительных условиях.