Оборудование для разделения неоднородных систем в гравитационном поле

Отстойники – это аппараты, в которых происходит процесс гравитационного разделения неоднородных систем.

Рассмотрим простейший отстойник периодического действия (рис. 1). Обычно это цилиндрическая ёмкость. Емкости малых размеров изготавливают из металлических листов; большие ёмкости (вместительностью более 50 м³ ) иногда изготовляют бетонными.

Рис. 1.Отстойник периодического действия. Патрубки: 1 – ввода суспензии 2 – отвода очищенной жидкости; 3 – отвода осадка

Отстойник заполняют неоднородной системой (суспензией, эмульсией) через патрубок 1. В процессе осаждения частичек смесь неподвижна. После оседания частичек очищенный слой жидкости сливают через патрубок 2. После этого открывают патрубок 3 и сливают концентрированный продукт - осадок.

Иногда частички дисперсной фазы имеют меньшую плотность сравнительно с дисперсной средой, и всплывают вверх. В таком случае вначале отводят сверху концентрированный продукт, а потом снизу сливают очищенный. Например, такой принцип используют для очистки жира от примесей, которые имеют большую плотность. При этом отстойник снабжают водяной рубашкой для расплавления жира.

Недостаток таких аппаратов – низкая производительность, и потери времени на дополнительные операции на их заполнение и очистку.

Более производительные – отстойники полунепрерывного действия

(рис. 2 ). Их изготовляют в виде металлических или бетонных каналов.

Рис. 2. Отстойник полунепрерывного действия: 1 – патрубок ввода суспензии; 2 – перегородка; 3 – желоб; 4 – патрубок отвода очищенной жидкости; 5 – патрубки отвода осадка; 6 – перегородки.

Рис. 2. Отстойник полунепрерывного действия для трёхфазных систем: 1 – патрубок ввода суспензии; 2, 3 – перегородки; 4, 5 – желоба для отвода легкой фракции (жира) и воды; 6 – патрубки отвода осадка.

Суспензия непрерывно подаётся в патрубок 1.

Перегородка 2 равномерно распределяет продукт по сечению отстойника. Осветлённая жидкость непрерывно отводится через патрубок 3. С целью получения максимальной степени очистки суспензии перед отводным патрубком устанавливают перегородку, через которую отводится верхний, наиболее очищенный слой продукта.

Осадок отводят периодически, по мере его накопления через набор патрубков 5. Крупные и более тяжёлые частички оседают раньше, и отводятся через патрубки, размещённые в начале отстойника. Наиболее мелкие частички отводятся в конце. Так проводится распределение частичек по размерам.

Кроме суспензий, подобные отстойники используются в консервной промышленности для разделения по размерам плодов (горох, бобы, вишня и др.).

Рис. 3. Отстойник непрерывного действия с гребками: 1 – патрубок ввода суспензии; 2 – распределяющая труба; 3 – желоб; 4 – патрубок отвода осадка;5 – вал; 6 – скребки; 7 – патрубок отвода декантата; 8 – привод вала.

Слой накопленной сгущенной суспензии при отводе препятствует вытеканию дисперсной среды. Непрерывно отводить осадок невозможно, потому что при этом возникают значительные потери продукта, а сам осадок будет иметь высокую влажность.

Для разделения трёхфазных неоднородные системы (например, это сточные воды, содержащие жир и твёрдые частички) используют трёхсекционные отстойники (рис. ). Во всех секциях оседают твёрдые частички, которые отводятся периодически через патрубок 6. Во второй секции жировые частички всплывают вверх и отводятся непрерывно в желоб 4. В третей секции в желоб 5 отводится очищенная жидкость.

В отстойниках непрерывного действия осадок и очищенная жидкость отводятся непрерывно. Для этого необходимо, чтобы возле патрубка отвода постоянно находился слой осадка, который не позволяет вытекать суспензии.

Рассмотрим отстойник непрерывного действия с гребками (рис. 3), которые постоянно продвигают осадок к выгружающему патрубку.

В цилиндрический корпус отстойника через патрубок 1 и трубу для равномерного распределения непрерывно подают суспензию. Твёрдые частички оседают на коническое днище. Верхний, наиболее очищенный слой жидкости непрерывно выливается через перегородки в желоб 3. В ёмкости вращается вал 5 с частотой до 10 об/мин. На вале под углом к радиусу вращения закреплены скребки 6, которые продвигают осадок к выходному патрубку 4. Осадок накапливается и непрерывно отводится.

Отстойники занимают большую производственную площадь. Поэтому для увеличения производительности и экономии площадей применяют многоярусные отстойники (рис. 4).

Рис. 4. Многоярусный отстойник: 1 – вал с гребками; 2 – лопасть отвода пены; 3 – желоб для отвода очищенной жидкости; 4 – канал для отвода осадка.

Суспензия подаётся в верхний ярус, где лопастью 2 может отводиться пена. После этого суспензия по пустотелому валу 1 распределяется по ярусам. В каждом ярусе на валу установлены скребки, которые продвигают осадок к центру днища, где он непрерывно отводится по каналам 4. Очищенная жидкость также отводится непрерывно через желоба 3 в верхней части каждого яруса.

Недостаток такого отстойника – громоздкая конструкция.

Рис. 5. Отстойник с наклонными пластинами: 1 – пластины; 2 – отводящий канал

Более простая конструкция, без вращающихся и подвижных рабочих органов показана на рис. 5. Это отстойник с наклонными пластинами, где разделение суспензии происходит в тонких слоях.

Суспензия подаётся в патрубок 1, и равномерно распределяется между пластинами. Частички оседают на пластины и сползают вниз, собираются толстым слоем и непрерывно отводятся. Очищенная жидкость поднимается вверх между пластинами по каналу 2.

Вместо пластин отстойник может быть оснащён коническими тарелками, надетыми на трубу. Тогда осветлённая жидкость со всех тарелок попадает в трубу и отводится.

Отстойник делится пластинами на отстойные зоны высотой до 100 мм. Пластины расположены под углом около 60°, чтобы частички суспензии могли свободно сползать вниз. Отстаивание загрязнений в тонких слоях потока жидкости протекает быстро, так как путь движения всплывающих или осаждающихся частиц намного меньше, чем в обычных отстойниках.

При разделение в тонком слое (толщины отстойных зон маленькие) режим движение жидкости идеально ламинарный. Это способствует быстрому оседанию частиц.

Производительность отстойников:

, ()

где F – площадь поверхности осаждения, м²; V - скорость осаждения, м/с.

Из формулы делаем вывод, что производительность отстойника не зависит от его высоты, а только от площади поверхности оседания и скорости оседания. Скорость оседания определяется по известным зависимостям из курса «процессы и аппараты» (по критериальным уравнениям, включающим критерий Архимеда).