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	5 12 28 63 110 175 250	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.