ОТСТОЙНИКИ

АППАРАТЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

Разделение суспензий является одной из основных операций в технологии неорганических веществ, особенно в технологии со­лей. Эта операция может выступать как подготовительная, про­межуточная и заключительная стадия производств, характеризую­щихся различной мощностью и степенью автоматизации.

Движущей силой процессов разделения суспензии могут быть гравитационное поле земного шара, перепад давлений и центро­бежная сила. В зависимости от использования указанных потен­циалов и конструкций аппараты для разделения подразделяют на отстойники, фильтры, центрифуги и гидроциклоны.

Процесс фильтрования складывается из нескольких отдельных операций: собственно фильтрование, промывка осадка, его обез­воживание и удаление с фильтровальной перегородки. На проте­кание этих процессов решающее влияние оказывают физико-хи­мические свойства веществ и их суспензий (концентрация, дисперс­ность осадка и его сжимаемость, адгезионные свойства и т. д.).

Ввиду разнообразия технологических условий и физико-хими­ческих свойств суспензий разработаны аппараты различных кон­струкций, приспособленные проводить процессы разделения сус­пензий и промывку осадков в оптимальных режимах;

 

ОТСТОЙНИКИ

Процесс отстаивания используют для отделения жидкой фазы суспензий от твердой (в процессах очистки рассолов и сточных вод, водоподготовки И т. п.) либо для повышения концентрации твердой фазы (обычно проводят перед подачей суспензий на фильтры или центрифуги). В последнем случае отстойники назы­вают сгустителями.

Принцип работы отстойников основан на использовании энер­гии гравитационного поля земного шара.

Скорость v _oc осаждения (или всплывания) твердых частиц в жидкости может быть рассчитана, исходя из закона Стокса, по формуле:

v _oc = . (1)

Здесь d_ч - диаметр частиц, g-ускорение силы тяжести; - плотность вещества частиц твердой фазы; - плотность жидкости; - вязкость жидкости.

Как видно из этой формулы, чтобы ускорить процесс осажде­ния, нужно уменьшить вязкость жидкости (например, путем ее нагревания) и увеличить размер частиц твердой фазы.

Отстаивание при высоких температурах проводят обычно в тех случаях, когда необходимость нагрева раствора связана с потреб­ностями основных технологических стадий процесса. Например, очищенный раствор хлорида натрия, подаваемый на электролиз, должен иметь температуру 80⁰С, поэтому на стадии очистки рас­сола от солей кальция и магния в отстойниках поддерживают оптимальную температуру 50⁰с.

Увеличить размер частиц дисперсной фазы можно, создавая специальные условия кристаллизации. Однако во многих случаях их размеры, обусловленные природой кристаллизующегося вещества, остаются весьма малыми (1-10 мкм). Такие частицы осе­дают очень медленно (менее 0,1 м/ч), и получается довольно устойчивая суспензия. Причиной такой устойчивости является гид­ратация (сольватация) поверхности взве-шенных частиц, которая препятствует их слипанию и рекристаллизации. Ускорить оседание частиц можно за счет добавления в суспензию коагулянтов (фло­кулянтов), которые вызывают образование хлопьевидной струк­туры твердой фазы. Образовавшиеся хлопья оседают со значи­тельно большей скоростью (до 5-7 м/ч).

Однако присутствие коагулянтов допускается, если осадок не является целевым продуктом. В качестве коагулянтов используют хлориды и сульфаты алюминия и железа, крахмал, муку и поли­акриламид (0,1-0,3 % от массы шлама).

Формула (1) исходит из допущения, что оседающая частица имеет форму шара и дви-жется свободно в ламинарном режиме (Re <2). В случае переходного режима (Re = 2 500) и замет­ного отклонения формы частиц от шарообразной в уравнение Стокса вводят различные поправки. Однако учитывая, что отстой­ник проектируется в расчете на осаждение самых мелких частиц, находящихся в суспензии, а также, что кри-терий Рейнольдса Re при оседании даже крупных кристаллов ( 200 мкм) часто не превышает 5, формулу (1) можно использовать для расчета от­стойников крупно- и сред-нетоннажных производств технологии не­органических веществ.

Вместо диаметра частиц в формулу подставляют их приведен­ный размер, опреде-ленный с помощью седиментационного или си­тового анализа. В последнем случае рассчитанное значение v _oc следует умножить на коэффициент формы

v^/ _oc = v _oc Для частиц круглой формы (например, NаНСО_з) принимают = 0,77, для некру-глых частиц (NaCI, NаNО_з, MgS0₄· 6Н₂О) - = 0,66, для продолговатых (MgS0₄ 7Н₂О) - = 0,58, для пластинчатых [АI (ОН) з] - = 0,43. Если же размер частиц взят из данных седиментационного анализа, то =1.

На практике процесс отстаивания суспензии всегда протекает в режиме стесненного осаждения. Скорость стесненного осаждения можно рассчитать по эмпирической формуле:

v _oc= v^/ _{oc , (3)} где - объемная доля жидкой фазы.

= V _ж/(V _ж + V _т ) = Х/(Х + _ж/ _т), (4)

V _ж, V _т, - соответственно объемы жидкой и твердой фазы; Х - массовое отношение жидкой и твердой фазы.

Уравнение (3) справедливо при > 0,7, что установлено практикой технологии неорганических веществ. Обычно суспензии крупнокристаллических веществ сгущают перед подачей на фильт­рование до значения отношения Ж/Т = 1,5 2, а суспензии вы­сокодисперсных веществ (например, ВаСО_з или BaS04) - до Ж/Т = 3, обеспечивающих возможность ее перекачивания на сле­дующие технологические стадии. Сгущать высокодисперсные (тон­кие) суспензии до более низких значений Ж/Т нежелательно вви­ду возможного образования тиксотропной системы.

Определив скорость стесненного осаждения частиц, рассчиты­вают площадь отстой-ника:

F = G _осв / , (5) где О_осв - масса осветленной жидкости, кг.

Для обеспечения надежности работы отстойника значение пло­щади поверхности, рассчитанное по формуле (5), в случае цeнтрального ввода суспензий рекомендуется увеличить на 30-35% из-за возможности вихреобразования, условности выбора коэф­фициента и т. д.

Скорость оседания хлопьевидного осадка невозможно рассчи­тать на основании уравнений (1-3). В данном случае необхо­димо иметь экспериментальные данные о скорости движения гра­ницы осветленного слоя.

Если преобразовать уравнение (5), получим:

V _осв = Fv _ст

Отсюда видно, что объемная производительность отстойника V _осв(/м³/с) зависит от его площади и скорости оседания частиц и не зависит от высоты. Поэтому высоту отстойника принимают конструктивно, исходя из технологических соображений.

По способу ввода суспензии отстойники можно подразделить на аппараты с центральным и периферийным вводом. При центральном вводе суспензии в зоне ввода наблюдается турбулизация жидкости, что уменьшает полезную площадь отстойника. При периферийном вводе, благодаря большой площади кольцевого се­чения, скорость исте-чения суспензии из-под кольцевой перегородки очень мала, и оседающие частицы не испытывают возмущения потока.

В табл. 1 приведены основные размеры наиболее часто используемых типовых отстойников.

Табл.1

Основные размеры отстойников непрерывного действия (ГОСТ 10876 - 75)

 

Диаметр, м	Глубина, м	Площадь осаждения, м2	Продолжительность одного оборота вала, мин	Мощность электродвигателя, кВт
2,5 4,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0	1,5 2,5 2,5 3,0 3,0 3,0 3,6		2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0	0,81 1,1 2,2 3,0 3,0 4,0 4,0

 

Отстойник с периферийным вводом суспензии (Рис.1) работает следующим обра-

Рис. 1. Отстойник с периферийным вводом суспензии: 1- кольцевой желоб; 2 - кольцевая перегородка; 3 - корпус; 4 - гребковая ферма; 5-­устройство для уплотнения шлама; 6 - разгрузочный штуцер; 7 - сливная труба; 8-­кольцевой резервуар.

зом. Смесь сырого рассола с реактивами вводится в карман кольцевого желоба 1 и благодаря его уклону растекается по нему, пере-ливаясь через борта в коль-цевое пространство, обра-зованное корпусом отстой-ника 3 и кольцевой пере-городкой 2. Кольцевое про-странство служит одновре-менно реактором, в кото-ром образуется твердая фаза. Осевший шлам отгре-бается гребковой фермой 4, делающей один оборот за 12 мин., к центру и непре-рывно отводится через нижние штуцеры 6. Осветленный рассол через центральный открытый кольцевой резервуар и присоединенную к нему трубу 7.

 

При переработке больших объемов жидкостей может возникнуть необходимость установки нескольких отстойников большого диаметра, что приведет к резкому уве-личению капитальных затрат. С целью сокращения последних используют многоярусные от­стойники. Наиболее совершенными являются отстойники сбалансированного типа, например четырехкамерный отстойник, приме­няемый в производстве глинозема для отделения алюминатного раствора от «красного шлама».

Рис. 2. Четырехкамерный отстойник: 1- диафрагма; 2 - гребки; 3 - переточный стакан; 4 - распределительная коробка; 5 - кольцевой желоб; 6 - сливная коробка; 7 - сливной штуцер; 8 - сливные трубы; 9 - конус нижней камеры; 10 - разгрузочный штуцер.

Отстойник (рис. 2.) представляет собой цилиндрическую ем­кость диаметром 20 м и высотой 10,5 м, поделенный диафрагма­ми 1 на четыре камеры, которые сообщаются между собой через переточные стаканы 3. Осевший шлам сдвигается гребками 2 к центру и по переточным стаканам поступает с каждого яруса в корпус 9 ниж-ней камеры, откуда непрерывно удаляется через шту­цер 10 с помощью насоса. Камеры отстойника работают парал­лельно. Для распределения суспензии между камерами служит распределительная коробка 4. По периферии отстойника установ­лены четыре сливные коробки 6. Слив из верхней каме-ры поступает в сливную коробку через кольцевой желоб 5, из остальных же камер - по сливным трубам 8. В верхней своей час-ти сливные трубы снабжены телеско-пическими устройствами, позволяющими поднимать или опускать уровень слива в той или иной камере и тем самым регулиро-

вать в ней уровень границы осветленного слоя. Осветленный раствор удаляется из сливной коробки через шту­цер 7.

Общая площадь поверхности осаждения четырехъярусного от­стойника составляет 1256 м²

Независимая параллельная работа камер возможна благодаря разнице плотностей осветленного раствора и сгущенной суспензии, а также наличию гидрозатвора, который образуют переточные стаканы, опущенные в слой сгущенной суспензии.

Для сгущения быстроразделяющихся суспензий применяют обычно отстойники, имеющие угол при вершине конического дни­ща 120⁰. Они также снабжены тихоходными мешалками.

К достоинствам отстойников относят низкие энергетические за­траты на разделение суспензий, простоту устройства, а следова­тельно, высокую надежность в работе и простоту ремонта и из­готовления. Отстойники имеют большую производительность и могут разделять суспензии с высокими значениями отношений объема жидкости к объему твердой фазы.

Недостатками отстойников являются низкая степень разделе­ния и большие габариты.

Фильтры - устройства, в которых разделение жидкостного или газового потока и твердых примесей осуществляется путем пропу­скания сквозь пористую перегородку.

В технологии неорганических веществ применяют фильтры различных конструкций; барабанные, дисковые, ленточные и карусельные вакуум-фильтры, листовые, фильтр-прессы рамные и автоматические типа ФПАКМ, нутч-фильтры. Такое разнообразие конструкций объясняется существенным различием свойств сус­пензии и разным назначением процесса фильтрования.

Фильтровальные перегородки являются основным элементом фильтров. От пра-вильного их выбора во многом зависят произво­дительность фильтров, чистота фильтрата, срок службы перего­родки, а следовательно, и экономичность процесса фильтрования. Они должны отвечать следующим требованиям: быть устойчивыми к воздействию среды, иметь достаточную механическую прочность и теплостойкость, хорошо задерживать твердые частицы, иметь низкое гидравлическое сопротивление и малую адгезию к осадку.

В качестве фильтровальных перегородок обычно используют различные ткани. Они отличаются способом переплетения нитей, степенью их кручения и толщиной, числом нитей основы и утка на единицу длины и т. д. Эти характеристики определяют свой­ства ткани применительно к процессу фильтрования.

Наиболее широкое применение нашли хлопчатобумажные тка­ни (бязь, миткаль, диагональ, бельтинг). Их используют для раз­деления нейтральных суспензий при температуре до 100⁰С. В кис­лой и щелочной среде они довольно быстро разрушаются.

Кроме хлопчатобумажных применяют также шерстяные, стек­лянные, перхлорви-ниловые (хлориновые), полиамидные, лавсано­вые и другие ткани.

Шерстяные ткани изготавливают в основном из овечьей шерсти в виде сукна и байки. Они гораздо устойчивее хлопчатобумажных тканей к действию кислых растворов и менее стойки к действию щелочей. Шерстяные ткани уступают хлопчатобумажным по за­держивающей способности, но превосходят по упругости. Перхлор­виниловые и лавсановые ткани устойчивы к действию кислот, ще­лочей и окислителей, не набухают в воде. Полиамидные ткани устойчивы к действию щелочей даже при 100⁰С. Стеклянные ткани отличаются высокой устойчивостью в кислых растворах, большой прочностью при растяжении, но плохой сопротивляемостью истиранию.

Кроме указанных материалов в качестве фильтрующих пере­городок могут исполь-зоваться металлические ткани, сетки, а также пористые плиты из керамики, стекла, графита.

Из-за разнообразия видов фильтровальных перегородок, кон­струкций фильтров и свойств суспензий выбор фильтровальной пе­регородки весьма сложен. Предварительный выбор ткани произ­водят при лабораторных испытаниях. При этом необходимо уяс­нить назначение фильтрования (получение осадков или фильтра­та), знать размер и форму частиц, свойства суспензии (рН, тем­пературу, агрегацию частиц и т. д.) и тип фильтра. Конструкция фильтра определяет следующие характеристики ткани: прочность на растяжение, устойчивость при изгибании и к истиранию, спо­собность принимать форму опорной перегородки и уплотняющие свойства. Окончательный выбор фильтровальной ткани производят при полузаводских испытаниях.