Гидроциклоны

Разделение суспензий с использованием центробежных сил можно проводить не только в центрифугах, но и в аппаратах, не имеющих вращающихся деталей - гидроциклонах. Достоинства их - компактность, низкая стоимость, простота и легкость обслу­живания.

По устройству гидроциклоны аналогичны циклонам, применяе­мым для очистки газов от пыли. Гидроциклоны, используемые в неорганической технологии, имеют диаметр от 50 до 750 мм и угол конусности от 5 до 900. Чем меньше диаметр гидроциклона тем больше возникающие в нем центробежные силы и тем меньше размер отделяемых частиц. Обычно гидроциклоны малого диа­метра объединяют в один аппарат, в котором они работают па­раллельно – мультигидроциклоны. Лучшее разделение суспензии (осветление) достигается при малых углах конусности (10-15⁰)

Гидроциклоны нашли широкое применение для сгущения суспензии и разделения материалов на фракции по размерам твердых частиц в калийной промышленности, а также в производствах катализаторов и едкого натра известковым способом.

Недостатком гидроциклонов является быстрый износ деталей, особенно нижней части конуса, патрубков питающего и верхнего слива. Для увеличения сроков службы циклоны изготавливают иногда со сменной футеровкой из износостойких материалов.

АппараТbI для проМbIвки осадков

Аппаратов, специально предназначенных для промывки осад­ков, нет. Для этой цели служат обычно аппараты, используемые для разделения суспензий (отстойники, фильтры, центрифуги).

Промывку осадков осуществляют с целью более полного из­влечения жидкой фазы (например, в производстве едкого натра известковым способом), либо для получения осадка высокого качества, свободного от примесей (например, в производстве кар­боната бария). Правильная организация процесса промывки осад­ков играет важную роль в повышении качества получаемого про­дукта.

Существует несколько методов промывки осадков: метод вытеснения жидкой фазы осадка промывной жидкостью, метод раз­бавления жидкой фазы осадка промывной жидкостью, метод диф­фузии жидкой фазы осадка в промывную жидкость. Последний метод используют редко и только в шнековых осадительных цент­рифугах. Промывной жидкостью в производстве неорганических веществ служит обычно технологическая или деминерализованная вода (в зависимости от требований, предъявляемых к качеству продукта).

Выбор аппаратов для разделения суспензии

На выбор аппарата для разделения суспензий влияют многие факторы. К основным из них относят: свойства суспензии, условия процесса, назначение разделения, мощность производства и кон­струкционные материалы. Например, разделение легкорасслаиваю- щихся суспензий с высоким отношением Ж/Т лучше всего произ­водить в отстойниках, особенно если жидкость имеет низкую стои­мость, а осадок является отходом производ-ства. Для суспензий, дающих сильносжимаемый осадок, удельное сопротивление кото­рого увеличивается с ростом давления, а также для суспензий, осадок которых обладает сильным адгезионным свойством, авто­матизированные фильтр-прессы и центрифуги неприменимы. В этом случае целесообразнее использовать барабанный вакуум-фильтр со сходящей лентой или с устройством для снятия осадка шнура­ми. Плотность твердой фазы играет существенную роль при вы­боре осадительной центрифуги. Если разность плот-ностей жидкой и твердой фаз значительно меньше 200 кг/м³, то осадительные центрифуги неприменимы для такой суспензии. В этом случае наи­более приемлемыми будут центри-фуги типа ФПД или фильтры (в зависимости от других свойств осадка и требований к нему).

Вакуум-фильтры являются более дешевым оборудованием, чем ФПАКМ или центри-фуги. Поэтому, если процесс может быть осу­ществлен под вакуумом, целесообразно использовать вакуум-фильтры.

Большое значение при выборе фильтров имеют требования к чистоте и концен-трации фильтрата, чистоте и влажности осадка. С наименьшей влажностью осадок полу-чается на автоматизиро­ванных фильтр-прессах, а наилучшая промывка осадка с полу­чением концентрированных промывных вод достигается на карусельном фильтре. Поэтому при выборе аппарата необходимо иметь в виду назначение и особенности его конструкции.

При выборе и расчете фильтров по результатам лабораторных опытов следует использовать только такие данные, которые полу­чены при условиях, моделирующих работу фильтра данного типа. При этом считается, что поверхность лабораторного филь-троваль­ного элемента должна быть не менее 100 см².

Фильтрующие центрифуги используют, как правило, для раз­деления суспензий с крупнозернистой растворимой твердой фазой. В производстве большой мощности с высоким уровнем автомати­зации и механизации для разделения суспензий с растворимой твердой фазой с размером частиц более 100 мкм наиболее подхо­дящими являются центрифуги типа ФГП. Образующийся в них осадок имеет низкую влажность и при выгрузке не измельчается. Эти центрифуги дают возможность промывать осадок. Однако при их выборе следует учитывать, что производительность зависит не только от размера ротора, но и от вида обрабатываемого осадка. Например, производительность центрифуги 1/2ФГП 8011(-2 при фильтровании суспензии хлорида натрия составляет 6 т/ч, а при фильтровании шенита (K2S04·MgS04·6H20) - 4 т/ч (при одина­ковой влажности осадка). С уменьшением размера частиц и их концентрации увеличивается влажность осадка и унос твердой фазы с фильтратом (при Ж/Т = 1,5 он достигает 1,5 %). Такое же действие оказывает повышение производительности центрифуги. Например, в центрифуге ФГН 1801К при производительности 8 т/ч осадок хлорида калия получается с влажностью 3 %, а при про­изводительности 10 т /ч - 5 %.

При выборе центрифуг типа ФГП необходимо также учиты­вать, что они не обеспе-чивают четкого разделения фильтрата и промывных вод, а также то, что в них возможна утечка масла в фильтрат.

Для выделения из суспензии нерастворимых частиц с разме­рами более 5 мкм можно использовать высокопроизводительные отстойные центрифуги непрерывного действия типа ОГШ. Они могут работать в широких пределах отношения Ж/Т (1,5-20). Однако этот тип центрифуг не позволяет промывать осадок; влажность его получается такой же, как и на барабанных вакуум­фильтрах (20-40 %), а унос твердой фазы с фугатом составляет от 3 до 10 %.

Предварительный выбор центрифуги производят с учетом опыта ее использования в промышленности. При этом исследуют свой­ства суспензии, оценивают эффективность ее разделения тем или иным методом. Окончательный выбор центрифуги может быть сделан только после промышленного испытания. При наличии нескольких конкурирующих фак-торов возникает необходимость про­ведения сравнительных экономических расчетов. Проведение та­кого расчета для разделения суспензий с промывкой и обезвожи­ванием является весьма сложным делом. Кроме учета стоимости всего оборудования и его обслу-живания необходимо сравнение качества полученного на разных аппаратах продукта, возможных потерь продуктов, а также стоимости его дальнейшей переработки (сушки, кальцинации и т. д.).

Мощность производства определяет необходимый уровень ме­ханизации и автома-тизации процессов разделения суспензий. Если в малотоннажных производствах воз-можно применение немехани­зированных аппаратов с ручной выгрузкой осадка, то в круп-но­тоннажном производстве это неприемлемо.

При оценке необходимого уровня автоматизации должен быть учтен и общий уровень ее в цехе, а также непрерывность или пе­риодичность основных процессов производства. Использование не­прерывнодействующих аппаратов целесообразно в тех случаях, если процесс разделения суспензии находится в промежуточных стадиях, после которых этот процесс ведется по непрерывной тех­нологии

Классификация сыпучих материалов

Разделение сыпучих материалов по размеру кусков или зерен называется классификацией. Путем классификации сыпучая смесь разделяется на классы (фракции), ограниченные определенными пределами размеров кусков или зерен. Применяются различные способы разделения сыпучих материалов на фракции. Наибольшее распространение получили грохочение (просеивание через сита и решетки), разделение под действием сил тяжести и инерции, а также под действием центробежных сил.

Разделение грохочением (просеиванием)

Сыпучий материал пропускают через сито с определенным размером отверстия d.

Частицы, размер которых меньше размера отверстия в сите, проходят через него (фракция - d), а более крупные задерживаются на сите (фракция + d). Применяя сита с разными отверстиями, можно разделить зернистый материал практически на любое количество фракций.

Полученные в результате просеивания на сите продукты обозначаются размером отверстий сита, полностью пропускающего зерна данного размера (со знаком минус), и размером отверстий сита, полностью их задерживающего (со знаком плюс). Классы зерен обозначаются размерами сит, соответствующих предельным размерам зерен или кусков данного класса. Например, если данный класс получен последовательно просеиванием на ситах № 4 и № 2, т. е. с отверстиями 4 и 2 мм, то его обозначают так: - 4 + 2 мм.

Изготовляют сита в основном из проволочных сеток с отверстиями, имеющими размер стороны от 0,04 мм и выше. Величина отверстий сеток (размеры ячейки) опреде-ляется минимальным расстоянием (в свету) между противоположными проволоками и выражается в линейных единицах - миллиметрах или микронах.

Отношение площади отверстий сита в свету к общей площади сита называется живым сечением и для всех сит составляет ~36%.

Употребляемое еще в отечественной практике американское понятие «меш» означает количество отверстий в сите на один линейный дюйм (25,4 мм). По немецкой системе номер сита соответствует числу отверстий на один линейный сантиметр.

Отделение частиц определенной крупности на грохоте происходит при движении материала относительно рабочей поверхности грохота. Относительное движение мате-риала создают либо на неподвижном грохоте, либо при движении сита грохота в наклон-ной или горизонтальной плоскости.

В результате грохочения получают два продукта: 1) частицы, прошедшие через сито, - просев (нижний продукт) и 2) частицы, не прошедшие через сито - отсев (верхний продукт). Эффективность грохочения обычно характеризуется отношением веса полу-ченного нижнего продукта к весу частиц того же класса в исходном материале. Грохо-чение производится через одно сито или последовательно через несколько сит при ­многократном грохочении (рис. 27). Грохочение от мелкого к крупному дает возможность наблюдать за всеми ситами, но при этом длина грохота получается значительной. Грохочение от крупного к мелкому дает лучшее качество грохочения вследствие отсева в первую очередь наиболее крупных частиц, но при таком способе ощущается сложность ремонта и смены сит, а также затруднен отвод готового продукта. Недостатки первых двух способов грохочения удается в известной мере преодолеть при грохочении комбинированным способом.

Такие грохоты на пружинящих опорах получили широкое распространение. Грохот (рис.28) состоит из прямоугольного короба 2 с ситом 4, которому сообщается качание от эксцентрикового механизма. При качаниях грохота, наклоненного к горизонту под углом 7-14⁰, материал перемещается вдоль сита. Нижний продукт просеивается, а верхний сбрасывется с разгрузочного конца грохота.

Рис. 27. Способы грохочения: а - от мелкого к крупному; б - от крупного к мелкому; в – комбинированный способ.

Рис. 28. Плоский качающийся грохот на пружинящих опорах: 1 - шатун; 2 - короб; 3 - пружинящий стержень; 4 - сито; 5 - эксцентрик.

Достоинства плоских качающихся грохотов: большая производительность и высо-кая четкость грохочения, компактность, удобство обслуживания и ремонта. Недостаток этих грохотов - неуравновешенность конструкции, вызывающая сильные сотрясения здания. По этой причине плоские качающиеся грохоты нельзя устанавливать на верхних этажах.

Среди качающихся грохотов имеются также эксцентриковые (гирационные) и вибрационные (инерционные) грохоты. Они обладают рядом преимуществ и в настоящее время вытесняют все другие типы грохотов. Схема качающегося эксцентрикового грохота с круговым качанием в вертикальной плоскости дана на рис. 28. В стойке рамы на шарикоподшипниках установлен вибратор эксцентриковый вал 1 с двумя противовесами. К валу симметрично на подшипниках крепится короб 2 с ситом З. Короб опирается на пружины 4. Эксцентриковый вал сообщает коробу качательное движение по окружности с амплитудой качаний, равной эксцентриситету вала.

В вибрационных грохотах (рис. 29) плоское и обычно наклонное сито совершает частые колебания небольшого размаха. Короб 1 и сита 2 установлены на пружинах 3. На стойках в подшипниках вращается вал 4 с двумя шкивами 5, несущими неуравно­ве-шенные грузы 6 (дебаланс). При вращении шкивов возникают центробежные силы инерции, которые сообщают коробу колебательное движение.

Рис. 29. Схема эксцентрикового грохота: 1 - вал-вибратор; 2 - короб; 3 - сито; 4 - пружина

Рис.30. Схема вибрационного грохота: 1 - короб; 2 - сито; 3 - пружина; 4 - вал; 5 - шкив; 6 - неуравновешенный груз (дебаланс ).

Из достоинств эксцентриковых и ви-брационных грохотов следует отметить следующие: 1) при высокой частоте колебании сита почти не забиваются мате-риалом; 2) они обладают более высокой производительностью и точностью грохо-чения; 3) пригодны для крупного и тон-кого грохочения 4) потребляют меньше энергии по сравнению с другими типами грохотов. Производительность V (в мЗ /ч) бы-строходных вибрационных грохотов мо-жет быть определена следующим образом: V = AF(55 + а)(60 + b) , где А - коэффициент (опытный); F - площадь сита, м2; а - содержание нижнего продукта в исходном материале, %; b - содержание в нижнем продукте зерен размером меньше половины отверстия сита, %; d - размер отверстия, мм.

Барабанные грохоты

Барабанные грохоты применяются для рассева преимущественно сухих мате-риалов. Цилиндрический барабанный грохот (рис. 31) представляет собой перфори-рованный или изготовленный из сетки барабан, который вращается на опорных роликах (или на центральном валу). Барабаны грохотов устанавливаются наклонно под углом 4-7⁰ к горизонту. Отверстия в барабане для прохода нижнего продукта в большинстве случаев увеличиваются по ходу материала (грохочение от мелкого к крупному). Окружная скорость барабанных грохотов колеблется в пределах 0,61 - 1,25 м/сек.

Рис. 31. Цилиндрический вращающийся барабанный грохот: 1 - бандажи; 2 - отверстие; З-опорные ролики; 4 - барабан.

Число оборотов барабана п (в об/мин) зависит от его радиуса R (в м) и определяется по уравнению:

.

Мощность N (в квт), потребляемая грохотом:

G_b , G_М - вес барабана и загруженного материала соответственно, кгс.

К достоинствам барабанных грохотов относятся простота их конструкции и обслу-живания, а также равномерное вращение.

Рис. З2. Отстойный газоход: 1 – ячейковый выгру-жатель; 2 - сборник; 3 - штуцер питания; 4 - корпус газо-хода; 5 – направляющие перегородки; 6 - выходной штуцер

К недостаткам следует отнести небольшую производительность на единицу поверхности сита, сильное крошение материала и значительное пьшеобразование, а также большой расход металла на изготовление грохота. Для предотвращения распространения пыли грохот устанавливают в отдельном помещении. В настоящее время вследствие указанных недостатков барабанные грохоты постепенно вытесняются плоскими качающимися и вибрационными грохотами.

Разделение под действием сил тяжести

В крупных производствах и при получении особо тонких порошков разделение последних на классы осуществляется методом раздельного высаживания частиц из несущей среды под действием сил тяжести.

В качестве несущей среды при сухом измельчении чаще всего применяют воздух, реже - дымовые или инертные газы, а при мокром измельчении - воду.

Рис. 33. Отстойный газоход: 1 - ячейковый выгружатель; 2 - сборник; 3 - штуцер питания; 4 - корпус газохода; 5 - направляющие перегородки; 6 - выходной штуцер.

Простейшим сепаратором, в кото-ром частицы разделяются под действием сил тяжести, является отстойный газо-ход (рис. 33). Измельченный материал в потоке газа через штуцер 3 поступает в камеру. Скорость газового потока в камере уменьшается, а сам поток меняет направ-ление за счет перегородок 5. Поэтому твердые частицы начинают отделяться из потока и под действием сил тяжести осаждаться. Наиболее крупные частицы будут осаждаться в первом сборнике, во втором - более мелкие, а самая тонкая фракция будет выноситься потоком из отстойника.

В дальнейшем эта фракция отделяется от потока в специальных аппаратах ­фильтрах, циклонах и т. п.

Воздушные сепараторы обычно работают в одном агрегате с мельницей. На рис. 33 представлен воздушно-про-ходной сепаратор. Измельченный материал в потоке воздуха поступает через патрубок 1 в кольцевое пространство между корпусом 2 и вну-тренним конусом 3. Вследствие увеличения в этом пространстве проходного сечения скорость воздушного потока снижается в несколько раз и крупные частицы под действием силы тяжести выпадают из потока и через патрубок 6 выво-дятся из сепаратора. Воздушный поток далее проходит через тангенциально установленные лопатки 4, при этом потоку сообщается враща-тельное движение. Под действием центробежных сил более крупные частицы отбрасываются на стенки конуса 3, опускаются по ним и удаляются через патрубок 6. Газовый поток с мелкими частицами выходит через патрубок 5 и далее подается в циклон. Работу сепаратора можно регулировать путем изменения скорости воздуха или положения лопаток. При мокром методе размола для разде-ления на фракции применяют гидравлические классификаторы, разделяющие зерна в потоке жидкости, - отстойники, механические, клас-сификаторы и гидроциклоны. По принципу работы отстойники практически не отличаются от работы отстойных газоходов, разница за-ключается лишь в использовании несущей среды.

Рис. 33. Воздушно-проходной сепаратор: 1 - входной патрубок; 2 – корпус; 3 – внутренний корпус; 4 - корпус газохода; 5 - направляющие перегородки; 6 - выходной штуцер.

Спиральные и реечные механические классификаторы состоят из неподвижного корпуса (корыта) и непрерывно действующего транспортного устройства для сбора и удаления песков - крупных осаждающихся частиц, которые вновь подаются на доизмель-чение в мельницу. Например, спиральный классификатор (рис. 34.) имеет наклонное корыто 1 полуцилиндрического сечения с насаженной на вал спиралью 2, частично погруженной в жидкость, и высоким порогом 3, через который удаляется взвесь мелких частиц - слив. Пески осаждаются в нижней части корыта и при помощи спирали, дела-ющей 2,5-17 об/мин, транспортируются в верхнюю часть корыта и здесь выгружаются.

Кроме односпиральных, применяются также двухспиральные классификаторы с двумя спиралями в одном корпусе.

Рис. 34. Спиральный классификатор: 1 - наклонное корыто; 2 - спираль; 3 - порог.

Разделение под действием центробежных сил

Наиболее эффективными аппаратами для разделения, по сравнению с отстойниками, являются циклоны-сепараторы и гидроциклоны.

Рис. 33. Схема циклона-сепоратора: 1 - корпус; 2 – входной штуцер; 3 – выход-ной штуцер; 4 - штуцер для отвода крупной фракции.

Принцип разделения сыпучих материалов под дей-ствием центробежных сил основан на том, что при враще-нии материалов вместе с несущей средой более крупные частицы, обладая и большей центробежной силой, переме-щаются к периферии. Простейшим сепаратором этого типа является циклон (рис. 33). Носитель (газ или жидкость), содержащий твердые частицы через штуцер 2 тангенциально (по касательной к окружности) вводится в корпус 1, приобретая при этом вращательное движение. В таком потоке на частицу «т» действуют три главные силы: 1) сила тяжести, которая ув-лекает частицу вниз; 2) центробежная сила, вытал-кивающая частицу в радиальном направлении, и 3) сила давления потока, заставляющая частицу двигаться по окружности. Траекторией движения частицы является спираль. Достигнув стенки аппарата, частицы под действием силы тяжести будут двигаться по коническому дну к штуцеру 4. Мелкие частицы, не успевшие достигнуть стенки аппарата, вместе с носителем будут продвигаться к штуцеру 3. При этом на крутом повороте у входа в штуцер выносится самая мелкая фракция. В рассматриваемом

аппарате материал делится в основном на две фракции - нижнюю и верхнюю. В технике разделения материалов на фракции циклоны и гидроциклоны вследствие простоты конструкции и высокой производительности находят все большее применение.

Для удовлетворения разнообразных нужд промышленности создан ряд типо­раз-меров циклонов производительностью по газу в одиночном циклоне от 20 до 90 000 м³/ч.

К числу нормальных циклонов НИИОГАЗ относятся циклоны ЦН-15, ЦН-15у, ЦН-1l диаметром до 800 мм и ЦН-24 диаметром до 1000 мм. Указанные циклоны отличаются друг от друга углом наклона входного патрубка. Цифры при ЦН (циклон нормальный) указывают величину этого угла в градусах. Из всех типов циклонов ЦН наиболее употребительным является циклон ЦН-15. При ограниченных габаритах по высоте применяется циклон ЦН-15у (укороченный), но при этом несколько снижается коэффициент извлечения. Для извлечения твердой фазы, состоящей из крупных частиц, при больших концентрациях в газе в качестве первой ступени извлечения применяют высокопроизводительный циклон ЦН-24. Для осаждения твердых частиц размером 5-10 мкм рекомендуется устанавливать циклоны типа ЦН-1l.

Лучше чем обычными, пылевидные твердые продукты улавливаются батарейными циклонами, состоящими из ряда параллельно включенных циклонов малого диаметра (150-250 мм). Батарейные циклоны могут работать с переменной нагрузкой, при выключении и включении отдельных элементов батареи.

Чтобы выбрать из всего многообразия типоразмеров циклонов наиболее подходящий для данного конкретного случая, необходимо сравнить характеристики всех типов циклонов (приводятся в справочниках). При выборе циклона определяющей является та задача, которую он должен решать. Если требуется извлечь из пыле-газовой смеси твердую фазу с очень мелкими частицами, размер которых составляет несколько микрон, предпочтение отдают циклонам типа ЦН или батарейным (БЦ). Также поступают и в том случае, когда необходимо произвести наиболее полное извлечение ценной или, наоборот, вредной твердой фазы.

38