Утилизация тары и упаковки

Принципиальной разницы в механизмах протекания данных процессов в жидкости и газе нет. Конечно, существенные отличия плотностей и вязкостей жидкой и газовой сред приводят к различию скоростей процессов и отличиям в конструкциях оборудования для осуществления процессов разделения.

Основной причиной этих отличий является соотношение силы тяжести частиц и величины сопротивления их перемещению под действием этой силы, оказываемого той или иной средой.

Поэтому здесь будут рассмотрены и процессы разделения частиц отходов в воздушных потоках. Это прежде всего очистка газов от твердых частиц в циклонах и рукавных фильтрах.

Классификация неоднородных жидких и газообразных систем

Под неоднородной системой понимают систему, состоящую из различных фаз, например жидкости и твердых частиц, жидкости и газа и т. д. Любая неоднородная система состоит из двух и более фаз. Одна фаза, дисперсная или внутренняя, находится в мелкодисперсном состоянии; другая фаза, дисперсионная или внешняя, является сплошной, окружает отдельные частицы дисперсной фазы и представляет собой среду, вкоторойраспределенычастицы дисперсной фазы.

В зависимости от физического состояния фаз различают несколько неоднородных жидких и газообразных систем (табл. 2.4).

Все системы, состоящие из жидкой и твердой фаз, называют суспензиями. В зависимости от размеров частиц твердого вещества могут бытьусловноразделенына четырегруппы, представленные втабл. 2.5.

90

Можно считать, что граница между суспензиями (взвесями) и коллоидными растворами определяется появлением броуновского движения твердых частиц. С его возникновением эти частицы не могут осаждаться под действием силы тяжести.

Эмульсии состоят из несмешивающихся жидкостей и могут расслаиваться под действием силы тяжести. Эмульсии приобретают устойчивость лишь при очень незначительных размерах капелек дисперсной фазы (менее 0,4–0,5 мкм) или при добавления стабилизаторов, например мыла. С увеличением концентрации эмульгированного вещества в эмульсиях возможно обращение фаз: капельки дисперсной фазы сливаются друг с другом и образуют сплошную фазу, в которой распределяются капельки жидкости, бывшей ранее дисперсионной фазой.

Пены – неоднородные системы, состоящие из жидкой фазы и распределенных в ней пузырьков газов.

Пыли – неоднородные системы, состоящие из газовой фазы и распределенных в ней частиц твердой фазы (размеры частиц твердой фазы от 600 мкм до 5 мкм). Источники пыли: возникает в процессе измельчения продуктов, при смешивании различных сыпучих материалов.

Дымы – неоднородные системы, состоящие из газовой фазы и распределенных в ней частиц твердой фазы (размеры частиц твердой фазы от 5 мкм до 0,5 мкм).

Туманы – неоднородные системы, состоящие из газовой фазы и распределенных в ней капелек жидкой фазы (размеры частиц жидкой фазы от 5 мкм до 0,3 мкм).

Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы, так называемые аэрозоли.

91

Взвешенные частицы в газовых системах могут во многих случаях, соединяясь друг с другом, укрупняться – этот эффект называ-

ют агломерацией.

Способы разделения неоднородных жидких систем

Для выбора способа разделения неоднородных систем необходимо знать: размер частиц дисперсной фазы, разность плотностей частиц и среды, вязкость сплошной среды.

В практике применяются следующие методы разделения неоднородных систем:

–отстаивание;

–фильтрование;

–центрифугирование.

Осаждение – процесс выделения жидких или твердых частиц из газовой или жидкой среды под действием сил тяжести, сил инерции (в том числе центробежных сил) и сил электрического поля.

Осаждение в поле сил тяжести называют отстаиванием; его применяют для грубого, предварительного разделения неоднородных систем.

Выделяют также инерционное, циклонное и электроосаждение.

Процесс отстаивания осуществляется в аппаратах, которые называют отстойниками или сгустителями.

Рис. 2.26. Принципиальная схема отстойника:

1 – зона осветленной жидкости; 2 – зона свободного осаждения; 3 – зона сгущенной суспензии; 4 – зона осадка или шлама

92

Как правило, данныеаппаратыимеютцилиндроконическуюформу. По принципу действия различают аппараты непрерывного, полу-

непрерывного и периодического действия.

Ваппаратах выделяют несколько зон: зона осветленной жидкости; зона свободного осаждения; зона сгущенной суспензии (в данной зоне происходит стесненное осаждение частиц, т. е. дисперсные частицы взаимодействуют между собой, и скорость осаждения меньше, чем в зоне свободного осаждения); зона осадка или шлама.

Расчет отстойников ведут на осаждение самых мелких частиц неоднородной смеси.

Воснове расчета лежит следующий принцип: время пребывания неоднородной системы в отстойнике должно быть большим или равным времени осаждения самой мелкой частицы на дно аппарата.

Производительность отстойника в явном виде не зависит от его высоты, а зависит от площади отстойника в плане. Поэтому отстойники, как правило, имеют большую площадь в плане и сравнительно небольшую высоту.

Фильтрование – процесс разделения неоднородных систем с помощью пористых перегородок, которые пропускают жидкую (газовую) фазу и задерживают твердую. Его применяют для более тонкого разделения неоднородных систем.

Аппараты, в которых протекает процесс фильтрования, называют фильтрами, а их основным элементом является фильтровальная перегородка.

Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений до и после фильтровальной перегородки:

Различают следующие виды фильтрования:

–фильтрование с образованием осадка;

–с закупориванием пор;

–промежуточных видов.

Взависимости от того, каким образом создается разность давлений до и после фильтровальной перегородки, выделяют следующие способы фильтрования:

–фильтрование с постоянной разностью давлений. В данном случае пространство над суспензией или под фильтровальной перегородкой соединяется соответственно с источником сжатого газа или вакуума, при помощи чего поддерживают постоянную разность давлений. При этом с течением времени скорость фильтрования

93

уменьшается вследствие увеличения толщины слоя осадка на фильтровальной перегородке, т. е. из-за увеличения его сопротивления;

–фильтрование с постоянной скоростью фильтрования. В этом случае суспензия на фильтровальную перегородку подается при помощи поршневого насоса, при этом перепад давления с течением времени возрастает из-за увеличения сопротивления накопившегося осадка за счет роста его толщины. Следует отметить, что производительность поршневого насоса остается постоянной и не зависит от создаваемого им давления;

–фильтрование с переменными скоростью фильтрования и раз-

ностью давлений. В данном случае суспензию на фильтровальную перегородку передают при помощи центробежных насосов, производительность и давление которых зависит как от характеристик самого насоса, так и сети.

Наибольшее распространение в промышленности нашел способ фильтрования при постоянной разности давлений и вид фильтрования с образованием осадка.

От правильного выбора фильтровальной перегородки зависит производительность фильтра и качество получаемого фильтрата.

Рассмотрим, каким образом производится выбор фильтровальной перегородки.

Изначально выбирают несколько видов фильтровальных перегородок. Выбор основывают на анализе размеров частиц фильтруемой суспензии и размеров пор перегородок. Окончательный выбор осуществляют только после экспериментальных исследований и промышленных испытаний.

Фильтровальные перегородки могут изготавливаться как из органических, так и из неорганических материалов: металлические, тканевые, стеклянные, из нетканых материалов, полимерных материалов и др.

Фильтровальные перегородки разделяют на поверхностные и глубинные.

Поверхностные перегородки – те, на которых частицы твердой фазы при разделении суспензии задерживаются на поверхности и не проникают внутрь перегородки.

Глубинные перегородки – внутрь которых проникают частицы твердой фазы и там задерживаются, при этом на поверхности перегородки не образуется слой осадка.

94

По принципу действия фильтры делятся на аппараты непрерывного и периодического действия.

В фильтрах периодического действия можно организовать любой процесс фильтрования. В фильтрах непрерывного действия обычно осуществляют фильтрование при постоянной разнице давлений. Фильтры могут работать под вакуумом и под давлением: последние более металлоемкие.

Центрифугирование – процесс разделения суспензий и эмульсий под действием центробежных сил. Может быть реализован в центрифугах и гидроциклонах.

Выделяют центрифуги отстойные (рис. 2.27) и фильтрующие

(рис. 2.28).

Частота оборотов ротора центрифуг составляет 3000–6000 об/мин.

Вотстойных центрифугах реализуется процесс отстаивания, с той лишь разницей, что действие сил тяжести заменено на действие центробежных сил.

Вфильтрующих центрифугах реализуется процесс фильтрования,

аразность давлений создается центробежными силами.

Процесс разделения эмульсий в отстойных центрифугах называют сепарацией, а аппараты – сепараторами.

Скорость осаждения частиц в отстойных центрифугах увеличивается при увеличении диаметра и плотности частиц, частоты

95

вращения и радиуса ротора и уменьшается с увеличением вязкости и плотности среды.

Фактором разделения называют величину, показывающую отношение центробежного ускорения к ускорению силы тяжести. Он показывает восколькораз эффектразделениявцентробежном поле больше, чем в поле сил тяжести. В зависимости от фактора разделения центрифуги делятся на нормальные (фактора разделения менее 3500) и сверхцентрифуги (свыше 3500).

Большое распространение в промышленности нашли центрифуги постоянного действия снепрерывной выгрузкойосадка типаОГШ.

Очистка газов

Очистка газов также широко используется при утилизации отходов. При создании оборудования для аэродинамического разделения фаз используются гравитационный, центробежный, инерционный механизмы, фильтрование, электроосаждение и др.

Кустройствам, использующим гравитационный механизм, относятся пылевые камеры, в которых частицы пыли осаждаются из медленно движущегося газового потока. Они находят применение

восновном для улавливания грубых фракций с размером частиц более 500 мкм.

Кустройствам, в которых используется центробежный механизм, относят циклоны и центробежные скрубберы. Эффективность пылевыделения в центробежных очистителях газов зависит от диаметра аппарата: чем он меньше, тем выше эффективность. Принцип работы циклона понятен из схемы, приведенной на рис. 2.29.

Выделение твердых частиц в циклоне происходит за счет центробежных сил, возникающих при вращении газового потока вдоль стенки аппарата. С этой целью очищенный газ вводится в корпус циклона тангенциально к его поверхности либо закручивается внутри него с помощью винтообразной крышки 3. Оседающая на стенке пыль накапливается в бункере 7 и по мере необходимости выгружается из него с помощью пылевого затвора.

Циклоны бывают одиночные, групповые и батарейные. Применяют циклоны чаще для очистки газов от крупных и средних твердых частиц.

96

и аспирационных газов. Применяемые текстильные материалы могут быть ткаными или неткаными, из натуральных и синтетических волокон. На рис. 2.30 показано устройство широко распространенного рукавного, каркасного, импульсного фильтра ФРКИ.

Рис. 2.30. Конструкция рукавного фильтра типа ФРКИ: 1 – рукав; 2 – крышка; 3 – клапанная секция; 4 – коллектор; 5 – корпус; 6 – бункер; 7 – люк

К инерционным очистителям относятся и скрубберы различных конструкций, в которых используется столкновение твердых частиц с водой, подаваемой в аппарат в виде капель. Скрубберы позволяют извлекать из газового потока частицы размером 3–5 мкм, а в скрубберах Вентури происходит отделение и более мелких частиц. На рис. 2.31 показано устройство полого форсуночного скруббера.

Очистка воздуха в таком скруббере производится с помощью мельчайших капелек жидкости, подаваемой в корпус 1 через форсунки 2. Загрязняющие частицы захватываются каплями жидкости и выводятся через нижний штуцер.

98

Газы

2

Жидкость Жидкость

1

Газы

Шлам

Рис. 2.31. Полый форсуночный скруббер: 1 – корпус; 2 – форсунки

2.6. Теплообменные процессы

Теплообменные процессы широко используются при различных способах утилизации тары и упаковки, реализуются с помощью аппаратов, выполняющих функции нагревателей, охладителей, кипятильников, испарителей, конденсаторов и т. п. Они лежат в основе работы не только нагревателей и охладителей, но и сушильных, ректификационных, сорбционно-десорбционных, выпарных, экстракционных и других установок.

Теплообмен – процесс переноса теплоты между телами, имеющими различную температуру.

Движущей силой тепловых процессов является разность тем-

ператур.

Тела, которыеучаствуют в процессе теплообмена, называют теплоносителями. Тело с более высокой температурой называют горячим теплоносителем, а с меньшей – холодным теплоносителем.

В природе существует три способа переноса теплоты:

–теплопроводность;

–конвекция;

–тепловое излучение.

99