7.3. Центрифугирование

Этот метод обработки осадков находит все большее распространение. Достоинствами этого метода являются простота, экономичность и управляемость процессом. После обработки на центрифугах получают осадки низкой влажности.

Центрифугирование позволяет разделить суспензии в компактных и высокопроизводительных аппаратах – гидроциклонах, центрифугах и сепараторах. Следует заметить, что скорость разделения суспензий в гидроциклонах в 10-20 раз, а в центрифугах и сепараторах более чем в 1000 раз больше, чем при гравитационном уплотнении.

Центрифуги непрерывного действия следует применять для очистки сточных вод с расходом до 100 м³/ч, когда требуется выделить частицы гидравлической крупностью 0,2мм/с (противоточные) и 0,05 мм/с (прямоточные); центрифуги периодического действия – для очистки сточных вод, расход которых не превышает 20 м³/ч, при необходимости выделения частиц гидравлической крупностью 0,05-0,01 мм/с.

Концентрация механических загрязняющих веществ не должна превышать 2-3 г/л.

Объемную производительность центрифуги Q_cf, м³/ч, надлежит рассчитывать по формуле

, (7.2)

где W_cf – вместимость ванны ротора центрифуги, м³; K_cf – коэффициент использования вместимости центрифуги, принимаемый равным 0,4-0,6.

В отечественной практике для обработки осадков сточных вод применяют серийные непрерывно действующие осадительные центрифуги типа ОГШ (рис. 7.16).

Рис. 7.16. Центрифуга ОГШ:

1 – подача осадка; 2 – отверстия для выгрузки фугата; 3 – бункер для выгрузки фугата; 4 – отверстие для поступления осадка в ротор; 5 – бункер для выгрузки кека; 6 – ротор; 7 – полый шнек; 8 – отверстия для выгрузки кека

7.4. Определение параметров процесса фильтрования

Исходными данными являются:

• производительность фильтра V, м³/ч;

• плотность твердой фазы ρ_т, кг/м³;

• массовая концентрация твердой фазы в исходном осадке х, кг/кг;

• форма частиц, размер частиц l, d, мкм;

• скорость осаждения частиц w_ос, мм/с;

• плотность фильтрата ρ, кг/м³;

• конечная массовая доля влаги в осадке, %;

• динамический коэффициент вязкости фильтрата µ, Па·с.

При предварительном выборе типа фильтра можно ориентироваться на данные табл. 7.12. Окончательный выбор делается после его проверки в лабораторных или полупромышленных условиях.

Таблица 7.12

Влияние свойств суспензии на выбор типа фильтра

Свойства суспензий				Тип фильтра
Скорость осаж- дения твердой фазы, мм/с	Объемная концентрация, %	Скорость образования осадка, мм/мин	Скорость фильтрования, 104 м/с
Не ограничены				Емкостные Фильтр-прессы рамные Фильтр-прессы горизонтальные Листовые Патронные Барабанные с наружной фильтрующей поверхностью Барабанные с внутренней фильтрующей поверхностью Ленточные Тарельчатые и карусельные Барабанные с намывным слоем Дисковые
<18 Не ограничена Медленно Медленно <18 >12 >12 >12 Медленно 18	Не ограничена >1 >1; <1 – с на- мывным слоем >1; <1 – с на- мывным слоем >5 >20 >10 >10 <5 >5	<10 >1 Не ограничена Не ограничена >1 >2 >1 >8 <1 >2,7	<400 >0,08 <1,7 <1,7 400-0,2 >400 >1,7 >1,7 <1,7 >1,7

Промышленное фильтрование проводят чаще всего при постоянном перепаде давления.

При Δр = const объем фильтрата, прошедшего через 1 м² площади фильтрующей поверхности, V, м³/м², за время τ, и продолжительность фильтрования τ связаны уравнением

V ² + 2KС = Kτ, (7.3)

где С – константа фильтрования, характеризующая гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки (ткани), м³/м²; K – константа фильтрования, учитывающая режим процесса фильтрования и физико-химические свойства осадка и жидкости, м²/с; τ – продолжительность фильтрования, с.

Константы фильтрования K и C определяются экспериментально.

Уравнение

, (7.4)

выражающее прямолинейную зависимость между величинами dτ/dV и V, применяется для определения констант C и K по экспериментальным данным. Для этой цели откладывают по оси абсцисс измеренные значения V₁, V₂, …, а по оси ординат – соответствующие измеренные значения Δτ₁ /ΔV₁ , Δτ₂ /ΔV₂ и т.д. Проведя по экспериментальным точкам прямую (рис. 7.17), находят затем K и С по уравнению

. (7.5)

Скорость фильтрования, м³/(м² ·с), в данный момент, определенная по зависимости

, (7.6)

представляет собой удельную производительность фильтра V_уд .

Константа фильтрования K, м²/с, отнесенная к 1 м² фильтрующей поверхности, при Δр = const связана с удельным сопротивлением осадка уравнением

, (7.7)

где – перепад давлений на фильтре, Па; μ – динамический коэффицент вязкости фильтрата, Па·с; r – удельное сопротивление осадка, м/кг; с – масса сухого твердого вещества, кг/м³, откладывающегося на фильтре при прохождении через фильтрующую поверхность 1 м³ фильтрата.

Рис. 7.17. Зависимость Δτ /ΔV от V

При подстановке значения с в уравнение (7.7) получаем следующую формулу для константы K, м²/с:

. (7.8)

Если известна константа фильтрования K, то удельное сопротивление осадка r может быть найдено по уравнению (7.7), решенному относительно r, м/кг:

. (7.9)

Для инженерных расчетов его можно определить экспериментально по зависимости

r = A(Δp)ⁿ = 6,9·10⁷ ·(Δp)^0,33. (7.10)

Константа фильтрования С, м³/м², характеризующая сопротивление фильтрующей перегородки (ткани) и отнесенная к 1 м² площади поверхности фильтра, при Δр = const определяется следующим выражением:

(7.11)

или в соответствии с уравнением

, (7.12)

тогда

, (7.13)

где r_тк – удельное сопротивление фильтрующей ткани (на 1 м² поверхности), м/м²; r – удельное сопротивление осадка, м/кг.

Следовательно, если значение константы фильтрования С известно, то удельное сопротивление ткани может быть вычислено по формуле

. (7.14)

На практике при r / r_тк > 10³ в расчетах процесса фильтрования r_тк опускают.

Тогда уравнение фильтрования принимает вид

V ² = 2∆pI ²τ/μrx . (7.15)

Удельная производительность G_уд, кг/(м² ·ч), может быть получена экспериментально на лабораторной модели фильтра при Δр = const, набрав необходимую высоту осадка h в течение времени фильтрования τ. Толщина осадка h принимается в соответствии с табл. 7.13.

Объемная производительность фильтра, м³/с, определяется по зависимости

V_ф = V_уд·F·K_п·K_м , (7.16)

где V_уд – удельная производительность процесса фильтрования, м³/м² ·ч; F – площадь поверхность фильтрования, м²; K_п – поправочный коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления фильтрующей перегородки при многократном использовании, K_п = 0,8; K_м – поправочный коэффициент, учитывающий возможные колебания свойств промышленной суспензии и масштабный переход от лабораторной модели к промышленному фильтру; K_м = 0,7…0,9.

Таблица 7.13

Толщина слоя осадка для фильтров

Фильтр	hmin , мм, для слоя				hmax , мм
	зернистого, рассыпчатого	проч-ного, мало-влажного	не-прочного, влажного	липкого
Барабанный с наружной фильтрующей поверхностью Дисковый Ленточный Фильтр-прессы Емкостный ЕдГР-фильтр Механизированный ЕдГр-фильтр	8 10 6 – – –	5 8 4 – – –	8 10 8 – – –	10 12 – – – –	20 – 50 35 400 150

Масса сухого вещества G, кг, в осадке при этом составит

G = V_ф · с, (7.17)

где V_ф – объем фильтрата, м³; с – масса сухого твердого вещества, откладывающегося на фильтре при прохождении через фильтрующую поверхность, кг/м³, определяется экспериментально.

Величина с может быть выражена через концентрацию фильтруемой суспензии х:

, (7.18)

где ρ – плотность фильтрата, кг/м³; x – массовая концентрация твердой фазы в суспензии, кг/кг; m – масса влажного осадка в расчете на 1 кг содержащегося в нем сухого вещества, кг/кг.

Концентрация твердой фазы в суспензии x в зависимости от плотности суспензии ρ_с выражается формулой

. (7.19)

Плотность суспензии находится из выражения

, (7.20)

где n – масса жидкой фазы в суспензии в единице массы твердой фазы;

T : Ж = 1 : n; n = Ж/Т.