АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Отстаивание и декантация

Неоднородные жидкие системы с более или менее грубым раздробле­нием дисперсной фазы поддаются разделению под действием одной только силы тяжести. Если плотность дисперсной фазы больше плотности диспер­сионной среды, взвешенные частицы оседают на дно сосуда, и, наоборот, если плотность дисперсионной среды больше плотности взвешенных частиц, последние всплывают кверху. Осаждение под действием силы тяжести твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой среде, называют отстаиванием (сгущением, седиментацией). Скорость осаждения взвешенных частиц зависит как от их плотности, так и от сте­пени дисперсности, причем осаждение будет протекать тем медленнее, чем меньшими размерами обладают частицы дисперсной фазы и чем меньше разность плотностей обеих фаз. Практически методом отстаивания и де­кантации пользуются главным образом для разделения грубых суспен­зий.

Скорость осаждения. Осаждение частиц происходит по законам падения тел в среде, оказывающей сопротивление их движению. Так же как и при осаждении пыли, оседающая частица движется вначале уско­ренно, но через некоторый промежуток времени, когда сопротивление трения среды уравновесит действие силы тяжести, она приобретает по­стоянную скорость и падает равномерно.

По закону Стокса постоянная скорость осаждения может быть определена по формуле (1—104)

D2(Y— її)

W0 —------ м/сек

Причем возможность применения этого закона в данном случае такж§ имеет некоторые пределы.

Можно приближенно считать, что нижний предел применения закона Стокса соответствует переходу от суспензий к коллоидным раство­рам, когда размеры частиц дисперсной фазы достигают величины 0,1—0,5 {X и броуновское движение препятствует осаждению частиц.

Верхний предел применения закона Стокса зависит не только от размеров частиц, но и от их плотности, а также физических свойств жид­кости, в которой они осаждаются. Этот предел, так же как и при осаж­дении пыли в газообразной среде, характеризуется числовым значением критерия Рейнольдса Re^.2.

Для случая, когда сопротивление среды пропорционально квадрату скорости и /?е>2, скорость осаждения частиц вычисляют по формуле (1-Ю1) _________

= і/(Y-Yi) M/СЄК

V Ш

Причем согласно предыдущему при 500>/?е>2 коэффициент сопротивле-

18 5

Ния Са при 150 000>/?е>500 коэффициент сопротивления С=0.44.

Практически во всех случаях скорость осаждения в жидкой среде можно определять по числовому значению критерия Рейнольдса, найдя предварительно числовое значение критерия Архимеда, как это было изложено выше.

Фактически даже в грубых суспензиях всегда имеется значительное количество частиц, для которых Re<i2, и, следовательно, скорость их осаждения, как наименьшую, можно определить по закону Стокса (фор­мула 1—104).

Вычисление скорости осаждения по приведенным выше формулам дает результаты, близкие к истинным только в тех случаях, когда отдель­ные взвешенные частицы осаждаются независимо друг от друга, т. е. при условии свободного их падения, что наблюдается только в разведенных суспензиях.

При свободном осаждении суспензий с неоднородными по размерам частицами осветление (или отстаивание) жидкости протекает постепенно: сначала осаждаются на дно более крупные частицы, мелкие же образуют муть, которая отстаивается медленней. В концентрированных суспензиях обычно происходит процесс поверхностного взаимодействия частиц друг с другом; они соединяются в группы и мелкие частицы увлекаются более крупными.

Таким образом, отстаивание концентрированных суспензий проис­ходит при режиме солидарного, или несвободного, осаждения, когда различные по величине частицы осаждаются совместно. В этом случае по мере отстаивания можно наблюдать постепенное увеличение верхнего слоя осветленной жидкости.

Различают два типа осадков, получающихся при отстаивании. Гру­бые суспензии дают осадки, в которых крупнозернистые взвешенные частицы ложатся на дно плотными слоями; при этом между осевшим слоем осадка и осветленной жидкостью наблюдается резко выраженная граница. Тонкие суспензии дают осадки иного типа; повышение концен­трации суспензии происходит только в нижней части отстойного аппа­рата, и в осевшем, сгущенном слое взвешенные - твердые частицы раз­делены между собой жидкостью. В этом случае резкой границы между осадком и осветленной жидкостью нет, а наблюдается постепенный переход от более концентрированных слоев к менее концентриро­ванным.

В сложных смесях или так называемых полидисперсных суспен­зиях, состоящих из частиц разной величины, часто образуются осадки обоих типов, т. е. на дно оседает плотный слой крупных частиц, а над ним находится муть.

Когда частицы оседают свободно, то, в случае различной их раз­дробленности, при отстаивании получается несколько слоев с постепен­ным уменьшением размеров частиц; сливая верхние слои, можно как бы фракционировать осадки, т. е. отделять крупные частицы от мелких. На этом свойстве полидисперсных систем основан процесс отмучив а - н и я, применяемый для разделения смеси твердых веществ различного удельного веса и различной величины. Для повышения устойчивости тонких суспензий к ним иногда добавляют некоторые электролиты. Таким способом отделяют от глины частицы песка, известняка, пирита, полевого шпата и слюды, используя в качестве добавок соду или едкий натр.

Концентрация получающихся при отстаивании осадков целиком за­висит от их структуры и величины частиц. Концентрация плотных кри­сталлических осадков, оседающих сплошным слоем на дно отстойного резервуара, иногда достигает 60%, но обычно концентрация их не пре­вышает 40%. В тонких суспензиях и мутях, как отмечалось выше, настоя­
щий осадок не выпадает, а происходит только сгущение суспензии, т. е. некоторое увеличение ее концентрации.

Пределом концентрации осадка должно быть такое содержание в нем твердых частиц, при котором осадок еще можно перемешать по трубопроводам.

В некоторых случаях при осаждении твердой фазы ее разделяют на группы или классы зерен, имеющих одинаковую скорость падения. Такое разделение производят в движущейся струе воды, и поэтому его называют мокрой или гидравлической классифика­цией.

Производительность отстойников. Обозначим: V0—количество жидкой фазы в суспензии в м3/час\ Vj—количество осветленной жидкой фазы в м3/час\ V2—количество жидкой фазы в осадке в м3/час\

Х0—концентрация суспензии до отстаивания в кгс сухого осадка на 1 крс жидкой фазы;

Х2—концентрация осадка в кгс сухого вещества на 1 кгс жидкой фазы

В осадке; w2—скорость осаждения в м! сек\

F0—поверхность осаждения или площадь сечения резервуара в м2; 7Х—уд. вес жидкой фазы в кгс/м3\ х—продолжительность отстаивания в часах.

При отсутствии потерь жидкости должно соблюдаться равенство

W='V, 4- V

V О hv 1 I LV 2

Если осветленная жидкость располагается слоем высотой h (рис. 119). то часовую производительность отстойника в м3 осветленной жидкости

Можно выразить уравнением

М3/час

Причем продолжительность отстаивания і при.. ...... заданной высоте слоя жидкости зависит от

І1 скорости осаждения w0:

Рис. 119. К расчету произво - т ___ h

Дительности отстойника. 3600ауо 4

Подставив значение т в предыдущее уравнение, находим

Vi = = 3600w0F0 м3/час (1-217)

3600шо

Уравнение (1—217) показывает, что производительность отстойника не зависит от его высоты, а зависит только от скорости осаждения и свободной по­верхности отстойника. Поэтому современные конструкции отстойников имеют сильно развитую площадь свободного сечения, а высо­та аппаратов незначительна.

Поверхность осаждения, потребную для получения І7-, м3/час освет­ленной жидкости при заданных концентрациях х0 и находят из урав­нения (1—217). Подставив в него значение V^Vq—V, и решая урав­нение относительно F0, получим

Т/ I/

При отсутствии потерь общее количество сухого вещества, содер­жащегося в суспензии до отстаивания, остается без изменений и после отстаивания оно целиком переходит в осадок, что можно выразить ра­венством

Откуда

2

Подставив найденное значение V2 в выражение для поверхности осаждения F0, получим

Хп

Уо-Уо

Fn =

0 ~~ 3600ш„

Или

= м2 (1—219)

0 0 3600 ш0л:2 4 '

Формула (1—219) применима при условии непрерывной подачи суспензии в отстойник и непрерывного отвода осветленной жидкости; осадок же может удаляться периодически, по мере его накопления, или непрерывно.

39. Конструкция отстойников

Отстаивание проводится в аппаратах периодического или непре­рывного действия, а также комбинированного типа.

В аппараты периодического действия суспензия заливается и остается в состоянии покоя в течение определенного промежутка времени, необ­ходимого для оседания частиц на дно; после этого слой осветленной жид­кости декантируют, т. е. сливают через сифонную трубку или краны, расположенные выше уровня осевшего осадка, а осадок выгружают вручную через верх аппарата или удаляют через нижний спускной кран.

В отстойниках непрерывного действия подача суспензии, а также удаление осадка и осветленной жидкости производятся непрерывно.

В аппаратах комбинированного типа суспензия непрерывно с не­большой скоростью протекает через отстойный резервуар; скорость ее протекания должна быть такой, чтобы частицы успели осесть на дно отстойника, прежде чем жидкость выйдет из аппарата. Постепенно на дне аппарата накапливается слой осадка, который периодически уда­ляется |После декантации жидкости.

Размеры и форма аппаратов для периодического отстаивания за­висят от концентрации суспензии, скорости осаждения и продолжи­тельности отдельных периодов процесса. Чем крупнее частицы и чем больше их плотность, тем меньшие размеры может иметь отстойник.

Скорость отстаивания существенно зависит от температуры, так как при изменении температуры суспензии изменяется и ее вязкость. Скорость осаждения суспензии обратно пропорциональна ее вязкости, а последняя уменьшается с повышением температуры.

Для нагрева суспензии с целью ускорения процесса отстаивания используют нагревательные элементы. Их следует конструировать и располагать так, чтобы не возникали вертикальные токи жидкости, пре­пятствующие осаждению. Элементы следует располагать вертикально по всей высоте отстойника для достижения равномерной температуры, а следовательно, и одинаковой плотности жидкости.

Для обработки небольших количеств суспензии применяют отстой­ники в виде цилиндрических вертикально установленных резервуаров с коническим днищем, имеющим кран или люк для разгрузки осадка и несколько кранов на разной высоте для слива жидкости.

Для отстаивания значительных количеств жидкости, например при очистке сточных вод, при отстаивании питьевой воды и т. п., отстойни-

_ ками служат огромные бетон - Т | ные бассейны или несколько по - I 1 і следовательно соединенных резер - » вуаров, работающих комбиниро­ванным способом: жидкость в них протекает непрерывно, а осадок удаляется периодически.

Более компактным аппара­том является отстойник (рис. 120), применяемый для очистки воды в котельных установках. Корпус / этого отстойника представляет собой прямоугольный стальной ящик, внутри которого располо­жены наклонные перегородки 2, направляющие поток попеременно сверху вниз, а затем снизу вверх. Осадок собирается в конических дни­щах 3, откуда периодически удаляется через краны.

В тех случаях, когда концентрация твердых взвешенных частиц в суспензии велика или выделяемый из нее осадок в дальнейшем исполь­зуется в производстве, необходима непрерыв­ная разгрузка не только жидкой фазы, но и осадка.

Простейшим непрерывно действую­щим отстойником является так называемый «конус», широко применяемый при мокрой классификации руд (рис. 121). Он представляет собой конический резервуар с углом наклона 60°. Суспензия поступает по желобу 1 и через воронку 2 с плавающим кольцом 3 стекает в конус 4. Взвешенные частицы осаждаются на дно конуса, а осветленная жидкость удаляет­ся по желобу 5.

Осадок скапливается в нижней части ко­нуса и отводится наружу по трубе 6. Конус соединен патрубком 7 с напорным трубопрово­дом для промывки аппарата в случае засоре­ния его осадками.

Чаще всего такие аппараты устанавли­вают в виде батарей из нескольких последовательно соединенных ко­нусов.

На рис.. 122 показана схема многоярусного непрерывно действую­щего отстойника для очистки воды. Неочищенная вода обрабатывается в резервуаре / содой и известью, после чего суспензия подается в кор­пус 2 собственно отстойника, в котором расположены в несколько ярусов конические перегородки 3. Каждый ярус работает как самостоятельный отстойник. Очищенная вода движется вверх по центральной трубе 4 и отводится из аппарата. Осадок, накапливающийся на поверхности кони­ческих перегородок, сползает по ним вниз и удаляется через патрубок 5. Угол наклона перегородок должен быть больше угла естественного от­
коса осадка. Собирающийся на дне осадок периодически отводится из резервуара вместе с небольшим количеством воды.

Наиболее распространен непрерывно действующий отстойник, или сгуститель, с гребками (рис. 123). В цилиндрическом резервуаре 1 аппа­рата, с плоским или несколько конусным днищем, находится подвесной вертикальный вал, к наклонным радиальным лопастям которого прикреп­лены короткие стальные гребки 2. При помощи гребков осаждающийся материал постепенно перемещается к разгрузочному отверстию, располо­женному в центре днища. Гребки делают от 0,5 до 0,025 об/мин., т. е. вращаются настолько медленно, что это не нарушает процесс осаждения.

4—трубопровод для удаления осадка; 5—диафрагмовый насос; б—сливной желоб для осветленной экидкости.

Вал приводится во вращение через червячную и ременную пере­дачи от трансмиссии; передача снабжена системой сигнализации о пере­грузке аппарата. Так как осадок после остановки аппарата быстро сле­живается, предусмотрено приспособление для поднятия гребков над осадком.

Суспензия поступает непрерывно по. желобу 3, а осадок откачи­вается по трубопроводу 4 диафрагмовым насосом 5. Осветленная жид­кость в отстойнике поднимается вверх и стекает через сливкой желоб 6, устроенный по периферии резервуара. Степень уплотнения осадка за­висит от первоначальной концентрации суспензии и иногда достигает 50%.

Аппараты такого типа имеют диаметр до 100 м, а производитель­ность их достигает 3000 т осадка в сутки.

При отстаивании суспензии в одинарных отстойных аппаратах зна­чительное количество жидкости теряется вместе с удаляемым осадком, что вызывает необходимость последующей фильтрации. Избежать этих потерь и выделить почти всю жидкость из суспензии можно при помощи промывки.

По этому способу уплотненный осадок из первого отстойника пере­дается во второй, где он промывается и разбавляется свежей жидкостью.

Осадок, получающийся во втором отстойнике, будет содержать та­кое же количество жидкости, что и в первом, но уже значительно разбав­
ленной. Если этот осадок переместить в следующий, третий отстойник и вновь разбавить жидкостью, то в конечном итоге осадок можно почти нацело освободить от первоначально содержавшейся в суспензии жидко­сти. При наличии трех или четырех отстойников, соединенных в одну систему, можно удалить до 97—98% жидкости.

Рис. 124. Схема непрерывной декантации с противоточной промывкой.

Промывные воды используют для приготовления первоначальной суспензии, причем для того, чтобы не вводить больших количеств про­мывной жидкости, работу проводят по принципу противотока: осадок движется по направлению от первого отстойника к последнему, проходя последовательно через все аппа­раты, а. свежая промывная жид - лост{,ше„ш кость поступает в последний от - С//СЛЄЖШ стойник, из него направляется в предпоследний и т. 4д., проходит последовательно через отстойники в направлении, обратном движе­нию осадка.

Схема установки для непре­рывной декантации с противоточ­ной промывкой показана на рис. 124.

Метод непрерывного отстаи­вания с промывкой имеет значи­тельные преимущества по срав­нению с промывкой на фильтре, так как исключаются затраты энергии на просасывание всей жидкости через фильтрующие пе­регородки.

Для уменьшения площади, занимаемой аппаратом, приме­няют многоярусные отстойники, состоящие из нескольких аппаратов, рас­положенных вертикально один над другим.

Нарис. 125 изображен многоярусный отстойник, ра­ботающий с промывкой осадка. Суспензия непрерывно подается в верхний ярус отстойника. Свежая промывная жидкость из бачка 2 поступает в нижнюю часть предпоследнего яруса. Осветленная жидкость из верхнего яруса непрерывно удаляется по желобу, расположенному вверху отстой­ника, и выводится по трубопроводу 4. Сгущенный осадок собирается в на­ходящуюся у днища яруса ловушку 3. Сюда же подается промывная
жидкость, которая поступает с яруса, расположенного ниже, через соот­ветствующие бачок 5 и трубопровод 7. С помощью промывной воды оса­док вымывается на расположенный ниже ярус, где снова происходит его отстаивание, промывание и т. д.

В конечном итоге осадок почти нацело промытый, освобожденный от начальной жидкости, вытекает через патрубок 8 в днище нижнего яруса отстойника. Промывная жидкость из верхнего яруса используется для приготовления суспензии или для других целей.

Общим недостатком отстойников, в том числе и непрерывно дей­ствующих, является их большая площадь. Значительно более компактны, хотя и более сложны по конструкции, фильтры-сгустители, описываемые ниже.