книги из ГПНТБ / Бушмелев, В. А. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства учебник

где w — скорость свободного отстаивания, определяемая по формуле

Аппараты, предназначенные для проведения процессов отстаива­ ния, называются отстойниками. В зависимости от характера процесса отстаивания эти аппараты делятся на отстойники периодического, непрерывного и полунепрерывного действия.

Аппараты периодического действия характеризуются периодич­ ностью подачи суспензии, отбора осветленной жидкости и выгрузки шлама. К ним относятся так называемые декантаторы для осветления

Осадок

белых щелоков, отстойники для сырой башенной кислоты, отбельного раствора и т. п.

В аппаратах полунепрерывного действия осаждение частиц произ­ водится при движении очищаемой жидкости непрерывно, а удаление осевших загрязнений — по мере их накопления, периодически. К та­ ким аппаратам относятся так называемые песочницы, которые при­ меняются для очистки целлюлозной и бумажной массы от песка и дру­ гих механических примесей, а также отстойники, применяемые в про­ цессах водоочистки.

Отстойники непрерывного действия характеризуются непрерыв­ ностью подачи суспензии, отвода осветленной жидкости и удаления шлама. К ним относятся одноярусные и многоярусные отстойники (уплотнители) Дорра, включаемые в систему непрерывной каустизации, скребковые отстойники для улавливания волокна из оборотных вод, конусные отстойники для осветления воды и т. п.

На рис. 5-1 показана схема отстойника полунепрерывного дейст­ вия, проточного типа (песочницы). Это бетонный канал шириной 1,5—2 м и длиной 25—30 м, по которому движется целлюлозная или бумажная масса со скоростью 12—18 м/мин. Высота потока не должна

97

фективности очистки. Степень очистки возрастает также при умень­ шении скорости движения жидкости и удлинении аппарата. Осевшие частицы скапливаются в грязевиках и удаляются периодически. Не­ достаток подобных аппаратов — их громоздкость. Однако они просты по устройству и могут работать доста­

точно эффективно.

На рис. 5-2 показана схема одно­ ярусного отстойника Дорра для отстаивания белых щелоков. Это ци­ линдр с конусным дном, имеющим небольшой уклон к центру. В центре аппарата имеется вал с гребками, делающий около 0,12—0,25 оборотов в минуту. Вверху по периферии аппарата расположен сливной желоб, в центре дна — патрубок для вы­ хода шлама. Для подачи суспензии на отстаивание в центре аппарата имеется приемный цилиндр с перфо­ рированным дном. Глубина его

погружения выбирается с таким расчетом, чтобы плотность жид­ кости в аппарате на этом уровне и плотность поступающего щелока были приблизительно равны. При выполнении этого условия умень­ шается. опасность перемешивания потоков, что способствует некото­ рому увеличению производитель­ ности аппарата. Щелок из прием­ ного цилиндра растекается по всему сечению аппарата. Медленно пере­ мещаясь от центра к периферии и снизу вверх, он освобождается от взвешенных частиц, сливается в периферийный желоб и выводится из аппарата. Осевшие на дно час­ тицы при помощи гребков переме­ щаются по наклонному дну к цен­ тру и шламовым насосом отводятся из аппарата на промывку.

Для осветления белого и зеле­ ного щелоков применяют главным

образом многополочные, или многокамерные, аппараты Дорра с чис­ лом отстойных камер до 5 и диаметром от 6 до 15 ж (рис. 5-3). Эти аппа­ раты представляют собой как бы поставленные один на другой одно­ ярусные аппараты, что приводит к значительной экономии производст­ венных площадей.

При повышенной концентрации взвешенных веществ исходная суспензия подается на каждый ярус в центр аппарата, а осветленная жидкость отводится с периферии аппарата с каждого яруса. При этом патрубок для отвода осветленной жидкости стараются расположить

98

как можно выше, т. е. под дном вышележащей камеры. Шлам со всех полок сгребается к центру и отводится из аппарата через центральный патрубок нижнего яруса. Если концентрация исходной суспензии невелика, ее всю подают в приемный цилиндр верхней отстойной ка­ меры.

Одноярусные отстойники типа Дорра применяются также для ос­ ветления сточных вод, прошедших обработку в системе биологической очистки. Для осаждения биологического ила служат аппараты диа­ метром до 50 м и больше.

Площадь отстаивания и производительность отстойников

На рис. 5-4 показана схема отстойника периодического действия. Обозначим: F— площадь отстойника; т — продолжительность отстаи­

вания; к — высота осветленной жидкости после отстаивания; G\, G0

Производительность отстойника перйодического действия по ос­ ветленной жидкости равна произведению скорости отстаивания на площадь отстойника. Характерно, что в формулу производительно­ сти не входит высота отстойника.

ходящий поток осветленной жидкости, скорость которого ѵ = — .

F

При сравнении этого выражения с формулой (5-9) получаем w = ѵ. Очевидно, при таких условиях отстойник непрерывного действия ра­ ботать не будет. Необходимо, чтобы скорость отстаивания w превы­ шала скорость восходящего потока ѵ. Практически принимают отно­ шение скорости восходящего потока к скорости отстаивания равным 0,75. Отсюда ѵ = 0,75ш. Подставив это значение в выражение ѵ =

= — , получим формулу производительности отстойника непрерыв­

99

ного действия по осветленной жидкости

Уравнение материального баланса отстойника по жидкости:

G[ = G'o + Gr

Уравнение материального баланса по взвешенному веществу:

G\X{= G0x0-f- G2x2.

Поскольку концентрация твердой фазы х0 в осветленной жидкости

практически равна нулю, G'lx[ = G'2x2, откуда G2= G[ . Подставив

это значение в уравнение материального баланса по жидкости,

пензии. После подстановки в полученное равенство величины Q0 из уравнения (5-9) и решения его относительно F получим формулу площади отстаивания отстойника периодического действия:

Аналогично получаем уравнение для определения площади отстой­ ника непрерывного действия:

входящая в уравнения (5-9) — (5-12), предварительно рассчитывается по формулам свободного или стесненного отстаивания. Высота от­ стойника принимается из конструктивных соображений.

100

Производительность, размеры и площадь отстаивания аппаратов полунепрерывного действия могут быть определены по времени пре­

длина аппарата; h — высота потока; ѵ — скорость потока; w ■— ско­ рость отстаивания.

Минимальный диаметр осаждающихся частиц и эффективность отстаивания

При расчетах, связанных с реконструкцией производства и увели­ чением производительности аппаратуры, часто требуется оценить ее эффективность в новых условиях работы. Такая оценка производится через минимальный диаметр улавливаемых частиц. В качестве опре­ деляющего критерия для этой цели вводится критерий Лященко Ly,

= 18Ly. Эта формула справедлива при R e< 2 . Подставив в нее кри­ тическое значение ReKp = 2, указывающее на границу ламинарного

Аналогично выводим расчетные формулы и устанавливаем пре­ делы их применимости для переходного и турбулентного режимов отстаивания. Таким образом, будем иметь:

Определив по одной из этих формул число Re, можно вычислить минимальный диаметр улавливаемых частиц:

где ц и р — вязкость и плотность среды; w — скорость отстаивания. Как уже отмечалось, отстаивание в жидкой среде чаще всего про­ ходит в ламинарном режиме. Подставив в формулу (5-15) значения

101

Эффективность отстойника может быть вычислена в том случае, если известен фракционный состав взвешенных частиц. Допустим, что он характеризуется следующими данными:

(2,27-ІО- 3 )2

следовательно, режим осаждения ламинарный. Скорость свободного осаждения

(12-10~6)2 (2800— 1138) 9,81

5,75-10 5 м/сек.

18-2,27-ІО- 3

Отношения количества жидкости к количеству твердого вещества в начальной суспензии и в уплотненном шламе

Свободный объем жидкости при концентрации 33,3%

100 — 33,3

_______ КЮ0_______

0,85.

102

в простоте устройства и надежности в работе при любой начальной концентрации суспензии, имеют ряд существенных недостатков. Прежде всего, это небольшая скорость отстаивания и, как следствие этого, громоздкость аппаратуры. Осаждение значительно ускоряется, если его проводить в поле центробежной силы. При этом размеры ап­ паратов уменьшаются. В связи с тем, что при работе на концентриро­ ванных суспензиях в аппаратах центробежной очистки возникают за­ труднения с удалением уловленных частиц, очистку в поле центро­ бежной силы применяют только для низкоконцентрированных суспен­ зий. Метод центробежного разделения, в частности очистка целлюлоз­ ной и бумажной массы от загрязнений минерального характера, широко распространен в промышленности.

Фактор разделения

При любом изменении направления движения частицы возникает сила инерции, направленная перпендикулярно касательной ее траек­

рением центробежной силы. Таким образом, фактор разделения можно также определить, как отношение ускорения центробежной силы

кускорению силы тяжести.

Внекоторых случаях фактор разделения целесообразно выразить

не через окружную скорость, а через число оборотов п в минуту. По-

103

кращения постоянных равен

п-г

(5-21)

900 ’

где И = м. Формула (5-21) применяется для расчета фактора разде­ ления центрифуг с вращающимся барабаном, а предыдущая формула (5-20) — для стационарных очистных аппаратов, называемых гидро­ циклонами.

Скорость осаждения

По аналогии с выводом уравнений скорости отстаивания скорость осаждения под действием центробежной силы может быть определена из условия С — AU< S , где — выталкивающая сила, подобная архимедовой силе А, но характерная для поля центробежной силы. Поскольку С = 0G и Лц = ФА, получаем Ф (G—А) < S. Это соотно­ шение является условием выделения частиц из жидкости в поле цен­ тробежной силы. Поскольку оно отличается от соответствующего ус­ ловия процесса отстаивания только фактором'разделения Ф, то по­ сле подстановки в него величин G, А и S и преобразований получим формулу, аналогичную формуле (5-1), но отличающуюся от нее лишь наличием фактора разделения:

Эта формула связывает'величину ФАг с критерием Re и коэффи­ циентом сопротивления К. Подставив в нее значения из формул (2-15), (2-16) и (2-17), получим расчетные формулы, аналогичные формулам

(5-2), (5-3) и (5-4):

для ФАг < 3 6 (ламинарный режим) R e= — (АгФ); (5-23)

18

дляФАг = 36ч-84000(переходныйрежим^е = 0,15(АгФ)°''15; (5-24)

для Ф А г> 84 000 (турбулентный режим) Re = 1,74 (Ar Ф)0,5. (5-25)

Зная число Re, скорость осаждения молено определить но формуле (5-5). Для ламинарного релеима (Аг Ф <36) скорость осаледения равна

18 ^

Гидроциклоны

Для очистки целлюлозной и бумаленой массы применяют кониче­ ские и цилиндрические гидроциклоны.

Конические гидроциклоны

Рассмотрим устройство и принцип действия конического гидро­ циклона (рис. 5-5). Конический гидроциклон (центриклинер) — это полый конус (угол конусности около 10°) с тремя отверстиями: для

104

ввода очищаемой суспензии, выхода очищенной массы и выброса от­ ходов. Входной патрубок с круглым или квадратным сечением распо­ ложен тангенциально в верхней части аппарата. Здесь же имеется выходной патрубок, ось которого совпадает с осью аппарата. Отходы удаляются через нижнее отверстие. Сечение входного патрубка равно сечению патрубка для отвода очищенной массы или немного меньше его. Диаметр отверстия для отходов составляет 0,5 — 0,25 диаметра патрубка очищенной массы. Нижняя часть конуса съемная.

Масса в аппарат подается под давлением со значительной ско­ ростью. Благодаря тангенциальному вводу жидкость внутри аппарата

входе жидкости в аппарат число ее оборотов достигает 300—350 в ми­ нуту. Угловая скорость слоев жидкости в любом произвольном гори­ зонтальном сечении потока возрастает от периферии к центру, что объясняется увеличением сил трения вблизи стенок.

Для эффективного разделения суспензий нужно обеспечить высо­ кие окружные скорости. Для этого наряду с увеличением давления жидкости на входе нужно уменьшить потери на трение и избежать турбулизации потоков внутри аппарата. Поэтому внутренняя поверх­ ность гидроциклона должна быть как можно более гладкой.

На жидкость в гидроциклоне действует сложная система сил. Наи­ более существенными из них будут центробежная сила и давление. В плоскости горизонтального сечения по направлению от стенки аппа­ рата к центру и по мере движения жидкости вниз давление снижается, а центробежная сила возрастает. Очищаемая жидкость и загрязнения по-разному реагируют на эти силы. В соответствии с распределением давления жидкость в аппарате перемещается к центру и в нижнюю

105

часть аппарата. Более тяжелые загрязнения, двигающиеся вместе с жидкостью, проходя объемы с постепенно нарастающей центробеж­ ной силой, сначала замедляют свое движение к центру. При дальнейшем движении жидкости вниз движение частиц к центру приостанавли­ вается, а затем они начинают двигаться от центра к периферии и осаж­ даются на поверхности гидроциклоиа. Опускаясь спиралеобразным потоком по поверхности конуса вниз, загрязнения выводятся через нижнее отверстие вместе с некоторым количеством очищенной жидко­ сти. Основная масса очищенной жидкости отжимается к центру и вос­ ходящим спиралеобразным потоком выводится из аппарата через верх­ ний центральный патрубок.

Для очистки целлюлозной и бумажной массы применяются конус­ ные трубки диаметром от 300 до 75 мм в верхней части и соответственно 100—12,5 мм внизу. Производительность таких аппаратов составляет 3200—75 лімин. Давление массы на входе 2,8—3,5 сипи, а на выходе 0,2—1 ати. В таких условиях гидроциклоны работают без образова­ ния центрального воздушного столба. Оптимальная концентрация массы около 0,5—1%. Повышение концентрации возможно; это уве­ личивает производительность аппарата по сухому волокну, но до некоторой степени снижает эффективность очистки. С увеличением перепада давления эффективность аппарата возрастает. Степень очистки и производительность аппарата можно регулировать также изменением сечения отверстия для отходов путем смены насадки. С уменьшением этого отверстия производительность увеличивается, но эффективность очистки снижается.

Вцеллюлозной и бумажной массе могут находиться загрязнения

сменьшей плотностью, чем масса. Эти загрязнения сосредоточиваются

вцентре гидроциклона и уходят вместе с очищенной массой. Для того чтобы их отделить, верхний выходной патрубок изготовляют по типу «труба в трубе». Через кольцевое сечение в этом случае удаляется очи­ щенная масса, через центральную трубу — легкие загрязнения.

Гидроциклоны, работающие с центральным воздушным столбом, применяются как для очистки суспензий от тяжелых загрязнений, так и для удаления из них газов. Такие аппараты для более эффектив­ ного отсоса газов соединяют с вакуум-насосами. Чаще всего они имеют цилиндрическую форму и применяются для удаления воздуха из бу­ мажной массы перед подачей ее на сетку машины.

Впоследнее время стали применять также двухкамерные гидро­ циклоны, которые представляют собой два гидроциклона, соединенных по оси. Нижняя трубка делается примерно в 2 раза короче верхней.

Вверхней трубке масса очищается обычным способом, а в нижней про­ мываются отходы, для чего имеется тангенциальный подвод воды. От­ мытое от массы волокно переходит в верхнюю трубку и удаляется вме­ сте с очищенной массой.

Гидравлические сопротивления

Перепад давления Ар между входом и выходом жидкости в аппа­ рате зависит от критерия Рейнольдса во входном патрубке ReBX, про­ изводительности гидроциклона по начальной суспензии Q и по очи-

106