Осідання в гравітаційному полі

Неоднорідні рідкі або газові системи з більш-менш грубим подрібненням дисперсної фази піддаються розділенню під дією самої тільки сили тяжіння. Якщо густина дисперсної фази більша від густини дисперсійного середовища, завислі частинки осіда­ють на дно посудини, і, навпаки, якщо густини завислих части­нок менші, то останні спливають на поверхню.

Відокремлення частинок від в'язкого середовища, в якому во­ни перебувають у завислому стані, під дією сили тяжіння назива­ють відстоюванням або осіданням. Швидкість осідання завислих частинок залежить як від густини, та і від ступеня дисперсності, причому осідання відбуватиметься тим повільніше, чим меншого розміру частинки дисперсної фази і чим менша різниця між гус-тинами обох фаз. Практично методом осідання користуються, головним чином, для розподілу грубих суспензій.

Узагальнене рівняння для швидкості осідання. Розрахунко­вою величиною при визначенні розмірів і продуктивності відстійних апаратів є швидкість осідання. Швидкість падіння тіл у безповітряному просторі визначають за відомою формулою

(4.4)

де g — прискорення сили тяжшня, ,

— тривалість падіння, с

За цією формулою досить точно можна визначити швидкість падіння тіл великого розміру у повітряному середовищі, оскільки опір середовища при цьому буде незначним і зменшує силу тяжіння лише на (0,05...0,1)%. Проте в разі падіння тіл дуже ма­лої величини у більш в'язкому середовищі, наприклад у воді, кар­тина руху частинки зовсім інша. На початку тверді частинки ру­хаються за законом вільного падіння тіла, потім з рівномірного прискореного руху тіло переходить у сповільнений і, нарешті, тверда частинка падає рівномірно із сталою швидкістю. Оскільки тривалість першого періоду дуже мала, то першими двома періодами звичайно нехтують і вважають, що протягом усього періоду руху тіло падає із сталою швидкістю. Швидкість такого рівномірного падіння називатимемо швидкістю осідання і позна-чимемо . Цю швидкість можна обчислити за загальним зако­ном опору руху тіла у в'язкому середовищі.

Стала швидкість падіння частинок, очевидно, встанов­люється тоді, коли сила тяжіння, яка діє на частику G, стає рівною силі опору в'язкого середовища R, тобто існує рівність

G=R. (4.5)

Сила тяжшня, за вирахуванням підйомної (архімедової), для частинок кулькоподібної форми, завислих в дисперсійному сере­довищі, дорівнює

(4.6)

Де — об'єм частинки, ;

d — діаметр частинки, м;

— густини відповідно твердої частинки і середовища,

Силу опору середовища у загальному випадку визначають за

законом Ньютона

(4.7)

Де — проекція поперечного перерізу кулекоподібної частинки на напрямок її руху,

— коефіцієнт опору середовища.

Підставивши значення G і R у відповідне рівняння (4.5), матимемо

, (4.8)

або після скорочення на і на 2

(4.9)

звідки швидкість осідання

(4.10)

Цю формулу називають узагальненим рівнянням для швид­кості осідання.

В умовах осідання твердих частинок у повітряному (газово­му) середовищі густина дуже мала порівняно з густиною твердої частинки. Нехтуючи величиною у чисельнику, швидкість осідання у повітряному (газовому) середовищі можна обчислити за формулою

(4.11)

Коефіцієнт опору середовища — величина безрозмірна. Вона є функцією числа Рейнольдса і визначається дослідним шляхом. Цей коефіцієнт залежить від швидкості руху частинок в середо­вищі, від їх розмірів, густини і в'язкості середовища.

Експериментально встановлено, що є три режими обтікання твердого тіла, яким відповідають три граничних значення ко­ефіцієнта : для ламінарного режиму, тобто при 0 < Re < 2

(4.12)

для перехідного режиму, тобто коли 500 > Re > 2

(4.13)

для турбулентного режиму, тобто коли 150000 > Re > 500 ко-

ефіцієнт опору сталий і дорівнює

Розрахунок відстійника зводиться до визначення поверхні осідання і об'єму відстійника. За заданою кількістю суміші, яку треба обробити у відстійнику протягом відстоювання, і за відоми­ми концентраціями можна визначити кількість проясненого про­дукту . Потім обчислюють об'єм осаду, його висоту і загальну висоту відстійника, як суму висот проясненого шару і осаду.

Відстійники напівбезперервної дії більш продуктивні, ніж періодично діючі апарати, завдяки розвиненій поверхні осідання при меншій висоті шламового відстою. В цих апаратах розділю-вана суміш протягом певного часу безперервно надходить, ру­хається у відстійнику, розділяється; прояснена рідина також без­перервно відводиться, а осад видаляється періодично. Відстійни­ки уявляють собою відкриті, вириті в землі ями завдовжки 200 м, завширшки 50 м і глибиною 2 м. Іноді такі відстійники виклада­ють цеглою або бетонують. Водяна суспензія повільно рухається вздовж такої споруди, тверді частинки при цьому осідають на дно. Прояснена частина відводиться у водомийще, а осад видаля­ють з відстійників звичайно після закінчення виробництва.

За таким самим принципом працюють відстійні газоходи для вловлювання золи з димових газів котельних установок. У цьому випадку газоходи зверху закриті.

Найчастіше відстійники виготовляють у вигляді низьких циліндрів з конусним дном. Щоб зекономити площу приміщень, відстійники роблять багатоярусними.

На рис. 4.10 зображено схему п 'ятиярусного відстійника, застосо-вуємого на цукрових заводах для згущення сатураційних соків. Це закритий циліндричний резервуар 8 діаметром і висотою близько б м з конічним дном 10. Конічні перегородки 7 розділяють відстійник по висоті на яруси. В центрі апарата встановлено вал 1 з гребками 6, який повільно обертається (один оберт за 5.. .6 хе.). Скребки призна­чені для просування шламу до центра апарата. Вал, виготовлений за типом "труба в трубі", має вікна; частина вікон сполучає верхні го­ризонти ярусів з внутрішньою трубою, а інша частина — нижні го­ризонти з кільцевим простором вала. Суспензія надходить в апа­рат через трубу 21 на верхній ярус А, де відбувається часткове осідання. Потім частково прояснена суспензія надходить крізь вікна в центральний канал вала і звідси крізь вікна витікає в на­ступні яруси б. Згущену масу відводять трубою 9 у приймач 4.

Рис. 4.10. Схема п'ятиярусного відстійника

Фільтрування

Загальні відомості

Фільтрування — найпростіший метод розподілу неоднорідних систем з рідким і газовим дисперсійним середовищем. Фільтру­вання рідин і газів досягається за допомогою проникнення їх крізь шпарувату перегородку, яка затримує завислі частинки.

Перевага фільтрування перед процесом осідання полягає в тому, що рідини або гази майже цілком звільняються від завис­лих частинок. Широке застосування цього методу пов'язане не тільки з простотою його здійснення, а й легкою пристосованістю до різних умов.

Залежно від властивостей неоднорідної системи звичайно вдається підібрати такі умови фільтрування, за яких одержують 145

бажані результати. При цьому є велика можливість вибору тис­ку, швидкості фільтрування, фільтрувальної перегородки та інших умов виконання процесу. Чимале значення у цьому випад­ку має і конструктивне оформлення фільтрувальної установки.

У процесі розділення суспензій крізь фільтрувальні перего­родки є кілька випадків фільтрування: 1) фільтрування з утворен­ням осаду і 2) фільтрування без утворення осаду із закупорюван­ням шпар (закупорювальне фільтрування).

У практиці можливий одночасний перебіг процесів фільтру­вання з утворенням осаду і закупорюванням шпар. Процес фільтрування з утворенням осаду у практиці зустрічається частіше, ніж фільтрування із закупорювання шпар. Фільтрування з утворенням осаду застосовують головним чином для рідин, що містять значну кількість завислих частинок. У цьому випадку ча­стинки майже не проникають у середину фільтрувальної перего­родки, а утворюють склепіння над її шпарами. Ці склепіння пере­шкоджають проникненню частинок осаду в шпари перегородки і утримують основний шар осаду.

Фільтрування без утворення осаду, або закупорювальне, за­стосовують для рідин високої в'язкості, що містять незначну кількість завислих частинок. Ці частинки проникають у шпари фільтрувальної перегородки і затримуються у звивинах шпар,

поступово закупорюючи їх. В міру забруднення шпар фільтру-

вальної перегородки і утворення шару оса­ду умови фільтрування поліпшуються, але продуктивність або об'ємна кількість фільтрату процесу падає.

Схему фільтрувальної камери зображено на рис. 4.11. Фільтрувальна перегородка ді­лить камеру фільтра на дві порожнини І і II.

У першу порожнину під тиском , над­ходить суспензія. Під дією додатної різниці тисків в порожнинах проходить фільтрування крізь перегородку, причому на ній утворюється осад. Чистий фільтрат стікає з порожнини II, а осад періодично видаляють з фільтра. Необхідна для проце­су фільтрування додатна різниця тисків забезпечується різними способами, але за певних умов > .

Якщо тиск , більший від атмосферного і створюється насо­сом, то це буде фільтрування під тиском. Якщо тиск дорівнює атмосферному, а менший від атмосферного, то фільтрування відбувається під розрідженням і фільтри називають вакуум-фільтрами. Досить часто фільтрування відбувається під гідроста­тичним тиском стовпа рідини над фільтром.

Товщина осаду у процесі фільтрування збільшується, якщо на початку фільтрування відбувається лише крізь фільтрувальну пе­регородку, то з часом фільтрат повинен проходити і крізь шар осаду. Дрібні частинки твердої фази звичайно проникають крізь фільтрувальну перегородку і фільтрат спочатку виходить кала­мутний. У подальшому, коли на фільтрувальній перегородці на­ростає шар осаду, якість фільтрування залежить і від тиску. При значних тисках можливість проникнення дрібних твердих части­нок крізь фільтрувальну перегородку більша, ніж при низьких. Враховуючи цю обставину, процес фільтрування починають з меншого тиску, підвищуючи його в міру зростання товщини оса­ду, оскільки можливість проходження твердих частинок крізь то­встий шар осаду незначна. Іноді процес фільтрування проводять у дві стадії: спочатку під великим тиском для відокремлення ос­новної маси осаду (при цьому одержують каламутний фільтрат), а потім під невеликим тиском на іншому фільтрі вже одержують з каламутного чистий фільтрат: проходячи крізь отвори в фільтрувальній перегородці і особливо крізь пори в шарі осаду, фільтрат спричиняє на гідравлічний опір, на подолання якого ви­трачається діюча різниця тисків. Осад в міру потовщення його шару чинить дедалі більший опір проходженню рідин, і продук­тивність фільтра поступово зменшується.

Величина гідравлічних опорів залежить від ряду обставин, го­ловними з яких є: структура осаду, в'язкість фільтрату, будова фільтрувальної перегородки.

Як фільтрувальні перегородки використовують: сітки з мета­левого дроту; бавовняні, синтетичні і шерстяні тканини; шпару­вату кераміку; кізельгур; сипкі матеріали (пісок, дрібне вугілля, кісткова крупка). Найчастіше застосовують фільтрувальні ткани­ни. Головною характеристикою будь-якої тканини є густість плетіння, що вимірюється кількістю ниток на сторонах квадрата розміром 100-100 лш. Так, наприклад, густість фільтрувального полотна незначна і тому його не можна застосовувати у тих ви­падках, коли основним затримувальним фактором частинок сус-

пензії є шар осаду. Густіша тканина дає кращі результати при фільтруванні без утворення істотного шару осаду (механічні фільтри) або коли осад безперервно видаляють (вакуум-фільтри). Швидкість фільтрування. Кількісна сторона фільтрування визначається швидкістю фільтрування, під якою розуміють об'ємну кількість фільтрату, яку одержують за одиницю часу з одного квадратного метра фільтрувальної перегородки. Якщо позначити через Q кількість фільтрату в кубічних метрах, яку одержують під час фільтрування крізь площу F протягом часу , то швидкість фільтрування буде

(4.14)

Розмір швидкості фільтрування, м/с, відповідає розміру швидкості руху.

Режим фільтрування. Процес фільтрування може відбуватися в таких варіантах змін тиску і швидкості:

при сталій швидкості і змінному тиску;

при сталому тиску і змінній швидкості;

при змінних тиску і швидкості.

Якщо фільтрування відбувається під сталим тиском, то з ча­сом, в міру нагромадження осаду на фільтрувальній перегородці, швидкість фільтрування зменшиться. Якщо фільтрування відбу­вається з сталою швидкістю, то з часом, в міру нашарування оса­ду, треба для підтримання однакової швидкості підвищувати тиск. Отже, у цьому випадку тиск з часом зростає. Залежність між тиском і часом зображується графічно прямою лінією, нахил якої до горизонту залежить (за інших однакових умов) від величини швидкості. В обох випадках потрібне очищення фільтра через певні проміжки часу: у першому випадку, щоб уникнути знижен­ня пропускної спроможності фільтра, а у другому — щоб за­побігти підвищенню тиску понад встановлену межу.

Класифікація фільтрів. За технологічною ознакою розрізня­ють фільтри газові і рідинні. Залежно від режиму роботи промис­лові фільтри поділяють на фільтри періодичної і безперервної дії. Залежно від способу створення перепаду тиску розрізняють фільтри, що працюють під тиском, розрідженням і під дією гідро­статичного тиску стовпа поділямої суспензії.

Залежно від характеру фільтрувальної перегородки розрізня­ють фільтри: з незв'язаною зернистою перегородкою, з ткани-

ною і нерухомою жорсткою. За конструктивними особливостями розрізняють: рамні, камерні фільтрпреси, мішкові, барабанні, дискові, стрічкові фільтри, патронні та ін.

Піщаний фільтр. Належить до групи фільтрів з зернистим ша­ром, що працюють під тиском стовпа рідин, яку фільтрують. Піщаний фільтр застосовують у промисловості для фільтрування води та інших рідин коли вміст твердої фази в рідині відносно не­значний.

Піщаний фільтр (рис. 4.12) має циліндричний корпус 1, всере­дині якого є знімні ґратчасті диски 5, які розділяють фільтр на три частини: верхню приймальну, середню фільтрувальну і ниж­ню збірну. Зернистим матеріалом служить кварцовий пісок. Між нижнім і верхнім дисками вкладають шар дрібного і шар крупно­го піску 6, розділений тканиною 4. Нижні і верхні грати накрива­ють фільтрувальною тканиною 4, а на верхні грати кладуть ще шар вати 3. Рідина, яку фільтрують, надходить у фільтр через трубу 2 і відводиться через трубу 7. До патрубка прикріплюють повітряний краник. Фільтрують рідину під тиском (0,02...0,03) МПа. Перші порції фільтрату каламутні і їх повертають на по­вторне фільтрування. В міру забруднення фільтра швидкість фільтрування зменшується, а коли вона вже дуже зменшиться, фільтр перезаряджають: виймають фільтрувальні матеріали і за­бруднений пісок, промивають їх і знову вкладають у фільтр.

Перевага такого фільтра — простота конструкції, висока якість фільтрування. Але продуктивність його низька внаслідок малої швидкості фільтрування (0,00007...0,0002) пов'яза­ний із значними витратами праці і часу на його перезарядження.

Патронний фільтр (рис. 4.13) належить до фільтрів періодич­ної дії, що працюють під тиском; швидкість фільтрування (0,16... 1,7) .Він складається з циліндричного корпуса З (з конічним дном), трубних ґрат 2, в яких закріплено патрони 1 з дротяною, керамічною або тканинною фільтрувальною поверх­нею. Принцип дії всіх фільтрів однаковий. У простір між патро­нами нагнітають суспензію, яка проходить крізь фільтрувальні елементи (патрони). З верхньої частини фільтра по трубі 5 відво­дять фільтрат і промивні води. Промитий осад видаляють через патрубок 4. Ці фільтри застосовують у цукровому виробництві для контрольного фільтрування. У патронних фільтрах значна фільтрувальна площа на одиницю об'єму апарата і незначний гідравлічний опір.

Мішковий фільтр застосовують для фільтрування рідини, що містить тонку каламуть. Фільтрування відбувається при незнач­ному напорі, створюваному стовпом рідини (2...3) м над фільтром. Фільтрувальна поверхня цих апаратів складається з рамок, на які надівають мішки з полотна.

Рамний фільтрпрес (рис. 4.14) працює під надлишковим тиском (0,3...0,4) МПа. Його станина складається з двох стояків 1 і 5, між якими закріплені гайками дві округлі балки 4. На цих балках по­чергово вкладені рами 2 і плити 3, між якими знаходиться фільтру­вальна тканина. Рами і плати можуть бути квадратної, прямокут­ної або круглої форми. Для стиснення рам і плит застосовують за­тискачі 6: ручний (гвинтовий), електричний і гідравлічний. З боків рам і плит є ручки, а внизу з одного боку — приливок 2 з круглим наскрізним отвором 3. Цей отвір крізь щілину 4 в стінці сполучений з внутрішньою порожниною рами. У плиті з другого боку внизу є косий приливок 5, крізь який проходить наскрізна щілина всереди-

Рис. 4.14. Рамний фільтрпрес:

а — загальний вигляд; б — рама і плита;

в — схема фільтрування; г — схема промивання

ну плити 6. Внутрішня поверхня плити рифлена. Передки преса та­кож рифлені і виконують роль крайніх плит.

У складеному і стиснутому пресі в нижніх приливках утво­рюється суцільний канал, в який під тиском подають суспензію. З цього каналу крізь отвори вона потрапляє всередину рам, фільтрується крізь полотно, стікає по рифленій поверхні плит вниз і виходить крізь отвір у косому приливку в приймач. Змен­шення швидкості витікання фільтрату є ознакою заповнення рам осадом. Після закінчення процесу фільтрування осад промива­ють. Промивна вода входить у канал, з якого крізь похилі отвори в плитах потрапляє у простір між плитою і фільтрувальною тка­ниною. Проходить крізь шар осаду і виливається через краники.

У рамних фільтрах високорозвинена поверхня фільтрування, досить високий тиск цього процесу, вони прості конструктивно і надійні в роботі. їх недолік — значна витрата фільтрувальної тканини. Процес фільтрування на фільтрпресах пов'язаний із значними витратами праці і часу (до 30%) на допоміжні операції.

Фільтри з дисковими фільтрувальними елементами, з яких осад навантажується під дією відцентрової сили, поширились не­давно.

В СРСР створена конструкція автоматичного камерного фільтрпреса ФПАКМ (рис. 4.15), який працює під тиском 0,6 МПа. Цей фільтр призначений для фільтрування тонкодисперс-них суспензій при температурі (5... 80) °С. ФПАКМ складається з горизонтально розміщених одна над одною на відстані 25 мм фільтрувальних плит 2. Верхня частина плит вкрита перфорова­ним листом і фільтрувальною тканиною 3, виконано у вигляді нескінченної стрічки, переміщуваною системою роликів. У нижній частині кожної плити є конічне дно для фільтрату. Для ущільнення зазорів між плитами служать гумові шланги 1. Коли в них подають під тиском (8... 10) атм воду, шланги роздувають і утворюють камери, куди подають суспензію. Після закінчення фільтрування і віджимання осаду зменшують тиск у шлангу. При цьому утворюється щілина для виходу тканини з осадом завтов­шки (5... 20) мм. Осад знімають з тканини ножами 4, а інші ножі 5 підчищають тканину від залишків осаду. Тканину промивають водою в камері регенерації 6.

Робочий процес фільтра складається з таких операцій: стис­нення плит, фільтрування, промивання осаду, його сушіння, роз­сування плит, зняття осаду з фільтрувальної тканини. Усі ці опе-

Рис. 4.15. Схема автоматичного камерного фільтрпреса

рації автоматизовані, завдяки чому продуктивність ФПАКМ в (6...20) разів вища порівняно з іншими фільтрами. У них розви­нена фільтрувальна поверхня (відносно одиниці площі).

Перевагою фільтрів безперервної дії, крім полегшення їх обслу­говування і економії робочої сили, є: автоматизація всього робочо­го циклу при одночасному значному підвищенні продуктивності.

Відцентрові методи розділення полягають у тому, що неод­норідні системи піддають дії поля відцентрових сил, використо­вуючи при цьому суцільні і проникні для рідини перегородки. Для створення поля відцентрових сил у техніці використовують два прийоми: забезпечують обертальний рух потоку рідини (га­зу) в нерухомому робочому органі апарата (циклони, гідроцик­лони); потік оброблюваного матеріалу спрямовують в робочий орган, що обертається, в якому відбувається їх спільне обертання (центрифуги, надцентрифуги, сепаратори).