Методы разделения неоднородных систем

 

 

1. Оборудования для разделения неоднородных жидких систем

 

3.1.1 Оборудование для отстаивания и осаждения по принципу действия делится на гравитационные отстойники, отстойные центрифуги, циклоны, гидроциклоны и сепараторы.

Отстойники бывают периодического, непрерывного и полунепрерывного действия.

Периодически действующие отстойники для суспензий обычно представляют собой бассейны без перемешивающих устройств. Отстойник заполняют суспензией, и через определенное время слой осветленной жидкости сливают через штуцера, расположенный выше уровня осадка, а осадок, представляющий собой текучую массу – шлам, выгружают через верх аппарата или удаляют через нижний штуцер [4].

В отстойник полунепрерывного действия с наклонными перегородками суспензия подается через штуцер и направляется с помощью наклонных перегородок попеременно сверху вниз и снизу вверх [1].

Непрерывнодействующий отстойник с гребковой мешалкой представляет собой цилиндрический резервуар с коническим днищем, в котором установлена мешалка с гребками, непрерывно перемещающими образующийся осадок к центральному разгрузочному отверстию. Такие отстойники обеспечивают однородность осадка и позволяют его обезводить до концентрации твердой фазы 35-55%. Диаметр нормализованных отстойников – от 1.8 до 30 (иногда до 100) м [4].

В многоярусных отстойниках, которые представляют собой несколько отстойников, поставленных один на другой, или цилиндрический резервуар с коническим днищем, внутри которого имеются конические перегородки, разделяющие отстойники на ярусы. В результате этого значительно снизилась громоздкость и увеличилась площадь поверхности отстаивания. Такие отстойники используют на сахарных заводах для сгущения сатурационных соков.

Отстойник для непрерывного разделения эмульсий состоит из нескольких частей. Эмульсия подается в левую часть отстойника, откуда поступает в среднюю сепарационную камеру. Перегородки 2 позволяют регулировать высоту уровня смеси. В сепарационной части исходная смесь разделяется на составляющие под действием сил тяжести. Легкая жидкость поднимается и вытекает из отстойника через верхний штуцер. Тяжелая жидкость опускается, проходит под правой перегородкой 3 и вытекает через нижний штуцер. Каналы для выхода жидкости образуют сообщающиеся между собой сосуды [1].

Центрифуги применяют для разделения суспензий и эмульсий. Они подразделяются на отстойные и фильтрующие, непрерывные (подача суспензии и выгрузка осадка осуществляются непрерывно), периодические (подвод суспензии и выгрузка осадка производятся периодически) и полунепрерывные (суспензия подается непрерывно, а осадок выгружается периодически), с вертикальным и горизонтальным расположением вала и барабана, с ручной, шнековой, гравитационной и центробежной выгрузкой и т.д. [4].

В автоматических отстойных центрифугах загрузка материала, промывка, пропаривание и выгрузка осадка выполняются автоматически.

Непрерывно действующие отстойные горизонтальные центрифуги со шнековой выгрузкой осадка (НОПП) применяют в крахмалопаточном производстве для получения концентрированного крахмального осадка и в других производствах.

Сепараторы применяются для разделения тонкодисперсных суспензий и эмульсий: они обеспечивают эффективное отделение дрожжей от сброженной бражки, тонкое осветление виноматериалов, обезжиривание молока и др.

Разновидностью соплового сепаратора является бактофуга, которая представляет собой герметичный высокоскоростной сопловой сепаратор, выполненный в виде осветлителя и снабженный рубашкой для охлаждения, а также циклоном для деаэрации концентрата.

Сверхцентрифуги имеют ротор малого диаметра – не более200 мм, вращающийся с большой скоростью – до 4500 мин-1. Фактор разделения составляет 15000. В таких центрифугах разделяют очень тонкие суспензии и эмульсии (обезжиривание молока).

Гидроциклоны применяют для осветления, обогащения суспензий, классификации твердых частиц по размерам от 5 до 150 мкм, а также для очистки сточных вод после мойки пищевых агрегатов.

3.1.2 Фильтрацию неоднородных систем проводят на вакуум-фильтрах (барабанных, дисковых, ленточных), листовых фильтрах, фильтр-прессах, центрифугах и виброфильтрах.

На вакуум-фильтрах из осадков может быть удалено в среднем 80 %, на дисковых – 90 %, а на фильтр-прессах – 98 % общего количества механически связанной воды. Производительность вакуум-фильтров наиболее высокая. Выбор конструкции фильтра зависит от технико-экономических показателей процесса [7].

По принципу действия фильтровальное оборудование делится на оборудование, работающее при постоянном перепаде давления либо при постоянной скорости фильтрования; по способу создания перепада давления на фильтровальной перегородке – на работающее под вакуумом либо под избыточным давлением; в зависимости от организации процесса – на оборудование непрерывного и периодического действия.

Избыточное давление может создаваться силами давления или центробежной силой. В зависимости от способа создания перепада давления фильтровальное оборудование может быть разделено на фильтры и центрифуги [5].

Фильтры, используемые для разделения суспензии, работают как под вакуумом, так и под избыточным давлением, периодически и непрерывно. К фильтрам, работающим под давлением, предъявляют повышенные требования к механической прочности. Их изготовляют по нормам Ростехнадзора для сосудов, работающих под давлением [1].

Фильтрующие центрифуги периодического и непрерывного действия разделяются по расположению вала на вертикальные и горизонтальные, по способу выгрузки осадка – на центрифуги с ручной, гравитационной, пульсирующей и центробежной выгрузкой осадка. Главным отличием фильтрующих центрифуг от отстойных является то, что они имеют перфорированный барабан, обтянутый фильтрующей тканью.

Нутч – фильтр, работающий как под вакуумом, так и под избыточным давлением, широко распространен в малотоннажных производствах. Выгрузка из него осадка механизирована. Для сброса осадка фильтр снабжен перемешивающим устройством в виде однолопастной мешалки. Для удаления осадка из фильтра на цилиндрической части корпуса предусмотрен люк [5].

Рамный фильтр-пресс используется для осветления виноматериалов, вина, молока и пива. Фильтрующий блок состоит из чередующихся рам и плит с зажатой между ними фильтровальной тканью или картоном. Рамы и плиты зажимаются в направляющих 6 зажимным винтом 7. Фильтр монтируют на металлической станине.

Фильтр-пресс автоматизированный камерный с механизированной выгрузкой осадка (ФПАКМ) используют для разделения тонкодисперсных суспензий концентрацией 10...500 кг/м3при температурах до 80 °С. Является фильтром периодического действия. Он состоит из ряда прямоугольных фильтров, расположенных вплотную один под другим, благодаря чему возрастает удельная площадь поверхности фильтрования по отношению к площади, занимаемой фильтром.

Барабанные вакуум-фильтры применяют при непрерывном разделении суспензий концентрацией 50...500 кг/м3.Твердые частицы могут иметь кристаллическую, волокнистую, аморфную, коллоидальную структуру [1].

Дисковые фильтры применяют для разделения тонкодисперсных суспензий; они работают под давлением с намывным слоем вспомогательного вещества. Дисковый фильтр представляет собой вертикальную емкость с обогреваемой рубашкой. Внутри фильтра на полый вал 6 насажены дисковые металлические перфорированные фильтровальные элементы 7. На диски натягивают полипропиленовую или другую фильтровальную ткань, закрепляемую хомутами. Рабочее давление в фильтре достигает 0,5 МПа, в рубашке – 0,3 МПа [5].

Ленточный фильтр состоит из рамы, приводного и натяжного барабанов, между которыми натянута бесконечная перфорированная резиновая лента. Под ней расположены вакуум-камеры, соединенные в нижней части с коллекторами для отвода фильтрата и промывной жидкости. За счет вакуума лента прижимается к верхней части вакуум-камер. К резиновой ленте натяжными роликами 7 прижимается фильтровальная ткань, выполненная также в виде бесконечной ленты.

В фильтрующей центрифуге периодического действия суспензия загружается в барабан сверху. После загрузки суспензии барабан приводится во вращение. Суспензия под действием центробежной силы отбрасывается к внутренней стенке барабана. Жидкая дисперсионная фаза проходит через фильтровальную перегородку, а осадок выпадает на ней. Фильтрат по сливному патрубку направляется в сборник. Осадок после окончания цикла фильтрования выгружают вручную через крышку 3.

В саморазгружающихся центрифугах осадок удаляется под действием гравитационной силы. Такие центрифуги выполняют с вертикальным валом, на котором располагается перфорированный барабан. Суспензия подается на загрузочный диск при вращении барабана с низкой частотой. Нижняя часть барабана имеет коническую форму, причем угол наклона делается большим, чем угол естественного откоса осадка. После окончания цикла фильтрования и остановки барабана осадок под действием гравитационной силы сползает со стенок барабана и удаляется из центрифуги через нижний ток.

В непрерывнодействующих фильтрующих центрифугах с пульсирующей выгрузкой осадка фильтрат из центрифуги выводится непрерывно, а осадок периодически выгружается из барабана пульсирующим поршнем [1].

 

2. Оборудования для разделения неоднородных газовых систем

 

3.2.1 Мокрую отчистку газов проводят в аппаратах под названием скрубберы. Скрубберы, полые или насадочные, являются простейшими мокрыми пылеулавливателями для очистки и охлаждения газов. Запыленный газ подается в нижнюю часть скруббера и движется противотоком к жидкости, подаваемой через разбрызгиватель или форсунки со скоростью около 1 м/с. При взаимодействии газа и жидкости происходит механическая очистка газа. Степень очистки достигает 75...85 %. В качестве насадка используют хордовые или кольцевые элементы [5].

Пенные барботажные пылеулавливатели предназначены для очистки сильно запыленных газов. Барботажный пылеулавливатель представляет собой тарельчатый скруббер. Запыленный газ подается в нижнюю часть скруббера и движется вверх. Попадая на перфорированную тарелку, куда подается промывная жидкость, газ барботирует через нее, в результате чего создается подвижная пена, которая обеспечивает большую поверхность контакта и высокую степень очистки газа. В слое пены взвешенные частицы поглощаются жидкостью. Загрязненная жидкость сливается через регулирующий порог. Пенные скрубберы имеют, как правило, несколько перфорированных тарелок. Степень очистки газа в таких аппаратах достигает 99 % [5].

Скрубберы Вентури также применяются для мокрой очистки воздуха. В них достигается высокая степень очистки, равная 98 %. Недостаток их – большое гидравлическое сопротивление (порядка 1500...7500 Па) и необходимость установки каплеотбойника. Скруббер Вентури состоит из двух частей: трубы Вентури, в которой происходит очистка воздуха, и разделителя, предназначенного для отделения капелек воды от газового потока.

Воздух, подлежащий очистке, поступает снизу в вертикальный патрубок, на выходе из которого создается разрежение. За счет разрежения в трубу Вентури из бачка подсасывается через коллектор вода. В результате в трубе Вентури как на стенках, так и по всему объему происходит интенсивное образование жидкостных пленок, что приводит к очистке газового потока. Осаждению капелек жидкости из газового потока способствует завихритель потока. Жидкость, выделяемая в разделителе, стекает в сборный бачок. Очищенный газовый поток выбрасывается в атмосферу [1].

3.2.2 Электрическое осаждение

Рисунок 1– Трубчатый электрофильтр

Элементы, из которых состоит трубчатый электрофильтр: 1 – встряхивающее устройство; 2 – изолятор; 3 – рама; 4 – коронирующий электрод; 5 –трубчатый электрод – анод; 6 – решетка; 7 – сборник для пыли

Пыль или дым поступают в нижнюю часть фильтра под решетку 6, в которой закреплены электроды, и распределяются по трубчатым электродам – анодам. Внутри трубчатых электродов расположены коронирующие электроды – катоды. Электроды закреплены на общей раме, опирающейся на изоляторы 2. Под действием электрического поля происходит электроосаждение взвешенных в газе частиц. Осевшие на аноде частицы периодически стряхиваются ударным приспособлением 1 и собираются в конической нижней части фильтра. Осадок из фильтра удаляется с помощью выгружного устройства, а очищенный газ выходит из верхней части фильтра.

Разработаны секционные электрофильтры, в которых газ проходит через ряд последовательно соединенных секций. В электрофильтре с пластинчатыми электродами анодами служат пластины, а коронирующими электродами (катодами) – проволока, натянутая между пластинами [5].

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

 

Подводя итоги можно сказать, что необходимость разделения неоднородных жидкостных и газовых систем возникает во многих отраслях народного хозяйства. Целью всех этих процессов является выделение механических примесей из дисперсионной среды.

Изучив основные аппараты для разделения неоднородных систем, можно выделить их достоинства и недостатки:

1. К достоинствам отстойников относятся:

• простота использования;

• низкое энергопотребление и стоимость эксплуатации;
• простота устройства.

К недостаткам относятся:

• низкая интенсивность процесса;
• громоздкость аппаратов;

2. К достоинствам фильтрования относятся:

• относительная простота конструкции;
• высокая степень разделения фаз;
• возможность разделения суспензий при высокой температуре в тех случаях, когда охлаждение суспензии недопустимо;

К недостаткам относятся: