Турбулентный режим при Re > 7000

Reкр = (ArΨ)n .

Для расчёта Wf крит и Wf вит для любого режима могут быть использованы уравнения Тодеса

При решении практических задач на взвешенный слой могут встречаться следующие задачи:

3.Дано: dз, Wf. Определить ε.

2.4. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ И РАСЧЁТ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Классификация неоднородных систем. Гидромеханические про-

цессы имеют дело с разделением неоднородных гетерогенных систем. Любая такая система состоит как минимум из 2-х фаз, одна из которых находится в дисперсионном состоянии, а вторая фаза является сплошной. 1-я фаза является внутренней, 2-я внешней.

Виды систем (дисперсная фаза – сплошная):

1.Твёрдое тело – газ, пыли, образуются при дроблении, смешении

итранспортировке твёрдых зернистых материалов с размерами частиц

5…70 мкм.

Твёрдое тело – газ, дым, получается в результате конденсации паров, образующихся при переходе их в твёрдое состояние (горение) с размером частиц 0,3…5 мкм.

2.Жидкость – газ, туман, аэрозоль, образуются при конденсации

паров.

24

3. Твёрдое тело – жидкость, суспензия, делятся на грубые

(dз > 100 мкм), тонкие (dз = 0,5…100 мкм), мути (dз = 0,1…0,5 мкм), кол-

лоидные растворы (особенность: не оседают естественным путём).

4.Жидкость – жидкость, эмульсии, образуются путём смешения

2-х жидкостей, не растворимых друг в друге.

5.Газ – жидкость, пена.

Осаждение – это процесс разделения пылей, суспензий или эмульсий под действием сил тяжести (отстаивание), под действием центробежной силы (циклонный процесс и отстойное центрифугирование) или под действием электрического поля (электроосаждение).

Скорость стеснённого осаждения. Ранее были рассмотрены законо-

мерности движения твёрдых тел в жидкости или газе с определением скорости свободного осаждения частицы под действием сил тяжести в неограниченном объёме.

На практике процесс осаждения осуществляется в ограниченном объёме при достаточно большой концентрации дисперсной фазы, т.е. когда осаждающиеся частицы влияют друг на друга, поэтому скорость стеснённого осаждения всегда меньше скорости осаждения одиночной частицы. Это обусловлено повышением сопротивления среды и добавочным сопротивлением за счёт трения и соударения частиц друг о друга.

Скорость стеснённого осаждения может быть представлена расчётной зависимостью, аналогичной зависимости для взвешенного слоя:

Reо. ст = f (Ar, ε).

Для нахождения скорости стеснённого осаждения может быть использовано интерполяционное уравнение для всех областей осаждения:

Имеются также и другие интерполяционные уравнения для определения скорости стеснённого осаждения.

Отстаивание – процесс разделения, осуществляемый в отстойниках. При отстаивании должны соблюдаться следующие условия:

1.Wл << Wо (линейная скорость много меньше скорости осаждения).

2.Время пребывания элемента потока в аппарате должно быть больше времени осаждения.

Несоблюдение 1-го условия приводит к появлению вихревых потоков внутри аппарата и к поднятию уже осевших частиц.

Несоблюдение 2-го условия приводит к неполному осаждению частиц. Расчёт отстойника сводится к определению его производительно-

сти Vс или габаритных размеров L, B, H исходя из заданной производительности.

25

где F – площадь осаждения, м2.

Таким образом, производительность отстойника определяется площадью его осаждения.

Отстойники для пылей. Могут быть как периодического, так и непрерывного действия. Газ обычно подводится непрерывно, а пыль удаляется периодически или непрерывно.

Простейшими конструкциями являются пылеосадительная камера (рис. 9) и отстойный газоход (рис. 10).

Отстойник для суспензий. Применяются как периодические, так непрерывно действующие аппараты. Рассмотрим непрерывно действующий отстойник с гребками (рис. 11).

Рис. 9. Пылеосадительная камера:

1 – корпус; 2 – полки; 3 – отражательная перегородка; 4 – люки для удаления пыли

26

В технике осаждения центробежную силу получают двумя способами: или обеспечивается вращательное движение потока жидкости или газа в неподвижном аппарате, или поток направляют во вращающийся аппарат. В 1-м случае имеет место циклонный процесс, во 2-м – отстойное центрифугирование.

На частицу, находящуюся во вращающемся потоке, действует центробежная сила

где m – масса частицы; Wr – окружная скорость частицы; r – радиус обращения.

28

В промышленности при центробежном разделении соотношение Wr и r таково, что Gц больше G примерно на два порядка (102).

Скорость осаждения

В общем случае решение уравнения (9) возможно лишь графическим путём (рис. 14). Для этого для нескольких радиусов в границах от r1 до r2

Площадь фигуры под полученной кривой характеризует время осаждения τ0 = Sa, где а – масштаб диаграммы.

Скорость осаждения в поле действия центробежных сил определяется по уравнениям осаждения под действием силы тяжести, но вместо силы тяжести Gт подставляется центробежная сила Gц.

Gт = Wr2 = k Gц rg

29

Re = 181 Ar – под действием Gт;

Re = 181 Ar k – под действием Gц.

Раскроем правую часть:

Циклонный процесс – это процесс разделения пыли или суспензии под действием центробежной силы, возникающей вследствие вращения потока в неподвижном аппарате (который называют циклоном – для пылей и гидроциклоном – для жидкостей).

Рассмотрим устройство циклона (рис. 15). Запылённый газ со скоростью 10…40 м/с и жидкость со скоростью 5…15 м/с поступают тангенциально во входной штуцер. Тангенциальный ввод и центральное расположение трубы отвода очищенного потока приводят к вращению потока в корпусе. Под действием центробежных сил взвешенные частицы отбра-

30

Таким образом, при расчёте циклона задаются его типом. Для выбранного типа из таблиц находятся ξ и Pρc , и по приведённой зависи-

мости определяется его диаметр.

Электроосаждение. Это осаждение или разделение газов от взвешенных в них твёрдых или жидких частиц под действием сил электрического поля. Физическая сущность заключается в следующем: газовый поток, содержащий взвешенные частицы, предварительно ионизируется; взвешенные частицы приобретают в этом случае заряд. При прохождении такого потока в электрическом поле между двумя электродами заряженные частицы перемещаются к противоположно заряженным электродам и осаждаются на них. Процесс ионизации проводится в основном двумя методами:

1)самостоятельная ионизация, которая возникает при достаточной разности потенциалов между электродами;

2)несамостоятельная ионизация, которая обеспечивается в резуль-

32

Недостатки:

1.Сложность конструкции.

2.Сложность и высокая стоимость обслуживания и эксплуатации. Наибольшее распространение получили трубчатые (рис. 17) и пла-

стиночные (рис. 18) электрофильтры.

Запылённый газ подаётся снизу фильтра и, распределяясь по трубам, проходит вверх. За счёт пробоя газа (воздуха) из-за высокой разности потенциалов между электродом 2 и трубой 1 (образование вокруг электрода «короны») происходит самоионизация пыли и она приобретает отрицательный заряд. Вследствие полученного заряда пыль прилипает на внутреннюю поверхность трубы 1. Электроды 2 закреплены на подвешенной на пружинах раме 3. Напряжение на них подаётся через изоляторы 5. Очищение труб происходит периодически с помощью встряхивающего устройства 4.

2 1

Пыль

Рис. 18. Схема трубчатого электрофильтра:

1 – коронирующий электрод; 2 – осадительная пластина; 3 – рама; 4 – изоляторы

33

Наиболее распространённые в промышленности основные параметры устройства:

Dтруб = 150…300 мм. Lтруб = 3…4 м.

dэлек = 1,5…2 мм. Р = 100…200 Па.

Степень очистки – до 99%.

Энергозатраты 0,2…0,3 кВт ч на 1000 м3 газа.

Пластинчатый электрофильтр конструктивно аналогичен трубчатому, только вместо труб-анодов устанавливаются пластины.

Расчёт электрофильтров сводится к определению площади осаждения при заданном типе электрофильтра, степени очистки, времени пребывания потока в аппарате. Надёжных методов расчёта скорости осаждения в поле действия электрических сил нет, поэтому скорость частиц может быть найдена весьма приближённо. Обычно скорость осаждения частиц под действием сил электрического поля рассчитывают по уравнению скорости осаждения под действием сил тяжести, но вместо последней подставляется действующая электрическая сила, которая определяется по формуле:

F = ne0 Ex ,

где n – число зарядов, полученных частицей; e0 – заряд электрона; Ех – градиент электрического поля на расстоянии х от оси коронирующего (центрального) электрода.

Обычно скорость осаждения под действием сил электрического поля определяется в ламинарном режиме, поэтому используется уравнение для

скорости осаждения: Re = 181 Ar .

Раскроем критерий:

сил электрического поля.

34

Фильтрование – процесс разделения суспензии и пыли путём их пропускания через пористую перегородку–фильтр, характеризующуюся пропусканием сплошного потока и задерживанием взвешенных частиц.

Осадки, получаемые на перегородке, подразделяются на сжимаемые и несжимаемые в зависимости от того, меняется ли пористость осадка при увеличении разности давлений. При уменьшении пористости с увеличением перепада давлений между потоком на входе и на выходе осадок считается сжимаемым; процессы фильтрования таких осадков проводят под вакуумом или при небольшом перепаде давления ( Р ≤ 105 Па).

При удалении осадка с фильтрующей перегородки последний, как правило, промывается для удаления жидкости, входящей в состав суспензии, и продувается горячим или холодным газом для уменьшения его влажности.

Производительность и эффективность процесса во многом определяются фильтрующей перегородкой. Правильно выбранная перегородка обеспечивает необходимую степень извлечения твёрдых частиц при минимальном гидравлическом сопротивлении. Кроме того, перегородка должна обеспечивать лёгкое отделение осадка и быть механически стойкой. В зависимости от размера выделяемых частиц, химической агрессивности среды и её вязкости применяются фильтрующие перегородки из стеклянной, хлопчатобумажной, шерстяной и полимерной тканей, металлические сети и др.

При проведении процесса фильтрования с отложением осадка следует избегать закупорки пор фильтра, что может происходить при фильтровании суспензии при небольшой концентрации твёрдой фазы и для частиц малого размера. Закупорка устраняется при использовании вспомогательных веществ, которые образуют на перегородке защитный слой, препятствующий проникновению микрочастиц в поры перегородки. В качестве вспомогательного вещества используются перлит, древесный уголь и др.

Процесс фильтрования осуществляется под действием разности давлений перед фильтрующей перегородкой и после нее или под действием центробежной силы. В силу этого в одном случае мы имеем просто фильтрование, а во втором – центробежное фильтрование или центрифугирование.

Фильтрование под действием разности давлений. Основная кинети-

ческая закономерность процесса фильтрования:

где rc – удельное сопротивление осадка; lс – толщина осадка; Rф – сопротивление фильтрующей перегородки.

35

Если при фильтровании суспензии на 1 м3 фильтрата получается х м3 осадка, то высота слоя осадка равна l.

lс = VxF .

Подставим значение lс в формулу (10) и получим дифференциальное уравнение фильтрования под действием перепада давлений с отложением осадка

На практике процесс фильтрования проводят либо при постоянном перепаде давления, либо при постоянной скорости. Соответственно различают режим постоянного перепада давления и режим постоянной скорости.

1. Режим постоянного перепада давления. Для этого режима в уравнении (11) переменными являются V и τ. Проинтегрируем (11):

где С – константа фильтрования характеризующая сопротивление фильтрующей перегородки, м3/м2; K – константа фильтрования, учитывающая режим процесса и физические свойства осадка и жидкости, м2/с.

Решая уравнение (12) относительно τ, получим

В уравнении (13) С и K – константы фильтрования, в большинстве случаев определяются опытным путём (рис. 19).

36

2. Режим постоянной скорости. Для данного режима из основного

– данная зависимость описывает изменение перепада давления при данном режиме.

При расчёте этого режима обычно задаются Р, которая определяется из условия прочности фильтра, и определяется время фильтрования τ.

Оптимальное время фильтрования. Время фильтрования является важным элементом расчёта и желательно добиться максимальной производительности при минимальных затратах.

Время полного цикла работы фильтра равно:

τц = τосн + τвсп .

К основным операциям относят:

τосн = τф + τпр + τпрод ,

к вспомогательным

τвсп = τподг. ф + τзагр + τразгр .

37

Для процесса промывки lс – величина постоянная, тогда

откуда τпр = VпрPFRоб .

Из основного уравнения фильтрования следует, что скорость процесса тем выше, чем меньше толщина осадка. Таким образом, для увеличения производительности фильтра по основным операциям целесообразно как можно чаще повторять цикл его работы, тем самым уменьшая толщину осадка, но это, в свою очередь, приводит к увеличению времени вспомогательных операций. Найдём оптимальную производительность цикла работы на фильтре периодического действия. Рассмотрим случай фильтрования в режиме постоянного перепада давления.

Р = const, Rф = 0, τосн = τф ,

VF2 + 2VфC = kτ,

так как Rф = 0 → С = 0, уравнение Рудса примет вид

VF2 = kτф →VF = kτф .

Условная средняя скорость фильтрования равна:

Для нахождения максимального значения Wус полученное уравнение продифференцируем по переменной величине τф, и первую производную приравняем к нулю:

Для того, чтобы левая часть была равна 0, надо, чтобы числитель был равен 0, а для этого должны быть равны τф = τвс.

Таким образом, наибольшая производительность периодически действующего фильтра при условии Rф = 0 достигается при равенстве про-

должительности основной и вспомогательной операций. Классификация фильтров. Классификация фильтров осуществляется

по принципу действия: периодического действия, непрерывного действия.

38

По целевому назначению: газовые фильтры, жидкостные фильтры. По способу создания разности давлений: под вакуумом, под давле-

нием.

Газовые фильтры предназначены для очистки неоднородных систем пыли. Их конструкции разнообразны и просты.

1.Насыпной газовый фильтр. Аппарат (рис. 20) работает с забивкой фильтра. Такие аппараты характеризуются высоким гидравлическим сопротивлением. В качестве фильтрующей перегородки используются речной песок, крошка мрамора, уголь, шлак, асбест.

2.Рукавный батарейный фильтр. В батарейном фильтре (рис. 21) в качестве фильтрующего элемента используются тканевые рукава, подвешенные на общей раме. Газовый поток вводится, распределяется по рукавам, проходит через перегородку рукава; взвешенные частицы задерживаются на внутренней поверхности. Очистка от осадка проводится периодическим встряхиванием рукавов. Пыль собирается в нижней части и может быть удалена шнеком. Диаметр рукавов dрук = 200…300 мм, скорость

фильтрования до 15 м3/(м2 ч).

39

Недостатки: быстрый износ ткани и закупорка в ней пор; затруднительно использовать для очистки агрессивных газов с высокой температурой.

Достоинства: высокая степень очистки (98…99 %); невысокое гидравлическое сопротивление.

3. Газовый патронный фильтр – это фильтр (рис. 22) с жёсткой фильтрующей перегородкой из керамических, металлокерамических или пластмассовых пористых материалов. Взвешенные частицы осаждаются в порах фильтра и периодически удаляются выдуванием обратным потоком или промывкой. Основными фильтрующими элементами являются жёсткие перегородки в виде цилиндров.

Достоинства: Высокая механическая прочность и стойкость к агрессивным газам с высокой температурой; сверхтонкая очистка газа.

Недостатки: невысокая производительность, сравнительно высокие эксплуатационные расходы.

Жидкостные фильтры

1. Фильтр с плоской фильтрующей перегородкой. Фильтры такой конструкции (рис. 23) могут работать как под максимальным вакуумом, так и под давлением. В первом случае они выполняются открытыми,

Запылённый

газ

2

Рис. 22. Схема газового патронного фильтра:

1 – керамический патрон; 2 – стягивающий болт

40

Достоинства: большая поверхность фильтрования; компактность. Недостатки: трудность удаления осадка; необходимость перемеши-

вания жидкости, так как сила тяжести не совпадает с направлением фильтрования; трудность контроля процесса; достаточно сложная замена фильтрующей перегородки на фильтрующем элементе.

3. Рамный фильтр-пресс. Рамный фильтр-пресс (рис. 25) состоит из чередующихся прямоугольных рам 2 и плит 3, между которыми зажата фильтрующая ткань. Рамы и плиты устанавливаются на горизонтальные направляющие 5, установленные на станине 8, и прижимаются друг к другу с помощью винтового затвора 6. Каждые две соседние плиты с заключённой между ними рамой образуют самостоятельно работающую фильтровальную камеру. Плиты имеют каналы для распределения фильтруемой суспензии, стока фильтрата, притока и оттока промывной жидкости.

Фильтрат

3

Рис. 24. Листовой батарейный фильтр, работающий под давлением:

1 – батарея листовых фильтрующих элементов; 2 – резервуар; 3 – рельсы

41

Суспензия

Промывающая

жидкость

Фильтрат

7 8

Рис. 25. Рамный фильтр-пресс периодического действия:

1 – упорная плита; 2 – рама; 3 – плита; 4 – подвижная концевая плита; 5 – горизонтальная направляющая; 6 – зажимной винт;

7 – жёлоб для сбора фильтрата или промывающей жидкости; 8 – станина

Рассмотрим движение жидкости через раму и плиту в режиме фильтрования ирежиме промывки(рис. 26, а). Суспензия подаётсяв общийканал3 и попадает внутрь рамы под некоторым давлением, затем фильтрат проходит через фильтрующую перегородку (с внутренних сторон рамы) и выводится по каналам в нижней части плит. В случае промывки (рис. 26, б) жидкость подаётся в ещё один общий канал 4, затем распределяется между фильтрующей перегородкой и плитой и последовательно проходит одну фильтрующую перегородку, слой осадка и вторую фильтрующую перегородку. При этом нечётные каналы для стока жидкости закрыты.

Рис. 26. Движение потоков в рамном фильтр-прессе в режиме фильтрования (а) и промывки осадка (б):

1 – рама; 2 – плита; 3 – канал для суспензии; 4 – канал для промывающей жидкости

42

Достоинства: большая поверхность фильтрования; возможность отключения неисправных плит; отсутствие движущихся частей.

Недостатки: ручное обслуживание; несовершенство режима промывки; изнашивание фильтрующей ткани в местах соединения рама – плита.

4.Фильтры непрерывного действия. Эти фильтры характеризуются тем, что все операции (фильтрование, промывка, просушка, снятие осадка

идр.) осуществляются в одно и то же время на разных участках фильтра.

5.Ленточный фильтр (рис. 27). Основными элементами конструкции являются: лента 5, натянутая между двумя барабанами (8 и 3), причём барабан 8 приводится во вращение электроприводом; под лентой, между барабанами, установлены вакуум – камеры, через которые отводятся фильтрат и промывная жидкость.

Работает фильтр следующим образом. Сверху на ленту из лотка 4 подаётся суспензия, которая последовательно проходит стадии фильтрования, просушки, промывки, подсушки; образовавшийся промытый и подсушенный осадок движется на ленте и за счёт изменения направления её движения (на валике 7) падает в ёмкость сбора осадка.

6.Барабанный вакуумный фильтр (рис. 28). Представляет собой перфорированный барабан 1, на который натянута фильтровальная ткань 3. Барабан опущен на некоторую глубину в корыто с суспензией 4. Чтобы частицы суспензии не оседали, предусмотрена мешалка 5. С внутренней

Рис. 27. Ленточный вакуум-фильтр:

1 – вакуум-камеры; 2 – перфорированная лента; 3 – натяжной барабан; 4 – лоток для подачи суспензии; 5 – фильтровальная ткань; 6 – натяжные ролики;

7 – валик для перегиба ленты; 8 – приводной барабан; 9 – форсунки для подачи промывной жидкости

43

стороны барабан поделён на камеры 6, которые соединены каналами с вращающейся головкой 9. Для промывки осадка используется разбрызгивающее устройство 8. Осадок срезается с поверхности барабана ножом 2. Барабан приводится во вращение с помощью электродвигателя.

Каждая камера фильтра последовательно соединяется с источником вакуума или избыточного давления, т.е. фильтр как бы разбит на секторы, в которых проходят следующие процессы: фильтрование, обезвоживание, промывка осадка, осушка осадка, взрыхление осадка, продувка ткани. Первые четыре процесса идут за счёт вакуума в соответствующих камерах, остальные за счёт избыточного давления.

Расчёт газовых фильтров сводится к определению поверхности фильтрования либо:

1) по заданной производительности V, м3 и удельной нагрузке на фильтр q, м3/м2

F = Vq ;

2) либо из основного уравнения фильтрования находится поверхность фильтрования

F = VсPrф ,

где rф – максимальное сопротивление фильтра; Р – максимальный перепад давления.

Для фильтров с забивкой пор rф рассчитывается по эмпирической зависимости rф = aVсb , где а, b – константы, определяемые опытным путём; Vс – объём полученного очищенного газа.

44

Продолжительность работы фильтра между очистками:

τф = Vф ,

Vс

где Vс – объёмный расход фильтрата, м3/с; Vф – объём газа, при прохождении которого через фильтр сопротивление фильтрующей перегородки достигает максимально допустимого значения, м3.

Расчёт жидкостных фильтров.

1. Фильтры периодического действия. Производительность по суспензии Vс и состав суспензии заданы, требуется определить поверхность фильтра F.

Порядок расчёта:

1)задаются типом фильтра, удельным сопротивлением осадка, сопротивлением фильтрующей ткани и предельным давлением, если процесс фильтрации осуществляется в режиме W = cоnst;

2)из материального баланса определяется объём получаемого фильтрата, объём получаемого осадка (V, Vос);

3)из уравнения фильтрования определяется время фильтрования (τф);

4)из уравнений кинетики фильтрования при постоянной скорости (W = const) находится время промывки;

5)время осушки, отдушки, выгрузки назначается исходя из производственных данных фильтрования в подобных условиях;

6)рассчитывается время цикла:

τц = τосн + τвсп;

7) определяется количество операций в сутки:

b = 24 ;

τц

8) определяется объём фильтрата с единицы площади фильтра за одну операцию:

Vф′ = V l = V l ; Voc Fl

9) определяется количество полученного фильтрата с единицы площади фильтра за b операций:

VF =Vф′′b ; 10) рассчитывается площадь фильтра:

F = V , м2.

VF

45

По каталогу, зная поверхность, находят фильтр. Если полученная поверхность достаточно велика и по каталогу фильтров нет фильтра с такой поверхностью, то определяют необходимое количество фильтров.

2. Фильтры непрерывного действия. Заданы: производительность по суспензии Vс и состав суспензии. Требуется определить поверхность фильтра F.

Порядок расчёта:

1)задаются типом фильтра, удельным сопротивлением осадка, толщиной осадка, сопротивлением фильтрующей перегородки, шириной фильтрующей ленты b;

2)из уравнения материального баланса определяется объём фильтрата и осадка (V, Vос);

3)из уравнения расхода определяют скорость движения ленты:

Vос = blсWл ,

где Wл – скорость движения ленты; lс – толщина слоя осадка.

Из уравнения фильтрования обычно при постоянном перепаде давления ( Р = const) определяют время фильтрования τф ;

4) из уравнения кинетики фильтрования при постоянном Р или W определяют время промывки τпр;

5)время осушки, время отдушки, время выгрузки назначаются исходя из производственных данных;

6)определяются длины участков фильтровальной ленты:

Zф =Wлτф ,

Zпр =Wлτпр ,

Zосушки =Wлτосушки ,

Zотдуш =Wлτотдуш ,

Zвыгруз =Wлτвыгруз;

7)определяется общая длина ленты:

Z= Zф + Zпр + Zосушки + Zотдушки + Zвыгруз ;

8)рассчитывается поверхность фильтра: F = Zb.

По каталогу аналогично предыдущему расчёту выбирается тип фильтра.

Центрифугирование. Это процесс разделения неоднородных систем в поле действия центробежных сил с использованием сплошных или перфорированных перегородок.

В зависимости от типа перегородок различают для сплошных стенок отстойное центрифугирование (рис. 29); для проницаемых стенок – фильтрующее центрифугирование (рис. 30).

46

Одной из важнейших характеристик центрифугирования является фактор разделения K:

K = Gц = Wr2 ,

Gт rg

где Wr – окружная скорость, м/с; r – радиус барабана, м; ω – угловая скорость, рад/с; n – число оборотов в минуту.

Разделяющая способность отстойных центрифуг характеризуется индексом производительности ∑:

∑ = KF,

где F – поверхность осаждения ротора отстойной центрифуги.

Индекс производительности показывает, какой площадью необходимо взять отстойник, чтобы его производительность была равна производительности центрифуги.

Центробежное фильтрование. Характер изменения скорости процесса фильтрования в фильтрующей центрифуге от времени (рис. 31) характеризуется наличием трёх периодов (трёх зон) на графике, т.е. существованием трёх режимов:

47

Iмы найденные ранее закономерности кинетики фильтрования. В этой области

Pц = ρω2 2 (r12 −r22 ) .

Используя основное кинетическое уравнение фильтрования, может быть найдено время центрифугирования:

Фильтрующую поверхность центрифуги определяют по формуле

F = πH (r1 +r2 ) .

48

1800

Площадь осаждения

F = π(D −h)l ,

где D – внутренний диаметр барабана, м; h – максимальная толщина осадка, м; l – длина барабана, м; n – число оборотов в минуту.

Индекс производительности ∑ зависит от режима осаждения.

Снижение индекса производительности связано с отставанием скорости вращения жидкости от скорости вращения ротора из-за проскальзывания суспензии и с появлением вихревых потоков в слое суспензии ротора и захватом ими осевших частиц.

Производительность центрифуги, рассчитанная по теоретической зависимости, оказывается много меньше её действительной производительности. Их сопоставление оценивается коэффициентом эффективности φ.

ϕ= Qg ,

Qm

где Qg – действительная производительность; Qm – теоретическая производительность.

Конструкции центрифуги. Классификация центрифуг осуществляется:

1. По целевому назначению: а) фильтрующие; б) отстойные.

49

50

Центрифуга с пульсирующим поршнем для выгрузки осадка непре-

рывного действия представлена на рис. 36. Нормальная центрифуга. Суспензия подаётся внутрь вращающегося конуса 8, и по нему она

попадаёт во вращающийся барабан 2, закреплённый на горизонтальном полом валу 3. Фильтрат проходит сквозь барабан в кожух 1, а с внутренней стороны откладывается осадок, который подталкивается к выходу с помощью поршня-толкателя 5, совершающего возвратно-поступательные движения. Поршень перемещается на 1/10 длины барабана и совершает 10 – 16 ходов в минуту. За каждый ход осадок перемещается на 40…50 мм.

Центрифуга со шнековым устройством (рис. 37) для удаления осад-

ка непрерывного действия. Нормальная центрифуга.

Бывают отстойные или фильтрующие. Центрифуга имеет два барабана: наружный – глухой 1 и внутренний 7, в который подаётся суспензия. На внутреннем барабане установлен шнек. Шнековое устройство имеет скорость на 1,5…2% меньше скорости вращения ротора. Из внутреннего барабана через отверстия суспензия попадает во внешний барабан, в котором происходит осаждение твёрдых частиц. С помощью шнека осадок выталкивается из внешнего барабана.

Рис. 36. Фильтрующая центрифуга непрерывного действия с пульсирующим поршнем для выгрузки осадка:

1 – кожух; 2 – перфорированный барабан с фильтровальной перегородкой; 3 – полный вал; 4 – вал-шток; 5 – поршень-толкатель; 6 – устройство, придающее

поршню-толкателю вращательное и возвратно-поступательное движения; 7 – жёлоб; 8 – коническая воронка

51

6

Осадок Фугат

Рис. 37. Схема отстойной центрифуги непрерывного действия

сгоризонтальным валом и шнековой выгрузкой осадка:

1– конический барабан; 2 – внутренний барабан; 3 – полный внешний вал; 4 – лопасти шнека; 5 – полный внутренний вал; 6 – кожух;

7 – окна во внутреннем барабане

Жидкостной сепаратор тарельчатого типа непрерывного действия

для разделения эмульсий.

Рис. 38. Барабан однокамерного сепаратора:

1 – корпус барабана; 2, 3 – конические перегородки; 4, 5 – выводные отверстия; I – эмульсия; II – лёгкая жидкость; III – тяжёлая жидкость

52

На рисунке 38 показан барабан однокамерного сепаратора. Разделяемая эмульсия I подаётся по центральной трубе внутрь барабана 1, проходит под нижней конической перегородкой 2 и поступает в рабочую зону сепаратора. Здесь под действием центробежной силы происходит расслоение эмульсии. Жидкость III, имеющая большую плотность, перемещается непосредственно к стенке барабана, проходит над верхней конической перегородкой и отводится через выводное отверстие 5. Более лёгкая жидкость отводится по выводному отверстию 4, расположенному ближе к центральной трубе. Для уменьшения перемешивания жидкости внутри барабана и, как следствие, увеличения качества разделения внутри могут находиться перфорированные тарелки (рис. 38, а).

Трубчатые сверхцентрифуги. Используются для разделения эмульсий и суспензий с небольшой концентрацией твёрдой фазы. Имеют ротор D < 200 мм, число оборотов n до 45 000, что позволяет получить фактор разделения K > 3500. На рисунке 39 изображена центрифуга для разделе-

53

Процесс перемешивания может осуществляться:

1)механическим способом с помощью устройства, совершающего возвратно-поступательные движения;

2)пневматически;

3)циркуляционно.

Рассмотрим механическое перемешивание вращающимся устройством. В качестве последнего могут быть мешалки лопастные, турбинные и специальные.

Лопастные мешалки – это устройства (рис. 41), состоящие из лопа-

54