Циклоны и осадительные центрифуги

Циклоны. Процесс разделения неоднородных систем во вращающемся потоке неподвижного аппарата используется для отделения пыли от газа (аппараты называются циклонами), суспензий и нестойких эмульсий (аппараты - гидроциклоны). Циклон конструкции НИИОгаз, показаный на рис. 8.5, состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем 2 и крышкой 3.

Рис.8.5 Циклон конструкции НИИОгаз

1 - корпус; 2 - днище; 3 - крышка; 4 - патрубок для входа запыленного газа; 5 - сборник для пыли; 6 - выхлопная труба.

Запыленный газ поступает тангенциально со значительной скоростью 20 - 30 м/с через патрубок 4 прямоугольного сечения в верхнюю часть корпуса циклона. В корпусе поток запыленного газа движется вниз по спирали вдоль внутренней поверхности стенок циклона. При таком вращательном движении частицы пыли, как более тяжелые, перемещаются в направлении действия центробежной силы быстрее, чем газ, концентрируются в слоях газа, примыкающих к стенке аппарата, и переносятся потоком в пылесборник 5. Здесь пыль оседает, а очищенный газ, продолжая вращаться по спирали, поднимается к верху и удаляется через выхлопную трубу 6. В циклонах НИИОгаз с диаметром корпуса от 100 до 1000мм степень очистки газов от пыли составляет 30 - 85% (для частиц диаметром 5 мкм) и с увеличением диаметра частиц до 70 - 95% (для частиц диаметром 10 мкм) и далее до 90 - 95% (для частиц диаметром 20 мкм).

Степень очистки газа в циклоне повышается с увеличением фактора разделения К_р. Как следует из уравнения (8.11а) увеличить К_р можно путем уменьшения радиуса r или путем увеличения скорости w_r газового потока. Увеличение скорости приводит к увеличению гидравлического сопротивления циклона и к возможности турбулизации газового потока, что снижает степень очистки газа. Уменьшение радиуса вращения газового потока связано с уменьшением размеров циклона и, как следствие, с уменьшением его производительности. Поэтому при больших расходах запыленного газа применяют батарейные циклоны (мультициклоны), когда в одном корпусе установлено несколько циклонных элементов малого размера. Диаметр элементов батарейного циклона лежит в пределах от 40 до 250 мм.

Расчет циклонов

Теоретический расчет циклонов очень сложен и на практике используют метод выбора циклона (типа, его размеров) на основе ряда заданных и расчетных величин. Должны быть заданы: расход газа , фракционный состав пыли; начальная концентрация пыли в газе и степень очистки. По таблицам ориентировочно выбирают тип нормализованного циклона. Далее определяется диаметр циклона следующим путем.

Гидравлическое сопротивление циклона характеризуется уравнением

(8.12)

где w_ц - фиктивная скорость газа в циклоне, получаемая делением объемного расхода газа на поперечное сечение цилиндрической части циклона;  - плотность газа; _ц - коэффициент гидравлического сопротивления циклона (справочная величина).

Для выбора типа циклона необходимо знать отношение

(8.13)

каждый тип циклонов имеет свое оптимальное значение . Так для циклонов типа НИИОгаз= 500 - 750 м²/с². По принятым значениям и_ц исходя из формулы (8.13) можно вычислить w_ц.

По уравнению расхода определяют диаметр циклона

(8.14)

Далее по нормалям для вычисленного значения D_ц определяют все остальные размеры циклона по справочным данным. С учетом фракционного состава пыли находят степень очистки. Так как значение степени очистки после первого вычисления может быть неудовлетворительным, то приходиться делать несколько последовательных расчетов, принимая новые значения ,_ц, D_ц, или выбрать новый тип циклона. При выборе циклона следует учитывать вариант установки нескольких параллельно соединенных циклонов.

Рекомендуется выбирать тип циклона и число циклонов на основе минимальных приведенных затрат.

Осадительные центрифуги

Осадительные центрифуги применяются для разделения суспензий с объемной концентрацией твердой фазы до 40%, состоящей из частиц размером более 1 мкм. В результате центрифугирования получаются осадок с некоторым содержанием жидкой фазы и осветленная жидкость (иногда с небольшим содержанием мелких твердых частиц), называемая фугатом. Кроме осадительных в химической технологии используют и фильтрующие центрифуги (о чем будет сказано в разделе “Фильтрование”). Осадительные центрифуги применяют и для разделения нестойких эмульсий, при этом их называют сепараторами, а процесс разделения - сепарацией.

По организации процесса центрифуги делятся на непрерывного и периодического действия; по расположению вала ротора - на горизонтальные, вертикальные и наклонные; по способу выгрузки осадка - на центрифуги с ручной, шнековой, гравитационной и другими способами выгрузки.

Схема осадительной вертикальной центрифуги периодического действия с ручной выгрузкой осадка показана на рис. 8.9. Основной частью центрифуги является барабан 1 со сплошной стенкой, который насажен на вращающийся вал. Суспензия подается во внутрь барабана по трубе 5. Под действием центробежной силы твердые частицы суспензии движутся к стенкам барабана и отлагаются на них в виде осадка 3. Осветленная жидкость (фугат) переливается из барабана в кожух 6 и выводится из него через штуцер 4. По окончании разделения центрифугу останавливают и вручную выгружают из барабана осадок. Недостатком таких центрифуг являются низкая производительность и ручной труд при выгрузке осадка.

Рис.8.9 Схема осадительной центрифуги периодического действия.

1 - барабан (ротор); 2 - суспензия; 3 - осадок; 4 - вывод осветленной жидкости (фугата); 5 - ввод суспензии; 6 - неподвижный кожух; D - внутренний диаметр барабана; H - высота барабана; D₀ - диаметр жидкостного кольца.

На рис. 8.10 показана схема осадительной горизонтальной центрифуги непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка.

Рис.8.10 Схема осадительной горизонтальной центрифуги непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка.

1 - конический барабан; 2 - внутренний барабан; 3 - полый внешний вал; 4 - лопасти шнека; 5 - полый внутренний вал; 6 - кожух; 7 - окна во внутреннем барабане.

Эта центрифуга имеет два вращающихся барабана, выполняющих различные функции. Внутренний барабан 2 с окнами 7 приводится во вращение от внутреннего вала 5 с небольшим числом оборотов. На внутреннем барабане установлены лопасти шнека 4. Эта сборочная единица служит для приема суспензии и подачи ее в конический барабан 1, а также для перемещения осадка лопастями шнека справа налево к левой кромке барабана 1.

Конический барабан 1, вращающийся от внешнего вала 3 с большим числом оборотов, служит для центробежного разделения суспензии на осадок и осветленную жидкость (фугат). Схема движения потоков в центрифуге такова. Суспензия поступает во внутренний барабан 2 и из его окон 7 направляется в конический барабан 1. Осветленная жидкость (фугат) из барабана 1 выливается в кожух 6 и отводится через правый патрубок. Образующийся на внутренней поверхности конического барабана 1 осадок лопастями шнека 4 передвигается к левой кромке барабана 1 и сбрасывается в кожух 6. Из кожуха осадок отводится через левый патрубок.

Достоинствами осадительных центрифуг являются непрерывность работы, высокая производительность, возможность разделения суспензии с большой концентрацией дисперсной фазы. Недостатки: высокое содержание жидкости в осадке и твердой фазы в фугате, значительный расход энергии на разделение.

Для разделения эмульсий применяют сверхцентрифуги, отличающиеся более сложным устройством верхней части ротора, что позволяет раздельно отводить тяжелую и легкую жидкие фазы.

Расчет производительности осадительной центрифуги

Пусть центрифуга имеет размеры D, D₀ и Н, указанные на рис.8.8. Примем ламинарный режим осаждения, что соответствует осаждению наиболее мелких частиц, лимитирующих производительность центрифуги; рассмотрим свободное осаждение, когда концентрация твердого вещества невелика и частицы не влияют на движение друг друга.

В соответствии с уравнением (6.214) переменная скорость осаждения может быть выражена производной от радиуса по времени, так как рассматриваем только радиальное движение

где  - угловая скорость вращения ротора (с^-1); ₁, ₂ - плотности твердой частицы и жидкости.

Разделим переменные и интегрируя в пределах самого длинного пути от R₀ до R, находим время, затрачиваемое на осаждение наименьшей частицы диаметра d в самом неблагоприятном случае

(8.15)

Время осаждения должно быть меньше или в крайнем случае равно времени t_п пребывания жидкости в барабане. Последнее можно найти, допуская, что барабан работает в соответствии с моделью идеально вытеснения, из соотношения

(8.16)

где V_p - рабочий объем барабана, равный объему жидкостного кольца, находящегося в нем

- объемный расход подаваемой в центрифугу жидкости, м³/с. Отсюда

(8.17)

причем t_п > t_oc.

Может быть получено и иное выражение

(8.18)

характеризующее предельное значение объемного расхода. Структура потока в барабане центрифуги отличается от модели идеального вытеснения, жидкость движется с большей скоростью в части слоя, прилегающей к внутренней стороне кольца, для которой время пребывания оказывается меньше среднего по уравнению (8.16); кроме того, по мере отложения в барабане осадка, рабочий объем жидкости уменьшается. Таким образом, приведенные выше зависимости не вполне точны. Расчет можно скорректировать если при нахождении ввести коэффициент запаса, меньший единицы, или учесть реальную структуру потока в аппарате.

Из уравнения (8.16) следует, что в барабане данных размеров (V_p = const), при уменьшении производительности центрифуги увеличивается среднее время пребывания жидкости в барабане, следовательно, и возможная продолжительность осаждения t_oc, и тогда, в соответствии с уравнением (8.15), уменьшается предельный диаметр тех частиц d, которые при данной производительности центрифуги способны достигнуть стенок барабана. Таким образом, совместное решение уравнений (8.15) и и(8.16) позволяет определить предельный диаметр частиц, выше которого центрифуга обеспечит осаждение при принятой производительности.

Фильтрование

Фильтрованием называется процесс разделения суспензий и газовзвесей при помощи пористых фильтровальных перегородок, задерживающих твердые частицы (дисперсную фазу), но пропускающих сплошную фазу (жидкость, газ). Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений в двух зонах фильтра (по обе стороны фильтровальной перегородки), которая соответствует сопротивлению, встречаемому потоком фильтра (жидкости, газа) при его прохождении через образующийся слой осадка и фильтровальную перегородку. Эта разность давлений Р создается различными способами: весом столба самой суспензии; нагнетания жидкостными насосами (Р  0,5 МПа); подачей сжатого газа (Р = 0,05  0,3 МПа); вакуумпрованием пространства под фильтровальной перегородкой (Р = 0,05  0,09 МПа); при помощи центробежной силы.

В зависимости от организации процесса фильтрование может быть как непрерывным, так и периодическим. Фильтрование, в основном, применяют в промышленности для тонкого разделения неоднородных систем, с его помощью можно достигнуть более полной, чем при осаждении, очистки жидкости или газа от взвешенных твердых частиц.