Автор: Н.А. Галактионова
Промышленная экология
Учебное пособие для студентов заочного отделения / Москва: Международный независимый эколого-политологический университет, 2002
| Предыдущая |
Содержание статьи:
Тема 4. Основные технологические процессы
4.4. Гидромеханические процессы
4.4.2. Осаждение
Осаждение – разделение жидких или газовых неоднородных систем путем выделения из жидкой или газовой фазы твердых или жидких взвешенных частиц; такое выделение может осуществляться под действием сил тяжести (отстаивание), центробежной силы (циклонный процесс или отстойное центрифугирование), а также под действием сил электрического поля (электроочистка).
ОТСТАИВАНИЕ
Отстаивание (О) применяют для разделения пылей, суспензий и эмульсий. Из-за небольшой скорости осаждения взвешенных частиц О применяют для частичного разделения неоднородных систем (НС): пылей, суспензий и эмульсий. Преимущества процесса – простое аппаратурное оформление и малые энергетические затраты.
Движущая сила процесса – сила тяжести.
Сущность О заключается в том, что НС пропускается через камеру (рис. 4.4), на дно которой под действием сил тяжести осаждаются взвешенные частицы. При отстаивании должны соблюдаться два основных требования: 1)время пребывания элементов потока в аппарате должно быть равно или больше времени осаждения частиц; линейная скорость потока в аппарате должна быть значительно меньше, чем скорость осаждения.
Рис. 4.4. К определению производительности отстойника
Несоблюдение первого приводит к тому, что частицы не успевают осесть, а второго – к тому, что возникающие вихревые токи поднимают осаждающиеся частицы.
Установим связь между производительностью отстойной камеры и ее размерами. Обозначим (рис. 4.4):
Vсек – производительность камеры м3/сек;
w0 – скорость осаждения частицы в м/сек;
t0 – время осаждения частицы в сек;
w – линейная скорость потока в аппарате в м/сек;
a, b, h – размеры камеры в м.
Рабочий объем аппарата может быть определен по уравнению:
Vр = a × b × h = Vсек× t0 (4.1)
Но t0 = h/w0 , тогда
Vсек = a × b ×w0 (4.2)
Произведение a × b = F есть площадь осаждения и, следовательно, производительность отстойного аппарата равна произведению площади осаждения на скорость осаждения. Скорость осаждения, необходимая для расчета определяется закономерностями гидрокинетики через критериальное уравнение, связывающее критерии Рейнольдса и Архимеда.
Аппараты, предназначенные для проведения процессов отстаивания, обычно называются отстойниками.
Отстойники для пылей. Все отстойники для пылей являются непрерывно действующими или полунепрерывно действующими аппаратами. Газовый поток проходит через аппарат непрерывно, а осевшая пыль выгружается из него или непрерывно, или периодически.
Простейшим отстойником является отстойный газоход — расширенная часть газопровода (рис. 4.5.). Отстойный газоход снабжается перегородками 1 и сборниками пыли 2. Благодаря наличию перегородок газовый поток завихряется и возникающие при атом центробежные силы способствуют осаждению частиц пыли. Из сборников пыль выгружается периодически.
Рис. 4.5. Отстойный газоход:
1 — перегородка; 2 — сборник пыли.
Отстойники для суспензий. Отстойники для суспензий работают как полунепрерывно действующие или непрерывно действующие аппараты.
На рис. 4.6. показан непрерывно действующий отстойник с гребками. В производственных условиях такой отстойник является наиболее рентабельным. Суспензия поступает в верхнюю часть аппарата, осветленная жидкость выводится через кольцевой желоб 2, осадок собирается в нижней части аппарата. Гребок 1, совершающий 0,02—0,5 оборота в 1 мин, разрыхляет осадок и перемещает его по дну к разгрузочному штуцеру в центре отстойника.
Рис. 4.6. Непрерывно действующий отстойник с гребком:
1 — гребок; 2 — кольцевой желоб; 3— привод
Удаляемый из отстойников осадок содержит много жидкости. Эта жидкость в большинстве случаев является ценным продуктом, поэтому ее необходимо извлекать из осадка. Извлечение жидкости из осадка в процессе непрерывного отстаивания достигается в установке для противоточной промывки
Отстойники для эмульсии различают периодического и непрерывного действия.
Непрерывно действующий отстойник для эмульсий представляет собой цилиндрическую емкость, снабженную вводным и выводным патрубками. Эмульсия вводится в среднюю часть аппарата между двумя перфорированными перегородками. После расслаивания легкая жидкость удаляется из аппарата через верхний отводный патрубок, а тяжелая — через нижний.
В заключение отметим, что конструктор отстойной аппаратуры имеет незначительные возможности для интенсификации процесса. Единственным путем интенсификации является увеличение площади осаждения, что достигается размещением в аппарате большого числа полок.
ОСАЖДЕНИЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ (ОЦС)
ОЦС применяется для разделения пылей, суспензий и эмульсий. Чтобы осуществить этот процесс, к осаждаемым частицам необходимо приложить центробежные силы, что достигается введением разделяемого потока в поле действия центробежных сил.
Для создания поля центробежных сил в технике используется два приема: 1) обеспечивают вращательное движение потока жидкости (газа) в неподвижном аппарате; 2) поток направляют во вращающийся аппарат, где перерабатываемые продукты вращаются вместе с аппаратом. В первом случае происходит циклонный процесс, а во втором – отстойное центрифугирование.
Физическая сущность ОЦС заключается в том, что во вращающемся потоке на взвешенную частицу действует центробежная сила, направляющая ее к периферии от центра по радиусу со скоростью, равной скорости осаждения ×w0 (рис.4.7). Окружная скорость несущего частицу потока ×wr . Частица движется а результирующей скоростью ×wр по траектории abc и оседает на стенках аппарата.
Рис. 4.7. К физической сущности процесса осаждения частиц под действием центробежной силы
Процесс осаждения протекает под действием центробежной силы
(4.3)
где m – масса частицы; ×wr – окружная скорость частицы; r – радиус вращения частицы.
Если вспомнить, что сила тяжести без учета подъемных (архимедовых) сил составляет:
Gg = m×g (4.4)
Из сопоставления уравнений (3) и (4) следует:
(4.5)
т.е. центробежная сила больше силы тяжести в w2r/g×r раз. В производственных процессах соотношение между wr и r таково, что центробежная сила не меньше, чем на два порядка превышает силу тяжести.
Циклонный процесс используется преимущественно для разделения пылей, однако находит свое применение и для разделения суспензий (гидроциклоны).
Сущность циклонного процесса заключается в том, что поток, несущий взвешенные частицы, вводят в аппарат тангенциально через входную трубу (рис. 4.8) с рассчитанной скоростью 10 – 40 м/сек. В случае газов и 5 – 25 м/сек в случае жидкостей. Благодаря тангенциальному вводу и наличию центральной выводной трубы поток начинает вращаться вокруг последней, совершая при прохождении через аппарат несколько оборотов. Под действием возникающих центробежных сил взвешенные частицы отбрасываются к периферии, оседают на внутренней поверхности корпуса 1, а затем опускаются в коническое днище 2 и удаляются из аппарата через патрубок. Освобожденный от взвешенных частиц поток выводится из циклона через выводную трубу.
Рис. 4.8. Схема устройства циклона:
1 – корпус; 2 – коническое днище
Отстойное центрифугирование применяется преимущественно для разделения суспензий и эмульсий во вращающихся аппаратах, называемых отстойными центрифугами.
Процесс осаждения в центрифугах характеризуется теми же законами, что и осаждение в циклонах, а следовательно и все приведенные выше формулы справедливы и для них.
Центрифуги различают по принципу действия (периодические, непрерывные); по способу выгрузки материала (с ручной и механизированной выгрузкой) и по расположению вала (вертикальные, горизонтальные, наклонные).
Схема простейшей отстойной центрифуги с вертикальным расположением вала показана на рис.4.9. Центрифуга рассчитана на ручную выгрузку осадка.
Рис. 4.9 Схема отстойной центрифуги периодического действия с ручной выгрузкой осадка
Основные части этой центрифуги – сплошной барабан 2, насаженный на вращающийся вал 1, и кожух 3. Под действием центробежной силы твердые частицы осаждаются из суспензии, подаваемой в центрифугу, и отлагаются в виде сплошного осадка на стенке барабана; осветленная жидкость переливается в кожух и удаляется из него через расположенный внизу патрубок. По окончании отстаивания центрифугу останавливают и выгружают осадок вручную.
Непрерывно действующая горизонтальная отстойная центрифуга с механизированной выгрузкой осадка показана на рис. 4.10. Она оборудована коническим вращающимся барабаном 1 и разгрузочным шнеком 6, помещенным внутри барабана. Исходная суспензия вводится по трубе внутрь шнека и под действием центробежной силы выбрасывается через окна З во внутреннюю полость барабана 1. В барабане происходит отстаивание суспензии. Осветленная жидкость под действием центробежной силы перемещается к окнам 5, перетекает в кожух 4 и удаляется через нижний патрубок. Осадок непрерывно перемещается в барабане справа налево при помощи шнека, который вращается со скоростью, несколько меньшей, чем скорость вращения барабана. Через окна 2 осадок выбрасывается в кожух и выводится из центрифуги через расположенный внизу патрубок.
Рис. 4.10. Схема непрерывнодействующей горизонтальной отстойной центрифуги с механизированной выгрузкой осадка:
І — барабан; 2, 3, 5 — окна; 4 — кожух; 6 — разгрузочный шнек
Отстойные центрифуги для разделения эмульсий называются сепараторами. В промышленности широко применяются одно— и многокамерные, а также тарельчатые сепараторы. Так же, как и центрифуги, они имеют барабан, насаженный на вертикальный вал с приводом.
Осаждение под действием электрического поля взвешенных в газе твердых и жидких частиц имеют существенные преимущества с другими способами осаждения. Так, при электрическом осаждении частиц небольших размеров им удается сообщить значительный электрический заряд и благодаря этому осуществить процесс осаждения очень малых частиц, который невозможно провести под действием силы тяжести или центробежной силы.
Физическая сущность электроосаждения состоит в следующем. Газовый поток, содержащий взвешенные частицы, ионизируют. При этом они приобретают электрический заряд. При прохождении ионизированного газового потока в электрическом поле между двумя электродами заряженные частицы перемещаются к противоположно заряженным электродам и оседают на них.
В промышленности электроосаждение взвешенных частиц из газа проводится следующим способом. Газовый поток направляется внутрь трубчатых (или между пластинчатыми) положительных электродов, которые заземляются. Внутри трубчатых электродов (рис. 4.11, а) или между пластинчатыми электродами (рис. 4.11, б) натягиваются тонкие проволоки, являющиеся катодами.
Рис. 4.11. Формы электродов:
а — трубчатые; б — пластинчатые
Если соединить электроды с источником постоянного тока, создающего на электродах разность потенциалов 4—6 кв/см, и обеспечить плотность тока 0,05—0,5 ма/м длины катода, то запыленный газ при пропускании его между электродами почти полностью освобождается от взвешенных частиц.
В процессах электроосаждения происходят следующие электрические явления. Вследствие высокой разности потенциалов на электродах и неоднородности электрического поля (сгущение силовых линий у электрода с меньшей поверхностью — катода) в слое газа у катода образуется односторонний поток электронов, направленный к аноду. В этом слое в результате соударений электронов с нейтральными молекулами газ ионизируется. Внешним признаком ионизации является свечение слоя газа или образование «короны» у катода.
При ионизации образуются как положительные, так и отрицательные ионы; положительные ионы остаются вблизи «короны», а отрицательные направляются с огромной скоростью к аноду, встречая и заряжая на своем пути взвешенные в газе частицы.
Получившие отрицательный заряд взвешенные частицы под действием электрического поля перемещаются к аноду. Скорость движения взвешенных частиц, получивших заряд, невелика; она зависит от размера частиц и гидравлического сопротивления газовой среды. Обычно скорости электроосаждения колеблются в пределах от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров в секунду.
Скорость электроосаждения несколько увеличивается под влиянием «электрического ветра», возникающего вследствие передачи импульса движущихся ионов газа газовой среде и взвешенным частицам.
Аппараты для электроосаждения называют в технике электро-фильтрами. Электрофильтры по форме электродов делятся на трубчатые и пластинчатые. Трубчатый электрофильтр показан на рис. 4.12. Запыленный газ поступает в аппарат через газоход и распределяется по трубчатым электродам 1, внутри которых находятся коронирующие электроды 2. Они подвешены на общей раме 3, опирающейся на изоляторы 5. Осаждающиеся на внутренней поверхности трубчатых электродов частицы стряхиваются ударным приспособлением 4 и собираются в нижней части аппарата. Очищенный газ удаляется через газоход.
Рис. 4-12. Трубчатый электрофильтр:
1 — осадительный (трубчатый) электрод; 2 — коронирующий электрод;
3 — рама; 4 — встряхивающее приспособление; 5 — изоляторы
Аналогично предыдущему устроен пластинчатый электрофильтр (рис. 4.13). В этом аппарате коронирующими электродами служат проволоки 1, а осадительными — пластины 2, выполненные из проволочной сетки.
Рис. 4-13. Пластинчатый электрофильтр:
І — коронирующие электроды; 2 — осадительные (пластинчатые) электроды:
3 — рама; 4 — изоляторы
В зависимости от характера осаждаемых из газа частиц, различают сухие и мокрые электрофильтры. Первые применяют для очистки газов от пыли, а вторые — от мельчайших капель жидкости, взвешенных в газе.
| Предыдущая |
