ПАХТ (все лекции)

а) б)

Рис. 4.25 Схемы фильтрующих центрифуг непрерывного действия: а – с инерционной выгрузкой, б – со шнековой выгрузкой осадка.

Фильтрующая центрифуга с инерционной выгрузкой осадка применяется для обезвоживания крупнозернистых материалов. Непрерывная выгрузка осадка осуществляется за счет центробежной силы. Для регулирования продолжительности обезвоживания используется шнек, который вращается медленнее барабана. Осадок регулируемой скоростью перемещается вниз и выгружается через патрубки.

В тех случаях, когда разделяемая суспензия содержит крупные твердые частицы и их измельчение допустимо, применяются центрифуги со шнековой выгрузкой осадка. Осадок при помощи шнека непрерывно перемещается справа налево, а жидкость за счет центробежных сил течет в другую сторону. Шнек вращается с меньшей скоростью, чем барабан. Возможно регулирование скорости перемещения осадка.

а) б)

Рис. 4.26 Схемы фильтрующих центрифуг непрерывного действия: а – с вибрационной выгрузкой осадка, б – с пульсирующей выгрузкой осадка.

Одной из эффективных конструкций фильтрующих центрифуг непрерывного действия с инерционной выгрузкой осадка является вибрационная центрифуга. Барабан в виде усеченного конуса.

Под действием вертикальной составляющей центробежной силы и сил инерции, обусловленными вибрациями барабана, осадок перемещается по стенкам барабана вверх, через верхний открытый край барабана поступает в кожух и затем удаляется из центрифуги.

Такие центрифуги применяются в основном для разделения грубых суспензий. В фильтрующей центрифуге с выгрузкой осадка пульсирующим поршнем

суспензия подается непрерывно, а осадок периодически выталкивается поршнемтолкателем из барабана. Обычно поршень толкатель совершает 10 – 15 движений в минуту.

Измельчение осадка или разрезание волокон при выгрузке осадка пульсирующим поршнем происходит в меньшей степени, чем при других способах механической выгрузки (ножом, шнеком).

4.5. Выбор аппаратов для разделения НС

При выборе аппаратуры приходится учитывать несколько факторов:

-требуемое качество разделения НС;

-требуемая степень очистки НС;

-требуемые технико-экономические показатели;

-экологические требования;

-технологические требования и другие.

Аппараты для очистки ГНС

При очистке газовых потоков от пыли необходимо учесть:

-свойства пыли (влажность, гигроскопичность, слипаемость, возгораемость и т.д.);

-дисперсный состав пыли;

-начальное содержание пыли в очищаемом газе;

-требуемая степень очистки газа;

-количество очищаемого газа и его физические и химические свойства;

-технико-экономические показатели работы пылеуловителей.

В табл. 1 и 2 приведены ориентировочные данные по выбору аппаратов пылеочистки, которые показывают, что сухие инерционные пылеуловители и циклоны пригодны лишь для отделения сравнительно крупных частиц и могут быть использованы для предварительной грубой очистки от сухой, неслипающейся и неволокнистой пыли. Однако эти аппараты не требуют больших капитальных и эксплуатационных затрат, а также значительных производственных площадей.

Циклоны и батарейные циклоны целесообразно применять для очистки газов с высоким содержанием пыли, причем при больших расходах очищаемого газа рекомендуется применять батарейные циклоны.

Рукавные фильтры используются для тонкой очистки газов от сухой пыли (улавливание цемента, сажи, окислов цинка и т.д.). Они эффективны при очистке газов от волокнистой, но не от влажной и липкой пыли.

Очистка газов от тонкодисперсной пыли осуществляется мокрыми пылеуловителями. Однако они могут применяться лишь в тех случаях, когда допустимо или желательно охлаждение и увлажнение очищаемого газа, а отделяемая пыль не взаимодействует с орошаемой жидкостью.

Таблица 2

Сравнительная характеристика аппаратов

Аппараты для разделения ЖНС

Наиболее простыми аппаратами для разделения суспензий являются отстойники. Они характеризуются небольшими капиталовложениями и эксплуатационными затратами. Степень очистки у них низкая и они могут быть использованы лишь для предварительной грубой очистки. В поле центробежных сил

более энергоемкий процесс. Аппараты, особенно центрифуги, значительно дороже. Наиболее эффективный процесс разделения суспензий – фильтрование.

Большим достоинством процесса фильтрования в сравнении с осаждением является возможность полного удаления из суспензий содержащихся в них твердых частиц. Фильтрование – сложнее в организации рабочего процесса, но эффективнее (выше степень очистки) и интенсивнее (выше производительность).

4.6. Методы повышения эффективности разделения НС

Производительность аппаратов по разделению НС зависит от скорости осаждения частицы, а скорость осаждения – от её диаметра.

Увеличение скорости осаждения может быть частично достигнуто с уменьшением вязкости дисперсионной среды. Нагрев среды с этой целью экономически невыгоден, добавка химреактивов вызывает дополнительные трудности. Укрупнение частиц может быть достигнуто коагуляцией.

Коагуляция – процесс слипания частиц НС. Процесс реализуется при добавлении в НС коагулянтов, перемешиванием НС и другими способами.

Коагуляция особенно желательна в тех случаях, когда НС необходимо отделить от устойчивой взвеси весьма мелких или коллоидных систем.

Флокуляция. Разновидностью коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в НС, образуют рыхлые хлопьевидные агрегаты – флокулы.

Классификация – разделение полидисперсных твердых частиц на отдельные фракции. Разделение частиц одной фракции НС можно организовать легче и дешевле.

Магнитная обработка ЖНС – перспективный метод разделения. Вода, обработанная в магнитном поле, в течение длительного времени сохраняет измененные свойства, например, пониженную смачиваемую способность. Уменьшение сил поверхностного натяжения приводит к улучшению процесса разделения твердой частицы.

Флотация. Разделение ЖНС можно выполнить флотацией. Флотация – процесс прилипания пузырьков воздуха к плохо смачиваемым (гидрофобным) частицам. Пузырьки (пена) с частицами удаляются с поверхности жидкой фазы. При этом

плохо смачиваемые (гидрофобные) частицы разделяются от хорошо смачиваемых (гидрофильных), которые оседают на дно аппарата.

5. ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

Перемешиванием называется процесс непрерывного обновления поверхностей взаимного соприкосновения материальных частиц.

Взависимости от агрегатного состояния и физических свойств фаз, участвующих

впроцессе перемешивания, различают:

-перемешивание в жидкой среде;

-перемешивание сыпучих тел;

-перемешивание пластических (пастообразных) тел;

-перемешивание газов (паров) и жидкостей.

Перемешивание сыпучих и пластических тел иногда называют смешением. Цели процесса перемешивания:

-получение однородных гомогенных или гетерогенных систем – растворов, суспензий, эмульсий;

-интенсификация тепло- и массообменных процессов в гомогенных и гетерогенных системах;

-интенсификация химических реакций.

Процесс перемешивания характеризуется интенсивностью и эффективностью, а также расходом энергии на его проведение.

Интенсивность перемешивания. Интенсивность перемешивания определяется количеством энергии, подводимой к единице объема (массы) перемешиваемой среды за единицу времени. Интенсивность перемешивания обусловлена характером движения среды в аппарате. Повышение интенсивности перемешивания всегда связана с увеличением энергозатрат, а технологический эффект от перемешивания имеет определенные пределы. Поэтому интенсивность перемешивания следует определять исходя из условий достижения максимального технологического эффекта при минимальных энергозатратах.

Эффективность перемешивания – это технологический эффект процесса перемешивания, характеризующий качество проведения процесса. В зависимости от назначения перемешивания эту характеристику выражают различным образом. При использовании перемешивания для интенсификации тепло-, массообменных и химических процессов его эффективность можно выражать соотношением кинетических коэффициентов при перемешивании и без него. При получении однородных гомогенных и гетерогенных систем эффективность характеризуется равномерностью распределения (степени однородности) фаз в этих системах. Перемешивание резко увеличивает коэффициент тепло- и массоотдачи дисперсионной среды.

Оценим степень однородности системы. Пусть степень однородности системы, характеризуемая некоторым параметром (например температура или

концентрация). При достижении полностью однородной массы, этот параметр во всех точках объема был бы одинаковым, равным cp . В действительности пробы,

взятые в разных точках объема, могут иметь различные значения i . Тогда в качестве характеристики неоднородности можно принять относительное значение среднеквадратичного отношения параметра от cp в пределах взятых проб.

Для вполне однородной массы cp 0 .

В промышленности наибольшее распространение получил процесс перемешивания в жидкой среде.

5.1. Перемешивание в жидкой среде

Технологическое назначение перемешивания в жидкой среде разнообразно. Оно применяется для проведения с целью гомогенизации гидромеханических процессов (эмульгирование, суспендирование, диспергировнание), массообменных (кристаллизация, растворение, экстракция, электролиз, абсорбция), теплообменных (выпаривание, нагревание, охлаждение) и химических процессов (гомогенные и гетерогенные реакции).

Перемешивание в жидкой среде осуществляется тремя способами: механическим, пневматическим и гидравлическим.

5.1.1. Механическое перемешивание

Механическое перемешивание в жидкой среде осуществляется с помощью мешалок различного типа. Мешалки состоят из комбинации лопастей, насаженных на вращающийся вал. Лопасти мешалок имеют разнообразную геометрическую форму и в зависимости от формы вращаются с разной угловой скоростью.

а) б) в) г)

Рис. 5.1. Схемы мешалок: а – лопастная, б – якорная, в – пропеллерная, г – турбинная.

По скорости вращения мешалки условно разделяют на две группы:

-тихоходные (лопастные, якорные), у которых окружающая скорось концов лопастей ~ 1 м/с.

-быстроходные (пропеллерные, турбинные), у которых окружная скорость порядка 10 м/с.

Чтобы избежать вращения жидкости в аппарате вместе с лопастями мешалки, на внутренней поверхности мешалок устанавливают отражатели.

Простые лопастные мешалки применяются для перемешивания жидкостей малой вязкости. Для более вязких жидкостей рекомендуется использовать рамные, листовые мешалки. Якорные мешалки рекомендуется использовать для циркуляционного перемешивания суспензий.

Пропеллерные мешалки создают циркуляцию жидкости в осевом направлении. Они применяются для перемешивания мало- и средневязких жидкостей.

В турбинных мешалках жидкость с двух сторон вдоль оси всасывается в турбину

ивыбрасывается по радиусу вращения, образую интенсивную циркуляцию. Турбинные мешалки применяются для перемешивания любых жидкостей и суспензий.

Движение жидкости в аппарате с мешалкой

При работе мешалок возникает сложное трехмерное движение жидкости: тангенциальное, радиальное и аксиальное. Тангенциальное движение является основным, первичным.

Под действием центробежной силы жидкость стекает с лопасти в радиальном направлении. Дойдя до стенки аппарата, этот поток делится на два: один движется вверх, другой – вниз. За счет радиального течения жидкости в центральной части аппарата возникает зона пониженного давления. Туда, в центральную часть

аппарата, устремляются потоки от дна и от свободной поверхности. Таким образом, возникает аксиальное течение жидкости, возникает устойчивая циркуляция жидкости во всем объеме аппарата. Циркуляционные потоки характеризуются скоростью вращения мешалок. Существенное влияние на них оказывает вязкость перемешиваемых жидкостей. С ростом вязкости циркуляционные потоки замедляются, что снижает эффективность процесса перемешивания.

Определим модифицированное число Рейнольдса для описания процесса перемешивания. Вместо линейной скорости жидкости, среднюю величину которой при перемешивании установить практически невозможно, возмем nd, пропорциональную тангенциальной (окружной) скорости мешалок:

где n – число оборотов мешалки, d – диаметр мешалки.

В качестве определяющего линейного размера возьмем диаметр мешалки d. Тогда получим:

обеспечивает интенсивное трехмерное течение всей массы жидкости в аппарате. При работе мешалок на поверхности жидкости возникает воронка, глубина

которой пропорциональна окружной скорости мешалки. Воронки снижают эффективность их работы. Для предотвращения образования воронки у стенок аппарата устанавливают радиальные отражательные перегородки.

5.1.1.1. Расход мощности на перемешивание

Процесс перемешивания характеризуется сложным распределением скоростей в объеме аппарата. Невозможность точного теоретического описания этой сложной гидродинамической обстановки не позволяет построение теоретического расчета мощности на механическое перемешивание жидкостей.

В связи с этим используем упрощенный подход к решению рассматриваемой задачи. Предположим, что лопасть мешалки вращается в неограниченном объеме покоящейся жидкости. Тогда сила гидродинамического сопротивления встречаемая площадью dF dr h лопасти при скорости её движения wокр

определится следующим образом:

Рис. 5.2 Схема механической мешалки.

Полную мощность N, потребляемую мешалкой, можно найти интегрированием правой части зависимости (5.5) от 0 до R:

В тех случаях, когда действие силы тяжести незначительно, другими словами, влиянием на процесс воронкой можно пренебречь, уравнение (5.8) может быть упрощено:

Euм Reм, Г1, Г2... или

Коэффициенты уравнения (5.9) A,n1,n2,n3...устанавливаются экспериментально. Для наиболее распространенных типов мешалок в литературе приводятся экспериментальные кривые зависимости Kn от Reм (рис. 5.3).

Рис. 5.3 Зависимость KN f ReM для нормализованных мешалок: 1 – лопастная,

2 – лопастная с перегородками, 3 – якорная, 4 – турбинная открытая с отражательными перегородками.