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

банами и распределяется по поверхности отстойного барабана. За счет центробежной силы частицы осаждаются на этой поверхности, а ос­ ветленная жидкость под некоторым давлением удаляется из центри­ фуги через специальное герметическое устройство со стороны широ­ кого конца барабана. Осадок с помощью шнека перемещается по внут­ ренней поверхности отстойного барабана в сторону меньшего диаметра и выводится из центрифуги.

В, некоторых конструкциях центрифуг отстойный барабан имеет цилиндрическо-коническую форму. Длина цилиндрической части при­ мерно соответствует длине эффективной поверхности конической цен­ трифуги.

Центрифуги со шнековой выгрузкой могут работать как сгусти­ тели с числом оборотов барабана 2000—3000 в минуту и как осветли­

ОсаОй'к

Рис. 5-10. Центрифуга непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка:

1 — барабан; 2 — шнек

тели с числом оборотов 6000—8000 в минуту. Шнековый барабан де­ лает оборотов на 2—3% меньше, чем отстойный. Давление жидкости на выходе достигает 30 м вод. ст. В связи с этим потребность в насосе для откачки осветленной жидкости отпадает.

'Расчет центрифуг со шнековой выгрузкой осадка производится в том же порядке, что и центрифуг с периодической выгрузкой. Эффек­ тивная длина центрифуги L здесь значительно меньше общей длины конического барабана и зависит от угла конусности и ширины борти­ ков N. Другая часть длины барабана служит для обезвоживания, осадка. При определении фактора разделения расчетный радиус при­

нимается равным г = -5---- N. Эквивалентная поверхность осажде­ ния равна

(5-48)

Величина F0 может быть определена и по формуле (5-45).- Центрифуги со шнековой выгрузкой осадка применяют для окон­

чательного концентрирования скопа оборотных вод после скребковой ловушки и других отстойников; начальная концентрация около 0,5%, конечная — около 40—50%. Они могут быть использованы также для

117

очистки щелоков от шлама с начальной концентрацией от 2—3 до 10—12%. Концентрация осадка на выходе по-прежнему 40—50%.

■ Схема непрерывно действующей тарельчатой центрифуги показана на рис. 5-11. Она состоит из барабана, внутри которого вместе с ним вращается пакет тарелок с конусными поверхностями. Жидкость на очистку подается через центральную трубу и распределяется между тарелками через специальные отверстия в тарелках,, сделанных на небольшом расстоянии от их края. Боковая поверхность барабана имеет отверстия для выхода сгущенной суспензии. Легкая часть жид­ кости проходит между тарелками к центру и удаляется через кольце­ вое сечение трубы в верхней части центрифуги. Чем больше число та­ релок в пакете, тем больше эффективная поверхность осаждения и

тем больше производительность центрифуги. Эквивалентная по­ верхность осаждения в такой цен­ трифуге определяется по формуле

F ^ i D ^ N , (5-49)

Более точно, с учетом всех размеров, эквивалентную поверхность определяют по формуле

Тарельчатые центрифуги рассмотренного и других типов приме­ няют для сепарирования дрожжевой суспензии, очистки масел и т. п.

Производительность центрифуг

Зная эквивалентную поверхность осаждения центрифуги и вычис-- лив по формулам (5-5) и (5-6) скорость отстаивания, производитель­ ность центрифуги по осветленной жидкости можно определить по фор­ муле (5-9). Производительность по объему исходной суспензии из формулы (5-11) равна

118

Хх и jc2 — концентрации исходной суспензии и осадка.

Пример 2. Определить производительность центрифуги для условий улав­ ливания частиц диаметром 10 мкм, если плотность частиц 2800 кг/м3, плотность

Q = 75-6,53-10_ 5 -3600= 17,6 м3/ч.

Пример 3. Вычислить минимальный диаметр улавливаемых частиц в освет­

Принцип разделения фильтрацией заключается в пропускании неоднородной системы через пористую перегородку. При этом взве­ шенные вещества задерживаются перегородкой, а внешняя диспер­ сионная фаза свободно проходит через ее отверстия и поры. Путем фильтрации могут быть разделены жидкие и газовые неоднородные системы лишь с твердой дисперсной фазой, т. е. суспензии и запылен­ ный газ. Наибольшее практическое значение имеет фильтрация сус­ пензий.

В зависимости от концентрации взвешенных веществ в исходной суспензии и образующемся осадке, а также от назначения процесса,

119

можно выделить следующие виды фильтрации: фильтрация с образо­ ванием слоя высококонцентрированного осадка с целью его промывки и дальнейшей обработки; фильтрация, предназначенная для увеличе­ ния концентрации суспензий в небольших пределах, тг е. сгущение; фильтрация жидкостей с незначительным содержанием взвешенных веществ, необходимая для дальнейшего использования жидкостей, т. е.

Фильтрацию применяют при обезвоживании целлюлозной и бу­ мажной массы, при очистке белых щелоков, свежей производствен­ ной воды, осветлении оборотной воды, сырой башенной кислоты и т. п. Кроме того, фильтрация сопутствует таким технологическим про­ цессам, как промывка целлюлозы в диффузорах, сцежах и на фильт­ рах. Основным достоинством фильтрации является сравнительно вы­ сокая скорость процесса и, как следствие этого, компактность обору­ дования.

Движущая сила фильтрации

Движущей силой фильтрации Ар называется разность давлений по ту и другую сторону фильтрующего слоя. Если, например, р х —■

давление на осадок и р 2 — давление в пространстве под фильтроваль­ ной перегородкой, то движущая сила Ар = Р\ — Рі- Иначе говоря,

движущая сила фильтрации представляет собой потерю давления при

+gPc Ас. а давление под перегородкой р 3 = В —р. Движущая сила фильтрации равна -

Др = Рі—Р%= Ро+g p A + P-

Фильтры, в которых движущая сила складывается из давления над суспензией, давления слоя суспензии и разрежения под перего­

Фильтры, в которых процесс фильтрации осуществляется только за счет давления слоя суспензии, называются ф и л ь т р а м и г и д ­ р о с т а т и ч е с к о г о - д е й с т в и я .

Скорость фильтрации

Скоростью фильтрации w0 называется количество фильтрата, отбираемого в единицу времени через единицу поверхности фильтра.

Она зависит от движущей силы фильтрации, структуры осадка, его

120

толщины, вязкости фильтрата и т. п. Поскольку в процессе фильтра­ ции некоторые из этих величии изменяются, скорость фильтрации следует рассматривать, как некоторую мгновенную величину

w0= ^ È - = — , где dx — продолжительность фильтрации, dVA—

общее количество отбираемого фильтрата, dV — количество фильтрата, отбираемого с единицы поверхности фильтра.

Скорость является наиболее важной характеристикой процесса фильтрации. Она может быть определена из уравнения (2-31), которое связывает основные физические величины, характеризующие движе­ ние жидкости через пористый слой:

Обозначения приведены в гл. II на стр. 41—42.

Величина w0 численно равна объемному расходу жидкости через единицу поверхности слоя, т. е. скорости фильтрации. Ее размерность

Величины е, ф и d характеризуют структуру слоя и при постоян­ ных w0, р, и Н определяют его сопротивление.

Соотношение ~99^* ^ - Н = R называется сопротивлением филь­

трующего слоя. Сопротивление единицы высоты слоя называется удель­ ным сопротивлением; оно равно

Скорость фильтрации пропорциональна .движущей силе фильтра­

121

= [н!м2‘]!\м31сек-лг] X Uil X [н-сек/м2). Таким образом, удельное со­ противление слоя показывает, какую движущую силу нужно приложить, чтобы через слой толщиной 1 м отфильтровать жидкость вязкостью

1 н-сек/м2со'скоростью 1 м31сек-м2. Сокращенная размерность [гсл ] =

=[1/иі2]. Размерность общего сопротивления [7?] = [Мм].

Общее сопротивление показывает, какую движущую силу нужно

приложить, чтобы через данный слой отфильтровать жидкость вяз­

типов фильтров непрерывного действия. В дальнейшем будем рассмат­ ривать именно этот случай фильтрации.

Удельное и общее сопротивление фильтрации невозможно вычис­ лить аналитически, поэтому скорость фильтрации в каждом конкрет­ ном случае определяют экспериментально. Делается это так. На ла­ бораторной фильтровальной установке с исследуемой фильтровальной перегородкой (рис. 5-12) проводится серия опытов по фильтрации дан­ ной суспензии при разных постоянных значениях перепада давлений Ар. Число серий опытов равно числу постоянных значений Ар. В каж­ дой серии опытов выявляется зависимость количества фильтрата V, отбираемого через 1 м 1, от времени фильтрации т (рис. 5-13). В начале фильтрации величина V резко возрастает, а затем степеньее роста

122

постепенно замедляется. При некотором значении т осадок на фильтро­ вальной перегородке может настолько уплотниться, что фильтрация прекратится и величина V в координатах V—т будет параллельна оси абсцисс. Аналогичные зависимости получают и для других значений V. Далее на кривой V — f (т) берут ряд точек и проводят в них касатель­ ные. На рис. 5-13 в качестве примера касательная AB проведена в точке А. Тангенс угла наклона касательной есть скорость фильтрации

в данный момент времени. В нашем случае она равна w0,A = — . Ана­

логично находят скорости в других точках кривой и по полученным

данным строят график зависимости — от т (рис. 5-14).

Средняя скорость фильтрации за время т в общем случае равна площади 5 под этой кривой, деленной на продолжительность филь-

трации т, т. е. w0 = — . Площадь 5 определяют как сумму площадей

прямоугольников, имеющих одинаковые основания Дт и различные высоты wo;. При числе прямоугольников п средняя скорость равна

откуда

' (5-54)

1=1

Чем больше п, тем выше точность расчета. Определив таким обра­ зом средние скорости фильтрации по всем сериям опытов, находят оптимальное значение Ар, которому соответствует наибольшая ве­ личина wQ. Полученные оптимальные величины w0 и Ар закладывают в расчет поверхности фильтра. Рассмотренная методика применима для определения скорости фильтрации через сжимаемые и несжимае­ мые осадки.

123

Поверхность фильтрации

Уравнение поверхности фильтрации можно получить из материаль­ ного баланса фильтрации аналогично тому, как это было сделано при выводе формулы поверхности отстаивания.

Материальный баланс фильтрации описывается уравнением, ана­ логичным уравнению материального баланса отстаивания:

Go = G1( l - - ^ ) ,

где G0 и Gi — количества отбираемого в единицу времени фильтрата и исходной суспензии; „Vj и Л'2 — концентрации суспензии и образую­ щегося при фильтрации осадка.

Величина G0 = Е0Ро> где Но — объемная производительность по фильтрату, а Ро — плотность фильтрата. Подставив это значение в уравнение материального баланса и разделив обе части на поверхность фильтрации F, получим

пропорциональна производительности фильтра и степени концентри­ рования осадка и обратно пропорциональна скорости фильтрации и плотности фильтрата.

Формула (5-55) аналогична формуле поверхности отстаивания (5-13).

Фильтры

В настоящее время наибольшее практическое применение имеют фильтры непрерывного действия. В зависимости от способа создания движущей силы они делятся на вакуумные, напорно-вакуумные и фильтры давления. Рассмотрим устройство и работу некоторых из этих фильтров, которые в большинстве случаев одновременно приме­ няются и для промывки.

Вакуум-фильтры

Вакуум-фильтры делятся на секционные и фильтры с вакуумными трубками. На рис. 5-15 показана схема фильтра с трубками. Он со­ стоит из барабана, на наружной поверхности которого закреплены в продольном направлении планки. Между ними образуются камеры,

124

которые перекрываются ситом с крупными отверстиями, а. поверх его — фильтровальной сеткой. От каждой камеры отходит вакуумная труба, заканчивающаяся на торце полой цапфы. Число трубок 24—28 и равно числу вакуумных камер на поверхности барабана. Торец по­ лой цапфы соприкасается с вакуумной головкой, разделенной на трипять отделений. Каждое отделение соединяется с определенным чис­ лом камер. При вращении барабана каждое отверстие на торце полой цапфы последовательно проходит около всех отделений вакуумной головки. Сначала через него происходит отбор фильтрата из ванны фильтра, затем просос воздуха через слой осадка, налипшего на по­ верхность барабана, после этого — отвод промывной жидкости. Вся жидкость, которая при этом отбирается, смешивается и уходит через

Рис. 5-15. Схема барабанного ячейкового вакуум-фильтра:

/ — ванйа; 2 — сетка; 3 — ячейка; 4 — трубка; 5 — полая цапфа; 6 , 7 — спры­ ски; а — подача суспензии; 9 — съем осадка; 10 — отверстия в полон цапфе, сое­ диняющиеся с вакуумными трубками; / / — вакуумная головка; 12 — отделение фильтрации вакуумной головки с трубой для отвода фильтрата; 13 — то же для от­ вода промывной жидкости; 14 — отделение головки и труба для соединения ячеек

фильтра с атмосферой; 15 — отжимной валик

одну барометрическую трубу. Далее происходит отсос более слабой промывной жидкости, которая при двухзонной промывке отводится через свою барометрическую трубу. При однозонной промывке эта жидкость присоединяется к первому фильтрату. При движении от­ верстия в полой цапфе мимо последнего отделения вакуумной головки, которое сообщается с атмосферой, происходит съем осадка с поверх­ ности барабана. Иногда в вакуумной головке устраивают дополни­ тельно четвертое отделение, через которое производят продувку сетки воздухом или паром. Пройдя мимо всех отделений вакуумной головки, данное отверстие полой цапфы начинает следующий цикл. Соответст­ вующая этому отверстию вакуумная камера фильтра погружается в суспензию и снова происходит отбор фильтрата, затем просос воз­ духа с удалением из осадка некоторого количества жидкости, промывка осадка и т. п.

Разрежение в камерах вакуум-фильтров при пуске их в работу создается вакуум-насосами и поддерживается с помощью барометри­ ческих труб. При установившемся режиме работы фильтров вакуумнасосы могут быть отключены. Для увеличения степени обезвожива­ ния осадка вакуум-фильтры снабжают отжимными (прессовыми) ва-

125

ликами. Подобные вакуум-фильтры применяют для фильтрации и

до 20—22%. Окружная скорость барабана 10—30 м/мин. Разрежение 3400—3500 жж вод. ст. и выше. Поверхность фильтров достигает

200 ж2.

На рис. 5-16 показана схема устройства барабанного секционного вакуум-фильтра «Эймкобелт». По краям секций барабана уложены бор­

полую цапфу сообщается с вакуумной головкой.

Работает такой фильтр так же, как предыдущий. Разница в том, что осадок снимается с барабана лентой полотна, а с ленты он сбра­ сывается при огибании разгрузочного валика. Для более успешного съема осадка у этого валика имеется скребок. Далее лента проходит через промывной валик, помещенный в ванну с промывной жидкостью. Последняя подается на ленту под высоким давлением из спрысков, расположенных с обеих сторон ленты. Промывной жидкостью яв­ ляется фильтрат, который затем снова направляется на фильтрацию. Выйдя из промывной ванны, лента проходит через направляющий валик и вновь набегает на барабан. Важное условие правильной ра­ боты фильтра — движение ленты без перекосов. Правка ленты с по­ мощью направляющего валика автоматическая. Натяжение ленты производится также направляющим валиком. Фильтр может работать с тонкими слоями осадка (до 0,8 — 1,6 мм). Лента имеет замок типа «молния», поэтому смена ленты производится за 15—20 мин одним че­

ловеком.

Для фильтрации суспензий с грубозернистыми, волокнистыми и хлопьевидными осадками применяют сетчатые ленты (из нержавею­ щей стали). Размеры барабана: диаметр 400—4300 мм, длина 300— _4300 м, поверхность 0,4 — 57 ж2. Фильтры «Эймкобелт» применяют для фильтрации белого щелока после каустизации с одновременной промывкой шлама, для осветления оборотных вод и т. п.

126