2 Разделяне на нееднородни диспесни системи Нееднородни системи



страница1/2
Дата20.10.2017
Размер389.58 Kb.
#32765
  1   2
2.4. Разделяне на нееднородни диспесни системи
Нееднородни системи
Нееднородна, или хетерогенна, е тази система, която се състои най-малко от две различни фази(течност и твърди частици, течност и газ и т.н.). При равномерното разпределение на малки частици от едно вещество между частиците на друго вещество се образува дисперсна система. Съвкупността от всички малки разпръснати частици се нарича дисперсна фаза, а средата, в която те са диспергирани – дисперсна среда. Следователно нееднородните системи са дисперсни системи и тяхното агрегатно състояние съответства на агрегатното състояние на непрекъснатата, т.е. дисперсната среда. Размерът на частиците на дисперсната фаза определя степента на дисперсност на нееднородната система. Колкото по-големи са тези частици, толкова по-малка е степента на дисперсност на системата.

Ще разглеждаме дисперсни системи, изградени от частици, чиито размер е по-голям от 10-7 м. Дисперсната среда на тези системи е течна или газообразна, а дисперсната фаза може да бъде твърда, течна или газообразна. Всеки вид диспесна система има специфично наименование. В зависимост от агрегатното състояние на диспесната среда различаваме течни и газови дисперсни системи. Според агрегатното състояние на фазата те биват:

Т е ч н и дисперсни системи – суспензия (твърда фаза в течна среда), емулсия (течна фаза в течна среда) и пяна (газова фаза в течна среда);

Г а з о в и дисперсни системи – прах (твърда фаза в газова среда), мъгла (течна фаза в газова среда) и дим (твърда и течна фаза в газова среда).

Всяка нееднородна система се характеризира с концентрацията на дисперсната фаза и размерите на частиците и. Засега класификация по размера на частиците съществува само за суспензиите:

груби суспензии с големина на частиците над 0,1 mm;

фини суспензии с големина на частиците 0,5 – 100 µm;

мътилки с големина на частиците 0,1 – 0,5 µm;

колоидни суспензии с големина на частиците под 0,5 µm.

Според начина на получаване газовите нееднородни системи биват : механични и

кондензирани. Механичните се получават при раздробяване, разпръскване и др.механични процеси. Така се образува системата прах (5 - 50μm). Кондензирани са системите мъгла и дим, тъй като се получават при кондензиране на пари или при горене. Частиците на тяхната дисперсната фаза са по-малки (0,3 - 3μm).

Нееднородните смеси могат да възникнат както по естествен път, така и в резултат на различни технологични процеси. В промишлеността се налага да се извършва разделяне на нееднородните системи. За разделянето на нееднородните системи на компонентите им се използва разликата във физичните свойства на дисперсната фаза и дисперсната среда.

При разделянето на течните нееднородни системи се използва разликата в плътността на компонентите, а също и задържането на едната фаза от пореста преграда, която пропуска другата фаза. Течните нееднородни системи се разделят в три случая: когато течната фаза трябва да се получи в чист вид; ако е необходимо да се отделят ценни продукти, които се намират като дисперсна фаза, и от екологични съображения.

За разделянето на газови нееднородни системи се използва и електрично поле, което взаимодейства с твърдите частици или капките течност. Преработваните в промишлеността газови потоци по правило съдържат диспергирани в тях твърди или течни частици. Тези частици трябва да се отстранят от газовия поток, за да се подготви газът за следващите технологични процеси или за да се очисти преди изхвърлянето му в атмосферата.

Изборът на метод за разделяне на нееднородни системи зависи от природата на системата (агрегатно състояние на средата и фазата; химичната природа на веществата); вида и големина на частиците на дисперсната фаза; концентрацията; температурата и т.н., а също и от желаната степен на разделяне и количеството на материала, който трябва да се обработва.

Утаяване
Утаяване под действие на силите на тежестта на дадена частица се нарича гравитационно утаяване. Това е общ метод за разделяне на нееднородни системи под действие на силата на гравитацията. Движеща сила на този процес е разликата между плътността на дисперсната фаза и дисперсната среда :

∆ρ = ρ д.ф. - ρ д.ср

Върху движеща се сферична частица в гравитационно поле действат следните сили :

силата на тежестта G, подемната сила (силата на Архимед) А и съпротивлението, което изпитва частицата R. При утаяване на частицата в течна среда под влияние на силата на тежестта с увеличаване на скоростта нараства и съпротивителната сила, която противодейства на движението на частицата, затова ускорението съответно намалява. В резултат на това след известно време се установява равновесие, движението на частицата става равномелно, т.е. с постоянна скорост. Тази равномерна скорост на движение на частиците спрямо скоростта на движение на диспесната среда се нарича скорост на утаяване w ут. Тя отчита взаимодействието между частиците и средата, в която те се движат.

В течна среда скоростта на утаяване е малка. При ламинарен режим на движение тя се определя по формулата :

∆ρ . d2 . g

wут = ----------------- , m/s

18 . μc

Тази формула показва, че wут зависи от големината на частиците ( d ); движещата сила на процеса (∆ρ); вискозитета на средата (μ), температурата и разреждането. В течна среда скоростта на утаяване е много по-малка от скоростта на утаяване в газова среда, защото движещата сила е по-малка и вискозитета на средата по-голям.

Разделянето на нееднородните системи под действие на силата на тежестта е толкова по-ефективно, колкото частиците на дисперсната фаза са по-големи и колкото по-голяма е разликата в плътностите на диспесната среда и дисперсната фаза. Ако частиците са фини и ρ д.ср. ~ ρ д.ф. , утаяването в гравитационно поле е много бавен процес. Но това е най-простия и често използван в практиката начин за отделяне от отпадни води на грубо дисперсни примеси, които под действие на гравитационните сили се утаяват на дъното на утаителя или изплуват на повърхността. В зависимост от желаната степен на очистване то намира приложение за предварителна обработка или за окончателно очистване поради ниската степен на разделяне (40-70%). Прилага се самостоятелно само за системи с големи размери на частиците на дисперсната фаза и при голяма разлика между плътността им и плътността на дисперсната среда.

Съоръженията, в които се извършва гравитационно утаяване се наричат утаители. Според посоката на движение на системата в тях те биват : вертикални, хоризонтални и радиални. Според организацията на процеса могат да бъдат с периодично, полупериодично и непрекъснато действие. Според предназначението си утаителите са първични (преди биоочистка) и вторични (след биоочистка).

Утаителят с периодично действие преставлява вертикален цилиндричен или правоъгълен съд с конусно дъно без разбъркващи устройства. Съдът се запълва със суспензията и се оставя в покой толкова време, колкото е необходимо за утаяване на частиците. Чрез страничен отвор бистрата течност се отвежда, а твърдата фаза се “свлича” по конусното дъно и се изпуска през долния щуцер. След това апаратът се промива и се зарежда отново със суспензия.

В утаителите с полупериодично действие подаването на суспензията и отвеждането на бистрата течност се извършва непрекъснато. При най-простия от тях утаяването се извършва в правоъгълен съд, на който едната стена е по-висока от срещуположната. Това е хоризонтален апарат, в който суспензията постъпва от по-високата стена, а бистрата течност прелива над срещуположната по-ниска стена. При това първо се утаяват най-големите частици, а в близост до преливника – най-малките. Когато се натрупа достатъчно количество утайка, подаването на суспензия спира и тя се отделя по различни начини.

В утаителите с непрекъснато действие протичат непрекъснато и трите етапа на процеса, което позволява да се регулира скоростта, да се получава винаги еднородна утайка и да се автоматизира процеса.

Гравитационният утаител представлява вертикален цилиндричен апарат с конусно дъно (фиг.2.39а). Суспензията се подава по тръбопровод, потопен на 60-70 см под нивото на сместа. В утаителя е монтирана бъркачка с наклонени гребла, която се върти много бавно (0,01-0,5 min-1), за да не се нарушава процесът на утаяване. Греблата придвижват получаната утайка към отвора на дъното, откъдето с помощта на специални помпи се изсмуква и отделя навън. Бистрата течност непрекъснато се отделя през кръгов преливник, разположен в горната част на апарата.




а б

Фиг.2.39. Схеми на непрекъснато действащи утаители

а – гравитационен утаител; б – многокамерен утаител
Конструкцията на многокамерния утаител (фиг.2.39б) е по-сложна. По оста на цилиндричното тяло са разположени конични прегради. Всяка преграда работи като отделен утаител. Суспензията постъпва отгоре и се разпределя между преградите. Твърдата фаза се утаява, свлича се по повърхността на преградите и се събира в долната част на утаителя, откъдето непрекъснато се отвежда през изходния щуцер. Бистрата течност се отделя непрекъснато през фуниите, разположени под преградите.


Контролни въпроси :
1.Как се класифицират нееднородните системи? 2. Защо се налага разделянето на нееднородните системи и какви методи се използват? 3. Какво представлява т.нар. скорост на утаяване? 4. От какво зависи скоростта на утаяване? 5. Как се изменя скоростта на утаяване в зависимост от размера на честиците и от вискозитета на средата? 6. Какво е влиянието на температурата върху скоростта на утаяване в течна и в газова среда?

Филтруване
Филтруването е хидромеханичен процес, при който разделянето на нееднородната система се постига с помощта на пореста преграда, която пропуска дисперсната среда и механично задържа дисперсната фаза. По този начин се получава количествено разделяне на утайката от течността, което е невъзможно при процеса утаяване. Слоят от твърди частици, задържани от преградата, се нарича утайка, а преминалата избистрена течност – филтрат.

Този метод е универсален. Могат да се филтруват както течни нееднородни системи (от груби суспензии до колоидни разтвори), така и газови нееднородни системи. В зависимост от характера на системата ценен продукт може да бъде утайката или филтратът, или и двете заедно.

Филтратът преминава през филтруващите порьозни прегради под действие на разликата в налягането от двете им страни, която е движеща сила на процеса филтруване, т.нар. пад на налягането : ∆р = p1 p2. Тази движеща сила се създава чрез помпи, компресори, вентилатори, с помощта на хидростатично налягане и др.

Според начина на създаване на разлика в налягането от двете страни на филтруващата преграда ∆р, различаваме следните видове филтруване:

Хидростатично филтруване – основава се на хидростатичното налягане на слоя суспензия върху филтруващата преграда.(р1);

Вакуумфилтруване – основава се на създаване на вакуум под филтруващата преграда (р2);

Филтруване под налягане – основава се на подаване на системата чрез помпи или вентилатори, които създават свръхналягане преди филтруващата преграда (р1);

В качествено отношение процесът филтруване се характеризира със степента на разделяне (бистротата на филтрата), а в количествено – с т.нар. скоростта на утаяване (С). Това е обемът филтрат V, който преминава през 1 m2 филтруваща преграда F за единица време τ . т.е.

V

С = ------- , m/s

F . τ

За определяне на производителността на процеса филтруване или времето за филтруване на определен обем суспензия се определя общото съпротивление на процеса R, което заедно с движещата сила са свързани със скоростта на филтруване чрез следната зависимост :

∆p

C = -------



R

От своя страна R е сума от съпротивлениета на утайката Rут и от съпротивлението на филтруващата преграда Rф.пр. или R = R ут + R ф.пр

Съпротивлението на филтруващата преграда е постоянна величина за дадено филтруване и зависи от нейната структура(поръозност), но Rут е променлива величина. С течение на времето с натрупването на утайка съпротивлението, което тя оказва на просмукващата се течност нараства. Образуваната утайка може да бъде свиваема, като с повишаване на налягането се деформира и порите и намаляват, или несвиваема с размери на порите, които не се влияят от налягането. Видът на утайката се характеризира с нейното специфичното съпротивление ρут, което се определя по опитен път.

Очевидно, за да се провежда филтруването при постоянна скорост, едновременно с нарастването на Rут, трябва да се увеличава и падът на налягането ∆р. Друга възможност е непрекъснатото отвеждане на утайката от повърхността на филтруващата преграда. В противен случай при постоянна движеща сила скоростта на филтруването намалява с течение на времето.

Свойствата на филтруващите прегради определят до голяма степен протичането на процеса филтруване. Най-общо филтруващите прегради трябва да отговарят на редица изисквания: добре да задържат твърдите частици, да имат малко хидравлично съпротивление, да са термо- и химически устойчиви, да имат механична здравина и лесно да се почистват и възстановяват. В практиката се употребяват разнообразни филтруващи прегради, които се класифицират по принцип на действие (повърхностно-задържащи и задържащи в дълбочина); по структура (еластични и нееластични) и по материала, от който са изготвени – метални, тъканни, стъклени, керамични, пластмасови, хартиени, порцеланови и др.

Твърдите филтруващи прегради се изготвят под формата на дискове, плочи, патрони. Те се състоят от частици твърд материал, здраво свързани помежду си чрез непосредствено спичане по такъв начин, че се образуват пори за преминаване на течността. В зависимост от размера на частиците, температурата, налягането и продължителността на спичането, могат да се изработват прегради с различна порьозност. Тези прегради се отличават с голяма здравина и устойчивост по отношение на агресивни течности. Изготвят се от метални частици, керамика, ебонит, пластмасови зърна и др. Изборът на филтруваща преграда се определя от редица фактори – химична активност и вискозитет на дисперсната среда, температурата, размера на частиците и др.



Филтруването е универсален и по-ефективен метод за по-добро и по-бързо разделяне на нееднородните системи в сравнение с гравитационото утаяване.
Филтри
Съоръженията, в които се осъществява филтруването, се наричат филтри. Разнообразието на филтруващите съоръжения е доста голямо.

Според начина на действие те биват : филтри с периодично действие и филтри с непрекъснато действие.

Според принципа на действие (начина на създаване на движещата сила) или вида на филтруването се класифицират на : хидростатични филтри; вакуумфилтри и филтри, които работят под налягане.

Според вида на филтруващата преграда – филтри с несвързана или зърнеста преграда; филтри с неподвижна твърда преграда и филтри с тъканна преграда.




Той представлява цилиндричен съд 1 и конусно дъно 7 над което е поставена плоска филтруваща преграда 6. Върху нея са монтирани дренажна мрежа 5 и филтруваща тъкан 4 върху която се задържа утайката.

Филтратът се просмуква през тях под действие на вакуума, създаван под филтруващата преграда.



Хидростатичните филтри нямат практическо приложение в химическата промишленост, тъй като движещата сила при тях е незначителна. Най-разпространените периодично действащи филтри с тъканни прегради са нутчфилтрите, листовите и филтърпресите. Нутчфилтърът (фиг.2.40) е най-простият апарат за филтруване с помощта на вакуум.


Фиг.2.40.Схема на нутчфилтър
Нивото на суспензията се поддържа от преливен щуцер 2, филтратът изтича през щуцер 3, а утайката се отстранява периодично през люкове. Нутчфилтрите намират приложение преди всичко в малотонажните производства.

Когато е необходимо да се филтрува голямо количество суспензия и със сравнително голямо съдържание на твърдо вещество, т.нар. труднофилтруеми суспензии най-подходящи са филтърпресите. Те биват рамкови и камерни. Рамковата филтърпреса е с периодично действие като нутчфилтъра (фиг.2.41).


Тя се състои от редуващите се рамки и плочи, между които се притиска филтруващо платно. Плочите са плътно, с набраздена повърхност, за да не прилепва към тях платното. Рамките са със същите размери, но кухи. Две съседни плочи с поставена рамка между тях образуват при затваряне на пресата самостоятелно работеща камера.


Фиг.2.41.Схема на рамкова филтърпреса


В долния край на рамките и плочите има отвори, които при нареждането образуват два канала – за подаване на суспензията и за отвеждане на филтрата.

Суспензията се подава чрез помпа във вътрешността на камерите. Утайката се отлага върху платното, а филтратът преминава и се стича по улеите на плочите. Филтруването продължава до запълване на рамките с утайка което се съпровожда с прекратяване на изтичането на филтрат. След промиване плочите и рамките се отделят, очистват се от утайката и отново се сглобяват. Работното налягане е около 0,3 – 0,4 МРа. Работният цикъл е в зависимост от вида и концентрацията на суспензията и продължава от 1 до 5 часа.

Рамковите филтърпреси имат просто устройство, евтини, голяма филтруваща повърхност до 140 м2, висока производителност и лесно се обслужват. Техни недостатъци са периодичното им действие, бързото износване на платното, невъдможност да се изсуши утайката, трудоемки са поради ръчното снемане на утайката.

Патронните филтри (фиг.2.42) се употребяват за филтруване на фини суспензии. Те са филтрите с неподвижна твърда преграда, работещи също под налягане.

Патронът 4 представлява цилиндър със затворено дъно, изработено от пореста керамика, пластмаса, кварц и др. В него е поставена стоманена тръба 8 с канали 7 за отвеждане на филтрата. Обикновено този филтър се състои от няколко филтруващи патрона, поставени в общ корпус 1. Суспензията се подава през щуцер 2 в корпуса под налягане, което автоматично бавно се повишава. Филтратът минава през стените на патрона и по каналите навлиза във вътрешността на тръбата. От там се отделя непрекъснато през щуцер 3.

Фиг.2.42. Схема на патронен филтър
Утайката се натрупва върху поръозната преграда, откъдето се сваля с помощта на сгъстен въздух, подаван във вътрешността на патрона след неговото изпразване. След това под формата на гъста маса се отделя с помощта на шнек 5 през щуцер 6.

Патронните филтри са компактни, херметични, лесно се автоматизират. При тях бързо се отделя утайката и има възможност да бъдат филтрувани химически активни материали. Недостатъци на тези филтри са : сравнително малка филтруваща повърхност, опасност от задръстване на порите, трудно наблюдение на процеса, висока цена и др.



Филтрите с непрекъснато действие са модерни съоръжение с голяма производителност и са предназначени за всякакъв вид суспензии. При тези филтри не е необходимо да се спира процесът, за да се отдели утайката или да се регенерират филтруващите прегради. Стадиите на филтруването следват един след друг, като целият процес е автоматизиран. В зависимост от формата на филтруващата повърхност биват барабанни, дискови, лентови и др.

Барабанният вакуумфилтър (фиг.2.43) с външна филтруваща повърхност е най-универсалният филтър с непрекъснато действие, който е подходящ за филтруване на гъсти суспензии със съдържание на твърда фаза около 30-50%. По-редките суспензии трябва предварително да се сгъстят в утаители.

Т


1-барабан;

2-филтруващоплатно;

3-разпределителна глава;

4-щуцер за промивната вода;

5-щуцер за сгъстен въздух;

6-щуцер за филтрата;

7-бъркачка;

8-корито;

9-нож за снемане на утайката;

10-душчета за промивната вода.



ой представлява хоризонтален цилиндричен барабан 1, покрит отвън с филтруващо платно 2. Барабанът се върти бавно в коритото 8 запълнено със суспензия. Вътрешността на барабана е разделена на секции с помощта на радиални прегради. При въртенето на барабана секциите се свързват последователно към източника на вакуум и на сгъстен въздух.

а б


Фиг.2.43.Схема на барабанен вакуумфилтър

а - общ вид; б - разпределителна глава


Когато са потопени в суспензията в тях протича филтруването, тъй като вътрешността им е свързана с вакуум линията. В резултат на това върху преградата се отделя утайката, а филтрътът постъпва във вътрешността на барабана и чрез тръба 6 се отвежда в резервоар. Известно време като излязат от коритото, тези секции остават свързани с вакуум линията и по този начин утайката се обезводнява и промива с вода от разпръсквателя 10. Промивната вода от вътрешността на барабана също се отделя в чрез щуцер 4 и се събира в друг резервоар. Следват изсушаване на утайката със сгъстен въздух, подаван през щуцер 5 и сваляне на утайката с нож 6. С това цикълът завършва. По времетраене той съответства на един оборот на вала. След това цикълът се повтаря отново.

Отделните операции се редуват с помощта на разпределителната глава 3. Тя свързва секциите с вакуумпомпа или компресор според изпълняваната операция. Барабанният вакуумфилтър се обслужва лесно, процесът протича с висока скорост поради голямата движеща сила, пълна автоматизация на операциите и може да се изработва от материали, устойчиви на агресивни среди, но има сложно устройство, малка филтруваща повърхност в сравнение с неговия обем, не добро отделяне на филтрата от промивната вода и сравнително висока цена.

Принципът на действие на дисковите вакуумфилтри е аналогичен на този на барабанните филтри, но на вала са монтирани няколко успоредни вертикални диска, покрити с филтруваща тъкан.

Лентовият вакуумфилтър (фиг.2.44) представлява безкрайна движеща се филтруваща тъкан, върху която непрекъснато постъпва суспензията. Под лентата се разполагат вакуумкамери, които засмукват последователно филтрата и промивната вода.


1-гумена лента;

2-задвижващ барабан;

3-вакуумкамери;

4-филтруващо платно;

5-суспензия;

6-утайка;

7- оросителни тръби;

8-опъващи ролки.



Фиг.2.44. Схема на лентов вакуумфилтър
В сравнение с другите вакуумфилтри този филтър се отличават с по-проста конструкция, по-висока производителност, по-голяма филтруваща повърхност, прецизно разделяне на филтрата от промивната вода и по-чисти продукти. Но заема голяма площ, непълно се използва филтруващата тъкан, а лента се износва бързо.


Контролни въпроси :
1.Сравнете процесите филтруване и гравитационо утаяване като методи за разделяне на течни нееднородни системи. 2.Коя е движещата сила на процеса филтруване? 3.Какво представлява т.нар.скорост на филтруване? 4.Кои са факторите, влияещи на скоростта на филтруване? 5. Какви видове филтри познавате? 6.През какви етапи преминава работният процес в барабанния вакуумфилтър? 7.Как се създава движещата сила на филтруването в рамковата филтърпреса и в барабанния вакуумфилтър.8. Посочете предимствата на барабанния вакуумфилтър пред рамковата филтърпреса.



Сподели с приятели:
  1   2




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница