МАШИНОСТРОЕНИЕ

ОТСТОЙНИКИ

Отстаиванием (гравитационным осаж­дением, седиментацией) называют разделение дисперсных систем под действием силы тяже­сти. Отстаивание применяют для сгущения, ос­ветления и классификации суспензий, промыв­ки осадков, для грубой очистки газов от твер­дых частиц и для разделения эмульсий. При сгущении (осветлении) суспензий твердую фа­зу выделяют в виде влажного осадка, а при классификации твердую фазу делят на фракции различной крупности.

Ввиду малой движущей силы отстаива­ние эффективно при отделении крупных час­тиц, соответствующих значениям чисел Рей- нольдса Re < 500 и Фруда Fr > 10 5 [68]. От­стаивание - наиболее простой и дешевый гид­ромеханический процесс, поэтому его часто используют для первичного разделения, что удешевляет последующее разделение дисперс­ной системы более сложными способами.

Аппараты для отстаивания - отстойники различают:

По режиму работы - периодического, по­лунепрерывного и непрерывного действия;

По типу разделяемой дисперсной систе­мы - для разделения пылей, суспензий и эмульсий (рис. 3.1.1) [19].

В отстойнике для разделения суспензий непрерывного действия (рис. 3.1.1, а) разде­ляемая смесь распределяется по каналам между коническими полками, на поверхностях кото­рых осаждаются твердые частицы. Осадок (пульпа) сползает с полок в нижнюю часть от­стойника, откуда удаляется через патрубок. Осветленная жидкость выводится через цен­тральную трубу.

Отстойник непрерывного действия для разделения эмульсий (рис. 3.1.1, б) представля­ет собой горизонтальный резервуар. Перего­родка 2 с отверстиями гасит возмущения, вно­симые в жидкость входной струей эмульсии. Поперечное сечение отстойника выбирают та­ким. чтобы режим течения в аппарате был ла­минарным. чтобы исключить смешение фаз и улучшить процесс отстаивания. Расслоившиеся легкая и тяжелая фазы выводятся с противопо­ложной стороны отстойника. Трубопровод для вывода тяжелой фазы соединен с атмосферой для предотвращения сифонного эффекта.

Отстойник для разделения пылей (рис. 3.1.1, в) представляет собой камеру У, в корпу­се которой установлены горизонтальные полки 2 на расстоянии 100...300 мм одна от другой. При прохождении газа между полками твердые частицы осаждаются на их поверхностях. Для обеспечения равномерного распределения газа между полками используется перегородка 3. Осадок твердых частиц периодически удаляет­ся с полок через люки 4 с помощью скребков или смывается водой. Такой отстойник являет­ся аппаратом полунепрерывного действия.

По направлению движения потока разде­ляемой смеси отстойники делят на радиальные, горизонтальные, вертикальные и наклонные, или тонкослойные (рис. 3.1.2) [68]. В радиаль­ных отстойниках суспензия подается в центр аппарата и движется к периферии, в горизон-

Уровень жидкости.

KJ

Рис. 3.1.2. Схемы отстойников, различаемые по направлению движения потока разделяемой смеси: а - одноярусный радиальный; б - горизонтальный; в - вертикальный; г - тонкослойный; 1 - ввод суспензии; 2 - вывод осветленной жидкости; 3 - выгрузка осадка; 4 - скребковое устройство; 5 - пакет пластин

Тальных - загружается с одного конца аппарата и, перемещаясь вдоль него, выводится на дру­гом конце в виде осветленного продукта, в вер­тикальных - суспензия подается снизу и дви­жется вверх, причем скорость восходящего по­тока должна быть меньше скорости оседания твердых частиц, благодаря чему частицы осе­дают в нижней части аппарата, откуда удаля­ются. В наклонных, или тонкослойных отстой­никах осаждение осуществляется на наклонен­ном под углом 45...60° пакете пластин, рас­стояние между которыми составляет 25... 100 мм. Использование пакета пластин увели­чивает площадь осаждения и повышает эффек­тивность разделения.

Особенности конструкций отстойников для разделения суспензий. Отстойники для разделения суспензий делят на сгустители, ос­ветлители, сгустители-осветлители и класси­фикаторы [54]. При сгущении осаждение про­водят с целью получения плотного осадка, при осветлении осаждение осуществляют с целью получения очищенных от твердых частиц жид­костей.

Радиальные отстойники непрерывного действия с вращающимися сгребающими уст­ройствами (скребками) наиболее распростра­нены. Они предназначены для сгущения и ос­ветления суспензий. Они бывают одноярусны­ми и многоярусными.

Одноярусные отстойники изготовляют с горизонтальным и вертикальным током жидко­сти. Отстойники с горизонтальным током жид­кости (рис. 3.1.3) применяют для разделения суспензий со скоростью осаждения твердой

Фазы w0 = 710~5...210~4 м/с, с концентраци­ей дисперсных частиц в исходной суспензии С = 5...50 кг/м3. Угол конуса днища у них 150°. Отстойники с вертикальным током жид­кости (рис. 3.1.4) применяют для разделения суспензий со скоростью осаждения твердой

Фазы w0 = 15 10~4...2 10_3 м/с, с концентра­цией дисперсных частиц в исходной суспензии С = 100...350 кг/м3. Угол конуса днища таких отстойников равен 60°.

При работе одноярусных отстойников ис­ходная суспензия непрерывно подается в пи­тающий стакан, расположенный в центре ци­линдрического чана. В объеме чана под дейст­вием силы тяжести происходит разделение суспензии на осветленную жидкость и осадок твердых частиц. Осветленная жидкость слива-

Ется по периферии аппарата в переливной же­лоб, а твердые частицы осаждаются на кониче­ское днище. Медленно вращающееся сгре­бающее устройство постоянно смещает осадок к центру отстойника, откуда он непрерывно выводится через коллектор (обычно кониче­ский) для выхода сгущенной суспензии.

Условное обозначение отстойника включает (по порядку): букву Р, обозначаю­щую тип отстойника (радиальный); цифры - внутренний диаметр отстойника (в м); буквы /4, К, Е. АК. AT (табл. 3.1.1) - материал ос­новных деталей, соприкасающихся с продук­том (первая буква в двойном обозначении - материал корпуса отстойника, вторая буква-
3.1.1. Исполнение корпуса и сгребающего устройства радиальных отстойников

Материал сгребающего устройства, одна буква А, К или Е - корпус отстойника и сгребающее устройство изготовлены из одной стали); тире; буквы В - вертикальный, Г - горизонтальный ток жидкости; две цифры - порядковый номер модели. Например, условное обозначение от­стойника Р - ЗОАК - Г01 означает: радиаль­ный отстойник диаметром 30 м, материал кор­пуса СтЗ, материал сгребающего устройства 08Х22Н6Т\ ток жидкости - горизонтальный, модель первая.

В табл. 3.1.2 и табл. 3.1.3 представлены технические характеристики непрерывно дей­ствующих отстойников атмосферного давления соответственно с горизонтальным и вертикаль­ным током жидкости.

Эти отстойники имеют центральный при­вод сгребающего устройства, а гребковые фер­мы приводятся во вращение с помощью чер­вячной пары. В отстойниках большого диамет­ра вращение гребковой фермы может произво­диться периферическим приводом с помощью ведущей тележки 5 (рис. 3.1.5) [66]. Двигаясь по рельсу вокруг отстойника, тележка тянет за

Собой гребковую ферму, которая продвигает шлам к выходному штуцеру 9. Основная ха­рактеристика сгустителей с периферическим приводом и двухъярусных отстойников (сгу­стителей), которые, как и отстойники с боль­шим числом ярусов, применяют с целью эко­номии производственных площадей, приведена в табл. 3.1.4.

Корпус 1 двухъярусного отстойника (рис. 3.1.6 [66]) разделен днищем 20 на два яруса. Оба яруса имеют гребки 2 и 12, закрепленные

3.1.4. Характеристика одноярусных сгустителей и двухъярусных отстойников

На одном валу 11, вращение которого осущест­вляется с помощью привода 10, закрепленного на ферме 8. Привод подъема 9 вала позволяет ему подниматься вместе с гребками для пре­дотвращения их заиливания при прекращении работы отстойника.

Исходная суспензия поступает через штуцер 5 в распределительный короб 4, из ко­торого по желобу 6 направляется в чашу 7 верхнего яруса, а по желобу 3 в чашу нижнего яруса. В каждом из ярусов суспензия отстаива­ется. Образующаяся при этом осветленная жидкость в верхнем ярусе поступает в сливной желоб 13, а затем через штуцер 14 в сборник 15, а в нижнем ярусе через трубу 16 выдавли­вается также в сборник 15, из которого через штуцер 17 направляется по назначению.

Сгущенная суспензия (осадок, шлам) из верхнего яруса гребками 12 продвигается к центру днища и через центральное отверстие опускается в нижний яр\с и направляется к выходному штуцеру 19. К ней присоединяется шлам нижнего яруса, который продвигается к штуцеру 19 гребками 2. Откачка шлама из шту­цера 19 насосом производится через трубу 18.

Возможны и другие схемы двухъярусных отстойников: можно подавать разделяемую суспензию только в верхний ярус или отводить шлам из каждого яруса отдельно.

В глиноземном производстве для непре­рывного выделения из горячих щелочных и нейтральных суспензий, шламов и взвесей ис­пользуют многокамерные сгустители различ­ных типов (табл. 3.1.5 и табл. 3.1.6). Допусти­мые параметры рабочей среды в таких сгусти­телях следующие: плотность суспензии 1050... 1600 кг/м3; плотность твердой среды 2200... 3700 кг/м3; содержание твердой фазы 0,5... 20 % (по массе); содержание щелочи (NaOH) 30 %; температура до 105 °С.

Многокамерный отстойник-сгуститель состоит из корпуса 1 (рис. 3.1.7), представ­ляющего собой цилиндрический стальной ре­зервуар с коническим днищем 11 и крышкой 2, диафрагм 14, разделяющих аппарат по высоте на несколько камер, питающего 7 и переточно­го 8 стаканов, разгрузочного конуса 10, моста 3, представляющего собой пролетное строение из сварных и прокатных профилей, грузовой площадки 5.

К механической части относятся привод вращения 4 и механизм подъема б, вертикаль­ный вал 9, гребковые устройства 12, каждое из которых состоит из четырех граблин 13.

При работе такого сгустителя суспензия по трубопроводам непрерывно поступает в за­грузочные стаканы, расположенные в центре в верхней части каждой камеры, откуда растека­ется к периферии аппарата. Однокамерные сгу­стители принципиально отличаются от много-

Камерных только числом камер и конструкцией сливных устройств.

Сливные устройства сгустителей служат для отбора осветленного раствора (слива) и ре­гулирования его чистоты и количества. В зави­симости от свойств перерабатываемых суспен­зий и функционального назначения аппараты подразделяются на нерегулируемые, с механи­ческим ручным регулированием и с полуавто­матическим пневморегулированием.

Нерегулируемые устройства в виде слив­ных коробок с гребенкой располагаются в верхней камере многокамерных сгустителей и в однокамерных сгустителях равномерно по периметру в четырех, шести или восьми точках в зависимости от диаметра аппарата. В нижних ярусах сгустителей устанавливают коробки, внутри которых расположены сливные трубы из каждой камеры с заранее рассчитанной или определенной опытным путем высотой.

Механическое регулирование, применяе­мое только в многокамерных сгустителях, про­изводится путем уменьшения сечения отвер­стия для истечения жидкости при помощи ко­нической пробки. Другим примером механиче­ской регулировки является сливное устройство телескопического типа.

В сливных устройствах с пневматическим регулированием определенный расход жидко­сти обеспечивается изменением давления в замкнутой зоне сливной коробки.

Конусные отстойники-классификаторы широко применяют для разделения твердых частиц на фракции различной крупности [66].

В беспоплавковом конусном классифика­торе подлежащая разделению пульпа подается в приемную воронку 5 и через диафрагму 6 по­ступает в корпус /, в котором под действием силы тяжести твердые частицы делятся на две фракции (рис. 3.1.8). Мелкая фракция уносится восходящим потоком вверх и через порог 4 по­ступает в карман 2, откуда через желоб 3 отво­дится по назначению.

Крупная фракция оседает на дно разгру­зочного конуса 7 и непрерывно (или периоди­чески) под напором столба пульпы отводится через нижний штуцер 9 и сифонную трубу 8. В случае засорения выходного патрубка его про­мывают струей воды через штуцер 10. Измене­нием высоты сифонной трубы регулируется скорость вывода из классификатора и плот­ность пульпы крупной фракции.

Следует отметить, что вследствие малого напора, под действием которого выводится крупная фракция, ее нельзя получить в доста­точно концентрированном виде.

Если содержание крупной фракции мало, то применяют конусные классификаторы авто­матического действия типа ККП (рис. 3.1.9). Подлежащая разделению на фракции пульпа

Поступает в классификатор по приемной трубе 9 и через диафрагму 14 попадает в разделяю­щий конус 5. Мелкая фракция выносится вос­ходящим потоком жидкости в карман 12 и вы­водится из аппарата через лоток 13. Крупная фракция опускается на дно конуса. По мере ее накопления в конусе уровень пульпы подни­мается, и она давит на поплавок 11, который через шток 8 поворачивает рычаг б относи­тельно оси, нажимает на штангу 3, отклоняет вниз коромысло У, освобождает шаровой кла­пан 2 и выходное отверстие для крупной фрак­ции. Сила прижатия клапана регулируется пружиной 4, а подъемная сила поплавка - пе­редвижным грузом 7.

Такой классификатор применяется для выделения из пульпы крупных и тяжелых час­тиц. В случае необходимости выделения из пульпы частиц небольших размеров или* с плотностью, мало отличающейся от плотности жидкости, применяют аналогичные классифи­каторы с нижним поплавком, чувствительным к изменению плотности пульпы типа ККШ.

Техническая характеристика конусных классификаторов автоматического действия с верхним типа ККП и нижним типа ККШ по­плавком приведена в табл. 3.1.7.

Технологический расчет отстойников непрерывного действия. Сначала опрделяют массовый и объемный расходы осветленной жидкости и осадка на основании заданной мас­совой производительности gh отстойника по разделяемой суспензии, а также концентрации твердой фазы в исходной суспензии Сн и в

Осадке (сгущенной суспензии, шламе) Ск

(% по массе).

В результате решения уравнений матери­ального баланса получают следующие массо­вые расходы:

Осадка

Ск =ghch/ck

И осветленной жидкости (при полном ее осветлении)

С N

1-Ьї-

Ску

Объемный расход осветленной жидкости плотностью рж

......................................... Ску

Затем рассчитывают скорость осаждения твердых частиц в суспензии. Расчет сгустите­лей и осветлителей основан на скорости осаж­дения самых мелких частиц, подлежащих от­делению, а расчет классификаторов - на скоро­сти осаждения тех частиц, которые должны быть преимущественно отделены на данной стадии.

Для определения скорости стесненного осаждения твердых частиц используют различ­ные эмпирические и полуэмпирические фор­мулы [54]. Наиболее часто применяют интер­поляционную формулу, справедливую для всех режимов обтекания частиц (ламинарного, пе­реходного и турбулентного):

ReCT-Ar84'75/(l8 + 0,6>/Ar84'75

Где ReCT = wCTdpyK /цж - число Рейнольдса

При стесненном осаждении частиц; d - диаметр частицы; wCJ - скорость стесненного осаждения частицы относительно стенок аппарата: цж, рж - соответственно динамическая вяз­кость и плотность жидкости; Аг =

-(яРж^3/Мж)(Рт-Рж) - число Архиме­да; рт - плотность материала твердой части­цы; 8 - объемная доля жидкости (порозность) в суспензии.

Формула (3.1.1) справедлива при стес­ненном осаждении шарообразных частиц оди­накового размера. При осаждении частиц иной формы полученное значение wCJ следует умно­жить на поправочный коэффициент формы

\jy = 4,836 ГЧ2/3/5Ч<1,

Значения которого определяют по эксперимен­тальным данным об объеме VH и площади по­верхности SH частицы. Кроме того, при расчете скорости осаждения нешарообразных частиц их диаметром считают эквивалентный диаметр частиц, равный диаметру равновеликого шара,

1/3

6VU

D э =

Объемн>ю долю жидкости (порозность) в суспензии рассчитывают по формуле

Е = 1-(СнРс/Рт)»

Массовая доля частиц в исходной

Суспензии; рс - плотность суспензии. При этом плотность суспензии

СІЛ 1 Си

Рс =1 /

'ж у

Стесненность осаждения частиц следует учитывать при объемной доле твердой фазы в разделяемых суспензиях более 2 . 5 %. Без учета стесненности коэффициент сопротивле­ния С£> и скорость свободного осаждения

Частиц w0 можно определять по данным табл. 3.1.8 [54]. по числу Рейнольдса Re.

Поскольку формула Стокса в табл. 3.1.8 хорошо описывает опытные данные вплоть до Re < 2. при расчете отстойников можно счи­тать, что ламинарный режим существует при выполнении условия ц/Аг <36 .

В промышленных условиях разделяемая суспензия содержит частицы разных размеров (иногда и плотностей). В ходе осаждения они движутся в жидкости с различными скоростя­ми. В этом случае скорость осаждения частиц каждого сорта может быть найдена по формуле (3.1.1) весьма приближенно, поскольку в про­цессе осаждения частицы разных размеров и плотностей гидродинамически взаимодейст­вуют друг с другом, так что скорости их дви­жения в той или иной мере выравниваются. Тем не менее, при расчете следует ориентиро­ваться на наиболее мелкие (и легкие) частицы в исходной суспензии [3].

Для отстойников непрерывного действия, в которых эффект выравнивания скоростей стесненного осаждения может быть заметным, расчет на основе наиболее мелких (легких) частиц приводит к несколько заниженным ско­ростям осаждения.

После расчетов V0CB и wCT определяют ос­новную геометрическую характеристику от­стойника - площадь поверхности осаждения

Поскольку расчет скорости осаждения wCT в полидисперсных суспензиях по приведенным выше формулам не может быть выполнен с достаточной точностью, необходимо проведе­ние модельных экспериментов.

В ряде источников [54, 59, 66] рекомен­дуется в формулу ввести поправочный коэф­фициент, например:

Р _1 33 у jw

Где 1,33 - поправочный коэффициент, учиты­вающий неравномерность распределения ис­ходной суспензии по всей площади осаждения и, следовательно, неравномерность отстаива­ния, а также вихреобразование, полидисперс­ность суспензии и другие факторы, проявляю­щиеся в производственных условиях процесса разделения суспензий.

Поправку к рассчитанной площади осаж­дения рекомендуют также учитывать в виде произведения двух коэффициентов. Один из них - коэффициент надежности - описывает изменение характеристик исходной суспензии (температуры, концентрации и размеров частиц твердой фазы, рН среды, вязкости) и колеблет­ся от 1,10 до 1,25 в зависимости от влияния изменения характеристик суспензии на ход процесса осаждения. Другой коэффициент учитывает неэффективность части объема от­стойника, обусловливаемую возмущениями на впуске, и в значительной степени зависит от размеров отстойника и колеблется от 1,10 для аппаратов диаметром примерно 30 м (и боль­ше) до 1,50 для аппаратов до 4,5 м.

В цилиндрических одноярусных отстой­никах площадь F0с непосредственно связана с его внутренним диаметром D:

F0C=nD2/4,

А в полочных представляет собой суммарную площадь всех полок.

Использование многополочных отстой­ников (см. рис. 3.1.1 и рис. 3.1.2) позволяет значительно повысить производительность от­стойников и качество разделения [9].

Повысить скорость разделения суспензий можно, снижая вязкость жидкости путем пред­варительного подогрева суспензии или укруп­няя частицы. При очистке воды от ферромаг­нитных частиц их укрупнение происходит в ре­зультате предварительной магнитной обработ­ки воды [9]. На станциях очистки сточных вод и водоподготовки укрупнение частиц осущест­вляют добавкой в суспензию коагулянтов или флокулянтов [9, 69]. Для ускорения коагуляции в жидкости организуют пульсирующие коле­бания (например, путем пульсирующей подачи жидкости).