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

Н а п о р н о - в а к у у м н ы е ( н й з к о в а к у у м н ы е ) ф и л ь т р ы

Напорно-вакуумный фильтр (рис. 5-17) в отличие от вакуумных фильтров не имеет вакуумной головки, и его барабан открыт с торца. Ванна фильтра более глубокая и барабан примерно на 3/4 погружен в суспензию. Пространство между барабаном и фильтровальной сет­ кой, как в вакуум-фильтре с вакуумными трубками, разделено на ячейки радиальными перегородками. Каждые три ячейки сообщаются с внутренней частью фильтра через отсасывающий канал, располо­ женный на внутренней стороне барабана, и через воздушную трубку, длина которой немного меньше длины канала. Между ванной и бара­ баном имеются уплотнения, препятствующие проникновению суспен­ зии внутрь барабана через его открытый торец. В зависимости от вида

При вращении барабана ячейки по­ гружаются в массу и за счет разности уровней жидкости в ванне и

барабане внутрь барабана начинает проникать фильтрат, который заполняет отсасывающие каналы. На поверхности сетки образуется слой волокна. После того как ячейка пройдет самое нижнее ее поло­ жение в ванне и открытый конец отсасывающего канала переместится вниз, появляется эффект отсасывания, так как канал начинает рабо­ тать как сифон, и в ячейках создается разрежение. По мере движения ячейки вверх разрежение постепенно увеличивается, обеспечивая ин­ тенсивную фильтрацию суспензии.

Во время подъема воздушной трубки над уровнем фильтрата в ба­ рабане воздух проникает в ячейку, разрежение в ней постепенно уменьшается и канал опоражнивается от фильтрата. При подходе ячейки к зоне съема массы давление в ней становится равным атмос­ ферному. Затем цикл повторяется. Имеются и другие конструкции напорно-вакуумных фильтров, в которых для создания разрежения вместо каналов применяют сифонные трубки.

127

Напорно-вакуумные фильтры не нуждаются в вакуум-насосах, благодаря отсутствию барометрических труб они устанавливаются на сравнительно небольшой высоте и просты в эксплуатации; приме-, няются для промывки' и сгущения целлюлозы от начальной концен­ трации 0,5—1,5% до конечной 10—12%. При работе с прессовым ва­ ликом конечная концентрация волокна возрастает до 20%. Поверх­ ности фильтров достигают 75 м2.

Фильтры давления

В фильтрах давления фильтрация идет под напором воздуха или

присоединяется в барабане к фильтрату и отводится через кольцевое сечение трубы в торце барабана, а жидкость, полученная на второй ступени промывки, собирается в воронке и отводится через централь­ ную трубу в торце барабана. Для предотвращения выхода воздуха эти трубы имеют гидрозатвор. Промытый осадок проходит далее под уплотнительным валиком и снимается с поверхности барабана шаберным валиком или скребком. Воздух, проникший внутрь барабана, удаляется через сетку барабана ниже уплотнительного валика, в том месте, где осадок снимается с барабана, отсасывается вентилятором и снова подается под крышку фильтра.

Фильтры давления данной конструкции применяют для сгущения и промывки целлюлозной массы. Начальная концентрация массы

около 1—1,5%, на выходе около 12—14%. Поверхность барабана до 66 м2.

J28

В целлюлозно-бумажном производстве применяются и другие типы фильтров, например фильтры с волокнистым подслоем, используемые для осветления оборотных вод. К ним относятся барабанные фильтры с бесконечной лентой для съема осадка и дисковые фильтры с гидрав­ лическим удалением осадка.

Пример 1. Производительность фильтрационной установки по сухой целлю­ лозе 480 т в сутки. Начальная концентрация массы 1%, конечная — 14%. При фильтрации барабан вакуум-фильтра наѴд поверхности опущен в жидкость. Экспериментально определены время фильтрации т = 10 сек и средняя скорость = 20 м3/м2-ч. Диаметр барабана D = 3 м, длина барабана L — 3,5 лі. Плот­ ность фильтрата 1100 кг!я3. Определить необходимое число фильтров и число

сутки.

Глава 6. РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ НЕОДНОРОДНЫХ

СИСТЕМ

Газовые неоднородные системы представляют собой газовую среду, в которой во взвешенном состоянии находятся жидкие или твердые частицы. Система называется механической, если взвешенные веще­ ства получаются при дроблении твердых тел или распылении жидко­ стей с последующим захватом их потоком газа. Такая система иначе называется пылью. Конденсированными называются системы, кото­ рые возникают -при химическом взаимодействии газов и твердых ве­ ществ (например, при горении) или при конденсации паров, содержа­ щихся в газах, в процессе их охлаждения. Сюда относятся дымы и

туманы.

В практике целлюлозно-бумажного производства приходится за­ ниматься очисткой запыленного газа &0 2, который получается при обжиге сернистого колчедана, и дымовых газов содорегенерационных, магнийрегенерационных агрегатов и известерегенерационных печей.

‘'129

Газ, выходящий из колчеданных печей, состоит из SO», N2, 0 2 и хи­ мических и механических загрязнений. К ним относятся серный ан­ гидрид, сублимированная сера, соединения мышьяка и селена, пыль и другие загрязнения. Пыль в основном состоит из частиц огарка, пустой породы и несгоревшего колчедана. Размеры частиц пыли ко­ леблются от нескольких микрон до десятых долей миллиметра. Для того чтобы получить высококачественную варочную кислоту и избе­ жать нежелательных побочных реакций при последующей сульфитной варке, газ SO» должен быть освобожден от всех загрязнений — меха­ нических и химических.

Дымовые газы содорегенерационных агрегатов увлекают из реак­ ционной зоны значительные количества сульфата натрия и кальцини­ рованной соды, а также некоторое количество углерода. По размерам частиц унос содорегенерационных агрегатов условно делится на три фракции: до 0,5 мкм, от 0,5 до 1 мкм и свыше 1 мкм. Содержание их приблизительно равно 16,8; 53,2 и 30%. Повышенная температура отходящих дымовых газов, наличие в них S 0 3 и S 0 3 и высокая диспер­ сность частиц сильно затрудняют улавливание пылевого уноса содо­ регенерационных агрегатов.

Пыль газовых выбросов известерегенерационных печей в основном состоит из СаО и СаС03, а выбросов магннй-регенерационных агрега­ тов — из MgO и MgC03. Благодаря более крупной дисперсности ча­ стиц улавливание такой пыли менее затруднительно, чем пыли содо­

(отстаивание); осаждение в поле центробежной силы; осаждение в электростатическом поДе; осаждение на вторичном аэрозоле (мокрая очистка газа); фильтрация; ультразвуковая очистка и т. д.

ОТСТАИВАНИЕ ГАЗОВ

Теория процессов отстаивания изложена ^ главе 5. Здесь мы рас­ смотрим лишь принципиальное устройство и работу аппаратуры. На рис. 6-1 показана схема газоотстойной камеры. При входе в камеру газ резко снижает скорость. Медленно двигаясь по камере, он осво­ бождается от взвешенных частиц, которые под действием силы тяже­ сти осаждаются в бункер для пыли. Необходимые размеры камеры могут быть определены расчетом, аналогичным расчету отстойников полунепрерывного действия для суспензий.

Поскольку производительность пылеотстойной камеры пропор­ циональна площади отстаивания, камеры делают также многополоч­ ными; чем больше число полок, тем выше производительность камеры.

В содорегенерационных агрегатах предварительное отделение пыли от газа производится в расширяющихся газоходах и зольниках котла. При этом наряду с силами тяжести здесь используется и инерционный эффект: при изменениях направления потока газа крупная пыль про­ должает двигаться в прежнем направлении, достигает поверхностей осаждения и выделяется из газового потока.

130

ОСАЖДЕНИЕ в п о л е ц ен т ро б еж н о й силы

Теория осаждения в поле центробеленой силы изложена в главе 5. Рассмотрим аппараты центробежной очистки газа, называемые цикло­ нами. Принципиальное устройство циклона показано на рис. 6-2. За­ пыленный газ входит в аппарат на очистку по касательной между на­ ружным цилиндром и выхлопной трубой. При вращательном нисхо­ дящем, движении газа частицы пыли отбрасываются к стенкам ци­ линдра и, скатываясь вниз, выводятся из циклона. Освобожденный от пыли газ находит выход из циклона через выхлопную трубу. Сте­ пень пылеотделения зависит в основном от скорости вращения газо­ вого потока внутри циклона, радиуса вращения потока, дисперсности и плотности частиц, их фракционного состава и высот цилиндрической

части циклона и выхлопной трубы. Влияние окружной скорости по­ тока в циклоне и радиуса вращения потока г на скорость осаждения частиц определяется фактором разделения (см. главу 5). С увеличе­ нием его скорость осаждения частиц возрастает. Чем мельче и легче пыль, тем большей должна быть выбрана окружная скорость потока. Однако повышение скорости сверх оптимальной ведет к увеличению турбулентности потока; из-за этого уже осажденные частицы могут быть снова увлечены газовым потоком, и тем самым снизится степень очистки.

Окружная скорость газового потока в циклоне принимается рав­

ной и = — , где пвх — скорость газа во входном патрубке циклона

1,4

(от 16 до 22 м/сек,)', 1,4 — среднее значение коэффициента, учитываю­ щего расширение газового потока в циклоне.

С уменьшением радиуса вращения (радиуса циклона) фактор раз­ деления увеличивается, а следовательно, возрастает и степень очистки, но производительность циклона по газу уменьшается. Влияние раз­ меров частиц, их плотности и вязкости среды на степень очистки оп­ ределяется величиной критерия Архимеда: чем больше число Аг, тем выше скорость осаждения.

Определенное влияние на степень очистки оказывает также высота Я в выхлопной трубы, выбираемая в соответствии с числом оборотов газового потока в циклоне: чем выше выхлопная труба, тем большее

131

число раз газовый поток обернется вокруг выхлопной трубы по нис­ ходящей спиральной линии перед выходом из циклона и тем выше сте­ пень очистки. Высота выхлопной трубы определяется из условия, по

патрубка. Высота цилиндрической части циклона приблизительно

равна высоте выхлопной трубы.

Большое значение для нормальной работы циклона имеет отсутст­ вие подсосов через нижнюю трубу, предназначенную для отвода пыли.

циональна его диаметру. Для обеспечения высокой производительно­ сти циклонные элементы с малым

сываются к стенкам и, скользя по ним, попадают в бункер для пыли. Обеспыленный газ по выхлопным трубкам поднимается в камеру чи­ стого газа и выходит из циклона очищенным на 90% и выше. В бата­ рейных циклонах может быть несколько сот элементов с диаметром трубок от 40 до 250 мм. Одним из обязательных условий работы цик­ лона является равномерное распределение газа по элементам, так как в противном случае газ будет перетекать из элемента в элемент через бункер для пыли, что значительно снизит степень очистки газа. Поэ­ тому по ходу газа должно быть установлено не более 12 трубок.

Всвязи с этим циклоны большой производительности устанавливают

всекции с числом элементов не выше 96. Элементы батарейного циклона могут быть установлены параллельно и вне общего корпуса.

Одним из недостатков рассмотренных аппаратов является невоз­ можность применения их для очистки газов с большим содержанием влаги. В этих случаях целесообразно применять циклоны с жидкост­ ной пленкой (рис. 6-4), представляющие собой цилиндр, внутренние стенки которого орошаются жидкостью, подаваемой в аппарат по ка­

132

сательной к внутренней поверхности по ходу газового потока. Газы

ссодержанием взвешенных твердых или жидких частиц подаются в

внижнюю часть аппарата по касательной и двигаются по аппарату по винтовой восходящей кривой. Развивающейся при этом центро­ бежной силой частицы отбрасываются на стенку и смываются жид­ костью. Очищенный газ .удаляется из аппарата вверху циклона, вы­ ходя по касательной или центральной трубе. Эффективность очистки

Степень очистки значительно возрастает, если во входном пат­ рубке установить орошаемые спрысками решетки. Аппарат ВТИ та­ кого типа диаметром 2200 мм при содержании в дымовом газе пыли

выхлопной трубы и т. п.) в зависимости от величины b определяются

133

Высота участка hx приблизительно равна 0,2 /г, а высота выхлоп­ ной трубы приблизительно равна Н г. Обозначения в табл. 6-1 соот­ ветствуют рис. 6-2. Определение минимального диаметра улавливае­ мых частиц и проверка эффективности работы циклона выполняются по методике, рассмотренной в главе 5.

Расчет батарейного циклона сводится к выбору диаметра трубок, определению их числа и проверке минимального диаметра частиц, улавливаемых в аппарате при данных условиях работы. Чем большую степень очистки нужно получить, тем меньшим должен быть диаметр элемента.

Расчет аппарата с жидкостной пленкой сводится к определению

скорость газа в аппарате, м/сек (практически фиктивная скорость при­ нимается равной 3—5 м/сек).. Рабочая высота аппарата около 3d. Вы­ бранный аппарат должен быть проверен на эффективность работы.

ОСАЖДЕНИЕ В ДВУХФАЗНОМ ПОТОКЕ (МОКРАЯОЧИСТКА ГАЗА)

При очистке газа отстаиванием в циклонах и электрофильтрах (об электростатическом осаждении см. ниже) поверхностями осаждения являются вполне определенные детали аппаратов (дно отстойной ка­ меры, стенки циклона и осадительные электроды электрофильтров).

Мокрая очистка газа отличается тем, что поверхность осаждения создается непосредственно при проведении процесса. Это достигается введением в газоочистной аппарат жидкости, которая разбивается газовым потоком на струи, пленки, капли, ячейки пены и т. п. Эти элементы жидкой фазы и являются поверхностями осаждения. Про­ цесс характеризуется наличием двух фаз — жидкости и пыле-газовой фазы. Механизмы подвода частиц к поверхности осаждения очень разнообразны и зависят от гидродинамического состояния двухфазного потока, размеров частиц, их смачиваемости, ионизации газа и других свойств жидкости, газа и частиц. Наиболее существенными из этих механизмов являются турбулентная диффузия для частиц диаметром до 0,1 — 0,2 мкм и инерционное осаждение для частиц больших раз­ меров. Вопрос о турбулентной диффузии рассмотрен в главе «Основы массопередачи».

Инерционное осаждение

Механизм инерционного осаждения показан на рис. 6-5, где пред­ ставлена схема газо-пылевого потока, обтекающего некоторое сфери­ ческое тело, например каплю жидкости (аналогично происходит осаж­ дение и на цилиндре).

Рассмотрим ламинарный поток обтекания. Капля может быть не­ подвижной или двигаться в любом направлении по отношению к газопылевому потоку. Наиболее распространенный случай — это движе­ ние капель в одном направлении с газом с некоторой относительной

134

скоростью и. Вдали от капли линии тока газа (на рис. 6-5 они сплошные) совпадают с линиями тока частиц (пунктирные). По мере приближения потока к капле газ начинает обтекать ее и линии тока газа искривляются. При этом частицы за счет сил инерции стремятся двигаться прямолинейно. Однако поскольку газовый поток при об­ текании капли стремится увлечь и частицу, суммарная траектория частиц вблизи капли будет зависеть от величины равнодействующей двух сил — силы инерции частицы, направленной по оси потока, и силы, действующей на частицу со стороны потока обтекания и направ­ ленной нормально к касательной его линии тока в данной точке. Оче­ видно, чем больше сила инерции частицы и меньше отклоняющая сила, тем меньше угол между направлением равнодействующей сил и осью газового потока и тем больше вероятность осаждения частиц на по­ верхности капель. Под эффективностью осаждения понимают от­

торые попали бы на эту поверхность, если бы они двигались прямолинейно и не увлекались бы потоком обтекания. На рис. 6-5 видно,что вдали от капли имеется 8 частиц, которые могли бы достиг­ нуть поверхности капли. Однако на капле осаждается только 5 частиц

(от 2-й до 6-й), а остальные три (1, 7 и 8-я) обтекают каплю вместе с га-

г

зом. Следовательно, эффективность осаждения равна Е = — =0,625.

8

Эффективность осаждения, очевидно, можно выразить также отно­ шением сечения потока газа, из которого все частицы данного размера осаждаются на капле, к наибольшему сечению капли. Для принятых обозначений (см. рис. 6-5) эффективность осаждения равна

Н і ) ‘- <в-'>

Для частиц разных размеров эффективность осаждения, очевидно, будет различной.

При обтекании предметов разной формы (пластинок, цилиндров, сфер), смоченных жидкостью, можно выделить три режима — вязкий, переходный и потенциальный. Схема вязкого обтекания, соответст­ вующего ламинарному потоку набегания газа на предмет обтекания, показана на рис. 6-5. При переходном и потенциальном обтекании поток'газа вдали от предмета движется соответственно в переходном и турбулентном режимах. На практике чаще всего наблюдается по­

135

тенциальное обтекание, при котором осаждение частиц происходит не только на передней лобовой поверхности обтекания, но и на задней, кормовой ее стороне. В случае, когда скорость капель больше скоро­ сти газо-пылевого потока, механизм осаждения частиц на каплях ана­ логичен рассмотренному.

Эффективность инерционного осаждения

Установлено, что эффективность осаждения за счет инерционных сил является функцией критерия инерционного осаждения К или про­

осаждения от критерия К для случая потенциального обтекания сфе­ рического тела показана на рис. 6-6 (сплошная линия). Пунктиром

Формулы (6-2) — (6-4) показывают, что эффективность инерцион­ ного осаждения возрастает с увеличением относительной скорости газа и капель, квадрата диаметра частиц, их плотности и обратно про­ порциональна вязкости газа и характерному линейному размеру об­ текаемого предмета. Как видно из рис. 6-6, при К — 80 -ь- 100 газ может быть полностью очищен от взвешенных частиц данного размера.

При обтекании цилиндра справедлива формула

где величины т и п при осаждении на передней, лобовой стороне щт

136