Осевые (пропеллерные) насосы. 3 страница

4.8.5 Расчет отстойников

Расчет отстойников при заданной производительности (на стадии проектирования) сводится к определению геометрических размеров аппарата либо к определению производительности (на стадии эксплуатации) при известных геометрических размерах отстойника.

4.8.5.1 Расчет отстойников непрерывного действия

Рассмотрим простейший отстойник прямоугольной формы для разделения суспензий (рисунок 4.44). Частицы, находящиеся в суспензии, участвуют в двух видах движения и перемещаются

- горизонтально вдоль отстойника вместе с жидкостью со скоростью ;

I-суспензия; II-осветленная жидкость; III-выгружаемый осадок Рисунок 4.44 – Схема работы отстойника  

- вертикально под действием силы тяжести со скоростью .

Время прохождения потока через аппарат (время пребывания ), равное длине пути, деленной на скорость, составляет

. (4.147)

Продолжительность (время) осаждения частиц, наиболее удаленных от дна, определится по выражению

. (4.148)

Условием осаждения частиц в отстойнике является выражение

. (4.149)

Условие (4.149) является необходимым для всех аппаратов непрерывного действия, структура потоков в которых соответствует идеальному вытеснению.

В предельном случае (при ) с учетом уравнений (4.147) и (4.148) получим

. (4.150)

При известном объемном расходе очищенной жидкости (, м/с) можно определить скорость потока, разделив на площадь поперечного сечения потока, равную произведению ширины отстойника b на высоту слоя осветленной жидкости h (рисунок 4.)

. (4.151)

Решая совместно уравнения (4.150) и (4.151), получим

, откуда . (4.152)

Аналогичное выражение получается и для отстойников цилиндрической формы, если определить время путем интегрирования с учетом изменения поперечного сечения потока при его радиальном течении от центра.

Выражение (4.152) показывает, что производительность отстойника не зависит в явном виде от его высоты. Поэтому при проектировании отстойников их высоту следует принимать возможно меньшей, но такой, чтобы поперечное сечение потока было достаточным для обеспечения ламинарного режима течения (2320).

Для расчета отстойника с гребковой мешалкой уравнение (4.151) с учетом выражений (4.119) и (4.120) имеет вид

, м, (4.153)

где 1,3 – коэффициент, учитывающий возмущающее воздействие гребков и неравномерность подачи суспензии.

Высота отстойников с гребковой мешалкой принимается в диапазоне от 1,8 до 3,6 м.

Основные размеры отстойников с гребковой мешалкой приведены в таблице 4.5

Таблица 4.5 – Основные размеры отстойников с гребковой мешалкой

Диаметр, м	1,8	3,6	6,0	9,0	12,0	15,0	18,0	24,0	30,0
Высота, м	1,8	1,8	3,0	3,6	3,5	3,6	3,2	3,6	3,6
Поверхность, м	2,54	10,2	28,2	63,9		176,6			706,5

Часто при расчете отстойников используются экспериментальные данные.

Рассмотрим расчет вертикального отстойника для разделения смеси нефтепродукта и воды.

Процесс отстаивания в вертикальном отстойнике рассчитывается по формуле

. (4.154)

Скорость неоднородной системы (нефтепродукт и вода) в отстойнике принимается равной 0,004…0,005 м/с. Время пребывания продукта и воды в аппарате составляет 0,25…0,5 ч.

Задавшись скоростью неоднородной системы в отстойнике, определяют необходимое сечение аппарата

, откуда , м. (4.155)

Рисунок 4.45 – Вертикальный отстойник для разделения эмульсий  

Обычно диаметр аппарата, рассчитанный теоретически, округляют до ближайшего большего стандартного значения, кратного 0,2 м.

Общая высота аппарата

, (4.156)

где - высота водяной подушки, м;

- рабочая высота водоотделителя, м;

- высота парового пространства, м.

При расчетах вертикальных отстойников высоту принимают в пределах 0,7…1 м.

Рабочую высоту водоотделителя рассчитывают исходя из времени пребывания неоднородной системы, необходимого для разделения смеси в аппарате

, (4.157)

где - время пребывания смеси в аппарате, с.

Высоту парового пространства принимают в пределах 0,8…1 м.

4.8.5.2 Схема расчета отстойников периодического действия

При расчете отстойников периодического действия необходимо учитывать время одного рабочего цикла, которое складывается из времени основной стадии и вспомогательных (загрузка отстойника, удаление продуктов, разделение и т.д.)

. (4.158)

Суточное число циклов работы отстойника

. (4.159)

По известной суточной производительности неоднородной системы (, м/сутки) определяется загрузка отстойника за один рабочий цикл , м/цикл

, откуда , (4.160)

где - число параллельно работающих отстойников.

Объем загрузки отстойника за один рабочий цикл связан с геометрическими размерами аппарата следующими выражениями

для отстойника вертикального типа

, (4.161)

для отстойника горизонтального типа

, (4.162)

где S – площадь поперечного сечения слоя жидкости (площадь осаждения), м;

h,l – высота (вертикального) и длина (горизонтального) отстойника, м.

Высота вертикального отстойника складывается из высоты осветленной жидкости и высоты слоя осадка , т.е.

. (4.163)

Высота слоя осадка принимается в пределах 0,2…0,3 м.

Высота осветленной жидкости рассчитывается по выражению

, (4.164)

в котором скорость стесненного осаждения либо рассчитывается (уравнения (4.145) или (4.146)); либо определяется экспериментально; время осаждения принимается в зависимости от размеров частиц от 30 до 90 минут.

Рассмотрев расчет аппаратов для отстаивания, можно сделать следующие выводы

1 Высота отстойника не влияет на его производительность;

2 Производительность отстойника пропорциональна площади осаждения;

3 С уменьшением размера частиц и увеличением вязкости жидкости скорость осаждения снижается. При этом продолжительность процесса осаждения увеличивается, производительность понижается.

Отстойники применяемые в химической технологии, при небольшой высоте имеют внушительные диаметры (до 30 м и более) и занимают большие производственные площади.

4.9 Осаждение под действием центробежных сил

Для интенсификации процесса разделения неоднородных систем используется поле центробежных сил. По сравнению с силой тяжести значение центробежной силы можно регулировать и во много раз превосходить силу гравитации.

Рассмотрим траекторию движения АМВ частицы М, находящейся в поле действия центробежных сил (рисунок 4.46).

Под действием центробежной силы частица движется по радиусу от оси вращения со скоростью и по окружности, двигаясь вместе с потоком неоднородной системы, обладающим окружной составляющей скорости .

Рисунок 4.46 – К расчету центробежной силы  

Для оценки эффективности осаждения под действием центробежной силы сравним его с осаждением под действием силы тяжести.

Центробежная сила действующая на частицу, равная произведению массы частицы m на центробежное ускорение, направленное вдоль главной нормали к траектории движения, составляет

. (4.165)

Здесь - окружная скорость вращения частицы вместе с потоком на радиусе r.

Выражая окружную скорость через угловую или через частоту вращения (число оборотов в минуту) n , получим значения центробежной силы в виде

. (4.166)

Сила тяжести, действующая на частицу

. (4.167)

Разделив выражения (4.165) и (4.166), получим

. (4.168)

Соотношение (4.168) показывает, во сколько раз центробежная сила превышает силу тяжести, называется фактором разделения и обозначается .

Из выражения (4.168) следует, что фактор разделения растет пропорционально квадрату числа оборотов n и радиусу вращения r.

Скорость осаждения частиц под действием центробежных сил определяется из условия равновесия сил, по аналогии с осаждением под действием силы тяжести. Однако в этом случае нужно учесть на только новый вид движущей силы (центробежная сила), но и то, что ее значение не остается постоянным. Если гравитационное поле в отстойниках однородно, то интенсивность поля центробежных сил возрастает при движении частицы от центра к периферии пропорционально радиусу вращения (уравнение (4.166)).

Не учитывая отмеченных различий и принимая, что действующая сила при центробежном осаждении в раз превышает силу тяжести, условие равновесия сил имеет вид

или . (4.169)

Подставив значения силы тяжести, равной весу частицы в данной среде и силу сопротивления среды R при движении сферической частицы диаметром d, получим выражение для определения скорости свободного осаждения в поле центробежных сил

. (4.170)

Для ламинарного режима получаем

. (4.171)

Осаждение под действием центробежных сил можно осуществить одним из двух способов:

- в неподвижный аппарат по касательной вводится неоднородная система. Под действием возникающей центробежные силы частицы дисперсной фазы отбрасываются к стенкам аппарата, а сплошная фаза концентрируется ближе к центру вращения. Продукты разделения выводятся раздельно. Этот процесс осуществляется в циклонах;

- аппарат с загруженной в него неоднородной системой приводится в быстрое вращательное движение. Под действием центробежной силы дисперсионные частицы отбрасываются к стенкам аппарата, а дисперсионная фаза концентрируется ближе к центру. Продукты разделения выводятся. Этот процесс осуществляется в отстойных (осадительных) центрифугах.

В первом случае разделение называют циклонным процессом, во втором - отстойным (осадительным) центрифугированием.

Фактор разделения в циклонах достигает нескольких десятков, для центрифуг превышает три тысячи; таким образом, движущая сила процесса осаждения в циклонах и центрифугах на 2…3 порядка выше, чем в отстойниках. Благодаря этому производительность циклонов и центрифуг выше производительности отстойников, и в них можно эффективно отделить мелкие частицы: в центрифугах порядка 1 мкм, в циклонах – порядка 10 мкм.

4.9.1 Конструкции и расчет циклона

Наиболее распространенным аппаратом для центробежного разделения аэродисперсных систем является циклон, устройство которого показано на примере конструкции НИИОГаз (рисунок 4.47).

Циклон состоит из цилиндрического корпуса 1, по оси которого расположена труба 2 для вывода очищенного газа, конического днища 3. Для ввода запыленного газа служит тангенциальный патрубок 4, для сбора пыли – разгрузочный бункер 5.

1-цилиндрический корпус; 2-труба очищенного газа; 3-коническое днище; 4-патрубок для ввода газа; 5-разгрузоч­ный бункер Рисунок 4.47 - Циклон конструкции НИИОГаз  

Циклон состоит из ци­линдрического корпуса 1 с коническим днищем 2. Запыленный газ вводится в корпус 1 через тангенциальный патрубок 4 прямоугольного сечения со скоростью 20-30 м/с и вращается в кольцевом зазоре, образованном центральной трубой для вывода очищенного газа 2 и корпусом аппарата 1. Благодаря тангенциальному вводу он приобретает вра­щательное движение вокруг трубы для вывода очищенного газа, расположенной по оси аппарата. Частицы пыли под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам корпуса. В аппарате создаются два спиральных потока: внешний поток запыленного газа, который движется вниз вдоль поверх­ности стенок циклона, и внутренний поток очищенного газа, который поднимается вверх, располагаясь вблизи оси аппарата, и удаляется из него. Пыль концентрируется вблизи стенок и переносится потоком в разгрузочный бункер 5.

Одним из основных показателей работы циклона является степень очистки газа.

Под коэффициентом очистки (в %) понимается отношение количества пыли, уловленной в циклоне, к количеству пыли, поступившей за то же время в циклон,

. (4.172)

Иногда используют коэффициент фракционной степени очистки, под которым понимается отношение количества уловленной пыли данной фракции к количеству пыли той же фракции, поступившей в циклон за одно и то же время

. (4.173)

Часто степень очистки газа выражается через концентрацию дисперсной фазы в запыленном (, кг/м) и очищенном () газе

, (4.174)

Исследования показали, что при прочих равных условиях (размеры частиц, плотность частиц и газа и т.д.) коэффициент очистки газа зависит от конструктивной формы циклона и соотношения размеров. НИИОГазом разработано несколько моделей циклонов. В пределах каждой модели циклоны разных размеров геометрически подобны; все их конструктивные размеры выражены через определяющий, за который принят диаметр корпуса D. В таблице 4.6 приведены соотношения геометрических размеров наиболее применяемых в химической технологии циклонов ЦН-11, ЦН-15 и ЦН-24, отличающихся углом наклона тангенциального патрубка, т.е. углом ввода запыленного газа.

Таблица 4.6

Характеристика циклона	Тип циклона
ЦН-24	ЦН-15	ЦН-15
Диаметр трубы для выхода очищенного газа	0,6	0,6	0,6
Высота этой трубы	2,11	1,74	1,56
Ширина входного прямоугольного патрубка	0,26	0,26	0,26
Высота входного патрубка	1,11	0,66	0,48
Высота цилиндрической части циклона	2,11	1,74	1,56
Высота конической части циклона	1,75	2,0	2,0
Общая высота циклона	4,26	4,56	4,38
Коэффициент сопротивления

В таблице 4.7 приведены приближенные значения коэффициентов очистки , полученных на модельных смесях и коэффициенты гидравлического сопротивления циклонов НИИОГаз.

Таблица 4.7 – Значения коэффициентов очистки и коэффициентов гидравлического сопротивления циклонов НИИОГаз

Тип циклона	Диаметр циклона D, ммм	Условный диаметр частиц, мкм	Коэффициент гидравлического сопротивления
Коэффициент очистки , %
ЦН-15				97,15
			98,0
			98,5
			99,0
			99,5
ЦН-15у				97,0
			99,0
ЦН-24				96,0
			97,0
ЦН-11				98,0
			99,8

Центробежная сила, развиваемая в циклоне, зависит от скорости вращения газа, в первом приближении равной скорости его входа в циклон, т.е. от объема газа и сечения входного патрубка.

Рисунок 4.48 – Зависимость степени очистки и перепада давления от скорости газа в циклоне  

С ростом скорости газа степень его очистки в циклонах сначала резко повышается, а затем почти перестает расти (рисунок 4.48) и в ряде случаев даже несколько снижается вследствии интенсивного вихреобразования и уноса осажденной пыли. Перепад давления в циклоне для геометрически подобных циклонов зависит от плотности газа и увеличивается пропорционально квадрату скорости газа. При выборе скорости газа в циклоне НИИОГаз рекомендуется принимать величину в пределах 550…750 м/с(при , выраженном в Па), что позволяет при умеренном расходе энергии обеспечить сравнительно высокую степень очистки газа в циклоне.

4.9.1.1 Расчет циклона

Теоретический расчет циклонов сложен, поэтому на практике расчет ведут по упрощенной методике.

В геометрически подобных циклонах влияние сопротивлений всех видов (местные и обусловленные трением) учитывается одним общим коэффициентом , а вместо действительных скоростей газового потока на отдельных участках циклона используется условная (или фиктивная) скорость , равная отношению объемного расхода газа (, м/с), проходящего через циклон к его поперечному сечению (, м).

Экспериментальным путем установлено, что геометрически подобные циклоны обеспечивают удовлетворительную степень очистки запыленного газа при значении условной скорости газа =2,5…4,0 м/с.

Схема расчет циклона.

1 По характеристике запыленного газа (размер частиц и концентрация дисперсной фазы, плотность газа и частиц) и требуемой степени очистки выбирается тип циклона. Например

- циклон типа ЦН-24 обеспечивает повышенную производительность при наименьшем гидравлическом сопротивлении; предназначен для улавливания крупной пыли;

- циклон типа ЦН-15 обеспечивает хорошую степень улавливания при сравнительно небольшом гидравлическом сопротивлении;

- циклон типа ЦН-1 обеспечивает повышенную эффективность и рекомендуется в качестве унифицированного пылеуловителя.

2 Принимается соотношение ;

3 Рассчитывается величина условной скорости из предположения, что циклон есть какое-то местное сопротивление ()

, (4.175)

которая должна находиться в диапазоне от 2,5 до 4 м/с.

4 На стадии проектирования по известному объемному расходу запыленного газа (, м/с) определяется диаметр корпуса циклона

(4.176)

и по нормалям рассчитываются все остальные размеры.

На стадии эксплуатации по известному диаметру циклона рассчитывается производительность по запыленному газу

. (4.177)

5 Степень очистки газа можно оценить по номограммам, составленным на основе опытных данных, в зависимости от технической характеристики запыленного газа.

4.9.1.2 Конструкция батарейного циклона

Если производительность циклона по запыленному газу превышает 0,2 м/с, то диаметр корпуса близок к 1000 мм. При этом траектория частиц имеет малую кривизну, соответственно мала и центробежная сила, отделяющая частицу от газового потока. Кроме того, увеличивается путь движения частицы до стенки циклона. Поэтому циклоны диаметром более 0,8 м обычно не используются, а очистку газов осуществляют группой параллельно работающих циклонов обычного диаметра либо в батарейном циклоне.

На рисунке 4.49 изображены конструкции батарейного циклона (тип БЦ) и его элементов.

Используют также мультициклоны (батарейный циклон), состоящие из большого количества циклонных элементов.

1-корпус; 2-газораспределительная камера; 3 - корпуса циклонных элементов; 4-трубные решетки; 5-бункер для пыли; 6-лопастные устройства для закручивания газового потока внутри элементов типа “винт”(6) и типа “розетка”

Рисунок 4.49 - Батарейный циклон (а) и его элементы (б,в)

В общем корпусе циклона 1 расположены циклонные элементы 3, герметично закрепленные в трубных решетках 4. Запыленный газ через входной штуцер поступает в газораспределительную камеру 2, а из нее - в циклонные элементы, в кольцевое пространство между корпусом элемента 3 и патрубком для вывода очищенного газа. В этом пространстве размещены закручивающие устройства типа “винт” 6 либо типа “розетка”, которые придают газовому потоку вращательное движение. Пыль отбра­сывается к стенкам, движется вниз по спирали и ссыпается из всех элементов в общий бункер 5. Очищенный газ выходит из элементов по трубам в камеру очищенного газа и удаляется из аппарата через верхний штуцер.

Диаметр элементов батарейных циклонов - от 40 до 250 мм. Наиболее часто применяются циклонные элементы диаметром 100, 150, 200 и 250 мм. Количество циклонных элементов достигает 120 шт.

Дата добавления: 2014-01-11