Центрифуги. Сущность методов очистки, схемы аппаратов, эффективность. Червячные отжимные аппараты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Центрифуги. Сущность методов очистки, схемы аппаратов, эффективность. Червячные отжимные аппараты

Центрифуга является аппаратом, который посредством действия центробежных сил отделяет жидкость от твердых включений (протекает процесс центрифугирования). В процессе вращения барабана, частицы с большим удельным весом оттесняются к периферии. Частицы с меньшим удельным весом, при этом, перемещаются ближе к оси вращения.

Главной деталью данной машины является барабан (или ротор), который совершает вращательные движения вокруг собственной оси. Промышленные аппараты развивают поле центробежных сил до 20 тыс. g.

Качество отделения жидкости от твердых частиц в суспензиях (или эмульсиях), а также показатель производительности центрифуги зависит от площади рабочей поверхности ротора, а также фактора разделения

Fr = w2/g,

где:

· w - угловая скорость вращения ротора;

· r - радиус ротора;

· g - ускорение свободного падения.

В целях повышения качества разделения компонентов суспензии (или эмульсии) и показателя производительности центрифуги, следует увеличить угловую скорость вращения ротора. Значение угловой скорости вращения ротора ограничивается пределами прочности материала ротора и спецификой разделяемых неоднородных веществ. Площадь рабочей поверхности ротора, также может быть увеличена путем удлинения основной вращающейся части, либо посредством введения в работу дополнительных поверхностей.

Метод центрифугирования используется в самых разных отраслях промышленности для разделения неоднородных веществ. Центробежная сила воздействует на неоднородное вещество, которое состоит из двух или более фаз (суспензия, эмульсия, аэрозоль, газовая смесь). Машина, в которой происходит отделение неоднородных составляющих вещества друг от друга под действием центробежного поля, называется центрифугой.

С точки зрения конструкции центрифуга представляет собой пустотелый барабан, который совершает вращательные движения вокруг своей оси. Вещество, которое подвергается процессу центрифугирования, подается непрерывно или через определенный период времени. Продукты разделения выводятся из барабана аналогично подаче вещества.

На практике существует два вида разделения элементов неоднородных систем в процессе центрифугирования:

· фильтрование;

· осаждение.

Фильтрование осуществляют центрифуги с перфорированным ротором, на обечайке которого располагается фильтровальная перегородка (фильтрующие аппараты). Осаждение осуществляют центрифуги с отстойным ротором, который оснащен сплошной обечайкой (отстойные аппараты). Существует также комбинированный тип центрифуг: отстойно-фильтрующие, которые осуществляют разделение неоднородных систем по обоим принципам. ротор центрифугирование суспензия

В фильтрующих машинах в результате действия центробежной силы происходит фильтрация жидкости сквозь ткань-фильтр или металлическую сетку. При этом твердые частицы осаждаются на фильтре, а жидкость проходит через него и выбрасывается в кожух центрифуги. Осадок может выгружаться в процессе работы ротора или после его полной остановки.

В отстойных центрифугах, твердые частицы осаждаются на внутренней поверхности ротора в виде кольца, так как обладают большим удельным весом, чем жидкий компонент. Жидкость также образует кольцо, но ближе к оси вращения. Жидкий компонент отводится посредством отсосной трубы или переливом. Осадок может выгружаться на ходу или после остановки центрифуги.

Процесс разделения компонентов эмульсий аналогичен: около стенок ротора слой образует более тяжелая жидкость, а ближе к оси вращения - легкая жидкость.

Для удаления осадков из сточных вод могут быть использованы фильтрующие и отстойные центрифуги.

Центробежное фильтрование достигается вращением суспензии в перфорированном барабане, обтянутом сеткой или фильтровальной тканью. Осадок остается на стенках барабана. Его удаляют вручную или ножевым съемом. Такое фильтрование наиболее эффективно, когда надо получить продукт с наименьшей влажностью и требуется промывка осадка.

Фильтрующие центрифуги применяют для разделения суспензий, когда требуется высокая степень обезвоживания осадка и эффективная его промывка, а также в тех случаях, когда используется обезвоженный осадок и достаточно чистый фильтрат.

Центрифуги могут быть периодического или непрерывного действия; горизонтальными, вертикальными или наклонными; различаются по расположению вала в пространстве; по способу выгрузки осадка из ротора (с ручной, с ножевой, поршневой, шнековой или центробежной выгрузкой). Они могут быть в герметизированном и негерметизированном исполнении.

Центрифуги периодического действия применяют при расходах суспензии меньше 5 м 3/ч в широком диапазоне концентрации суспензий с частицами диаметром больше 10 мкм. Наибольшее распространение получили центрифуги с механизированной выгрузкой осадка.

Из отстойных центрифуг непрерывного действия в системах очистки сточных вод наибольшее распространение получили горизонтальные шнековые центрифуги типа ОГШ. Их используют для выделения частиц гидравлической крупностью примерно 0,2 мм/с (противоточные) и 0,05 мм/с (прямоточные).

При центрифугировании по принципу отстаивания различают два типа центрифуг: 1) Осветляющие центрифуги периодического действия (рис. 1), в которых неоднородная смесь (например, суспензия) вводится в центральную часть полого ротора во время его вращения; твёрдые частицы оседают на внутренней поверхности ротора, а осветлённая жидкость (фугат) отводится из верхней его части. Образовавшийся осадок выгружается из ротора после его остановки (в некоторых случаях на ходу) через специальные сопла или через периодически открывающиеся щели (отверстия), 2) Непрерывно действующие центрифуги со шнековой выгрузкой (рис. 2), где суспензия поступает вдоль оси полого ротора; фугат выводится из широкой части ротора, а образующийся осадок шнеком транспортируется к узкому концу ротора и выбрасывается через разгрузочные отверстия.

Центрифугирование по принципу фильтрования чаще всего осуществляется в циклически работающих центрифугах (рис. 3), имеющих непрерывно вращающийся перфорированный ротор, покрытый изнутри фильтрующим материалом. Суспензия поступает в ротор порциями; после заполнения осадком части ротора подача суспензии прекращается, жидкая фаза отжимается, осадок срезается ножом и удаляется; затем снова начинается подача суспензии и цикл повторяется. Для разделения концентрированных суспензий с относительно грубодисперсной твёрдой фазой применяются центрифуги со шнековой, пульсирующей, вибрационной и др. системами выгрузки.

Степень разделения суспензий и эмульсий, а также производительность центрифуги зависят от фактора разделения

Fr = w2/g

(где w - угловая скорость вращения ротора, r - радиус ротора, g - ускорение свободного падения) и от величины рабочей поверхности ротора. Для повышения степени разделения и производительности центрифуги увеличивают w в пределах, допускаемых прочностью ротора и особенностями разделяемых неоднородных систем. Повышение рабочей поверхности ротора часто достигается либо увеличением его длины, либо введением в него дополнительных поверхностей.

Центрифуги используются в химической, пищевой, микробиологической, горнорудной и др. отраслях промышленности.

Рис. 2. Схема непрерывно действующей осадительной центрифуги: 1 - ротор; 2 - выгружающий шнек; 3 - подводсуспензии; 4 - отвод фугата; 5 - выгрузка осадка.

Рис. 1. Схема ротора осветляющей центрифуги: 1 - подвод суспензии; 2 - отвод фугата; 3 - осадок.

Рис. 3. Разрез горизонтальной автоматической фильтрующей центрифуги: 1 - ротор; 2 - горизонтальный вал; 3 - труба для подачи суспензии; 4 - клапан для периодической подачи суспензии; 5 - масляный цилиндр для автоматического подъема и опускания ножа; 6 - нож для срезания слоя осадка; 7 - жёлоб для удаления осадка; 8 - вибратор.

Червячные отжимные аппараты.

Основным отличительным признаком этого класса аппаратов является наличие отжимного червяка и фильтрующего корпуса.

Резкое возрастание вязкости раствора по мере повышения конверсии мономеров приводит к диффузионному торможению процесса. Поэтому сополимеризацию обрывают при получении раствора с концентрацией 8--10% (по массе) стопперами служат спирты - метиловый, этиловый, пропиловый или к-бутиловый. Раствор сополимера выводится из последнего полимеризатора непрерывно через запорный клапан. После частичного удаления непрореагировавших мономеров в р-р вводят антиоксидант, а затем промывают р-р водой, спиртом или соляной к-той для удаления катализатора. Каучук выделяют чаще всего путем отгонки растворителя острым паром в специальных аппаратах (т. наз. метод водной дегазации). Отогнанный растворитель после его очистки и осушки возвращают в цикл, а полученную крошку каучука отфильтровывают, промывают водой, отжимают от избытка влаги и сушат в ленточных сушилках горячим (80°С) воздухом или после промывки обезвоживают на червячно-отжимных прессах. Выделение каучука из раствора возможно также путем осаждения?спиртом.

Как уже отмечалось, центрифуги относятся к наиболее сложным технологическим аппаратам, применяемым при разделении суспензий. В этой связи представляется целесообразным рассказать о сравнительно новом классе оборудования - червячных отжимных аппаратах, которые в СССР были впервые разработаны.

Суспензия через загрузочную воронку поступает в фильтрующий корпус, нижняя часть которого выполнена в виде набора пластин с регулируемыми зазорами за счет прокладок. Перед началом работы червячного отжимного аппарата целесообразно, для создания пробки на выходе из корпуса из частиц твердой фазы, подавать предварительно сгущенную суспензию. Частицы твердой фазы, осаждаясь в фильтрующем корпусе червячного отжимного аппарата, перемещаются в направлении выхода из корпуса. Поскольку выходное сечение корпуса аппарата уменьшено за счет прижимной головки, усилие прижима в которой создается или за счет пружины, или пневматически, на выходе из фильтрующего корпуса создается давление. Под действием давления, сжимающего осадок, происходит отжим фильтрата. Фильтрат удаляется через сводик и из твердых частиц, образующихся в зазорах фильтрующего корпуса. Благодаря сильному, сжимающему осадок давлению, выгружаемый осадок имеет, как правило, низкую конечную влажность. Особенно хорошо разделяются суспензии, имеющие волокнистые частицы. Частота вращения транспортирующего шнека невелика, поэтому установка этого аппарата не требует виброизоляции (как в случае центрифуг). Шнек приводится во вращение с помощью электродвигателя через редуктор. Простота конструкции этих аппаратов, возможность их изготовления в герметичном исполнении из коррозионностойких материалов делает их незаменимыми для многих химических производств, где измельчением осадка можно пренебречь.

Червячные отжимные аппараты. При разделении суспензий такие аппараты имеют следующие преимущества перед центрифугами: отсутствие быстровращающихся частей, низкая конечная влажность осадка, простота изготовления и непрерывность процесса.

К недостаткам следует отнести значительный унос твердой фазы при работе с низко концентрированными и мелкодисперсными (менее 100 мкм) суспензиями и невозможность промывки осадка в аппарате.

Электрофлотация

Электрофлотация - это метод очистки сточных и промывных вод, технологических растворов гальванического производства и производства печатных плат от загрязнений в виде взвешенных веществ, фосфатов и гидроксидов металлов, суспензий, смолистых веществ, эмульгированных веществ, нефтепродуктов, индустриальных масел, жиров и поверхностно-активных веществ. Для интенсификации процесса электрофлотации и повышения эффективности очистки, обычно, существует предшествующая стадия нейтрализации кислых или щелочных компонентов, перевод ионов металлов в труднорастворимые соединения, т.е. образование твёрдой фазы, флокуляция и (или) коагуляция.

Электрофлотатор может работать, как самостоятельно, так и в комбинации с другим оборудованием, например в качестве промежуточного звена (отстойник - фильтр) между грубой (реагентной) и тонкой очисткой (ультрафильтрация - обратный осмос).

Схема электрофлотатора: 1 - Камера флокуляции (грубой очистки), 2 - Патрубки для подачи сточной воды, 3 - Патрубки для дренажа (технологического слива), 4 - Патрубок для отвода шлама, 5 - Камера для сбора шлама, 6 -Пеносборное устройство, 7 - Уровень воды в аппарате, 8 - Перегородки, 9 - Электродвигатель, 10 - Патрубок для отвода очищенной воды, 11 - Гидрозатвор, 12 - Камера флотации (тонкой очистки), 13 - Электродные блоки, 14 - Токоподводы. Потоки: I - Сточная вода, II - Очищенная вода, III - Флотошлам.

Электрофлотатор изготовляется в форме прямоугольной емкости из полипропилена, состоящей из нескольких камер с расположенными в них электродными блоками. Корпус аппарата оборудован входными и выходными патрубками с фланцами для присоединения к трубопроводам. В верхней части аппарата на раме монтируется автоматизированное пеносборное устройство расположенное выше уровня воды и состоящее из электродвигателя и транспортера с лопатками для сбора образующейся пены (шлама). Пеносборное устройство приводится в движение электродвигателем.

Процесс электрофлотации проходит следующим образом: Сточная вода поступает через патрубки 2 в нижнюю часть камеры флокуляции (грубой очистки) 1, переливается через перегородку 8 в камеру флотации (тонкой очистки) 12 и через отверстие в нижней части поступает в сборник очищенной воды 11, обеспечивающий контроль уровня в установке. После наполнения аппарата жидкостью включают источник питания, и на электроды 13 подается ток. В результате протекания процесса электролиза воды на поверхности электродов идёт выделение газовых пузырьков, которые, поднимаясь вверх, взаимодействуют с дисперсными частицами загрязнений с образованием флотокомплексов "частица-пузырьки газа". Плотность образующихся флотокомплексов меньше плотности воды, что обеспечивает их подъём на поверхность сточной жидкости и образование пенного слоя (флотошлама), состоящего из газовых пузырьков, водных прослоек и дисперсных частиц загрязнений.

Очищенная вода через патрубки 10 вытекает из аппарата. Пенный слой периодически удаляется с поверхности сточной воды пеносборным устройством в направлении против ее течения в камеру 5 с конусным днищем, располагаемую в торце аппарата со стороны входа в него сточной воды. Удаление шлама происходит через патрубок 4. Выделяющиеся газы удаляются вытяжным зонтом, расположенным над электрофлотатором.

Модуль конструктивно разделен на 2 части продольной перегородкой, разделяющей потоки воды и шлама в электрофлотаторе. Такая конструкция позволяет использовать электрофлотатор для обработки, как двух различных стоков (при независимом подключении камер), так и одного общего стока (при параллельном подключении камер). Слив жидкости из электрофлотатора осуществляется через дренажные штуцера 3.

Интенсификация процесса флотации осуществляется путем дополнительного применения реагентов - коагулянтов и флокулянтов.

Электродиализ - процесс изменения концентрации электролита в растворе под действием электрического тока. Электродиализ применяют для опреснения воды, выделения солей из растворов.

Механизм процесса

Раствор для разделения помещают в сосуд, разделенный перегородками из полупроницаемых мембран. Мембраны свободно пропускают раствор и задерживают ионы электролита. Используются два вида мембран: одни задерживают катионы, другие - анионы. Эти мембраны расположены поочередно и разделяют общий объем на множество полостей. Через ванну с раствором пропускают постоянный электрический ток, который приводит ионы растворенных солей в движение. Противоположно заряженные ионы движутся в противоположные стороны, но из-за того, что ванна заполнена препятствующими движению ионов мембранами, ионы задерживаются на ближайшей мембране, соответствующей их заряду, и остаются в полости между двумя мембранами.

Результатом такого "просеивания" ионов является изменение концентрации раствора между соседними парами мембран - между одной парой происходит её повышение, между соседними к этой паре - понижение.

Установки для диализа, электродиализаторы, обычно представляют собой аппараты непрерывного действия, с постоянной подачей исходного раствора и сливом разделенных концентрата и дилуата.

Применение

Электродиализ применяется в установках по опреснению воды.

Задача 1.

Расчет решеток

Для выделения из сточных вод крупных нерастворимых загрязнений размером более 25 мм используют решетки (рис.1), изготовленные из стержней с круглым, прямоугольным или овальным сечением. Размер прозора решеток составляет 16…..25 мм. Для удобства удаления загрязнений, осевших на входной поверхности, решетки устанавливают под углом к горизонту 60….90е.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1

Расчет решеток проводят в следующем порядке:

1. Определяют количество прозоров

п = KQ/(bHWп), (1)

n=4,2

где К=1,05 - коэффициент, учитывающий стеснение прозоров решетки задержанными загрязнениями; Q - расход сточных вод, b--16...25 мм - ширина прозора; Н - глубина коллектора; Wп - скорость движения воды в прозорах, обычно Wn - 0,8... 1,0 м/с.

2. Определяют ширину решетки

В = bп + д(п-1), (2)

B=137

где д - толщина стержней решетки

3. Выбирают количество решеток N и находят ширину каждой из них по формуле

B1 = B/N (3)

B1 =137

4. Определяют перепад давлений сточной воды на решетке

Др = ж КссW 2/2, (4)

Др = 197,5 Па

где W = 0,7...0,8 м/с - скорость движения сточной воды в коллекторе перед решеткой, Кс = 2...3 - коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления решетки в процессе осаждения в ее прозорах примесей сточных вод; с-- плотность сточной воды, кг/м 3, ж - коэффициент местного сопротивления решетки, рассчитываемый по формуле

ж =в(д/b)4/3sinб (5)

ж =0,294

Здесь в - коэффициент, характеризующий форму поперечного сечения стержней (для круглых стержней в = 1,79; для прямоугольных - 2,42 и для овальных - 1,83); б - угол наклона решетки к горизонту.

Задача 2.

Расчет гидроциклонов

Рассчитать конструктивные размеры открытого гидроциклона с конической диафрагмой и внутренним цилиндром (рис. 2) для очистки сточных вод, образующихся при мойке грузовых автомобилей. Изобразить схему гидроциклона с указанием размеров.

Исходные данные приведены в таблице 2.

Таблица 2

Расчет гидроциклонов проводят в следующем порядке:

По формуле (6) /29/ рассчитывают удельную гидравлическую нагрузку на гидроциклон

, м 3/(м 2ч) (6)

qhc =2,13

- коэффициент пропорциональности, зависящий от типа гидроциклона и равный для гидроциклонов:

без внутренних устройств - 0,61;

с конической диафрагмой и внутренним цилиндром - 1,98;

Определяют общую площадь зеркала воды в гидроциклонах

Fhс = Q / qhс, м 2 (7)

Fhс = 181,05

Задавшись диаметром гидроциклона Dhс, рассчитывают их количество N, шт.:

N = Fhс / Dhс 2 0,785 (8)

N = 2,2

Принимают п гидроциклонов диаметром Dhс.

Таблица 3.

Литература

1. Жуков А.И. Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод М.: Стройиздат.

2. Ксенофонтов Б.С. Очистка сточных вод: Флотация и сгущение осадков. М.: Химия, 1992. -144 с.

3. Примеры и задачи по курсу "Машины и аппараты химических производств". Под ред. В.М. Ульянова. Н.Новгород, НГТУ, 2003. - 356 с.

4. http://chem21.info/info/1778776/

5. https://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0CBwQFjAA&url=http%3A%2F%2Felib.rshu.ru%2Ffiles_books%2Fpdf%2Fimg-428163440.pdf&ei=AsZtVeaFDcKssAH0jL6YBA&usg=AFQjCNEZmK_F0HnqbSgfvT0sOdD-MD4e7g&sig2=vRW8jeTac4Ra4HFDOQzTrg

Размещено на Allbest.ru