книги из ГПНТБ / Романков, П. Г. Гидромеханические процессы химической технологии

свойствами данной суспензии с учетом изменения гранулометри­ ческого состава твердой фазы.

Инженерный расчет отстойника сгустителя или осветлителя включает определение площади осаждения или диаметра аппа­ рата, а также его высоты.

П л о щ а д ь о с а ж д е н и я отстойника обычно рассчитывается как максимально необходимая на единицу получаемой твердой фазы при данной концентрации суспензии. Из уравнения мате­

Разделим обе части уравнения (4-115) на площадь поперечного се­ чения отстойника F и введем плотность суспензии рс. Заметим, что отношение Vm[F = w по уравнению расхода осветленной жидко­ сти *. Тогда

на или меньше скорости осаждения частиц твердой фазы. Поэтому в дальней­ шем расчете можно считать w — wо?.

137

Для лимитирующего работу отстойника слоя ЕсС0 = ѴпрСпр [аналогично уравнению (4-111)]. После подстановки этой зависимо­ сти в уравнение (4-116) получим:

ее гранулометрического состава, а также в предположении, что в

откуда следует, что производительность отстойника не зависит в явном виде от его высоты.

В ы с о т а о т с т о й н и к а при разделении суспензий обычно имеет менее важное значение, чем время пребывания частиц твер­ дой фазы в этом аппарате. Однако известно [13], что зона уплотне­

133

ния осадка увеличивается с уменьшением скорости восходящего потока осветленной жидкости. Причем объем уплотненной зоны определяет необходимое время пребывания твердых частиц в от­ стойнике. Если представить скорость осаждения как функцию про­ должительности процесса, то кривая уплотнения осадка, получен­ ная экспериментально (рис. 4-21), может быть продифференциро­ вана и выражена зависимостью:

мость ln ,h - Af° = / ( т) — прямая а на рис. 4-22). Тангенс угла

hкр

наклона прямой равен k.

Определение критической концентрации довольно затруднитель­ но, так как периодическое осаждение для построения исходной кри­ вой h = /(т) (см. рис. 4-21) не дает возможности найти истинное время начала уплотнения шлама. Поэтому было предложено опре­

делять тКр [14] по среднему арифметическому ho и ho (рис. 4-22). Критическое время рассматривается как время осаждения суспен­ зии, при достижении которого осадок твердых частиц начинает уплотняться. Так как из-за различного гранулометрического со­ става одни частицы начинают уплотняться раньше, чем наступит тКр, а другие — позже, то время пребывания частиц твердой фазы в зоне уплотнения может быть определено как разность между вре­ менем, необходимым для заданной концентрации твердого в осад­

139

найден как сумма объема, занятого твердой фазой, и объема жид­ кости, включенного в пространство между частицами:

т

(4-123)

кр

где ѴсСо — количество твердой фазы, подаваемое с питанием в от­ стойник в единицу времени, кг/ч; Wm/Wтв — массовое отношение Ж :Т в зоне уплотнения, кг/кг; т — тКр — время пребывания твер­ дой фазы в зоне уплотнения; ртв и рж — плотность твердой и жид­ кой фаз соответственно, кг/м3.

По опытным данным C = f(т) интеграл в уравнении (4-123) может быть определен графически и после расчета объема зоны уплотнения V находится высота зоны уплотнения делением V на величину Fос, найденную по уравнениям (4-117), (4-118) или

(4-119).

Общая высота отстойника включает кроме высоты зоны уплот­ нения /іу высоту затопления загрузочной трубы (зоны питания), равную 0,3—1 м, высоту конусности днища (0,3—0,6 м) и высоту промежуточной зоны (0,3—0,6 м) *. Общая высота отстойников нормализована и обычно не превышает 1,8—4,5 м, а для отстойни­ ков очень больших диаметров — 7 м.

Многочисленные исследования [15] работы различных отстой­ ных аппаратов включают разработки методов расчета промышлен­ ных отстойников — сгустителей и осветлителей для суспензий, имеющих самые различные физические свойства. В частности, пер­ спективное значение имеют работы по изучению условий сгущения легко сегрегирующихся суспензий [11], так как разделение многих промышленных суспензий может быть ускорено добавками флокулянтов.

Непрерывнодействующие многоярусные отстойные аппараты в некоторых случаях могут конкурировать с требующими больших площадей (порядка нескольких гектаров) отстойными бассейнами биологической очистки, методы расчета и проектирования которых еще только начинают развиваться.

поправочный коэффициент, равный 1,75, обеспечивающий максимальную концен­ трацию осадка.

140

Оптимальные условия разделения суспензий осаждением

В тех случаях, когда осаждение твердых частиц в суспензии происходит очень медленно, для ускорения процесса разделения кроме температурного воздействия применяются следующие спо­ собы: 1) добавка флокулянтов; 2) классификация; 3) флотация; 4) замена жидкой среды; 4) дефлокуляция.

Механизм действия флокулянтов может характеризоваться: 1) нейтрализацией отталкивающих электрических зарядов твердых частиц малого диаметра; 2) осаждением объемных флокул (напри­ мер, гидроокиси металлов), улавливающих мелкие твердые ча­ стицы; 3) созданием «мостиков» между частицами с помощью вы­ сокомолекулярных соединений. При выборе флокулянта следует учитывать возможность загрязнения конечного продукта, а также химическую активность флокулянта. Обычно флокулянты добав­ ляются непосредственно в трубопровод перед загрузкой суспензии в отстойник. При дефлокуляции разрушаются агрегаты частиц, если суспензия лучше осаждается при диспергированном состоя­

нию.

Классификация проводится (в аппаратах переменного сечения) для отделения от основного крупного продукта относительно ма­ лых количеств мелочи (например, при кристаллизации). Классифи­ кация может осуществляться с помощью гидроциклонов и центри­ фуг под действием центробежной силы разделения. Мелкие частицы могут также флотироваться из суспензии путем ее продувания воз­ духом.

Применение того или иного способа изменения скорости оса­ ждения в значительной степени зависит от концентрации суспен­ зии. В ряде случаев условия осаждения становятся более эффек­ тивными при разбавлении суспензии. В литературе [16] приводятся рекомендации по применению различных флокулянтов.

Пылеосадительные камеры

Осаждение частиц пыли (или капель жидкости) в потоке газа под действием силы тяжести производится обычно с целью очистки газа от примесей в аппаратах различной конструкции, из которых наиболее характерны пылеосадительные камеры (рис. 4-23). Они предназначены для грубой очистки газов (диаметр осаждающихся частичек пыли может изменяться в пределах от ~ 1 мм до 100 мкм и достигаемая степень очистки в среднем не превышает 40—50%). Расчет пылеосадительных камер аналогичен расчету отстойников. Скорость осаждения обычно рассчитывается по уравнениям, приве­ денным в начале главы (см. стр. 121). Однако при этом не учиты­ вается величина инерционного пробега частиц [17] вследствие неравномерности скорости осаждения.

141

Оптимальная длина L пылеосадительной камеры:

скорость осаждения, м/с.

При расчете L,- необходимы опытные данные для определения коэффициента сопротивления среды с учетом инерционных членов при замедленном движении вдоль пылеосадительной камеры, а также знание распределения скоростей потока газа по объему

Рис. 4-23. Схема пылеосадительной камеры.

камеры. Подробный расчет значения L, приведен в литературе [17]. Так, например, для частиц известняка размером 5 -ІО-4 м при изме­ нении скорости потока газа в камере от 30 до 1 м/с длина инер­ ционного пробега составит L{ ä; 10 м.

Степень очистки газа от пыли (эффективность пылеулавлива­ ния) можно вычислить по формуле:

где г\і фракционная степень очистки; щ — доля частиц г’-й фрак­ ции в потоке; woc. j и wuc. K— скорость осаждения г-й и крупной фракций соответственно.

Таким образом, для определения эффективности пылеулавли­

вания необходимо знать распределение частиц твердой фазы по размерам.

^Осаждение твердой фазы из жидкой или газовой среды под действием силы тяжести как метод разделения неоднородных си­ стем осуществляется с низкими скоростями потоков и, следова­ тельно, требует больших аппаратурных объемов. Скорость осажде­

ния частиц значительно возрастает, если вести процесс в поле не гравитационных, а центробежных сил.

142

О С А Ж Д Е Н И Е ПОД ДЕСТВИЕМ ЦЕ НТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ

Эффективность центробежного разделения неоднородных си­ стем характеризуется центробежным критерием Фруда, представ­ ляющим соотношение центробежной силы и силы тяжести:

Величина Fr4 часто называется фактором разделения и обо­ значается Кр или Кц. Осаждение твердых частиц под действием центробежной силы рассмотрим на примере разделения неоднород­ ной системы газ — твердое тело. Этот процесс осуществляется в аппаратах, называемых циклонами. В циклонах прямолинейное

движение газового потока преобразуется в криволинейное — вра­ щательное.

Циклоны

Применение центробежной силы позволяет существенно увели­ чить пределы разделения неоднородных пылегазовых систем. В ци­ клонах различных конструкций можно отделять частицы пыли раз-

Размер частиц пыли, мкм

Рис. 4-24. Области применения циклонов (кривые соот­ ветствуют циклонам различных марок).

мерой ~ 10 мкм (рис. 4-24), в зависимости от концентрации твер­ дой фазы в газе. Несмотря на то, что циклоны широко приме­ няются в промышленности в течение нескольких десятков лет, иду­ щий в них процесс разделения неоднородных систем до сих пор недостаточно исследован из-за сложности гидродинамической

143

обстановки. Поэтому выбор циклонов до сих пор опирается в основ­ ном только на эмпирические данные, в связи с чем в промышлен­ ности применяется большое число самых разнообразных конструк­ ций этих аппаратов (рис. 4-25).

Рис. 4-25. Типы циклонов:

в —НИИОГАЗ (ЦН-11, ЦН-І5 и ЦН-24, угол а равен 11°, 15° и 24° соогветственно); б-СИОТ; s -ВЦНИИОТ; а —СДК-ЦН-33 и СК-ЦН-34.

Современное состояние теории циклонирования изложено в ряде работ [18]. В основе процесса центробежного разделения рассма­ тривается следующая физическая модель. Запыленный газовый поток входит в нормальный циклон через патрубок, расположен­ ный тангенциально к цилиндрической пылеосадителыюй камере, проходит по окружности вокруг выходной трубы и движется спи­ рально вниз по стенке конуса и затем вверх, в выходную трубу. Диаметр восходящего по спирали потока (ядро вихря) почти равен диаметру выходной трубы (рис. 4-26). Поток газа на входе в цик­ лон движется с ускорением в кольцевом пространстве между стен­ ками кожуха циклона и выходной трубы. Кинетическая энергия кольцевого потока диссипируется в результате обмена количеств

144

движения с обратными потоками, возникающими на границах застойных зон.

Осаждение твердой фазы происходит под действием центробеж­ ной силы при вращении газового потока [см. уравнение (4-62)]. Частица пыли в циклоне, находящаяся в наиболее благоприятных условиях осаждения, перемещает­ ся с потоком газа по траектории, показанной на рис. 4-27. На час­ тицу, взвешенную в потоке, дей­ ствуют следующие силы: 1) цент­ робежная Gix = m wljr; 2) тяже­

сти GT = niig; 3) сопротивления среды Fc — ЗлгічЦо^ос и 4) архи­ медова сила (сила противодавле­ ния) Ga = m2g. Поскольку силой тяжести и архимедовой силой при циклонировании газового потока можно пренебречь, для определе­ ния продолжительности процесса разделения неоднородной систе­ мы Г — Т следует сопоставить действие центробежной силы G4 и силы сопротивления Fc.

При этом окружную скорость газового потока wT удобно вы­ разить через угловую wr = cor, а скорость осаждения woc (рав­ ную радиальной скорости ѵг) как производную пути по времени w oc — d r /d j.

В зависимости от режима осаждения з а к о н с о п р о т и в ­ л е н и я движению частицы меняется. Рассмотрим два предельных случая.

1. Осаждение характеризуется законом Стокса. В этом случае Re <7 0,2 (из потока выделяется наиболее мелкая пыль). При усло­ вии Оц = Fс получим:

145

Разделим переменные и проинтегрируем:

тг2

После интегрирования получим зависимость для определения вре­ мени, необходимого для выделения пыли из газа:

ная составляющая скорости ѵг также постоянна на всей цилиндри­ ческой поверхности, обозначенной пунктиром на рис. 4-26 и 4-28.

Предельный размер частиц, осаждающихся по закону Стокса:

или, если задаться временем пребывания газа в циклоне, то из уравнения (4-129) получим:

146