Все рассмотренные мерники соединяются с атмосферой через соответст- вующую запорную арматуру. При помощи мерников измеряют вес или объем жидкости. В первом варианте мерники устанавливают на весах, во втором – снабжают измерительными устройствами.

2.2. Аппараты для разделения неоднородных систем

Неоднородные системы подразделяются на жидкие (эмульсии и суспензии) и газовые - аэрозоли (пыль, туманы, дым). Для разделения суспензий применяют фильтры, для эмульсий - центрифуги и сепараторы, для разделения аэрозолей - аппараты сухой и мокрой пылеочистки и электрофильтры.

Фильтрующая аппаратура

Фильтрацией называют процесс разделения суспензий с помощью по- ристой перегородки, пропускающей жидкость, но удерживающей частицы твердой фазы.

Вкачестве фильтровальных перегородок используют различные ткани, проволочные и полимерные сетки, металлические, стеклянные, керамические пористые пластины и др.

Взависимости от способа работы различают фильтры периодического и непрерывного действия.

К наиболее распространенным фильтрам периодического действия отно- сятся нутч-фильтры, друк-фильтры, фильтр-прессы и листовые фильтры.

Рис. 54. Нутч-фильтр

Простейший нутч-фильтр (рис. 54) представляет собой коробку откры- тую сверху, с двойным дном, причем верхнее ложное дно выполняется в виде решетки, на которую укладывается фильтрующая ткань или пористая керами- ческая плитка. В пространство между дном аппарата и ложным днищем вво-

76

дится вакуумная линия, по которой отсасывается фильтрат. Основной недоста- ток нутч-фильтра – ручная выгрузка осадка. В некоторых конструкциях преду- смотрены мешалки для механизированной выгрузки осадка.

Друк-фильтр с механизированной выгрузкой осадка (рис. 55) имеет решетку (4) с фильтрующей тканью.

Рис. 55. Друк-фильтр

На решетку подается суспензия, а затем создается избыточное давление 0,2 Мн/м2 с помощью сжатого воздуха. Выгрузка осадка производится через боковой люк с помощью мешалки (5). Наклонно поставленные гребки мешал- ки перемещают осадок от центра к периферии. Во время фильтрации мешалка находится выше поверхности зеркала фильтрации. После окончания фильтра- ции мешалка медленно опускается и, вращаясь, удаляет слой осадка. Подъем мешалки осуществляется гидравлическим цилиндром (2). Для облегчения об- служивания фильтрующей поверхности и смены ткани днище фильтра опуска- ется с помощью гидравлического цилиндра (3) на 0,4 – 0,5 м.

В зависимости от коррозийных свойств среды, фильтры изготавливают- ся из кислотостойкой стали или стали с эмалированными рабочими поверхно- стями.

Большое распространение получили фильтры периодического действия рамного типа благодаря простому устройству и возможности осуществлять фильтрацию при повышенном (до 0,5 МПа) давлении. Типичным представите- лем аппаратов данного типа является плиточный рамный фильтр-пресс, имею-

77

щий большую удельную поверхность и высокую производительность благодаря значительной движущей силе. Движущей силой процесса фильтрации является разность давлений над осадком и под фильтрующей перегородкой. Однако не- герметичность, сложность и трудоемкость разгрузки фильтра ограничивают об- ласть их использования. В основном рамные фильтр-прессы применяют для раз- деления малоконцентрированных суспензий, жидкая фаза которых или промыв- ная жидкость не являются ядовитыми, пожароопасными и легколетучими веще- ствами.

Фильтр-пресс (рис. 56) состоит из комплекта плит (2) и рам (3), разде- ленных фильтрующей тканью.

Рис. 56. Фильтр-пресс:

1 – упорная плита; 2 – плита; 3 – рама; 4 – опорные балки; 5 – нажимная плита; 6 – винт зажима; 7 – зажимное устройство; 8 – стойка зажимного устройства; 9 – корыто с

крышкой для отвода фильтрата.

Весь комплект сжимается с помощью гидравлического или механиче- ского зажимного устройства. Плиты и рамы имеют отверстия. При сборке

комплекта эти отверстия совмещаются и образуют канал для подачи суспензии и промывной жидкости. Суспензия подводится в аппарат под давлением и че- рез отверстия в верхних стенках рам попадает в камеры, образованные плита- ми и рамами. Фильтрат стекает по вертикальным канавкам, выполненным на поверхности плит, и выводится из плит по внутренним каналам. По мере за- полнения камеры осадком фильтрацию прекращают, в случае необходимости промывают и продувают осадок, затем раздвигают комплект плит и рам и вы- гружают осадок. Основой фильтра служат упорная плита (1) и головка, свя- занные двумя стяжками (4). На стяжки опираются плиты и рамы, по ним же перемещается подвижная рама (5), связанная с зажимным механизмом. Сила сжатия, создающаяся зажимным устройством, весьма велика и составляет де- сятки тонн. Фильтрат поступает из краников, установленных на плитах, в ко- рыто и уходит в сборник. Осадок выгружается в выдвижное корыто, в бункер.

78

Достоинства фильтр-пресса – большая поверхность фильтрации, воз- можность создания значительного перепада давления, что позволяет фильтро- вать в нем трудно фильтрующиеся суспензии.

Меньшие размеры при той же поверхности фильтрации имеет камерный фильтр-пресс.

Рис. 57. Автоматический камерный фильтр-пресс с механическим зажимом плит:

1 – фильтрующие рамы; 2 – фильтровальная ткань; 3 – ножи; 4 – затяжное устройство; 5 – упорная плита; 6 – стойка; 7 – нижняя нажимная плита; 9 – камера регенерации; 10 – механизм

передвижения ткани.

Существенным недостатком обычных рамных и камерных фильтр-прессов является длительность и трудоемкость выгрузки осадка, которая обычно прово- дится вручную. Поэтому, несмотря на простоту их конструкции и низкую метал-

лоемкость, их заменяют автоматизированными камерными фильтр-прессами

с горизонтальным и вертикальным расположением пакетов из фильтровальных плит (ФПАК и ФПАКМ). На рис. 57 представлена схема устройства автомати- ческого фильтр-пресса.

Фильтр-пресс собирается из ряда горизонтально расположенных фильт- рующих рам (1), зажатых между крайними плитами – верхней (5) и нижней

79

(7). Фильтрующая ткань (2) натянута между плитами при помощи натяжных роликов (4). Фильтруемая суспензия подается по верхней линии одновременно во все камеры, фильтрат удаляется по нижней линии. Для уплотнения зазора между плитами поставлены шланги, в которые подается вода под давлением 8 -10 атм. Фильтрация проводится под давлением до 5 атм. После окончания фильтрации отключается подача воды в уплотнительные шланги, затем авто- матически включается электродвигатель, приводящий в движение ленту (10). Осадок с ленты срезается ножами (3), собирается в корыте и далее шнеками выводится из аппарата. Фильтрующая ткань на участке (9) проходит специ- альную камеру, где она регенерируется.

Основные преимущества такого фильтра - возможность фильтрации и от- жима осадков при давлениях до 1,5 МПа и полная автоматизация процесса. Эти фильтры широко используются для установок очистки сточных вод.

К аппаратам непрерывного действия относится барабанный вакуумфильтр, представляющий собой медленно вращающийся цилиндрический бара- бан с двойной стенкой и работающий под вакуумом (рис. 58).

Рис. 58. Барабанный вакуум-фильтр

В зависимости от назначения барабанные вакуум-фильтры изготавливают с различными углами погружения барабана (от 80 до 270°).

Фильтры малого погружения в основном используются для легко фильт- руемых суспензий; для трудно фильтруемых используются фильтры с углом по- гружения около 200°; для низко концентрированных суспензий с волокнистой твердой фазой - фильтры с углом погружения 210-270°. Фильтры общего на- значения имеют угол погружения в пределах 135—145°.

80

Основной элемент барабанного вакуум-фильтра – вращающийся бара- бан, покрытый фильтровальной тканью, внутри которого при помощи вакуум- насоса создается разряжение.

Внутренняя полость барабана разделяется продольными перегородками на отдельные секции. Барабан вращается на валу, один конец которого соеди- нен с приводом, а полая цапфа другого примыкает к распределительному уст- ройству. Поверхность барабана частично погружена в суспензию, находящую- ся в корыте. Каждая секция барабана с помощью трубки соединена с распре- делительным устройством. При вращении барабана каждая секция соединяет- ся с различными полостями неподвижной головки распределительного уст- ройства и проходит последовательно зоны фильтрования, первой подсушки, промывки, второй подсушки, удаления осадка и регенерация ткани.

Взоне фильтрования (зона I) поверхность секции соприкасается с сус- пензией, находящейся в корыте, а трубка соединена с источником вакуума. При этом жидкость уходит через трубку в сборник фильтрата, а на поверхно- сти секции образуется осадок. При дальнейшем повороте барабана секция

поднимается из суспензии и под действием вакуума воздух вытесняет из пор осадка остатки фильтрата (II зона первой подсушки). Затем фильтрующая сек- ция попадает в зону, где осадок промывается путем орошения водой. Промыв- ные воды также отсасываются вакуумом, но через другую полость головки.

Взоне второй подсушки из осадка удаляются остатки промывных вод.

Взоне удаления осадка (зона III) секции соединяются с линией сжатого воздуха, который отдувает осадок от ткани. Разрыхленный слой осадка среза- ется ножом. Регенерация фильтровальной ткани производится продувкой ее сжатым воздухом (зона IV).

Чтобы предотвратить отрыв ткани от поверхности барабана, ткань обма- тывают проволокой.

Важная деталь фильтра – распределительная головка, при помощи кото- рой производится чередование циклов процесса фильтрации. Головка состоит из тщательно пришлифованных дисков – вращающегося и неподвижного. От- верстия подвижного диска, связанные с соответствующими секциями бараба- на, последовательно соединяются с различными полостями неподвижного диска.

Барабаны вакуум-фильтров имеют диаметр до 3,5 м и длину до 8 м. По- верхность их достигает 100 м2. Барабан вращается со скоростью 1-3 об/мин. Осадок снимается с ткани ножом или роликом, который прижимается к фильт- рующей поверхности.

Основным недостатком этих фильтров является их громоздкость. В этом от- ношении более выгодными являются ячейковые дисковые вакуум-фильтры, в ко- торых фильтрующая поверхность образована несколькими полыми дисками. Эти фильтры преимущественно применяются в крупнотоннажных производствах, гор- норудной, металлургической и угольной промышленности.

Тарельчатые вакуум-фильтры применяются для разделения крупнозер- нистых быстро осаждающихся суспензий, так как направления фильтрации и от-

81

стаивания суспензии совпадают. Тарельчатые вакуум-фильтры в основном при- меняются для обезвоживания и промывки крупнозернистых концентратов ка- менного угля и других кристаллических продуктов. К недостаткам этих фильт-

ров можно отнести их большие размеры и неравномерность промывки осадка из-за разной линейной скорости его движения в центральной и периферийной частях зоны промывки. Эти недостатки отсутствуют у ленточных вакуум- фильтров, область применения которых аналогична области применения тарель- чатых вакуум-фильтров.

Ленточные вакуум-фильтры. Имеют примерно вдвое большую производи-

тельность по сравнению с барабанными фильтрами и широко используются в химической промышленности.

Производительность барабанного фильтра, работающего под давлением, в 1,5-2 раза превышает производительность обычного барабанного фильтра. Кроме того, использование барабанных фильтров под давлением позволяет снизить ос- таточное влагосодержание осадка и расход промывной жидкости. Полная герме- тичность аппарата позволяет использовать его для разделения суспензий, жидкая фаза которых представляет собой легкокипящее или ядовитое вещество.

Основными исходными данными для расчета или выбора фильтра являют- ся следующие:

§характеристика суспензий (физико-химические свойства, концентрация, крупность и плотность твердой фазы, свойства жидкой фазы, характер обра- зующегося осадка и др.);

§условия работы (непрерывный или периодический процесс);

§рабочая температура и давление;

§свойства и толщина осадка;

§категория исполнения аппарата по возможности обработки в нем взрыво- опасных и токсичных веществ;

§конструкционный материал и материал фильтрующей перегородки;

§степень автоматизации и механизации и др.

Кроме того, для окончательного выбора фильтра необходимо иметь сведе- ния об опыте применения данного фильтра в аналогичных условиях и производ- ствах.

Центрифуги

Широкое применение находят центрифуги. Центрифугирование - это

процесс механического разделения неоднородных систем в поле центробежных сил, создаваемых во вращающемся барабане центрифуги. В центрифугах разде- ляют самые разнообразные неоднородные системы: суспензию поливинилхло- ридной смолы, сырую нефть, смеси кристаллов солей с маточными растворами, шламы, смазочные и растительные масла и др.

По характеру работы они делятся на осадительные и фильтрующие, по принципу действия на непрерывные и периодически действующие, по способу разгрузки на центрифуги с ручной и механизированной выгрузкой. Различают

82

центрифуги с горизонтальным и вертикальным ротором. Осадительные цен- трифуги имеют сплошной ротор, фильтрующие – перфорированный, покры- тый фильтрующей тканью.

Вхимической промышленности используются центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка для разделения суспензий с кристаллической твердой фазой и при обработке волокнистых материалов. Главные преимущества этих центрифуг - высокая производительность и непрерывность работы. Они выпускаются одно-, двух- и многокаскадными.

Осадительные центрифуги со шнековой выгрузкой осадка предназначены для разделения суспензий с нерастворенной твердой фазой. Это центрифуги не- прерывного действия, их применяют для обезвоживания кристаллических и зер- нистых продуктов, для классификации материалов по крупности, а также для осветления суспензий малой концентрации.

Центрифуги непрерывного действия с инерционной выгрузкой осадка ра- ботают под действием составляющих инерционных, центробежных и вибраци- онных сил. Основное отличие их от центрифуг со шнековой выгрузкой заключа- ется в отсутствии каких-либо выгружающих устройств.

Осадительные сверхцентрифуги (скоростные), предназначенные для раз- деления стойких эмульсий и осветления тонких, низко концентрированных сус- пензий с размером твердых частиц от 0,1 мкм, называются сепараторами.

Взависимости от назначения сепараторы делятся на разделяющие и освет- ляющие, однокамерные и многокамерные, при этом многокамерные пригодны для классификации суспензий по размерам частиц.

Трехколонная центрифуга с нижней выгрузкой

К числу наиболее распространенных центрифуг периодического дейст- вия относятся трехколонные центрифуги с нижней выгрузкой (рис. 59).

Корпус центрифуги подвешен при помощи тяг на трех колоннах, вибра- ция барабана воспринимается пружинами. Привод центрифуги - от электро- двигателя (5) через клиноременную передачу. Ротор мешалки сблокирован с электродвигателем. Блокирующее устройство автоматически тормозит ротор при выключении двигателя. Трехколонные центрифуги нормализованы и вы- пускают их с фильтрующими и осадительными роторами с диаметром от 450 до 1500 м. Основной недостаток этих центрифуг – тяжелая ручная выгрузка и периодичность работы.

83

6)производится выгрузка осадка из ротора скребком, возвращение скребка в исходное положение и закрытие задвижки ротора.

Затем цикл автоматически повторяется в той же последовательности.

Рис. 60. Автоматическая подвесная центрифуга периодического действия АПН-1250

Наличие автоколебаний навесных центрифуг при срезе осадка обуслав- ливает необходимость устанавливать зазор между лезвием ножа и стенкой ро- тора, превосходящий по величине амплитуду автоколебаний. Серьезным не-

достатком существующих вертикальных центрифуг является необходимость останавливать их или уменьшать число оборотов ротора для выгрузки осадка, из-за чего непроизводительно расходуются время и энергия.

Гидроциклоны

Для сгущения, осветления и классификации суспензий в химической, неф- теперерабатывающей и горнорудной отраслях промышленности, а также в систе- мах очистки промышленных и бытовых сточных вод широко используются гид- роциклоны. Это аппараты, в которых разделение жидких систем происходит под действием центробежных сил, возникающих в закрученном потоке жидкости.

85

По назначению гидроциклоны делятся на классификаторы, сгустители и разделители.

Эффективность работы гидроциклона зависит от многих факторов, которые необходимо учитывать при выборе типа аппарата:

§диаметр конуса (с увеличением диаметра увеличивается его производитель- ность, однако качественные показатели работы ухудшаются);

§диаметры питающего, сливного и разгрузочного патрубков;

§характеристика эмульсий и суспензий;

§давление на входе;

§концентрация и размер частиц твердой фазы в исходном продукте;

§разность плотностей твердой и жидкой фаз и др.;

§режимные параметры процесса.

Для увеличения производительности гидроциклона применяют одно- и двухступенчатые батарейные гидроциклоны.

Пылеочистное оборудование

Многие виды химического оборудования (сушилки, смесители, диспергато- ры и др.) не могут работать без эффективной системы, предназначенной для очистки газов от взвешенных в них твердых частиц или капель жидкостей.

Различают три вида аэрозолей - пыль, туман и дым. Размеры частиц пыли 3- 70 мкм. Она образуется при сушке, дроблении, транспортировке сыпучих мате- риалов. Дым получается при сгорании топлива или конденсации паров, при этом образуются твердые и жидкие частицы размером 0,3-5,0 мкм. Дисперсная фаза тумана представляет собой капельки жидкости также размером 0,3-5,0 мкм.

С целью охраны окружающей среды промышленные газы очищают от взве- шенных частиц. Кроме того, газы очищают с целью улавливания ценных продук- тов или вредных примесей, которые затрудняют последующую его переработку.

Используются следующие способы разделения: осаждение частиц в грави- тационном, электрическом и центробежном поле; фильтрование запыленных га- зов через пористые перегородки; улавливание частиц жидкостью (мокрая очи- стка), абсорбция.

Для выделения твердых частиц из запыленного газа под действием центро- бежных сил используют циклоны. В химической промышленности используют- ся различные конструкции циклонов. Для обеспечения заданной производи- тельности часто используют не один, а несколько параллельно работающих ци- клонов - групповые и батарейные. Использование нескольких циклонов меньшего диаметра вместо одного - большего - предпочтительнее, так как при одинаковой линейной скорости газа в циклоне малого диаметра развиваются большие центро- бежные силы и обеспечивается лучшее пылеулавливание. В электрофильтрах для отделения твердых частиц из газа используют осаждение их в электростатиче- ском поле. Электрофильтры имеют множество труб круглого или шестигранного сечения, установленных в корпусе аппарата. Вместо труб можно использовать сетки, решетки и пластины из металла. Проходя по трубам или пластинам, час-

86

тицы приобретают отрицательный заряд и осаждаются на положительно заря- женных пластинах или трубах. Для удаления пыли фильтр отключают от источ- ника напряжения, а трубчатые или плоские электроды встряхивают. Электро-

фильтры используют для наиболее полной очистки газа от мельчайших частичек пыли и капель размером от 0,005 мкм. Эти аппараты применяют, например, для извлечения ценных металлов при переработке полиметаллических руд, в произ- водстве серной кислоты для очистки газа от огарковой пыли, мокрые циклоны применяются для улавливания капелек кислоты и примесей из газа, поступающе- го в контактное отделение.

Газовые неоднородные системы можно разделить фильтрованием через по- ристые перегородки, задерживающие взвешенные твердые частицы и пропус- кающие сплошную фазу. В химической промышленности наиболее распростране- ны рукавные фильтры, в которых используются фильтровальные материалы из натуральных и синтетических волокон, работающие при температуре не выше 250 °С и обладающие хорошей коррозионной стойкостью. В связи с этим для очи- стки горючих и агрессивных газов от пыли применяют керамические и порош- ковые фильтры, обладающие высокой термо- и кислотостойкостью.

Мокрые фильтры или скрубберы - это аппараты мокрой очистки газов от растворенных вредных примесей и взвешенных твердых частиц. Очистка газов происходит за счет прилипания твердых частиц к поверхности жидкости с после- дующим переходом их в жидкую фазу. Мокрые пылеуловители отличаются срав- нительно небольшой стоимостью и обычно более эффективны, чем сухие.

Конструкции аппаратов мокрой очистки весьма разнообразны: полые форсуночные скрубберы, барботажные и пенные аппараты, аппараты ударно- инерционного действия, орошаемые циклоны, скоростные промыватели и др.

При выборе типа аппарата для пылеочистки необходимо учитывать сле- дующие факторы:

§взрывоопасность и агрессивность пыли;

§размер частиц пыли;

§концентрацию пыли;

§нужная степень удаления частиц определяется санитарно-гигиеническими нор- мами для чистоты атмосферного воздуха либо условиями работы технологиче- ского оборудования;

§температуру, влажность, скорость газа;

§наличие влаги и агрессивных компонентов в газах, их количество и температу- ра;

§объем аппарата и скорость потока, предпочтительнее более компактные аппа- раты, несмотря на их большую энергоемкость;

§возможности и особенности пылеуловителя;

§гидравлическое сопротивление и возможности автоматизации и др.

Таким образом, при выборе типа установки для пылеочистки необходимо, наряду с вышеперечисленными факторами, учитывать технико-экономические показатели и специфику производств.

87