В таблице 1.2 приведена классификация процессов разделения неоднородных систем по движущей силе.
|
Таблица 1.3
2.2. Осаждение
Гравитационное осаждение
Осаждением называется процесс разделения жидких и газовых неоднородных систем (суспензий, пылей) путём выделения твёрдых частиц. Осаждение под действием силы тяжести называется отстаиванием. В основном отстаивание применяется для предварительного грубого разделения неоднородных систем. Осаждение связано с движение твёрдых частиц в жидкости или газе.
Рассмотрим движение шарообразной частицы в неподвижной среде (рис. 2.1). При движении тела в жидкости или при обтекании его движущейся жидкостью возникают сопротивления для преодоления которых, а так же обеспечения равномерного движения тела должна быть затрачена определенная энергия. Величина возникающего сопротивления зависит от режима движения и формы обтекаемого тела.
Рис.2.1 Действие сил на твердую частицу, движущуюся в неподвижной среде
Если шарообразная частица весом G будет падать под действием собственного веса, то скорость ее первоначально возрастет, однако с ростом скорости начнет увеличиваться и сопротивление движению частицы со стороны среды. Одновременно произойдет уменьшение ее ускорения и через короткий промежуток времени наступит динамическое равновесие – сила тяжести станет равна силе сопротивления среды, и частица начнет двигаться с постоянной скоростью – скоростью осаждения. Баланс сил в этом случае будет:
| (2.1) |
,где 
- сила тяжести, равная весу частицы; 
- выталкивающая сила Архимеда, равная весу жидкости в объёме тела; 
- сила сопротивления среды.
; 
;
, где 
- диаметр частицы; 
- плотность среды; 
плотность твердой частицы; 
скорость осаждения; 
- коэффициент сопротивления среды (безразмерный).
В развернутом виде уравнение (2.1) примет вид:
|
,откуда скорость осаждения будет равна:
| (2.2) |
,Расчёт скорости осаждения по уравнению (2.2) затруднён, т. к. коэффициент сопротивления 
зависит от критерия Рейнольдса, в который входит неизвестная 
.
Критерий Рейнольдса для процесса осаждения рассчитывается по формуле:
| (2.3) |
.Существуют три режима осаждения: ламинарный, переходный и турбулентный.
При ламинарном режиме осаждения (рис. 2.2 а) жидкость обтекает частицу плавно без образования вихрей. Скорость и размер частиц при этом небольшой, но велика вязкость среды. Энергия тратится только на преодоление сил трения. С увеличением скорости осаждения (при переходном режиме) в потоке все большую роль начинают играть силы инерции, которые приводят к отрыву пограничного слоя от поверхности тела, что способствует понижению давления за движущимся телом в непосредственной близости от него и образованию завихрений (рис.2.2 б). При турбулентном режиме осаждения за частицей движется вихревой поток (рис.2.2 в).
Рис.2.2. Движение шарообразной частицы в жидкости.
При ламинарном режиме (область действия закона Стокса) Re<2, а 
. При переходном режиме , а 
. В случае турбулентного режима осаждения Re>500 и 
).
При ламинарном режиме скорость осаждения определяют по формуле Стокса:
. | (2.4) |
Значение
зависит от Re, для оценки которого необходимо знать скорость осаждения.
Расчёт скорости осаждения начинают с определения критерия Архимеда 
(1.39), при известном диаметре частиц d. В не входит скорость осаждения
|
.Рассчитав , определяют режим осаждения. Зная зависимость между Рейнольдсом и Архимедом для данного режима (стр. 36), находят критерий Рейнольдса и далее скорость осаждения: 
.
При ламинарном режиме Ar
36, переходном 36
Ar83000 и турбулентном - Ar>83000.
Зависимость между критериями 
и следующая:
Для ламинарного режима 
, переходного 
и турбулентного 
, где 
- коэффициент формы (или фактор), учитывающий отличие формы частицы от шара. Для частиц неправильной формы скорость осаждения меньше, поэтому скорость, рассчитанную для шарообразной частицы, умножают на поправочный коэффициент ψ, который < 1.
Все приведённые выше рассуждения справедливы, если осаждение не стеснённое (свободное), когда соседние частицы не оказывают влияния на движение друг друга. Свободное осаждение наблюдается в разбавленных суспензиях и газовых взвесях (при объёмной концентрации твердой фазы менее 5%) при отсутствии взаимного влияния частиц дисперсной фазы. Если концентрация частиц большая (стеснённое осаждение), то, осаждаясь, частицы соприкасаются друг с другом и сопротивление осаждению становится больше, чем для одиночной частицы. Вследствие этого скорость осаждения уменьшается. При стеснённом осаждении в рассчитанную скорость, вводят поправки, зависящие от концентрации суспензии. При ориентировочных расчётах действительную скорость осаждения принимают равной половине теоретической скорости осаждения одиночной шарообразной частицы.
Аппараты для разделения неоднородных систем под действием силы тяжести
Осаждение твердых частиц под действием силы тяжести называется отстаиванием. Отстаивание, в основном, применяется для предварительного грубого разделения неоднородных систем. Простейшим отстойником для пылей (запыленных газов) является отстойный газоход (рис. 2.3).
Установка вертикальных перегородок в газоходе приводит к возникновению инерционных сил, что способствует процессу осаждения твердых частиц. Запыленный газ подается непрерывно, а пыль из бункеров выгружают периодически.
Известно, что производительность отстойников прямо пропорциональна поверхности осаждения. Поэтому установка горизонтальных полок 2 в пылеосадительной камере (рис. 2.4) резко увеличивает производительность аппарата. Вертикальная отражательная перегородка 3 обеспечивает равномерное распределение газа между полками. Степень очистки в таких камерах невелика и составляет 30 – 40 %, причем частицы размером 5 мкм и меньше вообще не отделяются от газа.
Для разделения суспензий применяется непрерывно действующий отстойник с гребковой мешалкой 3 (рис. 2.5). Он представляет собой цилиндрический резервуар 1 с коническим днищем 2 и кольцевым желобом 4 вдоль верхнего края аппарата. В резервуаре установлена мешалка, снабженная гребками, которые непрерывно перемещают осадок (шлам) к центральному разгрузочному отверстию и одновременно 
слегка взбалтывают осадок, способствуя его обезвоживанию. Мешалка вращается медленно, не нарушая процесса осаждения. Осветленная жидкость переливается в кольцевой желоб и удаляется через штуцер. Осадок (шлам), представляющий собой сгущенную суспензию, удаляется через штуцер в днище.
На рис. 2.6 показан отстойник непрерывного действия для разделения эмульсии. Он представляет собой горизонтальный резервуар 1 с перфорированной перегородкой 2, которая предотвращает возмущение жидкости в отстойнике струей эмульсии, поступающей в аппарат, и равномерно распределяет поток по сечению отстойника. Расслоившиеся легкая и тяжелая фазы выводятся с противоположной стороны отстойника. Уровень раздела легкой и тяжелой жидкости поддерживается регулятором уровня или гидравлическим затвором 3 (сифон, «утка»).
Аппараты для разделения неоднородных систем под действием центробежной силы
Скорость осаждения под действием силы тяжести мала и для ее увеличения проводят процессы осаждения в поле центробежных сил. Для создания поля центробежных сил обычно используют один из двух способов: либо обеспечивают вращательное движение потока в неподвижном аппарате, либо поток направляют во вращающийся аппарат. В первом случае процесс проводят в циклонах, во втором – в отстойных (осадительных) центрифугах. Центробежные силы в циклоне (рис. 2.7) создаются за счет тангенциального подвода газа к цилиндрическому корпусу аппарата 1. Благодаря такому вводу газа, он приобретает вращательное движение вокруг трубы, расположенной по оси аппарата и предназначенной для вывода очищенного газа. Частицы пыли под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам корпуса 1 и поступают в разгрузочный бункер 3. Чем меньше радиус циклона, тем больше ускорение центробежной силы и выше факторы разделения. Однако уменьшение радиуса циклона ведет к росту скорости потока и возрастанию гидравлического сопротивления.
Поэтому при больших расходах запыленного газа вместо одного циклона большого диаметра устанавливают несколько циклонных элементов меньшего размера, объединенных в одном корпусе и работающих параллельно. Такие аппараты называют батарейными циклонами (рис. 2.8).
Так как обеспечить тангенциальный подвод запыленного газа к каждому элементу циклона трудно, используется другой принцип создания закрученных потоков – установка неподвижных лопастей на внутренних трубках циклонов.
Для осаждения твердых частиц из жидкости в поле центробежных сил применяют гидроциклоны, которые отличаются от обычных циклонов пропорциями отдельных частей и деталей.
Большие центробежные силы и высокие факторы разделения можно достичь в осадительных центрифугах. На рис. 2.9 показана схема отстойной центрифуги периодического действия. Основной частью центрифуги является сплошной барабан 2, насаженный на вращающийся вал 1. Под действием центробежной силы твердые частицы из суспензии отбрасываются к стенкам барабана, образуя слой осадка. Осветленная жидкость (фугат) переливается в неподвижный корпус 3 (кожух) и удаляется через патрубок в его нижней части. По окончании отстаивания центрифугу останавливают и выгружают осадок вручную.
На рис. 2.10 показана отстойная центрифуга непрерывного действия с горизонтальным валом и шнековой выгрузкой осадка. Суспензия поступает по трубе во внутренний барабан и через окна выбрасывается во вращающийся отстойный барабан конической формы, где под действием центробежной силы происходит ее разделение.
Осветленная жидкость (фугат) устремляется в широкую часть барабана, перетекает в неподвижный кожух и удаляется из него через патрубок. Осадок осаждается на стенках барабана и перемещается с помощью шнека, благодаря небольшому различию частот вращения барабана и шнека.
Отстойные центрифуги для разделения эмульсий часто называют сепараторами. Широко распространены тарельчатые сепараторы непрерывного действия (рис. 2.11). Эмульсия по центральной трубе попадает в нижнюю часть вращающегося барабана (ротора), снабженного пакетом конических перегородок – тарелок с отверстиями. Проходя через отверстие, эмульсия распределяется тонкими слоями между тарелками. При разделении более тяжелая жидкость отбрасывается центробежной силой к стенке барабана, движется вдоль нее и удаляется через отверстие.
Более легкая жидкость перемещается к центру барабана и удаляется через кольцевой канал. Путь движения жидкостей показан стрелками. Скорость вращения барабана составляет 5000 – 7000 об/мин.
Если разделяется мелкодисперсная суспензия, то используются сепараторы с тарелками без отверстий. Твердая дисперсная фаза суспензии осаждается на поверхности каждой тарелки (кроме верхней), соскальзывает с них и скапливается возле стенки барабана. Осветленная жидкость движется к центру барабана, поднимается вверх и выходит из него.
Выгрузка осадка осуществляется вручную или автоматически. Тарельчатые сепараторы характеризуются высокой производительностью и высоким качеством разделения.
Центрифуги с очень большим числом оборотов (до 60 тыс. об/мин) и большими факторами разделения (свыше 3500) называются ультрацентрифугами или сверхцентрифугами. Возникающие в них огромные центробежные силы используются для разделения тонкодисперсных суспензий и эмульсий. С целью достижения больших факторов разделения сверхцентрифуги имеют малый радиус. В трубчатой сверхцентрифуге периодического действия (рис. 2.12) суспензия поступает по трубе внутрь быстро вращающегося барабана 1, заключенного в кожух 2. Внутри трубчатого барабана (ротора) со сплошными стенками имеются радиальные лопасти 3, препятствующие отставанию жидкости от стенок барабана при его вращении. Твердые частицы суспензии оседают на стенках барабана, а осветленная жидкость выбрасывается из него через отверстия вверху 8 и удаляется из верхней части кожуха. Осадок удаляют вручную периодически после остановки центрифуги и разборки барабана.
Подобные центрифуги применяют только для разделения суспензии с небольшим содержанием твердой фазы (не более 1 %).
Для разделения эмульсии применяют трубчатые сверхцентрифуги непрерывного действия, отличающиеся более сложным устройством в верхней части ротора, позволяющим раздельно отводить расслоившиеся жидкости.
Осаждение под действием сил электрического поля
Осаждение дисперсных твердых и жидких частиц в электрическом поле (электроосаждение) позволяет эффективно очистить газ от очень мелких частиц. Оно основано на ионизации молекул газа электрическим разрядом.
Для осаждения частиц в поле электрических сил применяют электрофильтры, которые по форме электродов делятся на трубчатые и пластинчатые, а в зависимости от вида удаляемых из газа частиц – на сухие (улавливается сухая пыль) и мокрые (удаляется влажная пыль). Трубчатый электрофильтр (рис. 2.13) питается постоянным током высокого напряжения (порядка 60тыс. вольт) и представляет собой аппарат, в котором расположены осадительные электроды 2, выполненные в виде труб диаметром 0,15 - 0,3 м и длиной 3 - 4 м. По оси труб проходят коронирующие электроды 1 из проволоки диаметром 1,5 - 2 мм, которые подвешены к раме 3, опирающейся на изоляторы 5. Запыленный газ входит в 
аппарат через нижний штуцер и далее двигается внутри труб 2. Так как поверхности электродов различны, то у отрицательно заряженного электрода, выполненного в виде проволоки, образуется высокая напряженность электрического поля и возникает коронирующий разряд. Внешним признаком ионизации является свечение слоя газа или образование «короны» у катода. Отрицательно заряженные ионы устремляются к положительному электроду (аноду) в виде труб. На своем пути они «бомбардируют» частицы пыли, адсорбируются и сообщают им отрицательный заряд. Отрицательно заряженные частицы пыли устремляются к положительному электроду, разряжаются и оседают на его поверхности, а очищенный газ выходит из аппарата через верхний штуцер.
В сухих электрофильтрах пыль удаляется периодически путем встряхивания электродов с помощью специального устройства 4. В мокрых электрофильтрах осевшие частицы пыли удаляются промывкой внутренней поверхности электродов водой. Степень очистки составляет 95 – 99 %.
2.3 Фильтрование
Фильтрование – процесс разделения суспензий и запылённых газов с использованием пористых перегородок, которые задерживают твердую фазу и пропускают жидкую (рис. 2.14). Движущая сила фильтрования – разность давлений в исходной суспензии и за фильтрующей перегородкой.
Рис. 2.14. Схема процесса фильтрования
В промышленности фильтрование проводят при следующих разностях давлений (до и после фильтра):
1. Под вакуумом (
);
2. Под давлением сжатого воздуха (не > 
);
3. При подаче поршневым или центробежным насосом
(до 
);
4. Под гидравлическим давлением слоя суспензии
(до 
).
При фильтровании вязких жидкостей с небольшим содержанием мелких твёрдых частиц, последние проникают в поры перегородки и задерживаются в них. При этом почти не образуется слой осадка. Такой процесс называется фильтрованием с закупориванием пор. Такого фильтрования стараются избегать. т. к. трудно извлечь из пор твёрдые частицы. Для предотвращения закупорки пор такую суспензию предварительно сгущают в отстойниках. Осадки на фильтровальной перегородке делятся на: 1) сжимаемые, частицы которых деформируются с повышением давления и пористость их уменьшается. К ним относятся осадки гидратов окиси металлов алюминия, железа, меди; 2) несжимаемые, пористость которых не меняется с увеличением давления. К ним относят осадки, состоящие из частиц песка, кристаллов карбоната кальция. В производстве под фильтрованием понимают не только операцию разделения суспензий на фильтрат и осадок, но и последующие операции – промывка, продувка, просушка осадка на фильтре. Скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна вязкости жидкости и общему гидравлическому сопротивлению слоя осадка и фильтровальной перегородки.
Так как в процессе фильтрования увеличивается гидравлическое сопротивление слоя осадка с течением времени, то переменную скорость фильтрования 
выражают в дифференциальной форме:
| (2,5) |
.где V - объем фильтрата; F - поверхность фильтрования; 
- продолжительность фильтрования; Roс - сопротивление слоя осадка; R - сопротивление фильтровальной перегородки.
Основные конструкции фильтров
По способу действия фильтры делятся на аппараты периодического и непрерывного действия; по назначению – фильтры для разделения суспензий и фильтры для очистки воздуха и промышленных газов. В качестве фильтровальной перегородки применяют: ткань, песок; уголь (зернистая перегородка); металлическую сетку; пористую керамику (жесткая перегородка) и др. Самые простые и широко используемые в промышленности нутч или друк – фильтры (аппараты периодического действия), а также дисковые, песочные, патронные, рамные, камерные фильтры. К фильтрам непрерывного действия относятся: вакуумные, барабанные, ленточные, карусельные и др.
Нутч – фильтры работают под вакуумом или под избыточным давлением.
Рис. 2.15. Открытый нутч-фильтр, работающий под вакуумом: 1 - корпус; 2 - суспензия; 3 - фильтровальная перегородка; 4 – пористая подложка; 5 - штуцер для выхода фильтрата, соединенный с вакуум-насосом |
Рис. 2.16. Закрытый нутч–фильтр: 1 - корпус; 2 - обогревающая рубашка; 3 - кольцевая перегородка; 4-откидывающееся дно; 5 - фильтровальная перегородка; 6 - опорная решетка; 7 - сетка; 8 - съемная крышка; 9 - предохранительный клапан. |
При работе вакуумного нутч – фильтра (рис. 2.15) фильтрация осуществляется путем создания пониженного давления под фильтровальной перегородкой. Осадок удаляется сверху вручную.
Нутч, работающий при избыточном давлении сжатого воздуха (рис. 2.16) имеет более удобное приспособление для удаления осадка, который снимается вручную с фильтровальной перегородки при опускании и повороте дна фильтра. Громоздкость и ручная выгрузка осадка не позволяют использовать эти аппараты очень широко.
Распространенным фильтром периодического действия, работающим под избыточным давлением, является рамный фильтр–пресс (рис. 2.17). Фильтр состоит из чередующихся плит и рам, между которыми зажимается фильтровальная ткань. Плиты имеют по краям гладкую поверхность, а в середине – рифленую (рис. 2.18).
Рис. 2.18. Плита (а), рама (б) и сборка (в) рамного фильтр-пресса: 1 - отверстия в плитах и рамах, образующие при сборке канал для подачи суспензии; 2 - отверстия в плитах и рамах, образующие канал для подачи промывной жидкости; 3 - отводы для прохода суспензии внутрь рам; 4 - внутренние пространства рам; 5 - фильтровальные перегородки; 6 - рифления плит; 7 - каналы в плитах для выхода фильтрата на стадии фильтрования или промывной жидкости - на стадии промывки осадка; 8 - центральные каналы в плитах для сбора фильтрата или промывной жидкости; 9 - краны на линиях вывода фильтрата или промывной жидкости |
Рис. 2.17. Схема рамного фильтр-пресса: 1 - упорная плита; 2 - рама; 3 - плита; 4 - фильтрующая ткань; 5 – подвижная концевая плита; 6 - горизонтальная направляющая; 7 - зажимной винт; 8 - станина; 9 - желоб для сбора фильтрата или промывающей жидкости |
Полая рама фильтр–пресса помещается между двумя плитами, образуя камеру 4 для осадка. Отверстия 1 и 2 в плитах и рамах совпадают, образуя каналы для прохода соответственно суспензии и промывной воды. Между плитами и рамами помещают фильтровальные перегородки («салфетки»), отверстия в которых совпадают с отверстиями в плитах и рамах. Сжатие плит и рам производится посредством винтового или гидравлического зажимов. Суспензия под давлением нагнетается по каналу 1 и отводам 3 в полое пространство (камеру) внутри рам. Жидкая фаза суспензии проходит через фильтровальные перегородки 5, по желобкам рифлений 6 движется к каналам 7 и далее в каналы 8, которые открыты на стадии фильтрования у всех плит. Когда пространство (камера) 4 заполнится осадком, подачу суспензии прекращают, и начинается промывка осадка. В стадии промывки по боковым каналам 2 подают промывную жидкость, которая омывает осадок и фильтровальные перегородки и выводится через краны 9. По окончании промывки осадок продувают сжатым воздухом и затем раздвигают плиты и рамы. Осадок частично падает в сборник, установленный под фильтром, а оставшаяся часть осадка выгружается вручную. Салфетки при необходимости заменяют.
Рис. 2.19. Схема барабанного вакуум-фильтра: 1 - перфорированный барабан; 2 - волнистая сетка; 3 - фильтрованная перегородка; 4 - осадок; 5 - нож для съема осадка; 6 - корыто для суспензии; 7 - качающаяся мешалка; 8 - устройство для подвода промывной жидкости; 9 - камеры (ячейки) барабана; 10 - соединительные трубки; 11 - вращающаяся часть распределительной головки; 12 - неподвижная часть распределительной головки; I - зона фильтрования и отсоса фильтрата; II - зона промывки осадка и отсоса промывных вод; III - зона съема осадка; IV - зона очистки фильтровальной ткани |
Среди фильтров непрерывного действия наиболее распространены барабанные вакуум–фильтры (рис. 2.19). Фильтр имеет вращающийся цилиндрический перфорированный барабан 1, покрытый металлической волнистой сеткой 2, на которой располагается фильтровальная ткань. Барабан на% погружен в суспензию и разделен радиальными перегородками на ряд камер 9. Каждая камера соединяется трубой 10 с различными полостями неподвижной части 12 распределительной головки. Трубы объединяются во вращающуюся часть 11 распределительной головки. Благодаря этому при вращении барабана 1 камеры 9 в определенной последовательности присоединяются к источникам вакуума и сжатого воздуха. При полном обороте барабана каждая камера проходит несколько зон.
Зона I – фильтрования и отсоса фильтрата соприкасается с суспензией и соединена с источником вакуума. Под действием вакуума фильтрат проходит внутрь камеры и через трубу выводится из аппарата, а на фильтровальной ткани остается осадок 4.
Зона II – промывки осадка и отсоса промывных вод также сообщается с вакуумом, а на осадок с помощью устройства 8 подается промывная жидкость. Она проходит через осадок и по трубе выводится из аппарата.
Зона III – съема осадка. Здесь осадок сначала подсушивается за счет вакуума, а затем камера соединяется с источником сжатого воздуха, который сушит и разрыхляет осадок. При подходе камеры с просушенным осадком к ножу 5 подача сжатого воздуха прекращается и осадок падает с поверхности ткани.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
