Rozdzielanie zawiesin ciał stałych w cieczach na drodze filtracji z kompresją tworzonego osadu. I. Teoretyczny opis filtracji z równoczesną kompresją osadu.

Rozdział zawiesin ciał stałych w cieczach ma duże znaczenie praktyczne. Proces ten występuje w wielu gałęziach przemysłu, a w szczególności w technologiach oczyszczania ścieków komunalnych i przemysłowych oraz wielu innych dziedzinach działalności człowieka. Oddzielenie od cieczy zanieczyszczeń stałych, często silnie toksycznych, ma ogromne znaczenie w szeroko rozumianej gospodarce wodno ściekowej i w ochronie środowiska, łatwiej, bowiem składować odzyskane w procesie filtracji w formie placka filtracyjnego odpowiednio zabezpieczone ciało stałe na składowiskach i równocześnie zawracać do obiegów technologicznych ciecz klarowną (filtrat), niż zawiesiny lub osad o wysokiej wilgotności. Proces filtracji nie jest tani i dlatego tak ważny jest możliwie poprawny jego opis umożliwiający wybór odpowiedniego urządzenia filtracyjnego i możliwość sterowania procesem poprzez stosowny dobór wartości parametrów procesowych. Przez zawiesinę rozumie się potocznie mieszaninę ciała stałego i cieczy. W zależności od wzajemnego stosunku ilościowego tych składników może ona mieć charakter zawiesiny swobodnej, gdy drobiny ciała stałego nie stykają się ze sobą, lub szlamu, gdy cząstki nie są zawieszone swobodnie i znajdują się ze sobą w kontakcie. Swobodne zawiesiny występują najczęściej i ich rozdział na drodze filtracji jest efektywny i dość szeroko opisany [1,2,3,4], natomiast gęste szlamy można mechanicznie osuszać praktycznie tylko na drodze kompresji, którą przeprowadza się np. na prasach filtracyjnych. Zarówno w przypadku filtracji jak i kompresji występuje rozdział na przegrodzie przepuszczalnej tylko dla fazy ciekłej. Siłą napędową procesu jest tutaj różnica ciśnień po obydwu stronach przegrody. W praktyce przemysłowej filtracja i kompresja mogą zachodzić bezpośrednio jako procesy następcze (na prasach filtracyjnych). Jeżeli na tego typu urządzeniach rozdzielana jest zawiesina swobodna, to na skutek jej pompowania na przegrodę w pierwszym etapie następuje filtracja i stopniowo tworzy się placek. Gdy wypełni on całą dostępną mu przestrzeń, dalsza filtracja nie jest możliwa i głębsze jego osuszenie wymaga kompresji powstałego osadu. Dokonuje się jej przy pomocy specjalnych nieprzepuszczalnych, elastycznych przepon umieszczonych wewnątrz ramy w płaszczyźnie równoległej do powierzchni filtracji [3]. Po zakończeniu filtracji przestrzeń ograniczoną przeponą wypełnia się sprężonym powietrzem i następuje dodatkowe osuszenie placka przez mechaniczne wyciśnięcie resztek cieczy z osadu.

Different descriptions of cake filtration of solid-liquid suspensions and cake compression are presented in the paper. The mathematical model of mentioned processes based on fundamental equations of flow through porous bed and accompanying mass and forces balances is discussed in details. The model is valid for both processes, which is especially important because they may appear simultaneously during separation. The final set of differential equations has been changed to the form possible to solve using numerical methods. Mathematical modelling of the suspension separation process in the test pressure filter consists in finding the value of void ratio e (or porosity ) and superficial liquid flow due to solid phase in cake u as a function of linear dimension W and time T. These dependencies may be determined using equations (3.6), (3.7), (3.10-3.12), (3.16). Due to their nonlinearity, confounding of variables as well as the fact, that in the case of filtration we deal with moving limit of a calculation range, analytical solution of such system is not possible. It is necessary in such case to use suitable mathematical procedures. Modelling on earlier works [35], method of finite differences was used, in which differential variables increases d were replaced with finite increases . Simple method of finite differences, when determining superficial liquid flow due to solid phase in cake u, was completed here using in the calculation scheme integrated equation (3.10). This significantly improves accuracy of calculations, especially in the case, when specific filter cake resistance changes strongly in function of linear dimension. Presented mathematical model of suspension separation process and its numerical solution allow to carry out a simulation of cake filtration with accompanying cake compression. In the second part of this paper a method of determining parameters needed for carrying out the simulation and experimental verification of the model is presented.