KOLÁČOVÁ FILTRACE

Fil­trace suspenzí je jednou ze základních hydromechanických operací v procesech v potravinářském, chemickém, těžebním průmyslu, zpracování odpadních vod apod. Filtrace je proces, při kterém dochází k oddělování pevných částic od tekutiny, ve které jsou tyto částice rozptýleny, neboli suspendovány. Filtrace probíhá tak, že směs tekutiny a částic, neboli suspenze, je vedena přes porézní přepážku, která tekutinu pro­pustí a částice zadrží. Propuštěná tekutina se nazývá filtrát. Termínem filtrace a konkrétně v případě filtrace na kalolisech termínem částicová filtrace se označuje filtrační proces, při kterém se zpracovává suspenze s částicemi o velikosti větší než zhruba 10 mikronů. Pakliže jsou předmětem filtrace suspenze obsahující pevné částice ještě menší, používané filtrační procesy se již obvykle označují jako procesy membránové a pro jejich realizaci se používají speciální mikroporézní filtrační materiály v podobě membrán.

Materiál použitý pro zachycení částic musí být porézní a je ob­vykle plochého tvaru. Nazývá se filtrační přepážka a může to být např. textilní tkanina, filtrační papír, síto, porézní keramika nebo makroporézní polymerní membrána. Přepážka je ve filtračním zařízení umístěna napříč přes průtočný průřez v rovině kolmé na směr toku sus­penze a filtrátu. Velikostí filtrační přepážky je vlastně určena i velikost filtrační plochy filtru. Filtrační přepážka může být podepřena perforovanou deskou nebo roštem, který chrání filtrační materiál před mechanickým poškozením (protržením) působením tlaku tekutiny. Tekutina filtrované suspenze prochází nejprve vrstvou částic postupně zachycovaných na filtrační přepážce, následně filtrační přepážkou. Nakonec tekutina zčásti nebo zcela zbavená částic opouští filtrační zařízení ve formě filtrátu. Produktem filtrace je buď filtrát, nebo částice zachycené filtrační přepážkou, popř. oba produkty současně.

Je-li při filtraci použita filtrační přepážka s velikostí pórů menší než je velikost částic v suspenzi, zachycují se částice na jejím povrchu a vytvářejí na ní vrstvu neboli tzv. filtrační koláč. Tento typ filtrace suspenzí se označuje jako koláčová (nebo povrchová) filtrace. Filtračního koláč ve většině filtrů během filtrace postupně narůstá. Filtrační přepážka (v případě koláčové filtrace typicky filtrační plachetka na deskovém kalolisu) funguje jako filtrační médium pouze na počátku filtrace, a v dalších fázích filtrace jsou částice zachytávány na povrchu již vytvořeného filtračního koláče a v pórech a kanálcích mezi částicemi v koláči.

Je-li při filtraci naopak použito velmi porézní filtrační přepážky (jako jsou pěnové materiály z různých polymerů, netkané textilie nebo vrstvy vláknitých materiálů), pevné částice z fil­trované suspenze pronikají dovnitř filtrační přepážky a v ní jsou následně zachycovány. Velikosti částic musí být ob­vykle mnohem menší než průměr kanálků v přepážce. Zachycení částic je možné důsledkem různých fyzikálně-chemických in­terakcí mezi částicemi a přepážkou. Fil­tračního koláče na povrchu přepážky nevzniká, popř. pouze takový, který nemá významnou filtrační účinnost. Tento typ filtrace se označuje jako hloubková filtrace. Hloubková filtrace je vhodná pro procesy filtrace suspenzí s velmi nízkou koncentrací pevných částic – často až pod 1% objemové – kdy smyslem filtrace je získat pročištěnou tekutinu. Hloubková filtrace tak nachází uplatněni hlavně při čištění kapalin od zákalů či dočišťovacích operacích filtrace vody (nejtypičtěji například jako písková filtrace).

Filtraci některých suspenzí (může se jednat například o sraženiny nebo suspenze s obsahem měkkých částic), které dostatečně dobře netvoří propustnou filtrační přepážku, může mít za následek tvorbu filtračního koláče s nepříznivou strukturou. Filtrace v takovém případě probíhá nízkou nebo velmi nízkou rychlostí. Tomuto negativnímu jevu lze bránit přidáním pomocných filtračních látek k filtrované suspenzi a zlepšit tak strukturu filtračního koláče. Pomocnými filtračními látkami jsou například zrnité inertní materiály ve formě tvrdých nedeformovatelných částic. Často se používá křemelina nebo aktivní uhlí (obvykle například v potravinářství). Jiným způsobem je zlepšení procesu filtrace pomocí flokulačních a koagulačních činidel, jimiž lze dosáhnout shlukování a aglomeraci částic obsažených v suspenzi do větších celků.

V průmyslových zařízeních (zejména kalolisech) je pro vyvolání toku suspenze filtračním zařízením (tj. i filtračním koláčem a filtrační přepážkou) nutné vytvořit tlakový rozdíl neboli tlakový spád. Tento rozdíl tlaků mezi horním povrchem filtračního koláče (kde je vyšší tlak) a spodním povrchem filtrační přepážky (kde je nižší tlak) se označuje jako fil­trační tlakový spád, nebo filtrační rozdíl tlaků. Tlakový spád je nutný pro překonání hydraulických odporů proti toku filtrátu ve filtračním koláči a ve filtrační přepážce (v případě deskového kalolisu filtrační plachetce). Filtrační deska podpírající filtrační přepážku obvykle má jen zanedbatelný hydraulický odpor. Filtrační tlakový spád je možné dosáhnout různými způsoby, zejména následujícími:

• Pouze hydrostatickým tlakem suspenze na filtračním koláči nebo filtrační přepážkou – v průmyslu využívaný jako gravitační filtrace
• Zvyšováním tlaku plynu nad hladinou suspenze – v průmyslu označovaný jako tlaková filtrace)
• Snižováním tlaku pod filtrační přepážkou – v průmyslových procesech využívané ve vakuové filtraci
• Čerpáním suspenze do filtračního zařízení – průmyslově využívané u deskových kalolisů a sítopásových lisů
• Odstředivou silou – v průmyslu využívané ve filtračních odstředivkách

Filtrační proces koláčové filtrace obvykle mívá několik na sebe navazujících kroků:

• Proces filtrace – ve filtračním zařízení se postupně na filtrační přepážce (například plachetce) vytváří filtrační koláč a vzniká filtrát, který je kontinuálně odváděn z filtračního zařízení
• Proces promývání filtračního koláče promývací kapalinou – účelem je zbavit filtrační koláč nežádoucích rozpustných složek nebo tyto složky převést z filtračního koláče do filtrátu
• Odstranění vlhkosti z filtračního koláče – kapalina z filtrované suspenze nebo promývací kapalina se z filtračního koláče odstraňuje například profouknutím vzduchem nebo jiným plynem, popř. mechanickým stlačením koláče (typicky u membránových kalolisů)
• Částečné nebo úplné sušení filtračního koláče pomocí proudu sušicího plynu – pro kalolisy se obvykle nepoužívá
• Odstranění (vyjmutí) filtračního koláče z filtračního zařízení – může se provádět mechanicky (v případě kalolisů oklepem nebo setřením), popř. zpětným pulsem vzduchu
• Příprava filtračního zařízení pro pokračování filtrace v dalším filtračním cyklu – vyčištění filtračního zařízení, výměna nebo mytí filtrační přepážky, sestavení filtru a dle typu zařízení další kroky (v případě kalolisů se obvykle provede pouze jednoduchý krok sesazení filtračních desek).

V závislosti na konkrétní aplikaci může některý z těchto kroků ve fil­tračním procesu chybět, nebo filtrační proces může naopak obsahovat jiný krok, specifický jen pro danou aplikaci.

Základní rozdělení filtrů pro kapaliny, resp. suspenze může být například následující:

Filtry vsádkové (s přetržitým provozem) – pískové filtry, filtrační odstředivky, filtrační nuče, listové filtry, deskové kalolisy, svíčkové filtry apod.

Filtry kontinuální (s nepřetržitým provozem) – pásové, kotoučové a bubnové a další

Některé z uvedených typů jsou popsány podrobněji v některých dalších kapitolách.

Pískové filtry jsou nejběžnějším typem filtrů pro filtraci odpadních vod. Pískové filtry mohou mít:

• Uzavřené provedení – používá se obvykle při filtraci s požadavkem na vyšší rychlost filtrace. V tlakové nádobě je na nosné desce s různým typem drenážního systému umístěna vrstva písku definované zrnitosti. Znečištěná voda se přivádí nad pískovou vrstvu pod tlakem a pevné částice se zachycují na jejím povrchu, přičemž mohou částečně do vrstvy písku pronikat. Vrstva písku se postupně zanáší kalem a obvykle se i zároveň tvoří na jejím povrchu filtrační koláč. Promývání filtru se provádí tlakovým zpětným proplachem promývací vodou. Filtrační vrstva se po promytí samovolně znovu utvoří usazením pískových částic na nosné desce.
• Otevřené provedení – používá se obvykle při pomalé filtraci. Pískový filtr má podobu otevřené kovové či betonové nádrže, jejíž dno obsahuje drenážní systém. V nádrži je navrstveno, několik drenážních vrstev ze štěrků a písků hrubší zrnitosti. Na těchto vrstvách je položena filtrační vrstva tvořená jem­nějším pískem definované zrnitosti. Filtrace se uskutečňuje hydrostatickým tlakem fil­trované vody na filtrační vrstvy. Stejně jako u uzavřeného provedení se filtrační materiál po zanesení částicemi regeneruje proplachem promývací vodou.

Filtrační nuče jsou jednodušší typy filtračního zařízení tvořené nádobou s odklápěcím či snímatelným víkem. V nuči se filtrační přepážka umisťuje na perforovanou desku, pod níž je potom prostor pro záchyt filtrátu a připojení filtračního zařízení ke zdroji vakua. Filtrační proces vyžaduje značné množství manuální práce, zejména vyjímání filtračního koláče a přípravu na další filtraci.

Listové filtry jsou filtrační zařízení s. filtračními listy. Filtrační element označovaný jako list má trubkový rám s drenážní vložkou (perforovaným plechem, kovovou tkaninou či pletivem). Na jejím povrhu je umístěna filtrační přepážka. Filtrovaná suspenze se do filtru přivádí pod tlakem, filtrát prochází z vnějšku dovnitř listů a odvádí se pomocí trubkových rámů listů. Filtrační koláč z vnějšího povrchu listů se obvykle odstraňuje tlakovým vzduchem a celé filtrační zařízení mívá i vnitřní promývací systém.

Svíčkové filtry jsou filtrační zařízení obvykle používané k filtraci řídkých suspenzí obsahujících jemné částice. Filtrační elementy ve svíčkových filtrech se označují jako filtrační svíčky a mají tvar trubek, jejichž skupina je vsazená do obvykle válcového nádoby. Stěny filtračních svíček jsou tak vlastně tvořeny filtrační přepážkou a ta může uvnitř svého průřezu ještě vyztužena přepážkami. Vnitřní objem filtrační nádoby se naplňuje suspenzí, která je přes filtrační svíčky protlačována z jejich povrchu dovnitř. Filtrát je potom z vnitřní strany svíček kontinuálně odváděn a filtrační koláč na povrchu svíček odstraňován tlakovým vzduchem.

Kalolisy jsou filtrační zařízení používaná zejména pro filtraci obtížně filtrovatelných suspenzí, Na kalolisech lze dosahovat velmi vysokých tlakových rozdílů filtrace.

Rámové kalolisy – jedná se o nejstarší a v současnosti již nejméně používaný typ kalolisů. Rámové kalolisy obsahují soustavu filtračních rámů a desek střídavě uspořádaných a stažených k sobě (uzavřených) pomocí šroubových systémů nebo hydraulicky. Filtrační přepážka je tvořena filtrační plachetkou, která je natažena přes obě strany rámu. Desky mají na povrchu systém rýh, které tvoří drenážní prostor pro odvádění filtrátu a promývací kapaliny. Desky i rámy mají umístěny v horních rozích otvory (tzv. nátokové), které po uzavření kalolisu vytvářejí kanály sloužící k přívodu suspenze a promývací kapaliny. Suspenze je přiváděna skrze všechny desky do všech rámů. Pevné částice ze suspenze jsou zachyceny na povrchu plachetek. Filtrát projde do drenážních systémů desek a odtéká z nich ven výtoky. Promývání se provádí otevřením odtoků každé druhé desky a vháněním promývací kapalina do zbývajících desek. Promývací kapalina je rozvedena po povrchu vstupní (otevřené) desky a prochází plachetkou do filtračního koláče. Z filtračního koláče vystupuje kapalina přes další plachetku do drenážního systému odtokové desky a odtéká výpustí. Promývací plocha je v porovnání s velikostí plochy filtrační plochy poloviční. Tloušťka filtračního koláče při promývání je dvojnásobná v porovnání s tloušťkou koláče jímž prochází filtrát při filtraci. Po ukončení promývání se kalolis otevře, desky a rámy uvolní, filtrační koláč vyjme.

Komorové kalolisy – v současnosti nejběžnější typ deskových kalolisů. Komorové kalolisy nemají rámy, jsou sestaveny pouze z filtračních desek. Filtrační desky jsou tvarovány tak, aby mezi nimi vznikly volné prostory (komory) pro filtrační koláč. Desky mají nátokové otvory pro dávkování suspenze, které mohou být umístěný dle typu výrobce různým způsobem. Filtrační plachetky pro komorové kalolisy jsou složeny ze dvou částí, které jsou mezi sebou propojeny. Způsob provozování je u komorových kalolisy stejný jako u deskových kalolisů. Specifickým typem komorových kalolisů jsou membránové kalolisy, které navíc používají membrány, díky nimž je možno docilovat vyšších filtračních rozídlů tlaků a lepšího odvodňování filtračního koláče.

Filtrační odstředivky jsou filtrační zařízení sloužící k filtraci krystalických suspenzí zejména s obsahem větších částic. Odstředivky dokáží zajistit dobře promyté krystaly s nízkým obsahem vlhkosti. Filtrovaná suspenze se čerpá do rotujícího bubnu, vnitřní stěny bubnu jsou potaženy filtrační přepážkou. Pevné částice ze suspenze jsou zadržovány na vnitřním povrchu přepážky (uvnitř bubnu). Vzniká tak filtrační koláč, který se promývá kapalinou rozstřikovanou po jeho povrchu. Nejběžnějším způsobem provozování filtračních odstředivek je kontinuální režim, ve kterém se pravidelně střídají jednotlivé kroky filtračního procesu.

Bubnové filtry jsou filtrační zařízení, kde rozdíl tlaků je vytvářen pomocí podtlaku pod filtrační přepáž­kou. Filtrovaná suspenze se přivádí do vany, v níž se otáčí buben s filtrační přepážkou na povrchu. Buben a filtrační přepážka (plachetka, pás) se postupně zanořuje a vynořuje, přičemž filtrace probíhá na ponořené části bubnu. Na povrchu filtrační plachetky postupně narůstá vrstva filtračního koláče ve směru otáčení bubnu. Při vynoření bubnu se na jeho povrchu odvodňuje koláč, popř. se promývá a suší. Promytý a suchý koláč se z povrchu bubnu postupně odstraňuje (seškrabává). Bubnu je uvnitř obvykle rozdělen pomocí podélných přepážek na seg­menty. Činnost filtru je řízena tak, že segmenty jsou připojovány ke zdroji vakua nebo tlakového plynu podle části procesu filtrace, kterou mají vykonávat (nasávat a filtrovat, nebo promývat a sušit). Bubnový filtr pracuje za konstantního filtračního rozdílu tlaků.

Kotoučové filtry jsou filtrační zařízení, ve kterých se filtrace provádí pomocí soustavy plochých kotoučů, které se otáčejí ve vaně s filtrovanou suspenzí. Rozdíl tlaků je podobně jako u bubnových filtrů vytvářen pomocí podtlaku pod filtrační přepáž­kou. Stejně tak je činnost kotoučových filtrů podobná činnosti bubnových filtrů.

Pásové filtry jsou filtrační zařízení, v nichž filtrace probíhá na filtrační přepážce ve formě pohyblivého nekonečného textilního pásu. Filtrační pás je napnutý přes hnací a napínací válce. Filtrace probíhá v oblasti pásu, kde je filtrační pás podložen podpůrným perforovaným pásem s rýhovaným drenážním povrchem. Pod pásem se nachází žlab rozdělený přepážkami na segmenty. Segmenty jsou připojeny ke zdroji vakua a tlakového vzdu­chu. Jednotlivé kroky filtračního procesu potom probíhají podobně jako u bubnového filtru.