кие — с частицами от 0,5 до 100 мкм, мути — с частицами меньше 0,5 мкм и коллоидные растворы с частицами менее 0,1 мкм.

Полидисперсность характеризует процентное содержание ча- стиц соответствующего размера в 'системе. Монодисперсные си- стемы содержат частицы одинакового размера.

Для разделения неоднородных систем применяют различные способы, цель которых:

выделить из неоднородной системы соответствующие продукты или обеспечить очистку одной из фаз от содержащихся в ней при- месей. Разделение жидких неоднородных систем может произво- диться под действием различных сил: тяжести — отстаивание;

центробежной — центрифугирование, центробежная фильтра- ция, очистка в циклонах и гидроциклонах;

электрической — электроочистка газов, электрообёссоливание и обезвоживание;

давления — фильтрация.

Частицы размером менее 0,5 мкм под действием ударов молекул приобретают хаотическое движение, и их выделение отстаиванием практически невозможно.

2. ОТСТАИВАНИЕ

При отстаивании разделение неоднородных систем обуслов- лено разностью плотностей взвешенных частиц и среды.

Законы осаждения частиц. Рассмотрим шарообразную частицу диаметром d, движущуюся со скоростью w_oc в неподвижной среде (рис. XVII1-1). На частицу действуют следующие силы:

сила тяжести

G = p_Tgnd³/6

где р_т — плотность материала частицы; g — ускорение свободного падения;

подъемная сила (сила Архимеда)

А = р_ж gnd³/6

где р_ж — плотность среды;

Рис. XVII1-1. Схема сил, действующих на частицу, движущуюся в поле силы тяжести.

сила сопротивления среды движению частицы, которая со- гласно закону Ньютона равна

_{D t} ^w!c nd*

R =£рж~2 j—

где 1 — коэффициент лобового сопротивления.

Если р_х > р_ж, то частица движется вниз с ускорением, оса- ждаясь, а если р_т < р_ж, то частица движется вверх, всплывая.

11 Молоканов ю. К. 321

Поскольку сила сопротивления R пропорциональна квадрату ско- рости, очень скоро движение частицы из ускоренного переходит в равномерное, при котором равнодействующая всех сил становит- ся равной нулю, т. е.

G — A—R = 0

Такая скорость движения частицы называется скоростью оса- ждения, и ее можно определить, подставив в вышенаписанное уравнение выражение для соответствующих сил. После преобра- зований получим следующее уравнение для расчета скорости осаждения шарообразных частиц:

_{Шос =} У*. Рт —Рж TjpT (XVIII,1)

г 3 р_ж £

Если частицы крупные и вязкость среды мала, то частицы приобретают большую скорость, вследствие этого будет иметь место вихреобразование (турбулентный режим). Силы трения в этом случае могут не приниматься во внимание.

При осаждении мелких частиц, а также в случае большой вязкости среды скорость движения частиц мала, вихри не обра- зуются и основную роль играют силы трения (ламинарный ре- жим).

Промежуточный (переходный) режим характеризуется сопо- ставимыми затратами энергии на вихреобразование и трение. Ре- жим осаждения характеризуется величиной критерия Рейнольдса Re = w_oc dp_ж/р,, rge р. — динамическая вязкость жидкости. Для ламинарного режима Re < 0,2 и £ = 24/Re, а скорость осажде- ния определяется законом Стокса

^ * . ^²(Рт-Рж) (XVIII,2)

1о {X

При турбулентном режиме движения Re > 500, £ ^ 0,44 и скорость осаждения вычисляют по уравнению

w_oc = 1,74 ТЛ Рт —рж .dg (XVIII,3)

' рж Ъ

Для промежуточной области 0,2 < Re < 500 и I = 18,5/Re⁰»⁶.

Уравнение (XVIII, 1) приходится решать методом последова- тельных приближений, так как заранее неизвестен режим осажде- ния и, следовательно, величина Чтобы избежать этого, уравне- ние (XVIII, 1) можно привести в результате преобразований к следующему виду:

£ Re² = (4/3) Аг (XVII 1,4)

где Аг = [gd? (р_т — р_ж) р_ж]/[дЛ — критерий Архимеда. 322

Из уравнения (XVIII,4) можно определить граничные значе- ния критерия Архимеда для разных режимов движения частиц:

Ламинарный .

Аг< 3,6

Промежуточный . . 3,6 < Аг < 84 ООО Турбулентный ... Аг > 84 ООО

Это дает возможность сразу определить режим осаждения по величине критерия Архимеда, поскольку все входящие в него величины известны.

Из приведенных уравнений следует, что скорость осаждения возрастает с увеличением размера частиц, разности плотностей частиц и среды и с уменьшением вязкости среды. Поэтому в тех­нике воздействуют на неоднородную систему с целью коагуля­ции (укрупнения) частиц: уменьшают вязкость среды, повышая температуру жидкости, или применяют маловязкие растворители.

Расчет отстойников. Рассмотрим работу горизонтального от­стойника, схема которого приведена на рис. XVIII-2.

Жидкость, содержащая твердые частицы (или взвешенные ча­стицы другой жидкости), движется в горизонтальном направле­нии со скоростью w_y а частицы осаждаются со скоростью w_oc. Чтобы частицы успели осесть в отстойнике, необходимое среднее время пребывания жидкости в отстойнике г должно быть больше

Рис. XVIII-2. Схема горизонтального отстойника для разделения суспензии: / _ ввод суспензии; II — вывод осветленной жидкости; III — выгрузка осадка.

времени осаждения частиц т_ос, т. е. т ^ т_ос. Среднее время движе­ния жидкости в отстойнике

где Vp — рабочий объем отстойника; V — объемная производительность по исход­ной смеси; I — длина отстойника.

Я

I — ввод эмульсии; II — вывод легкой жид­кости; /// — вывод тяжелой жидкости.

Т = l/w = V_p/V

Максимальное время осаждения частиц

Т_ос =й/йУос

где h — высота отстойника.

Приняв во внимание условия работы отстойника в предельном случае при т_ос = т, получим

h/Woc = l/w

или

l/h = w/w_oc

Объем прошедшей через отстойник жидкости составит

V = bhw = blw_oc = Fw_oc (XVI11,5)

где F = bl — площадь отстойника в плане.

Таким образом, производительность отстойника зависит только от скорости осаждения частиц w_oc и его площади в плане F. Не­обходимо помнить, что отстойник не должен быть слишком корот­ким, иначе слишком мало время движения жидкости в отстой­нике т, и условие % т_ос будет нарушено.

Чтобы сократить время отстаивания, кроме ранее упомянутых способов можно уменьшить высоту осаждения частиц й, устраи­вая в отстойнике горизонтальные перегородки, а также увеличи­вая действующую на частицы силу. Например, вместо силы тя­жести используют центробежную силу.

Для разделения эмульсии (например, воды и нефтепродукта) применяют отстойник, схема которого приведена на рис. XVII1-3.

Смесь поступает в отстойник вблизи уровня раздела фаз, а уро­вень тяжелой жидкости (воды) поддерживается или регулятором уровня или сифоном («уткой»). Легкая жидкость (нефтепродукт) отводится сверху. Уровни тяжелой жидкости h_x и легкой жид­кости h₂ и высота сливной трубы («утки») h связаны следующим уравнением, вытекающим из законов гидростатики:

(h — h_±) p_Tg = (А_а р_mg Откуда высота сливной трубы

h=hi( 1 -р_ж/рт)+/г₂рж/рт (XVIII,6)

При разделении смесей нефтепродуктов и воды р_ж/р_т представ­ляет собой плотность нефтепродукта по отношению к воде в ра- бочйх условиях в аппарате.

Для запыленных газов объемные отстойники не применяют, за исключением специальных отстойных объемов, предусматривае­мых в реакторах и других аппаратах для отделения крупных частиц.

Для обезвоживания и обессоливания нефти (до остаточного содержания воды не более 0,1% и солей не более 5 мг/л) широкое применение на НПЗ получили электродегидраторы различных кон­струкций, сочетающие обработку обводненной нефти в электриче­ском поле с разделением воды и нефти отстаиванием.

На рис. XVIII-4 показан горизонтальный электродегидратор конструкции ВНИИнефтемаша, рассчитанный на давление 1 МПа и температуру 100 °С. Диаметр аппарата 3,6 м, длина около 18 м, напряжение на электродах может достигать 44 кВ.

В таком аппарате водно-нефтяная эмульсия обрабатывается последовательно в трех зонах. В первой зоне, между маточником для ввода нефти и уровнем воды, эмульсия промывается водой, со­держащей деэмульгатор. При этом из нефти отделяются наиболее крупные капли воды. Перемещаясь вверх, нефть попадает во вто­рую зону, находящуюся между уровнем воды и нижним электро­дом, где нефть подвергается воздействию слабого электрического поля. Затем в третьей зоне нефть попадает в сильное электриче-

Рис. XVII1-4. Горизонтальный электродегидратор:

1 — штуцер для ввода нефти; 2 — нижний маточник; 3 — нижний электрод; 4 — верх­ний электрод; 5 — верхний маточник; 6 — штуцер для вывода обессоленной нефти; 7 — проходной изолятор; 8 — подвесной изолятор; 9 — коллектор для дренирования воды.

ское поле между электродами, где от нефти отделяются наиболее мелкие капли воды.

Нижний и верхний маточники обеспечивают равномерное рас­пределение нефти по поперечному сечению аппарата и небольшую скорость восходящего потока нефти, что создает хорошие условия для осаждения капель воды.

Тв^Гф*

Шлам '

Щ

v/aNW/^N-

Сток

Основные типы отстойников, применяемых на нефтеперераба­тывающих заводах для отделения нефтепродуктов от воды и шла­ма, рассмотрены ниже.

На рис. XVIII-5 показан нефтеотделитель, служащий для за­держания и сбора нефтепродуктов, попавших в систему оборот­ного водоснабжения. Нефггеотделитель оборудован устройствами для сбора и отвода плавающего нефтепродукта и выпадающего

И⁵'

Рис. XVII1-5. Нефтеотделитель: 1 — гидроэлеватор; 2 — лебедка; 3 — скребковый транспортер; 4 — поворотная труба для сбора нефтепродукта.

Рис. XVII1-6. Отстойник: 1 — устройство для соскребания ила; 2 — лоток сбора стоков; 3 — лоток сбора неф­тепродукта.

й-й ¹

шлама. Типовые проекты нефтеотделителей разработаны инсти­тутом «Союзводоканалпроект» на производительность до 3160 м³/ч.

Отстойники (рис. XVIII-6) служат для более полного удаления нефтепродуктов и взвесей, а также для усреднения состава сточ­ных вод. Отстойники изготавливаются из железобетона и обору­дуются устройствами для сгребания осадка и сбора нефтепродукта. Диаметр отстойников 30 и 40 м, производительность 360 и 760 м³/ч. Расчетное время отстаивания около 6 ч, а остаточное содержание нефтепродуктов до 70 мг/л.

3. ФИЛЬТРОВАНИЕ

Фильтрование — способ разделения суспензии, достигаемый пропусканием ее через пористую перегородку. Твердые частицы задерживаются перегородкой и образуют осадок, а прошедшая через перегородку жидкость (газ) называется фильтратом. С те­чением времени толщина слоя осадка увеличивается и сопротив­ление фильтра возрастает, а образовавшийся осадок выполняет роль фильтровальной перегородки. Это обстоятельство часто ис­пользуют, чтобы придать осадку специальную структуру, обеспе­чивающую задерживание мелких частиц. С этой целью в суспен­зию добавляют мелкие частицы другого материала (например, пе­сок, кварц и др.), которые придают осадку жесткую пространст­венную структуру с мелкими порами.

В ряде случаев сама фильтровальная перегородка не обладает достаточной задерживающей способностью и для придания ей необходимых фильтрующих свойств на ее поверхность наносят слой осадка из вспомогательных веществ (кизельгура, диатомита, перлита и т. п.). Слой осадка из вспомогательного вещества, собственно, и является фильтровальной перегородкой, которая задерживает мелкие частицы суспензии (менее 1 мкм).

Образующиеся при фильтрации осадки могут быть сжимае­мыми. Частицы сжимаемых осадков с увеличением давления де­формируются, что приводит к уменьшению размеров пор. Форма и размеры частиц и пор несжимаемых осадков практически не зависят от давления.

По способу ведения процесса- различают фильтры периодиче­ского и непрерывного действия. Процесс фильтрации в фильтрах периодического действия проводят до тех пор, пока не будет за­полнена осадком рабочая камера фильтра или чрезмерно воз­растет его сопротивление. В фильтрах непрерывного действия оса­док непрерывно удаляется с фильтровальной перегородки.

Движущей силой процесса фильтрации является разность дав­лений, создаваемая по обе стороны фильтровальной перегородки. По способу создания движущей силы различают фильтры:

а) гидростатические;

б) под давлением;

в) вакуумные;

г) фильтрующие центрифуги.

На рис. XVIII-7 даны принципиальные схемы фильтров. Расчет процесса фильтрации. При фильтрации фильтрат дви­жется через слой осадка толщиной б и фильтрующую перегородку (рис. XVIII-8). Скоростью фильтрации С называют объем филь­трата, прошедшего через единицу поверхности фильтрующей пере­городки в единицу времени

С = V/Ft (XVII 1,7)

где V — объем полученного фильтрата; F — поверхность фильтрующей пере­городки; т — время фильтрации.

а б 6 г

Рис. "XVIII-7. Принципиальнее схемы фильтров по способу создания движущей силы: а — гидростатический; б — под давлением; в — вакуумный; г — центробежный; 1 — суспензия; 2 — осадок; 3 — фильтровальная перегородка; 4 — фильтрат.

Перепад давления в слое осадка и на фильтровальной перего­родке Ар = р_х — р₂ связан со скоростью фильтрации соотноше­нием

C = (XVIII,8)

где R — сопротивление при фильтрации.

Величина R включает сопротивление осадка R_oc и сопротивле­ние фильтрующей перегородки R$,_n

R=R_0C + Rb._u (XVIII,9)

Сопротивление фильтрующей перегородки определяется ее кон­струкцией и не меняется в ходе процесса фильтрации. Сопротив­ление слоя осадка увеличивается по мере роста толщины слоя осадка 6 и может быть представлено следующим образом:

Яос=Рос6 (XVIII,10)

где рос — удельное сопротивление осадка, зависящее от его свойств. ^гДля не­сжимаемых осадков рос =⁼ const, для сжимаемых р_ос зависит [от давления филь­трации.

Удельное сопротивление осадков определяют эксперимен­тально. Если обозначить через х = V_QJV объемную концентра­цию осадка в фильтрате, то можно записать следующее соотноше­ние между толщиной осадка и этой характеристикой:

F6 —xV (XVIII,11)

или

б =xV/F (XVIII,12)

С учетом уравнения (XVIII, 12) сопротивление слоя осадка запишется следующим образом:

Roc=PocxV/F (XVIII,13)

Записав уравнение (XVIII, 7) в дифференциальной форме, можем представить уравнение (XVIII, 8) в следующем виде:

С = 4т- = 1//?^Р, р (XVIII,14)

Fdx po&VIF + Яф. п

Это уравнение используют для расчета процесса фильтрации.

Можно рассмотреть два теоретических случая осуществления процесса фильтрации: 1) при постоянном перепаде давления; 2) при постоянной скорости фильтрации.

Фильтрация при Др = const. Как следует из уравнения (XVIII, 14), в этом случае по ходу процесса скорость фильтрации уменьшается вследствие увеличения слоя осадка б. Запишем уравнение (XVIII, 14) в следующем виде:

p_0CxV dV + Лф. пF dV = kpF² dx

Проинтегрировав это дифференциальное уравнение, получим (р_ос*/2) V² + Я_ф. _пFV - bpFH = О

Разделив обе части уравнения на F², можем записать

ПГ (тУ + ^п (т") —^{Лрт =}'⁰ (XVIII,15)

Полученное квадратное уравнение можно решить относи- тельно V/F, называемой удельной производительностью фильтра

У ₌ Кь.п . -if / Яф.п\² ■ 2Дрт (XVIII,16)

F рос* V \ Рос* / Рос*

Если сопротивлением фильтрующей перегородки можно прене- бречь по сравнению с сопро- тивлением слоя осадка (R_oc > —=-

п)>^т0 уравнение (XVII 1,16) —

упрощается

Осадок

МЖ^ШШШ ^Фи^Ьрещо%а^Я

Рис. XVII1-8. Схема прохождения жидко- V М ^ \

сти через слой осадка и фильтровальную \f

перегородку. Фильтрат

Из приведенных уравнений следует, что производитель­ность фильтра пропорциональна площади фильтрующей пере­городки.

Часто конструкция фильтра обусловливает максимальную тол­щину слоя образующегося осадка б. Поэтому из уравнения (XVIII, 15) можно в этом случае найти время фильтрации т.

i-v-

^2ДР^Т (XVIII,17)

рос*

Приняв во внимание уравнение (XVIII, 12) преобразуем уравне- ние (XVIII, 15) к следующему виду:

Откуда время фильтрации равно

(-¥-+**•-) <^XVIII>¹⁸>

Фильтрация при С = const. В этом случае суспензию подают на фильтр поршневым насосом, обеспечивающим постоянную ее подачу. Как видно из уравнения (XVIII, 14), такой режим филь- трации обеспечивается непрерывным увеличением перепада дав- ления Ар на фильтре. Приняв конечную величину перепада дав- ления Др_к, получим следующее квадратное уравнение:

рос* (V/F)² + Яф. _п (V/F) — Ар_кт = О Отсюда удельная производительность фильтра равна

Л ₌ + l/f%n\² , ДРкТ (XVIII, 19)

F 2р_осх ' У \ 2р_осх / ' рос*

Пренебрегая сопротивлением фильтровальной перегородки по сравнению с сопротивлением осадка, получим

V_ ₌ j f Аркт (XVI 11,20)

F V рос*

Промывка осадка. Часть фильтрата задерживается в объеме осадка. Поэтому осадок промывают другой жидкостью для уда- ления из него фильтрата. При промывке сопротивление осадка остается постоянным, так как новый осадок не образуется. Поэтому скорость промывки также остается постоянной. Поскольку дви- жение жидкости в порах осадка является ламинарным и сопротив- ление обусловлено в основном трением вязкой жидкости о стенки каналов между частицами осадка, можно записать следующее соот- ношение:

А/? ~ С_к. ф|Хф = СпрР-пр (XVIII,21)

где С_к.ф, Сир — скорость фильтрации в конце процесса и скорость промывки; р>ф, ц_пр — вязкости фильтрата и промывной жидкости.

Отсюда скорость промывки равна

С_пр=С_к.ф-М- (XVIII,22)

^пр

Из уравнения (XVIII,22) следует, что для увеличения скорости промывки вязкость промывной жидкости должна быть по воз- можности меньше по сравнению с вязкостью фильтрата. Объем промывной жидкости F_np определяется требованиями к качеству осадка и является опытной величиной. Время промывки осадка равно

Тп_Р=Упр/ГСп_Р (XVIII,23)

Если фильтрацию ведут при постоянной скорости, то промыв­ку проводят с той же скоростью, т. е. С = С_пр. В этом случае из уравнения (XVIII,21) получаем следующее соотношение:

гф

(XVIII,24)

где Ар_к. _ф, Дрпр — сопротивление в конце процесса фильтрации и при промывке осадка.

Сопротивление при промывке осадка уменьшается при сниже­нии вязкости промывной жидкости.

Устройство фильтров и их основные конструкции. Вакуум- фильтры. В промышленности применяют в основном вакуум- фильтры двух типов: нутч-фильтры и барабанные вакуумные фильтры.

Нутч-фильтр (рис. XVIII-9) является простейшим аппаратом для фильтрации суспензий под вакуумом. Изготавливается в виде цилиндрического сосуда 1 с нижним днищем 2. На некотором рас­стоянии от днища установлена плоская фильтрующая перегород­ка 5, на которой закреплена дренажная сетка 4 и ткань 5. Про­странство под перегородкой сообщается с вакуумным насосом че­рез штуцер 6.

Уровень суспензии Н_г над фильтрующей перегородкой поддер­живается переливным штуцером 7.

Рис. XVII1-9. Нутч-фильтр:

1 — корпус; 2 — днище; 3 — фильтрующая перегородка; 4 — дренажная сетка; 5 — ткань; 6 — штуцер вывода фильтрата; 7 — переливной штуцер.

Рис. XVIII-10. Схема включения нутч-фильтра в систему:

/ — суспензия; II — фильтрат; III — газы; I — приемник суспензии; 2, 5 — насосы; 3 — нутч-фильтр; 4 — вакуумный сборник; 6 — каплеотбойник; 7 — вакуум-насос.

Схема включения фильтра в систему дана на рис. XVIII-10. Работа установки происходит следующим образом. Суспензия из приемника 1 подается насосом 2 в нутч-фильтр 3 (нутч-фильтров может быть несколько). Через переливной штуцер избыток сус­пензии перетекает обратно в приемник 1. Таким образом в нутч- фильтре поддерживается постоянный уровень суспензии.

Через сборник фильтрата 4 вакуум-насос 7 создает в системе разрежение, под действием которого осуществляется процесс

и

7

фильтрации. Осадок откладывается на фильтре, а фильтрат и вы­делившиеся из суспензии в вакууме газы и воздух отсасываются вакуум-насосом в сборник фильтрата 4, из которого фильтрат от­качивается насосом 5. Газы из сборника фильтрата поступают в каплеотбойник 6 и через вакуум-насос 7 удаляются из системы.

По окончании процесса фильтрации, когда слой осадка дости­гает предельной толщины, прекращают подачу суспензии, оста­ток суспензии отфильтровывают. Промывную жидкость подают из

Рис. XVHI-11. Схема барабанного вакуум-фильтра:

I — суспензия; II — подача промывной жидкости; III — фильтрат; IV — вывод про­мывной жидкости; V — газ на продувку; VI — инертный газ; I — барабан; 2 — корыто; 3 — привод барабана; 4 — крышка; 5 — коллектор промывной жидкости; 6 — отвод­ная трубка; 7 — распределительная головка; 8 — сменный диск распределительной головки; 9 — продольная перегородка; 10 — нож для удаления осадка; // — шнек для выгрузки осадка; 12 — продольная перегородка.

другого приемника, как и фильтруемую суспензию. Промыв­ную жидкость направляют в специальный вакуумный сборник. Затем осадок разгружают. Режим фильтрации при Ар = const.

Барабанные вакуум-фильтры широко применяют на установ­ках депарафинизации масел. Основу фильтра (рис. XVIII-11) со­ставляет горизонтальный барабан 1 диаметром до 3 м и длиной свыше 5 м, который вращается на двух цапфах со скоростью около 0,5 об/мин.

На боковой поверхности барабана крепятся металлическая сетка и фильтровальная ткань, обмотанная по спирали проволо­кой. Изнутри фильтрующая перегородка разделена по образую­щим продольными перегородками 12 на отдельные секции (12 и более), каждая из которых отводными трубками 6 соединена с ди­ском Р, укрепленным на цапфе. Число отверстий в диске равно числу секций барабана. К диску прижата пружинами неподвиж­ная распределительная головка, которая разделена на три ка­меры, соответствующие отдельным стадиям фильтрации, промывки и продувки. Каждая камера имеет штуцер и через кольцевую про­резь в сменном диске 8 головки 7 сообщается с соответствующим участком фильтровальной перегородки (рис. XVIII-12). Нижняя часть барабана погружена в суспензию, которая подается в ко­рыто 2 (см. рис. XVIII-11). Центральный угол, соответствующий

погруженной в суспензию фильтрующей поверхности барабана, равен 120—140°. Над барабаном установлен трубный коллектор 5 для подачи промывной жидкости. Сбоку размещены нож 10 для срезания осадка и шнек 11 для удаления осадка из фильтра.

Барабанный вакуум-фильтр работает следующим образом. Каждая секция барабана при его вращении погружается в сус­пензию. При этом через отводную трубку, отверстие в диске цапфы и длинное окно в диске распределительной головки секция сооб­щается с источником вакуума.

Под влиянием разности давлений в корпусе фильтра и внутри секции происходит фильтрация. Пока данная секция погружена в суспензию, соединенное с ней отверстие в диске цапфы сколь­зит вдоль длинного окна диска распределительной головки и идет процесс фильтрации. По мере поворота секции вместе с бараба­ном по часовой стрелке на поверхности секции образуется слой осадка. Фильтрат через штуцер в распределительной головке вы­водится в сборник фильтрата. Когда секция выходит из слоя сус­пензии, она еще соединяется с длинной прорезью. При этом ва­куум под фильтровальной перегородкой сохраняется, и осадок сушится потоком инертного газа, который просасывается через осадок из корпуса фильтра. При дальнейшем вращении барабана данная секция соединяется со вторым, более коротким окном. При этом секция оказывается соединенной с вакуум-насосом через сбор­ник промывной жидкости. Разбрызгиваемая из коллектора про­мывная жидкость проходит через осадок, вытесняя находящийся там фильтрат. Затем осадок вновь просушивается проходящим через осадок потоком инертного газа. Секция соединяется с третьим окном, через которое газодувкой в секцию подается инертный газ под избыточным давлением примерно 5 кПа. Осадок

отделяется от поверхности барабана и затем снимается ножом. После этого для данной секции вновь начинается процесс филь­трации.

Очевидно, что длительность каждой стадии процесса фильтра­ции определяется временем, в течение которого каждая секция соединена с соответствующим окном распределительной головки. Если а — центральный угол в градусах, отвечающий данному окну в диске распределительной головки (см. рис. XVIII-12), то

а — диск цапфы; б — диск распределитель­ной головки; 1 — отверстия для присоеди­нения отводных трубок; 2 — окно для от­вода фильтрата; 3 — окно для отвода про­мывной жидкости; 4 — отверстие для под­вода продувочного газа.

Рис. XVIII-12. Схема распределительной головки:

а

6

время пребывания секции барабана в пределах данного окна опре­делится следующим образом.

Длина окна I равна

/ =2яга/360 (XVIII,25)

При скорости вращения барабана п об/мин окружная скорость перемещения центра отводной трубки будет равна

v = 2ягл/60 (XVIII,26)

Время пребывания отводной трубки (секции барабана) в пре­делах данного окна т в секундах будет равно

x = l/v= а/б/г (XVII 1,27)

где v — линейная скорость вращения барабана.

Поскольку в пределах удлиненных окон происходит как филь­трация, так и подсушивание осадка, собственно время фильтра­ции будет определяться долей угла а, соответствующей времени контакта данной секции барабана с суспензией или промывной жидкостью.

Рис. XVIII-13. Рамный фильтр-пресс:

1 — плита; 2 — рама; 3 — балка; 4 — нажимная плита; 5 — зажимное устройство, 6, 9 — опоры; 7 — тяги; 8 — стойка; 10 — винт.

Поскольку секции при вращении барабана последовательно проходят все стадии процесса, фильтрация осуществляется не­прерывно. При этом в каждый данный момент часть секций (около ¹/₃) работает в режиме фильтрации, в части секций осадок под­

сушивается, в других секциях осадок промывается, в следую­щих по ходу вращения осадок вновь подсушивается, а в одной- двух секциях происходит продувка осадка.

Применяют также дисковые вакуумные фильтры, в которых вместо барабана на общем валу находится несколько дисков, разделенных на секторы, как и барабан. Фильтрация осуществ­ляется через обе торцовые поверхности каждого диска.

Фильтры под давлением. Наиболее широкое применение имеют фильтр-прессы и пластинчатые фильтры.

Рамный фильтр-пресс (рис. XVIII-13) представляет собой на­бор плит 1 и рам 2 квадратной или круглой формы, которые опи­раются на балки 3 и сжимаются специальным приспособлением 5 через нажимную плиту 4. Плиты фильтра имеют с обеих сторон рифленую поверхность, на которую укладывают фильтровальную ткань. В собранном виде между двумя соседними плитами обра­зуются камеры, в которых накапливается осадок.

В плитах, рамах и листах фильтровальной ткани имеются отверстия, которые при сборке фильтра образуют каналы для подачи суспензии и промывной жидкости, а также для вывода фильтрата и промывного раствора (рис. XVIII-14).

При фильтрации (рис. XVIII-14, а) суспензия подается парал­лельно во все рамы и по каналам в них вытекает в пространство между плитами. Через ткань, уложенную на "плитах, проходит фильтрат, который затем стекает по рифленой поверхности^плит к выводному каналу и выводится из фильтра.

jLlL

N

Рис. XVIJI-14. Схема движения потоков в рамном фильтр-прессе: а — при фильтрации; б — при промывке осадка; I — суспензия; II — фильтрат; III — промывная жидкость; IV — промывной раствор; V — осадок; 1 — плита; 2 — рама; 3 — фильтровальная ткань.

Осадок отлагается на фильтровальной ткани. Максимальная толщина слоя осадка равна половине толщины рамы. Если про­мывку ведут через тот же канал, что и подачу суспензии, то тол­щину осадка необходимо контролировать (например, по величине Др), чтобы не произошла полная забивка фильтра осадком. В про­тивном случае для промывки используют специальные каналы в плитах, через которые промывная жидкость поступает под филь-

тровальную ткань и выводится из фильтра через коллектор (рис. XVIII-14, б). /

Для снятия осадка прекращают действие нажимного устрой- ства, плиты и рамы раздвигают, рамы вынимают и разгружают осадок. Обычно рамные фильтр-прессы работают при давлении 0,3—D,4 МПа.

разновидностью фильтр-прессов этого типа являются камер- ные фильтры. В этих фильтрах рам нет, а по периферии плит

с обеих сторон имеются утолщения. При сборке плит У эти утолщения соприкасаются одно с другим и обра- зуют между смежными плитами камеры для накопле-

2. ния осадка. В остальном конструкция и принцип ра- боты камерных фильтров^'не^отличаются от рамных.

3. Чтобы избежать большой длины уплотнительных ^ поверхностей, применяют также пластинчатые филь- ₅ тры. Основу таких фильтров составляют фильтру- ющие пластины (рис. XVIII-15), которые собраны

Рис. XVIII-15. Элемент фильтрующей пластины:

1 — рама; 2 — крупная сетка; 3 — мелкая сетка; 4 — фильтровальная ткань; 5 — осадок.

в пакет по нескольку десятков штук и помещены в общем корпусе. Форма пластин может быть круглая или прямоугольная. В первом случае пластины устанавливают перпендикулярно оси корпуса фильтра, во втором — вдоль.

Каждая пластина имеет каркас, состоящий из рамки 1 с от- водным патрубком и крупной проволочной сетки 2. На крупную сетку с обеих сторон пластины укладывается мелкая сетка 3, а поверх последней — фильтровальная ткань 4.

Суспензия подается в корпус фильтра, фильтрат проходит снаружи внутрь пластин и затем через выводной патрубок в рамке поступает в общий коллектор. Осадок образуется снаружи пла- стин, заполняя постепенно пространство между ними. После по- лучения осадка необходимой толщины суспензию сливают из корпуса фильтра, осадок промывают, подавая промывную жид- кость через те же каналы, что и суспензию. Затем осадок .разгру- жают. При разгрузке осадка весь пакет фильтрующих пластин может быть вынут из корпуса фильтра.

4. ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ

Под центрифугированием понимают процесс разделения сус- пензий или эмульсий в поле центробежных сил, возникающих при вращении сплошного или перфорированного барабана с загружен- ной в него смесью. Аппараты для центрифугирования называются центрифугами. Различают отстойные центрифуги, применяемые для отстаивания, и фильтрующие центрифуги, служащие для

фильтрации. Схемы центрифуг указанных типов приведены на рис. XVIII-16. Центрифуги могут быть с горизонтальным и верти­кальным расположением вала ротора, периодического и непре­рывного действия.

Центрифуги применяют в процессе депарафинизации масел_у когда использование фильтрации затруднено вследствие малой величины образующихся кристаллов, низкой скорости фильтра­ции и быстрой забивки отверстий фильтрующей ткани мелкими кристаллами.

Наибольшее распространение получили центрифуги с часто­той вращения барабана 6—7 тыс. об/мин и 15—17 тыс. об/мин (суперцентрифуги).

Центрифуги с частотой вращения 6—7 тыс. об/мин (рис. XVIII-17) применяют при депарафинизации масел. Центри­фуга установлена на станине. Привод барабана центрифуги осу­ществляется от электродвигателя во взрывозащищенном испол­нении через червячный редуктор. Вертикальный вал подвешен в направляющем подшипнике, который мягко закреплен в седле резиновым кольцом. Внизу вал имеет упорный подшипник.

Охлажденная смесь парафинистого масла с растворителем по­ступает через загрузочную трубу 1 и питательный мундштук 2

Рис. XVI И-16. Схемы центрифуг основных типов:

а — отстойная центрифуга для разделения суспензий; 1 — барабан; 2 — суспензия; 3 — осадок; б — отстойная центрифуга для разделения эмульсий; 1 — диафрагма; 2 — барабан; 3 — тяжелая жидкость; 4 — легкая жидкость; в — фильтрующая центрифуга; 1 — корпус; 2 — перфорированный барабан; 3 — дренажная сетка; 4 — фильтроваль­ная ткань; 5 — осадок; 6 — суспензия; I — суспензия или эмульсия; II — вывод лег­кой жидкости, тяжелой жидкости и фильтрата соответственно; III — вывод осадка, легкой жидкости и осадка соответственно.

в центральный канал 3 барабана 4 и направляется в его нижнюю часть. Более плотная смесь растворителя и масла под действием центробежной силы движется к периферии барабана и вдоль его стенок поднимается снизу вверх к делительному конусу 5. От­сюда масло поступает в камеру, образованную кожухом 6, и вы­водится из центрифуги через разгрузочный желоб 7 с гидравли­ческим затвором и воронку 8. Менее плотная суспензия парафина в растворителе (петролатум) вдоль наклонных дисковых направ-

/

ляющих 9 перемещается к центруй барабана, откуда она отводится через трубу 10, снабженную /наконечником И. Через трубу 12 и воронку 13 петролатум выводится из центрифуги.

Петролатум может быть'выведен из разных слоев, что опреде­ляет степень его чистоты/ Для этого при помощи маховика соп-

Рис. XVIII-17. Центрифуга подвесного типа непрерывного действия:

/ — сырье; II — смесь растворителя и масла; III — петролатум (смесь парафина и рас­творителя); 1 — загрузочная труба; 2 — питательный мундштук; 3 — центральный канал; 4 — барабан; 5 — делительный конус; 6 — кожух; 7 — разгрузочный желоб; 8, 13 — воронки; 9 — направляющие диски; 10 — труба для отвода петролатума; 11 — наконечник; 12 — труба для вывода петролатума.

Рис. XVIII-18. Схема суперцентрифуги для депарафинизации масла из раствора в бен­зине:

/ — ввод сырья; II — ввод воды; III — вывод раствора депарафинированного масла; IV — вывод петрочатума; / — штуцер для ввода смеси; 2 — отбойная пластина; 3 — слой воды; 4 — слой петролатума; 5 — слой раствора депарафинированного масла; 6 — приводной вал; 7 — диафрагма; 8 — ротор.

вращения барабана. Производительность центрифуги около 2500 кг/ч при плотности рабочей смеси, равной единице.

Суперцентрифуги (рис. XVIII-18) используются при депарафи­низации остаточных масел из раствора их в бензине. Охлажден­ный раствор масла в бензине поступает через штуцер 1 в нижнюю часть ротора, подвешенного на валу, вращаемом электродвига­телем, выполненным во взрывозащищенном исполнении. Ударяясь об отбойную пластину 2, масло разбрызгивается и под действием центробежной силы разделяется на два слоя. Поскольку плот­ность церезина несколько больше плотности раствора масла в бен­зине, петролатум образует внешний слой 4, а раствор масла — внутренний слой 5.

Чтобы облегчить вывод петролатума из ротора центрифуги, применяют горячую воду, нагретую до 60—65° С. Излишек горя­чей воды непрерывно выводится вместе с петролатумом. При этом горячая вода и петролатум интенсивно перемешиваются, кри­сталлы углеводородов расплавляются, и петролатум выводится из

центрифуги в виде эмульсии с водой. Производительность подоб­ных центрифуг около 1500—2000 кг/ч.

Физические основы процесса. На_ччастицу массой т, вращаю­щуюся с угловой скоростью со на расстоянии г от оси, действует центробежная сила

С = /псо²/- (XVIII,23)

Поскольку число оборотов в минуту п и угловая скорость CO связаны между собой соотношением

со = ял/30 (XVIII,2Э)

выражение (XVI 11,28) можно записать в следующем виде:

_ я²л²г п²п²г „ п²г „ пЮ _{/VUITT ОАЧ}

^с =^т~тг = ~ Ибо (™.³°)

где G = mg — вес частицы; D = 2г — диаметр окружности, на которой вра­щается частица.

Отношение C/G = /С_ц, называемое фактором разделения, показы­вает, во сколько раз центробежная сила больше силы тяжести.

Из выражения (XVI 11,30) получаем, что

С _ coV n²r _ nW _ а_ц /YVfTT ЯП

^Лц ~ "(Г - т~ ⁼ w - "ГШ - (^XVIII>³¹)

где а_ц = о)²г — ускорение,, создаваемое центробежной силой.

Фактор разделения Ки, характеризует эффективность работы центрифуги. С увеличением величины Ки, возрастает разделяю­щая способность центрифуги. При этом, как следует из выраже­ния (XVIII,31), Ки, возрастает пропорционально квадрату числа оборотов барабана. Однако существует предел увеличения числа оборотов, обусловленный механической прочностью барабана. Поэтому с увеличением числа оборотов барабана приходится уменьшать его диаметр, что приводит к меньшему росту вели­чины Кц-

Поскольку центробежная сила больше силы тяжести в Кц, раз, скорость осаждения частицы в поле центробежной силы согласно уравнению (XVI 11,1) будет равна

4 , Рт—Рж . dgK* _1 f 4 рт —р_ж . da_ц (XVIII,32)

(XVIII,33)

У з р_ж g V з р_ж

или в критериальном виде

Для ламинарного режима (Re < 0,2)

Аг7Сц<3,6

Для турбулентного режима (Re ^ 500)

Аг/С_ц>84 000

Основы расчета процесса центрифугирования. Расчет произ- водительности отстойных центрифуг. Схема отстойной центри- фуги приведена на рис. XVIИ-16, а. Условие нормальной работы такой центрифуги формулируется следующим образом: время пре- бывания частицы в барабане центрифуги т должно быть больше времени осаждения частицы т_ос. Среднее время пребывания жид-

кости (частиц) в барабане центрифуги равно

Это эквивалентно тому, что жидкость в барабане движется вдоль его оси к выходу со скоростью

v (XVII 1,35)

т =H/w (XVIII,36)

Скорость осаждения w_QC частицы будет определяться законом сопротивления и будет изменяться по ходу процесса, что обуслов­лено перемещением частицы с одного радиуса на другой. Будем для определенности считать, что частица осаждается в ламинар­ном режиме, т. е. скорость осажденйя равна

«, g(Рт Рж) ,2 Сй²г (XVIII,37)

⁰⁰ ~ * 18ц, g

Между тем скорость осаждения, согласно определению ско­рости, равна

_Шос * ₌ г(Рт-Рж) , (XVIII,38)

ат 18[г g

Проинтегрировав это уравнение в пределах от R₀ до R, получим

Ify _ln JL (XVIII ,39)

(Рт —Рж)^² Ro

Как было сказано выше, при нормальной работе центрифуги должно выполняться условие

т_0С<т (XVIII,40)

Приняв для простоты знак равенства, получим следующее вы- ражение для расчета производительности осадительной центри- фуги:

У ₌ (я/4) (D*-Dl)H ₌ (л/4) (D*-Dl)H (XVIII,41) Т Тос

Dn=2R_a

x = V_v/V

(XVI11,34)

где F_p = (jx/4) (D3 —Dg) H — рабочий объем бара- бана; V — производительность центрифуги.

Рис. XVIII-19. Схема к расчету перепада давления при центробежной фильтрации.

w =

И

Тос ^:

Размеры центрифуги D, £>₀, # обычно выбирают по каталогу. При разделении эмульсий роль осадка выполняет более плотная жидкость.

Расчет производительности фильтрующих центрифуг. Рас­чет центрифуг этого типа может быть проведен с использованием выводов теории фильтрации. Для центрифуг непрерывного дей­ствия толщина слоя осадка б постоянна, поэтому постоянно и сопротивление фильтрации R = /?_ф + р_осб.

Величину движущей силы Ар при центробежной фильтрации можно найти из следующих соображений. Выделим во вращаю­щейся вместе с барабаном суспензии элементарный слой толщи­ной dr (рис. XVIII-19) на расстоянии г от оси вращения. Масса этого слоя суспензии будет равна

dm = p_cH2nrdr (XVI И,42)

где р_с — плотность суспензии, кг/м³.

Действующая на этот элементарный объем суспензии центро­бежная сила равна

dC = сtfrdm = 2яр_сЯсо²/-² dr (XVIII ,43)

Давление элементарного жидкостного кольца на внешние по отношению к нему слои жидкости составит величину

. dC 2ярсH&²r²dr ₀ , /v\7TTT л л\

dp = ~р = — _{= Рс}оfrdr (XVI11,44)

Проинтегрировав последнее уравнение в пределах от /?₀ До R, получим общий перепад давления при центробежной филь­трации

Ар = 0,5р_ссо² (.R² - RQ (XVI11,45)

Тогда скорость центробежной фильтрации составит

С = _р * _д (XVIII,46)

^ф + росб /?ф + росб

Производительность фильтрующей центрифуги по фильтрату

V = FC = nDHC (XVI11,47)

Расчет центрифуг периодического действия основывается на использовании экспериментальных данных, так как центрифуги работают в нестационарном режиме. Продолжительность одной операции на центрифуге периодического действия складывается из продолжительности следующих стадий: 1) загрузки суспензии; 2) пуска и разгона барабана; 3) центрифугирования; 4) промывки осадка; 5) остановки барабана и 6) разгрузки осадка.

Объем загружаемой суспензии определяется рабочим сбъемом барабана V_p = я (D² — Dl) Я/4.

Производительность по суспензии за одну операцию составит

G_c = p_cVp = рс (я/4) (D² -Dl) Н (XVIII,48)