3. Порівняльна характеристика управління процесами відстоювання Управління процесом протитечійного відстоювання

Ступінь відстоювання твердої фази, який забезпечується всією схемою, в більшості визначається роботою першого відстійника. Тому для управління процесом відстоювання в ньому регулюють рівень згущеної суспензії та границю поділу зон освітленої рідини і осадження (подачу коагулянту); контролюють витрату суспензії, мутність осаду. Вимоги до роботи відстійників менш жорсткі, тому на них встановлені регулятори згущеної суспензії, а витрата коагулянту регулюється вручну. Для підтримання матеріального балансу регулюють рівні рідини в ємностях.

Регулювання зміни витрати суспензії

В деяких методах витрата суспензії не залежить від даного технологічного процесу; тоді його можна змінити, стабілізувати мутність освітленої рідини. За показником мутності стабілізують витрату суспензії, що приводить до ліквідації одного з самих міцних збурень.

Регулювання подачі коагулянту

Для кращого відстоювання деяких речовин в суспензію добавляють коагулянт – речовину, що сприяє коагуляції твердої фази. Витрату коагулянту змінюють в залежності від положення границі поділу між зоною освітленої речовини і зоною осадження. Висоту освітленого шару контролюють за допомогою ультразвукового контролюючого приладу, приймач якого розміщується всередині відстійника та реагує на зміну концентрації твердої фази біля границі поділу між зонами.

Регулювання режиму роботи гребкового механізму

Щільність осаду можна регулювати і за параметром – навантаження гребкового механізму, який пов’язаний з щільністю згущеної суспензії у нижній частині відстійника. Регулятор навантаження в цьому випадку послідовно діє на початку на виконавчий механізм на магістралі згущеної суспензії, а потім на привід підйому гребків. При перенавантаженні приводу проходить підйом скребкового механізму і навпаки.

Управління відстійниками періодичної дії

В промисловості застосовують відстійники періодичної дії, в яких вивантаження осаду є окремою операцією. Для автоматичного виходу відстійника з режиму відстоювання на режим розвантаження на визначеній висоті апарата встановлюють датчик прозорості, який дає сигнал на закриття засувки (заслінки тощо), який встановлений на трубопроводі суспензії і включення відкачувального насосу.

Отже, в задачах управління можна виділити змінні, що характеризують процес відстоювання: вхідні, вихідні та проміжні змінні.

Вхідні: витрата суспензії, прозорість (каламутність), температура, дисперсність частинок (для сферичних – діаметр), гранулометричний склад, фізико-хімічні властивості частинок.

Керуючий вплив: густина осаду, витрата реагентів, час відстоювання.

Проміжні: відносна кількість завислих речовин (ефект освітлення), швидкість осадження (гідравлічна крупність), висота шару освітленої рідини.

Вихідні: каламутність (прозорість) освітленої рідини, об’єм осаду, вологість осаду, об’єм освітленої рідини.

Тема 3. Фізико-хімічні основи фільтрування та їх апаратна реалізація

У виробничих процесах розповсюдженими є процеси, які пов'язані з розділенням неоднорідних систем. Вибір методу їх розділення зумовлюється, в основному, розмірами завислих частинок, різницею густини дисперсної фази і дисперсійного середовища, а також в'язкістю дисперсійного середовища. Для розділення суспензій застосовують такі основні методи: осадження (відстоювання), фільтрування та центрифугування.

Фільтрування – процес розділення суспензій за допомогою пористої перегородки (фільтру), яка затримує тверду фазу суспензії і пропускає рідку фазу (рис. 21).

Якщо простір над суспензією сполучається з джерелом стиснутого повітря або простір над фільтрувальною перегородкою сполучається з вакуумом, то процес фільтрування відбувається при постійній

різниці тисків, проте швидкість фільтрування зменшується у зв'язку з збільшенням опору шару осаду, товщина якого зростає. Для того, щоб швидкість процесу фільтрування була постійною, суспензію подають на фільтр поршневим насосом, але при цьому різниця тисків зростає внаслідок збільшення опору шару осаду. При невеликій концентрації твердої фази бажано таку суспензію перед розділенням згущувати у відстійниках, щоб запобігати забиванню фільтрів.

Рис. 21. Схема процесу фільтрування

Під фільтруванням розуміють не тільки процес розділення суспензій, а й такі інші операції: промивання, продування і сушіння осаду на фільтрі. Промивають осад методом витіснення (осад заливають зверху промивною рідиною) і методом розбавляння (осад знімають з фільтра, перемішують з промивною рідиною і знову розділяють фільтруванням). Продувку осаду повітрям або інертним газом проводять для витіснення з пор осаду промивної рідини. Сушіння осаду проводять на фільтрі сухим повітрям.

Фільтрування класифікується за такими ознаками:

1) рушійна сила – різниця тисків з двох боків перегородки – створюється різними засобами, наприклад, під дією гідростатичного напору, коли забезпечується підвищення тиску над перегородкою та створюється вакуум під нею;

2) механізм фільтрування:

а) з утворенням осаду на поверхні перегородки;

б) з затриманням осаду всередині пор;

3) тип процесу:

а) розділення суспензій – утворення значного шару осаду на поверхні фільтруючої перегородки;

б) згущення суспензії – виділення твердої фази не у формі осаду, а у формі висококонцентрованої суспензії;

4) мета процесу:

а) добування чистого осаду;

б) добування чистого фільтрату;

в) добування чистого осаду і чистого фільтрату одночасно;

5) рух фільтрату і дія сили тяжіння:

а) співпадає;

б) протилежні;

в) перпендикулярні;

6) організація процесу:

а) безперервної дії;

б) періодичної дії;

7) умови проведення процесу:

а) при постійній різниці тисків;

б) при постійній швидкості;

в) при змінній різниці тисків та швидкості;

8) природа осаду:

а) осад, що стискається;

б) осад, що не стискається;

Фільтри класифікують за такими ознаками:

1) за основною конструктивною ознакою:

а) з барабаном, який обертається;

б) з рухомою стрічкою;

2) спосіб вивантаження осаду та тип обладнання:

а) періодичної дії;

• під вакуумом (відкриті);

• під тиском: закриті, фільтр-преси, ємнісні фільтри (листові, патронні, двофільтри);

б) безперервної дії:

• під вакуумом (дискові, барабанні, стрічкові, тарілчасті та карусельні);

• під тиском (барабанні фільтри).

Більшість суспензій розділяються на фільтрах повільно. Тому потрібно визначити шляхи підвищення продуктивності фільтрів. Розробка процесу фільтрування, розрахунки типу фільтрів виконуються на основі попереднього аналізу фізико-хімічних властивостей суспензії та осаду, фільтрату, технологічних умов (неперіодичність процесу, продуктивність, температура, вміст вологи в осаді) та економічних критеріїв.

Під фільтруванням розуміють не тільки процес розділення суспензій, а й такі операції: промивання, продування і сушіння осаду на фільтрі. Промивають осад методом витіснення (осад заливають зверху промивною рідиною) і методом розбавляння (осад знімають з фільтра, перемішують з промивною рідиною і знову розділяють фільтруванням). Продувку осаду повітрям або інертним газом проводять для витіснення з пор осаду промивної рідини. Сушіння осаду проводять на фільтрі сухим повітрям.

Фільтрування класифікується за такими ознаками:

1) рушійна сила – різниця тисків з двох боків перегородки – створюється різними засобами, наприклад, під дією гідростатичного напору, коли забезпечується підвищення тиску над перегородкою та створюється вакуум під нею;

2) механізм фільтрування:

а) з утворенням осаду на поверхні перегородки;

б) з затриманням осаду всередині пор;

3) тип процесу:

а) розділення суспензій – утворення значного шару осаду на поверхні фільтруючої перегородки;

б) згущення суспензії – виділення твердої фази не у формі осаду, а у формі висококонцентрованої суспензії;

4) мета процесу:

а) добування чистого осаду;

б) добування чистого фільтрату;

в) добування чистого осаду і чистого фільтрату одночасно;

5) рух фільтрату і дія сили тяжіння:

а) співпадає;

б) протилежні;

в) перпендикулярні;

6) організація процесу:

а) безперервної дії;

б) періодичної дії;

7) умови проведення процесу:

а) при постійній різниці тисків;

б) при постійній швидкості;

в) при змінній різниці тисків та швидкості;

8) природа осаду:

а) осад, що стискається;

б) осад, що не стискається;

Фільтри класифікують за такими ознаками:

1) за основною конструктивною ознакою:

а) з барабаном, який обертається;

б) з рухомою стрічкою;

2) спосіб вивантаження осаду та тип обладнання:

а) періодичної дії;

• під вакуумом (відкриті);

• під тиском: закриті, фільтр-преси, ємнісні фільтри (листові, патронні, двофільтри);

б) безперервної дії:

• під вакуумом (дискові, барабанні, стрічкові, тарілчаті та карусельні);

• під тиском (барабанні фільтри).

Таблиця 11

Основні конструкційні типи фільтрів

Принцип класифікації	Тип фільтра
За способом дії	Періодичної дії
	Безперевної дії
За способом створення різниці тиску	Працюючі під вакуумом ∆Р = 0,06-0,08 МПа
	Працюючі під вакуумом ∆Р = 0,3-0,5 МПа
За призначенням	Для розділення суспензій
	Для очищення повітря і промислових газів
За типом фільтрувальної перегордки	З тканинною перегородкою
	З зернистою перегородкою
	З жорсткою перегородкою

Більшість суспензій розділяються на фільтрах повільно. Тому потрібно визначити шляхи підвищення продуктивності фільтрів. Розробка процесу фільтрування, розрахунки типу фільтрів виконуються на основі попереднього аналізу фізико-хімічних властивостей суспензії та осаду, фільтрату, технологічних умов (неперіодичність процесу, продуктивність, температура, вміст вологи в осаді) та економічних критеріїв.

Для проведення процесів фільтрування і створення оптимальних умов роботи фільтрів велике значення мають процеси осадження твердих частинок суспензії під дією сил тяжіння.

Напрямки підвищення продуктивності фільтрів:

1) конструкційне:

а) автоматизація;

б) вібраційне фільтрування;

в) фільтрування в електричному полі;

г) фільтрування в магнітному полі;

2) технологічне:

а) оптимізація шару осаду;

б) концентрування суспензій;

в) класифікація твердих частинок;

г) оптимізація температури;

3) фізико-хімічне:

а) після добування суспензії:

• агрегація твердих частинок;

• додавання допоміжних речовин;

б) в процесі добування суспензії:

- добування крупніших частинок;

- двостадійний метод.

Вибір типу фільтрів залежить від концентрації суспензії, фільтрату, типу промивки осаду, можливості осадження твердої фази, швидкості утворення осаду, швидкості фільтрування.

Осади, які отримані при фільтруванні, поділяють на стисливі і нестисливі. Під нестисливими осадами розуміють також осади, в яких пористість (тобто відношення об’єму пор до об’єму осаду) не зменшується при збільшенні різниці тиску (рис. 22).

Фільтрувальні перегородки повинні мати мінімальний гідравлічний опір, затримувати тверді частинки, бути термостійкими, не набухати, не руйнуватися. Їх виготовляють з бавовняних, вовняних, синтетичних, скляних, керамічних і металічних матеріалів залежно від дії агресивного середовища. Вони можуть бути гнучкі або негнучкі.

Рис. 22. Залежність продуктивності фільтра W від рушійної сили

процесу фільтрування ∆Р: 1 – стисливий осад; 2 – нестисливий осад

Теорія фільтрування. При фільтруванні відбувається рух фільтрату крізь шар осаду і фільтрувальну перегородку. У шарі осаду рідина рухається крізь капілярні канали різного перерізу та змінної кривизни. Для такого руху справедливе рівняння:

(103)

де V_Ф – об’єм (кількість) рідини, м³; ∆Р – різниця тисків, Па; – площа фільтрування, м², τ – час проходження рідини, с; R – опір фільтрування, Н^.с/м³; μ – в’язкість суспензії, Па^.с; H – товщина пористого шару осаду, м; d – діаметр частинок, м; – коефіцієнт форми частинки; ε – пористість перегородки.

З рівняння (103) видно, що швидкість фільтрування

прямо пропорційна рушійній силі процесу, тобто різниці тисків на фільтрі ∆P, і обернено пропорційна опору фільтрування R. Опір фільтрування залежить від властивостей пористого середовища і прямо пропорційний в’язкості рідини μ.

Опір фільтрування R складається з опору осаду R_OC та опору фільтрувальної перегородки R_ПЕР:

; , (104)

де r – питомий опір осаду; Н^.с/м⁴; δ – товщина шару осаду, м.

Питомий опір осаду – це опір одиниці об’єму осаду висотою 1 м, який розташований на площі 1 м² і може бути визначений дослідним шляхом.

Об’єм осаду – це об’єм, який утворюється на фільтрі, може бути визначений як добуток площі фільтра F на товщину осаду δ:

(105)

Якщо об’єм осаду, який припадає на 1 м³ фільтрату U, то об’єм осаду V_О, що відкладений після утворення об’єму фільтрату V_Ф (в м³), буде рівний UV_Ф:

(106)

Підставивши значення V з рівняння (105), отримаємо:

(107)

Звідси товщина осаду:

а (108)

де q – об’єм фільтрату, який отримується з одиниці поверхні фільтра за час фільтрування τ і називається питомою продуктивністю фільтра.

Підставляючи значення δ з рівняння (104), знайдемо опір осаду за формулою:

(109)

В результаті цього отримаємо формулу для знаходження опору фільтрування:

. (110)

З загального закону руху крізь шар (103), розділивши обидві частини цього рівняння на Fτ, можна знайти швидкість руху рідини крізь шар осаду:

(111)

Опір R в процесі утворення осаду і збільшення його товщини збільшується, а швидкість фільтрування зменшується. Перепишемо рівняння (110) в диференціальній формі і підставимо замість R його значення з формули (109). Тоді

(112)

Звідки

(113)

Інтегруючи цей вираз, знайдемо час фільтрування:

(114)

Після інтегрування отримаємо:

(115)

Розв’язуючи рівняння (115) стосовно q, визначимо питому продуктивність фільтра:

(116)

Отже, в задачах управління можна виділити змінні, що характеризують процес фільтрування: вхідні, вихідні та проміжні змінні.

Вхідні: температура, прозорість (каламутність), дисперсність частина (для сферичних – діаметр), гранулометричний склад, фізико-хімічні властивості частинок, опір перегородки.

Керуючий вплив: витрата суспензії, витрата фільтрату .

Проміжні: товщина осаду, витрата реагентів, опір осаду, швидкість фільтрування, продуктивність фільтру, період фільтроциклу.

Вихідні: каламутність (прозорість) фільтрату, перепад тиску.