Шпаркалка по "Химии"

При осаждении  капель жидкости в жидкой среде благодаря  внутренней циркуляции в капле скорость движения капли может быть на 50% выше, чем скорость твердой сферической частицы эквивалентного диаметра. При загрязнении капель примесями или в присутствии поверхностно-активных веществ тенденция к циркуляции сильно снижается; скорость осаждения таких капель, называемых «жесткими», следует рассчитать по уравнениям, полученным для твердых частиц. В случае чистых капель скорость осаждения возрастает с увеличением размера капли только до определенного (критического) значения их эквивалентного диаметра d_кр (размер капель d выражается как диаметр сферы, объем которой равновелик объему капли). Капли с d > d_кр в процессе осаждения периодически меняют свою форму и называются поэтому осциллирующими. Скорость осаждения осциллирующих капель с увеличением их размера немного уменьшается.

Расчет  скоростей осаждения крупных  капель проводят по эмпирическим формулам.

Все расчетные  формулы, приведенные выше [уравнение (10.6); гл. 6], относились к свободному осаждению, когда концентрация дисперсной фазы очень мала и ее частицы при движении не соприкасаются друг с другом.

В промышленности отстаивание применяют чаще всего  в условиях высокой концентрации дисперсной фазы, когда происходит стесненное осаждение, скорость которого может быть значительно меньше скорости свободного осаждения. При этом вследствие трения между частицами и их взаимных столкновений наблюдается тенденция к сближению скоростей осаждения частиц различных размеров, возникает коллективное, или солидарное (стесненное), осаждение частиц со скоростями, близкими в каждом сечении аппарата, но различными по его высоте: с приближением к днищу аппарата скорость осаждения все более замедляется. Это связано с возникновением восходящих потоков жидкости из-за вытеснения ее осаждающимися на дно частицами. При этом процесс осложняется тем, что крупные частицы обгоняют мелкие. В условиях стесненного осаждения концентрация диспергированных частиц сильно изменяется по высоте отстойника: в верхней части располагается слой осветленной жидкости, ниже его - зона практически свободного осаждения, затем зона стесненного осаждения и, наконец, на дне находится слой осадка.

3.1.2. Отстойники 

Отстаивание проводят в аппаратах, называемых отстойниками. Отстойники для сгущения суспензий называют сгустителями, а для классификации твердых частиц на фракции – классификаторами.

Различают отстойники непрерывного, полунепрерывного и периодического действия. В первых все процессы протекают непрерывно, в последних – периодически; в  отстойниках полунепрерывного действия подача разделяемой смеси и вывод очищенной сплошной фазы проводятся непрерывно, а удаление сгущенной дисперсной фазы (осадка, шлама и т.п.) – периодически. 

Рис. 10-1. Отстойник непрерывного действия с  гребковой мешалкой:

1 –  корпус; 2 – днище; 3 – гребковая  мешалка; 4 – кольцевой желоб 

Периодически  действующие отстойники для суспензии  обычно представляют собой бассейны без перемешивающих устройств. Отстойник заполняют суспензией, а через определенное время, необходимое для осаждения твердых частиц, слой осветленной жидкости сливают через штуцера, расположенные выше уровня осадка. После этого осадок, представляющий собой текучую жидкую массу - шлам, выгружают вручную через верх аппарата или удаляют через нижний штуцер с помощью спускового крана.

Широко  распространены отстойники непрерывного действия с гребковой мешалкой (рис. 10-1). Они представляют собой цилиндрический резервуар 1 с коническим днищем 2. В резервуаре установлена мешалка 3, снабженная гребками, которые непрерывно перемещают осадок к центральному разгрузочному отверстию и одновременно слегка взбалтывают осадок, способствуя его обезвоживанию. Частота вращения мешалки незначительна (0,00025 - 0,0083 с^-1), поэтому процесс осаждения не нарушается. Суспензия непрерывно поступает по трубе в середине резервуара. Осветленная жидкость переливается в кольцевой желоб 4 и удаляется через штуцер. Осадок (шлам), представляющий собой сгущенную суспензию, удаляется через штуцер в коническом днище с помощью диафрагмового насоса. Вал мешалки приводится во вращение от электродвигателя через редуктор.

Отстойники  с гребковой мешалкой обеспечивают однородность осадка, позволяют обезводить его до концентрации твердой фазы 35-55%; работа таких отстойников полностью  автоматизирована. К недостаткам  этих аппаратов следует отнести их громоздкость.

Диаметр нормализованных аппаратов - от 1,8 до 30 м; в отдельных случаях применяют  отстойники диаметром до 100 м. Для  уменьшения площади, занимаемой отстойниками, применяют многоярусные аппараты, представляющие собой несколько отстойников, поставленных друг на друга и имеющих общий вал для гребковых мешалок. Многоярусность существенно усложняет конструкцию аппарата.

Несложны  по конструкции и обладают большой  поверхностью отстойники непрерывного действия с коническими полками (рис. 10-2). Поступающая в аппарат суспензия распределяется по каналам между коническими полками, на поверхности которых осаждаются твердые частицы. Осадок сползает по наклонным полкам к стенкам корпуса и затем перемещается в нижнюю часть аппарата, откуда удаляется. Осветленная жидкость поступает в центральную трубу и выводится из верхней части аппарата.

Помимо  большой поверхности осаждения  к достоинствам отстойников этого  типа относятся отсутствие движущихся частей и простота обслуживания. Однако влажность шлама в них больше, чем в отстойниках с гребков ой мешалкой. 

Рис. 10-2. отстойник непрерывного действия с  коническими полками 

На рис. 10-3 показан отстойник непрерывного действия для разделения эмульсий. Он представляет собой горизонтальный резервуар с перфорированной перегородкой 2, которая предотвращает возмущение жидкости в отстойнике струей эмульсии, поступающей в аппарат. Поперечное сечение отстойника выбирают таким, чтобы скорость течения жидкости в корпусе 1 аппарата не превышала нескольких миллиметров в секунду и режим течения был ламинарным, что предупреждает смешение фаз и улучшает процесс отстаивания. Расслоившиеся легкая и тяжелая фазы выводятся с противоположной стороны отстойника. Трубопровод для вывода тяжелой фазы соединен с атмосферой для предотвращения засифонивания. 

Рис. 10-3. Отстойник непрерывного действия для  разделения эмульсий:

1 –  корпус; 2 – перфорированная перегородка 

Очистку газов от пыли под действием сил  тяжести проводят в пылеосадительных камерах (рис. 10-4). Запыленный газ поступает в корпус камеры 1, в котором установлены горизонтальные полки 2. расстояние между полками составляет 100 – 300 мм. Газ проходит в каналах между полками, при этом на поверхности последних осаждается пыль. Пройдя полки, газ огибает вертикальную отражательную перегородку 3 и удаляется из камеры. Основное назначение перегородки 3 – обеспечить равномерное распределение газа между полками; кроме того, при огибании газом перегородки из него под действием сил инерции удаляется часть пыли. Осевшая на полках пыль периодически удаляется с помощью скребков через люки 4 или же смывается водой.

Хотя  поверхность осаждения при большом  числе полок может быть достаточно велика, степень очистки газа от пыли в этих аппаратах обычно не превышает 30-40%, причем частицы размером 5 мкм и меньше вообще не отделяются от газа. Поэтому пылеосадительные камеры используют для предварительной грубой очистки сильно запыленных газов, содержащих частицы размером не менее нескольких десятков микрометров.

Расчет  отстойников. При расчете сгустителей основываются на скорости осаждения самых мелких частиц суспензии, подлежащих отделению, а при расчете классификаторов - на скорости осаждения тех частиц, которые должны быть преимущественно отделены на данной стадии.

При выводе этого уравнения не учитывали ряд обстоятельств, ухудшающих процесс отстаивания в реальных промышленных аппаратах: возможность вихреобразования в области ввода суспензии, наличие застойных зон и ряд других. Поэтому при инженерных расчетах рекомендуется увеличить значение поверхности, полученное по уравнению (10.15), на 30 – 35%.

3.1.3. Осаждение под  действием центробежных  сил

Проводя процесс разделения гетерогенных систем под действием центробежных сил, можно существенно интенсифицировать  его по сравнению с отстаиванием благодаря увеличению движущей силы.

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, где он начинает вращаться вместе с аппаратом. В первом случае процесс проводят в циклонах, во втором - в отстойных (осадительных) центрифугах.

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

Циклоны. Циклонный процесс получил свое название от циклонов - аппаратов для разделения пылей. Позднее начали использовать работающие по тому же принципу аппараты для разделения суспензий - гидроциклоны. Применяют циклонный процесс и для отделения газа от капель жидкости.

Гидрофугирование  применяетм=ся для разделения суспензий  и эмульсий путем осаждения дисперсных частиц под действием центробежной силыеще бывают фильтрирующие центрифуги.центрифуги классифицируются по классификации  процессов (непрерывные, периодические), по расположению вала (_горизонтал, вертик.). по способу выгрузки осадка(с ручной, непрерывной).

    3.2. ФИЛЬТРОВАНИЕ

    Фильтрование  применяют в промышленности для  тонкого разделения жидких или газовых гетерогенных систем. С его помощью можно добиться значительно более полной, чем в процессах осаждения, очистки жидкости или газа от взвешенных частиц и, соответственно, более высокого выхода продукта (если им является твердая фаза суспензии).

    В процессе фильтрования твердые частицы  либо задерживаются на поверхности фильтровальной перегородки, образуя осадок, либо проникают в ее глубину, задерживаясь в порах. В соответствии с этим различают фильтрование с образованием осадка и фильтрование с закупориванием пор. Иногда их совмещают (применяя фильтрование с образованием осадка и закупориванием пор).

Движущей  силой процесса фильтрования является разность давлений до и после фильтра. Если эта разность создается с  помощью насоса, компрессора или  вакуум-насоса, происходит фильтрование под действием перепада давления, если с помощью центробежных сил - центробежное фильтрование {центрифугирование).

    3.2.1. Фильтрование суспензий

    Схема процесса фильтрования суспензий показана на рис. 10-13. В простейшем случае фильтр представляет собой сосуд, корпус 1 которого разделен на две части фильтровальной перегородкой 4. Суспензию 2 помещают в верхнюю часть сосуда таким образом, чтобы она в течение всего процесса фильтрования соприкасалась с фильтровальной перегородкой. В разделенных частях сосуда создают разность давлений ∆р = р₁ — р₂, под действием которой жидкость проходит через поры фильтровальной перегородки, образуя фильтрат 5. Твердые частицы задерживаются на поверхности перегородки 4, формируют осадок 3. Этот процесс является примером фильтрования с образованием осадка. Он предпочтительнее фильтрования с закупориванием пор, так как в последнем случае сильно осложняется или становится вообще невозможной регенерация фильтровальной перегородки.

    Разность  давлений по обе стороны фильтровальной перегородки создают разными способами, соответственно и фильтрование проходит при различных условиях.

    Если  пространство над суспензией сообщают с источником сжатого газа или пространство под фильтровальной перегородкой присоединяют к источнику вакуума, происходит фильтрование при постоянной разности давлений. При этом скорость фильтрования уменьшается вследствие повышения гидравлического сопротивления слоя осадка возрастающей толщины.

    Если  суспензию подают на фильтр поршневым  насосом, производительность которого практически не зависит от напора, фильтрование осуществляется при постоянной скорости. Разность давлений при этом увеличивается по мере роста сопротивления осадка.

    Если  суспензию подают на фильтр центробежным насосом, процесс фильтрования происходит при переменных разности давлений и скорости (с ростом давления скорость снижается в соответствии с характеристикой насоса).