Ч., в т.ч. лаб. раб. и практ. занят 4ч

Студент должен:

знать:

- классификацию процессов разделения;

- принципы составления материального баланса процессов разделения;

- теоретические основы процессов разделения, методику их расчета;

- основные конструкции аппаратов для процессов осаждения, фильтрования, центрифугирования;

уметь:

- выбирать наиболее оптимальный способ разделения гетерогенной системы;

- рассчитывать материальный баланс разделения;

- определять время разделения гетерогенной системы, производительности оборудования;

- подбирать по каталогу аппараты для разделения системы.

Классификация гетерогенных систем и процессов разделения.

Принцип выбора методов разделения. Материальный баланс. Разделение в поле сил тяжести. Конструкции отстойников для жидких и газовых смесей.

Разделение в поле сил давления. Фильтрование жидких и газовых систем. Скорость фильтрования. Классификация фильтровальной аппаратуры. Фильтры периодического и непрерывного действия. Уравнения фильтрования. Поверхности фильтрования.

Разделение в поле инерционных сил. Центробежная очистка, центробежное отстаивание и фильтрование. Принцип действия циклонов, гидроциклонов, центрифуг. Расчеты производительности.

Разделение газовых неоднородных систем методом осаждения в электрическом поле. Электрофильтры.

Разделение газовых неоднородных систем путем мокрой очистки. Классификация мокрых пылеуловителей. Скрубберы.

РАЗДЕЛЕНИЕ ЖИДКИХ И ГАЗОВЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ

Гетерогенные, или неоднородные, системы состоят из двух и более фаз, распределенных друг в друге. Фаза, находящаяся в раздробленном состоянии, называется дисперсной, или внутренней, фазой. Сплошная фаза, в которой распределены частицы дисперсной фазы, называется дисперсионной, или внутренней, средой (фазой).

В зависимости от того, какая фаза является дисперсной, а ка­кая дисперсионной, различают следующие гетерогенные системы (табл. 3.1).

Эмульсии и пены обладают при определенных концентрациях дисперсной фазы инверсией (обращением) фаз, заключающейся в переходе дисперсной фазы в дисперсионную среду, и наоборот.

В технологических процессах часто необходимо осуществлять разделение гетерогенных систем, методы и аппаратура для которых классифицируются в первую очередь по природе движущей силы процесса (табл. 3.2).

Кроме перечисленных процессов для разделения применяется ряд других, например промывание газов (мокрое разделение) для дымов и туманов.

Как правило, выбор процесса и аппаратуры для разделения гетерогенных систем определяется размерами дисперсной фазы, физическими свойствами разделяемых фаз, энергозатратами на его реализацию.

Материальный баланс процесса разделения

Если в аппарат для разделения гетерогенных систем подается некоторое количество исходной смесив количестве G_см, кг, содержащей х_см (вес, %) дисперсной фазы, а после разделения образуется концентрированная дисперсная фаза в количестве G_ос с концентрацией х_ос и очищенная дисперсионная среда в количестве G_ф с концентрацией оставшейся дисперсной фазы фильтрата х_ф, материальный баланс такого процесса записывается в соответствии с уравнением (В.5) для входящих и выходящих материальных потоков

для содержащейся в них дисперсной фазы

Совместным решением уравнений (3.1) и (3.2) можно определить два необходимых для расчета технологического процесса параметра.

Разделение в поле сил тяжести (отстаивание)

Кинетика отстаивания. При определении скорости отстаивания частицы дисперсной фазы сделаем следующие допущения: частица имеет сферическую форму; на осаждение не оказывают влияния ни другие частицы, ни стенки аппарата; плотность частицы р,, больше плотности среды ρ_с, в которой она осаждается. Скорость движения частиц постоянна.

В этом случае на частицу, движущуюся в среде со скоростью w₀, действуют следующие силы (рис. 3.1):

· сила тяжести

· подъемная сила (сила Архимеда)

·

ла сопротивления

Поскольку движение частицы направлено вниз (ρ_ч > ρ_с), запишем урав­нение баланса сил (уравнение осажде­ния частицы под действием силы тяжести)

где g – ускорение свободного падения;

φ – коэффициент гидравлического сопротивления.

Отсюда скорость осаждения может быть выражена как

Входящий в уравнение (3.3) коэффициент гидравлического сопротивления определяется в зависимости от режима осаждения частицы (рис. 3.2).

1. При ламинарном режиме осаждения 10^-4< Re < 1,0, обтекание носит плавный характер, φ = 24/Re (формула Стокса).

2. При переходном режиме осаждения 1,0 < Re < 500, плавность о6текания нарушается, φ = 18,5/Re^0,6 (формула Аллена).

3. При турбулентном режиме осаждения Re > 500, движение становится неупорядоченным, траектории частиц – извилистыми, φ ≈ 0,44 (формула Ньютона).

В турбулентной области наступает автомодельный режим, т. е. режим не зависящий от изменяемого параметра (Re).

Поскольку осаждение в промышленных аппаратах-отстойниках осуществляется при ламинарном режиме, подставив в уравнение (3.3) коэффициент гидравлического сопротивления в виде формулы Стокса, получим

Для практических расчетов скорости осаждения используют также критериальную зависимость, учитывающую фактор формы частиц ψ,

где в качестве диаметра несферической частицы используется ее эквивалентный диаметр, полученный на основании ее веса G_ч

Поскольку не всегда возможно предсказать, в каком режиме будет осаждаться частица и какую зависимость для определения скорости ее осаждения следует использовать, считается, что ламинарный режим наблюдается при Аг < 1,8; переходный – при 1,8 < Ar < 8,3*10⁴; турбулентный – при Аг > 8,3*10⁴.

На практике для приближенного определения скорости осаждения во всех режимах обтекания частиц можно воспользоваться зависимостью

Отстаивание является одним из самых дешевых процессов и осуществляется в аппаратах, называемых отстойниками.

Различают отстойники для разделения пылей, суспензий и эмульсий. Эти аппараты могут быть периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.

По функциональному назначению отстойники для разделения суспензий делят на сгустители, осветлители и классификаторы.

Основной характеристикой отстойного оборудования является его производительность V_от, определяемая как

V _от = Fw ₀

где F – площадь поверхности осаждения.

Для отстойников с несколькими поверхностями осаждения (многополочные отстойники), каждая из которых имеет площадь f _поз,

F= nf _пов,

где n – число поверхностей осаждения.

Для увеличения скорости осаждения мелкодисперсных частиц используют специальные растворы – коагулянты, способствующие объединению частиц между собой, что увеличивает массу осаждаемого агломерата.

Для разделения пылей применяются полочные пылеосадительные камеры (рис. 3.3), включающие расположенные друг над другом горизонтальные полки 2, равномерное распределение газа, вдоль которых осуществляется с помощью вертикальной перегородки 1. Скорость вдоль полок регулируется клапаном 3. Разгрузка осуществляется периодически через штуцер 5 скребками, вводимыми через люки с крышками 4.

Для автоматизации разгрузки полки могут устанавливаться с наклоном, а на слой осадка может оказываться вибрационное воздействие и т. п. Аппараты аналогичных конструкций могут применяться для разделения суспензий (полочные отстойники).

Одновременное воздействие сил тяжести и инерции на разделяемую пыль осуществляется

в отстойном газоходе (рис. 3.4), сна6женном вертикальными перегородками 1, о которые ударяются, не успевающие обогнуть их содержащиеся в газе твердые частицы. За счет этого они теряют скорость и под действием силы тяжести опускаются вдоль поверх­ности перегородок в сборники 2, откуда отводятся периодически или непрерывно.

На рис. 3.5 представлен отстойник для разделения суспензий непрерывного действия с гребковой мешалкой. Отстойник состоит из цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем, кольцевым желобом 2 и патрубком 5 для отвода очищенной жидкости, мешалки 7 с гребками 6 для перемещения постоянно образующегося осадка к разгрузочному устройству 8. Подача суспензии осуществляется через центральный патру6ок 3. Вращение мешалки с низкими скоростями, не разрушающими осадок, осуществляется с помощью электродвигателя 4.

Разделение суспензий в поле сил давления (фильтрование)

Фильтрование – процесс разделения суспензий и пылей с помощью пористых перегородок, задерживающих дисперсную – твердую фазу и пропускающих дисперсионную среду (жидкость или газ). При этом фильтрование может осуществляться как с образованием осадка, так и с за6ивкой пор (отложение осадка внутри перегородки). В дальнейшем будем рассматривать чаще встречаемое в практике фильтрование с образованием осадка.

В этом случае скорость процесса фильтрования прямо пропорциональна разности давлений, создаваемых по обеим сторонам фильтровальной перегородки (движущая сила), и обратно пропорциональна сопротивлению, испытываемому средой при ее движении через поры перегородки и слой образовавшегося осадка:

где V_ф – объем фильтрата; Fф - площадь фильтрования; τ - время проведения процесса; R_ф.п, R_ос - сопротивление фильтровальной перегородки и слоя осадка; µ_с - динамическая вязкость среды (фильтрата).

Сопротивление осадка является величиной переменной, так как фильтрование происходит с непрерывным увеличением тол­щины слоя осадка и, следовательно, ростом его сопротивления:

Здесь r_ос – удельное сопротивление осадка; l _ос – толщина осадка; х_ос – отношение объема осадка к объему фильтрата.

В зависимости от изменения удельного сопротивления осадка при увеличении давления различают несжимаемые (r_ос = const) и сжимаемые (r_оc ≠ const) осадки.

Движущая сила в процессе фильтрования суспензий может создаваться: гидравлическим давлением столба жидкости над перегородкой; использованием насосов для подачи суспензии в фильтр; энергией сжатого газа над суспензией или созданием вакуума под фильтрующей перегородкой.

При этом процессы фильтрования могут осуществляться при постоянной разности давлений (Δр = const), при постоянной скорости (j_ф = const) и при переменных значениях Δр и j_Ф.

Для несжимаемых осадков с учетом зависимости (3.5) уравнение (3.4) может быть записано в виде

Для случая Δр = const результат интегрирования уравнения (3.6) в пределах 0 – V_Ф и 0 – τ после разделения переменных запишется в виде

где С и К – постоянные фильтрования, определяемые для конкретных систем экспериментальна.

Из уравнения (3.7) время на получение объема фильтрата V _Ф через поверхность фильтрования F _ф при перепаде давлений Δр составит

В случае j_ф = const в уравнении (3.6) можно заменить на тождественное значение и, преобразовав к виду, аналогичному (3.7), получим

или

где С' и К' – постоянные фильтрования, определяемые экспериментально.

Аналогично (3.8) получим

Сравнительный анализ уравнений (3.8) и (3.9) показывает, что процессы фильтрования с постоянным перепадом давлений при одинаковых V_Ф и F_Ф осуществляются быстрее, чем при j_Ф = const.

Аппараты для осуществления процессов фильтрования называются фильтрами.

По способу организации процесса фильтры подразделяются на периодически действующие и непрерывнодействующие.

Конструкции фильтров отличаются многообразием. Выбор их зависит от свойств разделяемых систем, производительности, условий проведения процесса (давления, температуры и т.д.).

К наиболее распространенным конструкциям для разделения пылей относится рукавный фильтр (рис. 3.б), содержащий фильтрующие элементы 1 в виде матерчатых рукавов, подвешенных к раме 2. Запыленный газ подается через патрубок 7 внутрь рукавов, в которых накапливается пыль. Расход удаляемого газа регулируется заслонкой 3. Регенерация рукавов осуществляется встряхивающим механизмом 5, а также обратным током чистого газа, подаваемого через заслонку 4 при закрытой заслонке 3. Отделенная пыль ссыпается в конический бункер и выгружается через патрубок 6.

Рукавные фильтры обеспечивают высокую степень разделения, однако име‑

ют значительное гидравлическое сопротивление, а фильтрующая ткань чувствительна к высокой температуре и наличию паров химически агрессивных веществ.

К непрерывнодействующим фильтрам с постоянным перепадом давлений для разделения суспензий относится барабанный вакуум-фильтр (рис. 3.7), состоящий из вращающегося полого барабана 5 с перфорированной боковой поверхностью, разделенной внутренними перегородками 1 на отдельные ячейки 2 и покрытого снаружи фильтровальной тканью. Его вал имеет полую цапфу, торец которой пришлифован к распределительному устройству (головке) 8. Поверхность барабана частично погружена в суспензию, находящуюся в корыте 7, уровень которой поддерживается постоянным с помощью сливного порога 9. Образуемый на поверхности барабана слой осадка снимается ножом 4. При помощи трубок каждая ячейка барабана сообщается с распределительным устройством, служащим для последовательного соединения их с источником вакуума и сжатого воздуха. Под барабаном расположена медленно качающаяся маятниковая мешалка 6, предотвращающая осаждение суспензии на дно корыта.

В зоне фильтрования I, когда поверхность фильтра погружена в корыто, каждая ячейка последовательно соединяется со сборником фильтрата, находящимся под разрежением. Затем в зоне первого обезвоживания II осадок выходит из суспензии, и филь‑

трат, отжимаемый из осадка вследствие вакуума в ячейках, собирается в том же сборнике фильтрата. После этого осадок попадает в зону промывки III, где на него из разбрызгивающих устройств подается промывная жидкость, которая с остатками фильтрата собирается в сборнике, находящемся под разрежением. В зоне второго обезвоживания IV из осадка отжимается остаток промывной жидкости. В некоторых случаях для предотвращения растрескивания, лучшей промывки и отжима на осадок накладывается непрерывная тканевая лента 3. В зоне удаления осадка V ячейка сообщается с ресивером сжатого воздуха, а в зоне регенерации 1/1 ткань продувается сжатым воздухом или промывается обратным током жидкости.

Ленточные вакуум-фильтры (рис. 3.8) непрерывного действия и постоянного перепада давлений предназначены для фильтрования агрессивных и неагрессивных быстро осаждающихся суспензий с различными размерами частиц твердой фазы.

Традиционный ленточный вакуум-фильтр состоит из бесконечной резинотканевой ленты 4, натянутой на два вращающихся барабана 1 и 6. В верхней части между барабанами лента скользит по горизонтальным направляющим (столу) 3 с прорезями, соединяющими область фильтровальной перегородки с вакуум-камерами.

Суспензия поступает на фильтр из лотка 5. Осадок либо удаляется c ленты ножом, либо сползает в бункер 7 при огибании лентой приводного барабана 1. Жидкость для промывания подается из специальных устройств 2, которые могут быть закреплены в любом месте по длине фильтра. Регенерация ткани осуществляется при ее движении в нижнем положении.

К преимуществам ленточных фильтров относятся возможности реализации оптимальных технологических режимов фильтрования и промывки осадка, регулирования толщины слоя осадка и скорости движения фильтровальной ленты, а также простота обслуживания.

Вертикальный рамный фильтр-пресс (рис. 3.9) периодического действия применяют для разделения труднофильтрующихся суспензий. Работают они, как правило, при постоянной скорости, дешевы, компактны, обладают большой поверхностью фильтрования, приходящейся на единицу объема, хорошо приспособлены к изменяющимся свойствам суспензии.

Рамный фильтр-пресс (рис. 3.9, а) состоит из заключенного между упорными плитами 1 и 5 набора вертикально расположенных чередующихся рам 2 и плит 3 (рис. 3.9, б), опирающихся боковыми ручками на горизонтальные направляющие 6. Между ними расположена фильтровальная ткань 4.

Герметизация фильтра-пресса осуществляется зажимным винтом 7. При сборе, отверстия, выполненные в рамах и плитах, образуют каналы: 8 – для подачи суспензии, соединенные с рамами 2, и 9 – для подвода жидкости для промывки, соединенные с плитами 3. Кроме того, в плитах выполнены каналы 10 для отвода фильтрата и жидкости для промывки.

Цикл работы фильтра-пресса состоит из следующих операций: сборка; заполнение камер осадком (фильтрование); промывка осадка; отжим осадка (отдувка); разборка и разгрузка фильтра.

Механизированный камерный фильтр-пресс (рис. 3.10) периодического действия предназначен для фильтрования труднофилътруемых суспензий с высокоэффективной промывкой. Он состоит из набора горизонтальных плит 6, верхняя 1 из которых закреплена неподвижно, а остальные, включая нажимную 2, могут перемещаться вверх и вниз по специальным направляющим с помощью механизма зажима 3. Фильтровальная ткань 7 непрерывной лентой проходит между плитами 6, огибая ролики 8.

Цикл работы камерного фильтра-пресса аналогичен рамному фильтру-прессу, однако сборка, разборка и разгрузка осадка выполняются специальными механическими устройствами. В процессе движения загрязненная ткань очищается специальными ножами или щетками и промывается в специальных устройствах камеры регенерации 4. Осадок при движении ткани перегибается вместе с нею через ролики и под действием собственного веса или ножей, прижатых к ткани пружинами, удаляется с ткани и падает либо в бункер 5, либо на транспортер (на схеме не показан).

Механизированные фильтры-прессы имеют ряд преимуществ перед рамными: полная механизация и автоматизация процесса; минимальные затраты времени на вспомогательные операции; высококачественная промывка осадка благодаря его горизонтальному расположению; осуществление процесса при оптимальной толщине слоя и давлении; низкое влагосодержание осадка в результате отжима с помощью диафрагмы при давлении до 1,0 МПа; возможность механического удаления осадка практически с любыми адгезионными свойствами; более высокая производительность.

Дата добавления: 2014-01-04