Суспензия - это неоднородная система, состоящая из жидкой дисперсионной среды и взвешенных в ней твердых частиц. Разделение суспензий на жидкую и твердую фазу - один из наиболее распространенных процессов химической технологии. Для его реализации предназначены фильтры и центрифуги.

При фильтровании суспензия разделяется с помощью пористой перегородки на жидкую фазу в виде фильтрата и твердую фазу в виде осадка, см. рис. 4.1. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по обе стороны фильтрующей среды, которая состоит из фильтрующей перегородки и слоя образующегося на ней осадка. Кроме процесса фильтрования фильтры производят промывку осадка от остатков дисперсионной среды, его отжим и просушку.

Основной характеристикой процесса является скорость фильтрования - объем фильтрата, получаемый за единицу времени с единицы поверхности фильтра. Скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений , обратно пропорциональна вязкости фильтрата и сопротивлению фильтрующей среды, т.е. сумме сопротивлений слоя осадка и фильтрующей перегородки . В большинстве случаев существенно больше . Толщина осадка , а следовательно и его сопротивление в процессе фильтрования увеличивается, в том числе и за счет его сжатия под действием и закупорки каналов мелкими частицами. Сопротивление перегородки также изменяется вследствие забивки ее пор и сжатия, поэтому основное уравнение фильтрования записывается в дифференциальной форме: . Здесь - объем фильтрата, - поверхность фильтрования, - продолжительность фильтрования.

На величину сопротивления осадка и перегородки кроме гидродинамических факторов, т.е. размеров и формы пор перегородки, формы, размеров и удельной поверхности частиц осадка, оказывают влияние и физико-химические факторы: степень коагуляции частиц осадка, наличие на них сольватной оболочки, содержание в суспензии смолистых и коллоидных примесей, набухание материала перегородки, изменение поверхностного натяжения жидкости в порах осадка и перегородки, образование у стенок пор неподвижного слоя жидкости, электростатические поля, возникающие на границе раздела фаз при наличии ионов в суспензии. Влияние этих факторов увеличивается с уменьшением размеров частиц осадка и пор перегородки.

Будем считать, что осадок и перегородка несжимаемы, т.е. их пористость и удельное сопротивление потоку жидкости постоянны в течение всего процесса. Не будем также учитывать возможное увеличение и за счет влияния физико-химических факторов. Тогда будет постоянной величиной, а можно записать в виде: , где - удельное объемное сопротивление осадка (сопротивление потоку фильтрата равномерного слоя осадка толщиной 1 м). Обозначив отношение объема осадка к объему фильтрата через , запишем: , т.е. . Тогда основное уравнение фильтрования с образованием несжимаемого осадка на несжимаемой перегородке примет вид . Это уравнение используется для расчета производительности фильтра заданной поверхности или наоборот - необходимой поверхности по заданной производительности. Значения величин и определяются экспериментально.

На практике используются два основных режима фильтрования - постоянного перепада давления и постоянной скорости фильтрования. Режим постоянного перепада давления обеспечивается присоединением фильтра к линии вакуума или сжатого газа. После разделения переменных и интегрирования от 0 до и от 0 до основное уравнение фильтрования примет вид: . 

Режим постоянной скорости обеспечивается подачей суспензии в фильтр насосами объемного типа (поршневым, шестеренчатым). Заменяя в основном уравнении фильтрования на , получим: . 

Сравнив полученные уравнения, можно сделать вывод, что при прочих равных условиях для получения одного и того же объема фильтрата в режиме постоянной скорости требуется большее время, чем в режиме постоянного перепада давления (при - вдвое больше). Величина для любого типа фильтра ограничена сверху , поэтому при достижении в режиме постоянной скорости максимально возможного перепада давления часть суспензии байпасируется и фильтрование продолжается в режиме постоянного перепада давления. Иногда для подачи суспензии в фильтр используют центробежные насосы. В этом случае и перепад давления, и скорость фильтрования являются переменными и для решения основного уравнения фильтрования необходимо предварительно определить вид функциональной зависимости ().

В рабочий цикл фильтра, кроме собственно фильтрования, входит промывка осадка, его осушка, выгрузка и подготовка фильтра к следующему циклу. Промывку осадка можно рассматривать как фильтрование при постоянной толщине слоя осадка, перепаде давления и скорости, т.е. основное уравнение фильтрования для случая промывки будет иметь вид . При заданной вязкости промывной жидкости из этого уравнения можно найти необходимый объем промывной жидкости , требуемое время промывки или перепад давления . Время осушки осадка сжатым воздухом или газом от остатков фильтрата или промывной жидкости определяется экспериментально.

Общая продолжительность рабочего цикла фильтра , где - время вспомогательных операций (загрузка, выгрузка, подготовка к новому циклу). Это соотношение является основополагающим при определении режима работы фильтров периодического действия и скорости перемещения рабочего органа фильтра непрерывного действия.

Поверхность фильтрования дисковых вакуум-фильтров  образована несколькими полыми дисками, собранными из отдельных секторов. При равной поверхности они занимают меньший объем и имеют меньшую массу, чем барабанные фильтры. Они предназначены для разделения суспензий с частицами одинаковых размеров и небольшой скоростью осаждения (до 8 мм/мин). Концентрация твердой фазы и другие свойства суспензии должны обеспечивать получение осадка толщиной 8 мм не более чем за 3 мин.

На торцах несущей рамы дискового фильтра установлены подшипники скольжения, в которых вращается полый литой вал. На валу установлены от 1 до 14 дисков, каждый из которых собран из 12, 16 или 18 полых секторов с перфорированными стенками. Сектора скреплены между собой и с валом шпильками и накладками, на каждый из них надевается трапецевидный мешок из фильтровальной ткани, туго затянутый шнуром в узкой части. Вал разделен внутри на ячейки, число которых равно числу секторов в диске. Внутренняя полость каждого сектора сообщается с одной из ячеек вала. На одном торце вала установлено зубчатое колесо, которое вращается электродвигателем через вариатор и клиноременную передачу, к другому прижата распределительная головка, аналогичная используемой в барабанном фильтре. Если поверхность фильтра превосходит 34 м.кв., то распределительные головки устанавливают на обоих торцах, а вал делят пополам глухой перегородкой. Диски почти до половины погружены в корыто с суспензией, имеющее отдельные камеры (карманы) для каждого диска. Промежутки между карманами служат для удаления осадка с дисков. В нижней части корыта расположено перемешивающее устройство, предотвращающее отстаивание суспензии. Это двухопорный вал, пропущенный через все корыто, на котором напротив карманов закреплены пропеллерные мешалки.

Во время работы фильтра каждый сектор диска последовательно сообщается с камерами распределительной головки: на секторах, погруженных в суспензию, образуется осадок, на непогруженных вначале производится его осушка, а затем отдувка импульсной подачей сжатого воздуха и удаление с поверхности диска ножом или валиком. Для регенерации ткани во внутреннюю полость сектора подается сжатый воздух или пар. Промывка осадка на вертикальной поверхности дисков затруднена и как правило не включается в рабочий цикл. Заметим, что угол фильтрации в дисковых фильтрах зависит от текущего радиуса диска. Его наименьшее значение соответствует внутреннему радиусу и здесь же откладывается слой осадка наименьшей толщины.

Дисковые фильтры маркируют буквами ДУ и ДК (соприкасающиеся с обрабатываемой средой элементы выполнены из углеродистой или коррозионностойкой стали). Площадь поверхности стандартных фильтров 0.3-250 м.кв., диаметр дисков 0.6-3.75 м, частота вращения вала 0.13-2 1/мин.

Технологический расчёт дискового вакуумного-фильтра