Аппараты для разделения суспензий

 

Простейшими аппаратами для разделения суспензий являются отстойники. Они характеризуются небольшими капитальными затратами и эксплуатационными расходами. Однако из-за малой движущей силы отстойники громоздки, в них плохо отделяются мелкие частицы. Отстойники целесообразно использовать для предварительного разделения суспензий с большим содержанием твердой фазы, а также для классификации на фракции суспензий с относительно крупными частицами.

Значительно более производительны гидроциклоны и центрифуги. В них можно эффективно отделять мелкодисперсные частицы. Однако эти   аппараты   в  особенности  центрифуги   значительно  дороже, эксплуатационные расходы в них также существенно выше. Они непригодны для отделения частиц, оказывающих абразивное действие.

Весьма эффективным способом разделения суспензий является фильтрование на фильтрах и фильтрующих центрифугах. В них имеются условия промывки и просушки выделенной в виде осадка твердой фазы суспензии. Однако эти аппараты дороги и сложны в эксплуатации.

Выбор того или иного аппарата для разделения неоднородной системы должен удовлетворять следующим требованиям: качество разделения, концентрация частиц, агрессивность среды, технико-экономические показатели работы аппаратов.

Образование неоднородных систем

 

Наряду с уже рассмотренными гидромеханическими процессами в химической технологии большое значение имеют еще два гидромеханических процесса: перемешивание в жидкой среде и псевдоожижение твердого зернистого и пылевидного материала.

 

Перемешивание

Перемешивание – это процесс многократного относительного перемещения макроскопических объемов среды.

Цели перемешивания определяются назначением процесса.

В случае гомогенизации, приготовления суспензий, нагревания или охлаждения гомогенной среды перемешивание используют в основном для выравнивания температурного и концентрационного полей, благодаря чему повышается скорость химической реакции.

В случае гетерогенных процессов, реакция в которых складывается из нескольких последовательных стадий и если химическая реакция является определяющей, то перемешивание используется для выравнивания концентрационного поля. В связи с этим необходимо обеспечить интенсивную циркуляцию потока.

Перемешивание увеличивает степень турбулентности системы, что приводит к уменьшению толщины диффузионного пограничного слоя, а это, в свою очередь, обеспечивает увеличение и непрерывность обновления поверхности межфазного контакта, что вызывает существенное ускорение тепло- и массообменных процессов.

Перемешивание применяют в процессах абсорбции, выпаривания, экстрагирования и других процессах химической, нефтяной, пищевой промышленности.

Процесс перемешивания характеризуется интенсивностью и эффективностью, а также расходом энергии на его проведение.

Интенсивность перемешивания – это количество энергии, вводимое в единицу времени в единицу объема перемешивания среды. Чем выше интенсивность перемешивания, тем больше энергетические затраты.

Интенсивность перемешивания обусловливает характер движения жидкости в аппарате.

Эффективность перемешивания – это параметр, характеризующий качество проведения процесса.

Существуют следующие виды перемешивания: механическое перемешивание  с помощью мешалки, пневматическое (барботажное) перемешивание, циркуляционное перемешивание с помощью насоса, статическое перемешивание – перемешивание в потоке.

Механическое перемешивание получило наибольшее распространение в химической промышленности. Перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которые представляют собой вращающийся вал с закрепленными на нем лопастями различной формы.

Вращение мешалок вызывает движение жидкости, структура потока в которой зависит от типа аппарата и типа мешалки. Так, для пропеллерной мешалки структура потока показана на рисунке 5.22.

При вращении мешалок образуется воронка, которая снижает эффективность перемешивания. Для уменьшения негативного влияния воронки в аппарате устанавливаются отражательные перегородки.

При этом мощность, потребляемая мешалкой, увеличивается на 30 %.

Работу механической мешалки можно описать с помощью уравнений гидродинамики.

,       (5.50)

где  – модифицирванный критерий Рейнольдса.

Здесь d_м – диаметр мешалки, м;

n – частота вращения мешалки, с^-1.

 – критерий Эйлера.

Здесь  – перепад давления, Па;

N – энергия, потребляемая мешалкой, Вт;

V_сек – расход жидкости, создаваемый мешалкой, м³/с.

Решив совместно эти уравнения, после преобразований получим так называемый критерий мощности мешалки :

.                        (5.51)

Установлено, что расход мощности на перемешивание зависит также от вязкости жидкости μ, размеров аппарата – диаметра D, высоты слоя жидкости Н, расстояния мешалки от дна h_м, следовательно, общая функция для определения расхода мощности будет выражаться следующим образом:

                          .                       (5.52)

Порядок расчета мешалок:

1) выбирают тип мешалки;

2) выбирают диаметр мешалки и число оборотов;

3) определяют критерий Рейнольдса;

4) определяют критерий мощности по зависимости числа Рейнольдса;

5) определяют энергию, потребляемую мешалкой, по уравнению .

Достоинства мешалок:

– высокая эффективность;

– достаточно низкая потребляемая энергия.

Недостатки мешалок:

– сложность использования в сильно агрессивных средах;

– сложность изготовления уплотнительных устройств.

Пневматическое перемешивание осуществляется пропусканием газа через жидкость, для чего устанавливают газораспределительную решетку или используют барботер, который представляет собой расположенные по дну аппарата трубы с отверстиями, с помощью которых осуществляется барботаж газа через слой обрабатываемой жидкости (рисунок 5.23).

Подобное перемешивание является малоинтенсивным процессом. Расход энергии при этом выше, чем при механическом перемешивании.

Пневматическое перемешивание применяется в следующих случаях: когда допустим контакт газа и жидкости; при наличии маловязких жидкостей; при работе с агрессивными средами.

Пневматическое перемешивание не применяется для обработки летучих жидкостей в связи со значительными потерями перемешиваемого продукта.

 

Рисунок 5.23 – Схема барботажного смесителя

Циркуляционное перемешивание – это многократное перемещение жидкости через схему: аппарат – циркуляционный насос – аппарат, то есть перемешивание жидкости происходит по замкнутому контуру. Недостатком такого вида перемешивания является низкая эффективность.

Статическое перемешивание. Для смешения потоков жидкости различного состава в последнее время начали применять статические смесители – устройства, не содержащие подвижных частей и устанавливаемые непосредственно на трубопроводах.

Действие таких устройств основано на использовании энергии потока для создания высоких локальных напряжений сдвига. С этой целью в смесительной секции устанавливают различные турбулизирующие вставки (рисунок 5.24).

 

 

а - вставка из полуперегородок; б - диафрагмовая вставка;

в - винтовая вставка; г - струйные смесители;

1, 2 – входы компонентов смеси; 3 – выход смеси

Рисунок 5.24 – Схема устройств для перемешивания в потоке

 

Псевдоожижение

Псевдоожижение – движение потока через слой зернистых или пористых материалов, а также насадочных элементов самых разнообразных размеров и форм.

Если через слой зернистого материала, находящегося на решетке, снизу пропускать жидкость или газ, то при малых скоростях потока слой соприкасающихся друг с другом частиц остается неподвижным (рисунок 5.25а). С увеличением скорости потока промежутки между частицами увеличиваются. Частицы приходят в движение и ведут себя как пузырьки пара или газа в жидкости (рисунок 5.25б).

 

При больших скоростях происходит разрушение псевдоожиженного слоя и вынос частиц потоком (рисунок 5.25в). Это явление массового уноса называют гидро- или пневмотранспортом и используют в технике для перемещения сыпучих материалов.

При движении через слой крупных пузырей наружная поверхность слоя разрывается, и группы частиц перемещаются вместе с пузырями по высоте слоя, способствуя интенсивному перемешиванию твердой фазы. В аппаратах малого диаметра пузыри, образующиеся вблизи газораспределительной решетки, часто сливаются в один большой пузырь, заполняющий все сечение аппарата, и слой частиц, расположенный выше такого пузыря, поднимается вверх, как поршень (рисунок 5.25г).

Псевдоожижение дает возможность перемещать твердые частицы по трубам; уменьшает сопротивления в газовой фазе; выравнивает поля температур и концентраций. Однако при этом происходит уменьшение движущей силы процесса, появляется возможность проскока газа, происходит износ аппаратуры и возникает необходимость использования гидроочистительного оборудования.

Структура зернистого слоя характеризуется:

а) порозностью (долей свободного объема) ;

б) удельной поверхностью , развитой в единице объема или массы слоя;

в) эквивалентным диаметром каналов ;

г) скоростью витания .

Условием перехода неподвижного слоя частиц во взвешенное состояние является равенство силы гидравлического сопротивления весу его частиц:

,               (5.53)

где    S – площадь поперечного сечения аппарата, м²;

– гидравлическое сопротивление слоя, Па;

Н – высота неподвижного слоя, м;

 – порозность;

ρ_т , ρ – плотности твердых частиц и псевдоожиженного агента, кг/м³.

Схема расчета критической скорости W_кр

Экспериментальные данные для определения критической скорости могут быть представлены в форме зависимости критического числа Рейнольдса Re_кр от критерия Архимеда Ar. Например, для слоя сферических частиц одинакового диаметра, принимая порозность e=0,4, уравнение для критерия Рейнольдса

                    (5.54)

где ;

.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные свойства неоднородных систем.

2. Что представляют собой суспензии, эмульсии, аэрозоли?

3. Опишите зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса при движении частицы в сплошной среде.

4. Под действием каких сил может проводиться осаждение?

5. Как определяют скорость осаждения частиц в гравитационном поле?

6. Дайте классификацию отстойников.

7. Что такое стесненное осаждение?

8. Каково назначение гребковой мешалки в отстойниках непрерывного действия?

9. Получите уравнения для определения поверхности осаждения отстойника.

10. Что является движущей силой фильтрования?

11. Получите дифференциальное уравнение фильтрования.

12. Что такое константы фильтрования? Как определяют и где их используют?

13. Дайте классификацию фильтров.

14. Какова физическая сущность процесса осаждения в центробежном поле?

15. Что такое фактор разделения в процессах осаждения под действием центробежных сил?

16. Приведите схему расчета циклона.

17. Опишите физическую сущность процесса осаждения в электрическом поле.

18. Перечислите достоинства и недостатки мокрой очистки газов.

19. Каковы принципы выбора аппарата для разделения неоднородных систем?

20. Что такое перемешивание? Какие виды перемешивания вы знаете?

21. Как определить необходимую мощность мешалки?

22. Как определяют скорость начала псевдоожижения?

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: