Ильясов С.Г. Процессы и аппараты упаковочного производства
Подождите немного. Документ загружается.
Процессы, связанные с разделением неоднородных систем, играют большую роль в
химической технологии при подготовке сырья и очистке готовых продуктов, при
очистке сточных вод и отходящих газов, а также при выделении из них ценных
компонентов.
Применяют следующие основные методы разделения: осаждение, фильтрование и
мокрую очистку газов.
Осаждение представляет собой процесс разделения, при котором взвешенные в
жидкости или газе твердые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под
действием сил тяжести (отстаивание), центробежной силы (циклонный процесс и
центрифугирование), сил инерции, электростатических сил (очистка газов в
электрическом поле).
Фильтрование - это процесс разделения с помощью пористой перегородки,
способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные частицы.
Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений. В случаях, когда
разность давлений создается центробежными силами, процесс называют
центробежным фильтрованием.
Мокрая очистка газов - процесс разделения, основанный на улавливании
взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание осуществляется, как правило, под
действием сил инерции.
Выбор метода разделения зависит от концентрации дисперсных частиц, их размера,
требований к качеству разделения, а также от разницы плотностей дисперсной и
сплошной фаз и вязкости последней.
Составим материальный баланс процессов разделения. Пусть разделению
подвергается система, состоящая из сплошной и дисперсной фаз.
Введем следующие обозначения: G
см
, G
оч
, G
ос
- массовый расход соответственно
исходной смеси, очищенной сплошной фазы и осадка (сгущенной дисперсной фазы), кг/
с; x
см
, x
оч
, x
ос
- концентрация дисперсной фазы соответственно в исходной смеси, в
очищенной сплошной фазе и в осадке, масс. доли.
При отсутствии потерь вещества в процессе разделения можно записать
следующие уравнения материального баланса:
по всему веществу
G
см
= G
оч
+ G
ос
(10.1)
по диспергированному веществу
G
см
x
см
= G
оч
x
оч
+ G
ос
x
ос
; (10.2)
Если известны расход исходной смеси и все концентрации, то решением уравнений
(10.1) и (10.2) можно найти расходы G
оч
и G
ос
.
G
оч
= G
см
(x
ос
-x
см
)/(x
ос
- x
оч
);
(10.3)
G
ос
=Ошибка! Ошибка связи.(x
см
- x
оч
Ошибка! Ошибка связи.
Полученные уравнения в записанной форме применимы к осаждению и
фильтрованию. Материальный баланс процесса мокрого разделения рассмотрен ниже.
В ряде случаев при расчетах используют объемные расходы V(м
3
/с) и
концентрации, выраженные в объемных долях, а (м
3
/м
3
). Для пересчета величины из
одной размерности в другую вводят условное понятие плотности гетерогенной смеси
ρ
см
:
ρ
см
= а
т
ρ
т
+ (1- а
т
)ρ = 1/[х
т
/ρ
т
+ (1 - х
т
)/ρ], (10.4)
где
т
- плотностъ дисперсной фазы; - плотностъ сплошной фазы; а
т
и х
т
- концентрация
дисперсной фазы, выраженная соответственно в объемных и массовых долях.
Эффективность метода разделения можно оценивать по степени очистки η (в %)
газа или жидкости следующим образом:
= (С
1
– С
2
) 100 /С
1
, (10.5)
где С
1
,
С
2
- концентрации частиц в газе или жидкости соответственно до и после разделения.
3.1. ОСАЖДЕНИЕ
Как было отмечено выше, к основным видам осаждения относят осаждение под
действием сил тяжести - отстаивание; осаждение под действием центробежных сил -
циклонный процесс и осадительное (отстойное) центрифугирование; очистку газов в
электрическом поле.
3.1.1. Отстаивание
Отстаивание применяют в промышленности для сгущения суспензий или
классификации суспензий по фракциям частиц твердой фазы, для грубой очистки газов
от пылей и для разделения эмульсий. Ввиду малой движущей силы (сила тяжести) в
процессе отстаивания, возможно с достаточной эффективностью отделять только
крупные частицы. Однако отстаивание - это наиболее простой и дешевый процесс среди
гидродинамических, поэтому его часто используют для первичного разделения, что
удешевляет последующее окончательное разделение гетерогенной смеси более
сложными способами.
В гл. 6 были рассмотрены законы движения твердых тел в жидкостях (включая
капельные и упругие) и получены формулы для расчета скорости свободного осаждения
частиц под действием силы тяжести. Эти же формулы могут применяться при расчете
скорости осаждения мелких капель в газе. 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.
Скорость свободного осаждения мелких капель можно рассчитать по уравнению
Адамара
дсс
сдсд
gd
w
326
2
0
, (10.6)
где ρ
д
и ρ
с
– плотность жидкостей, образующих соответственно дисперсную и сплошную фазу; μ
д
и μ
с
–
вязкость жидкостей, образующих соответственно дисперсную и сплошную фазу.
Уравнение Адамара применимо, когда критерий Рейнольдса для капли Re
o
< 1
(Re
o
= w
o
dρ
с
/μ
с
).
Если μ
д
>> μ
с
, уравнение (10.6) вырождается в уравнение (6.59), определяющее
скорость свободного осаждения твердых частиц в ламинарном режиме.
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.
Скорость стесненного осаждения w
ст
является функцией скорости свободного
осаждения и концентрации суспензии, которая в расчетных формулах выражается через
объемную долю жидкости в суспензии ε:
Ошибка! Ошибка связи.= V
ж
/(V
ж
+ V
т
), (10.7)
где V
ж
и V
т
- объем соответственно сплошной (жидкой) и дисперсной (твердой)
фазы.
Для расчетов могут быть использованы следующие уравнения:
при Ошибка! Ошибка связи. > 0,7 w
ст
= w
o
Ошибка! Ошибка связи.
2
∙10
-1,82(1-ε)
;
(10.8)
при ε > 0,7 Ошибка! Ошибка связи.w
o
0,123ε
3
/(1 - ε).
(10.8а)
Скорость стесненного осаждения можно рассчитать также, исходя из следующей
зависимости для критерия Рейнольдса:
Re
о, ст
= Ar
4,75
/(18 + 0,6
75,4
Ar
(10.9)
На основе уравнений (10.8), (10.8а) и (10.9) можно рассчитать скорость стесненного
осаждения одинаковых по размеру шарообразных частиц. При осаждении частиц иной
формы полученное значение w
ст
следует умножить на поправочный коэффициент фор-
мы φ (φ < 1), значения которого определяют опытным путем. Кроме того, при расчетах
скоростей осаждения нешарообразных частиц в качестве их диаметра следует
использовать диаметр эквивалентного шара.
Расчет скоростей осаждения для суспензий, содержащих частицы различного
диаметра, не может быть выполнен с достаточной точностью. В этих случаях
необходима постановка экспериментов.
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.
Рис. 10-4. Пылеосадительная камера:
1 – корпус; 2 – полки; 3 – отражательная перегородка; 4 – люки для удаления пыли
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.
Будем считать, что время (продолжительность) прохождения потока через аппарат
() равно времени осаждения частиц, наиболее удаленных от дна (
ос
). (Если допустить,
что >
ос
, то часть отстойника окажется ненужной; если же <
ос
, то не все частицы
осядут.)
Рассмотрим простейший отстойник, имеющий форму параллелепипеда. Время
можно представить как
= l/w
п
, (10.10)
скорость потока можно найти, разделив объемный расход очищенной жидкости Q
оч
на площадь поперечного сечения потока, равную произведению ширины отстойника b
на высоту слоя осветленной жидкости h:
w
п
= Q
оч
/(bh). (10.11)
Отсюда
= lbh/Q
оч
= Fh/Q
оч
, (10.12)
где F – поверхность осаждения.
Время (продолжительность) осаждения частиц, наиболее удаленных от дна,
составит
τ
ос
= h/w
ст
. (10.13)
Приравнивая (10.12) и (10.13), получим
Fh/Q
оч
= h/w
ст
, откуда F = Q
оч
/w
ст
. (10.14)
Аналогичное выражение получается и для отстойников цилиндрической формы,
если найти время путем интегрирования с учетом изменения поперечного сечения
потока при его радиальном течении от центра.
Выражение (10.14) 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.
С учетом того, что Q
оч
= G
оч
/
оч
(где
оч
- плотность очищенной жидкости), и
используя уравнение (10.3), представим выражение (10.14) в виде, удобном для расчета:
F = G
см
/(
оч
w
ст
). (10.15)
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.
Для оценки эффективности осаждения под действием центробежной силы
сравним его с осаждением под действием силы тяжести.
Центробежная сила, действующая на частицу, составляет
G
ц
=m
2
r
w
/r, (10.16)