Методы разделения неоднородных систем

Существуют и другие разделения – по степени автоматизации, по конструктивным особенностям, по областям применения и так далее.

На сегодняшний день в промышленности применяются следующие основные виды фильтров для суспензий:

- центрифуги;

- ленточные фильтры;

- барабанные фильтры;

- тарельчатые фильтры;

- патронные фильтры;

- друк фильтры;

- нутч-фильтры;

- дисковые фильтры;

- листовые фильтры;

- фильтр-прессы;

В зависимости от особенностей применения, подбирают фильтры и фильтрующие  перегородки соответствующего типа.

 

 

Мокрая очистка  газов

Мокрую очистку применяют для очистки газов от пыли или тумана. В качестве промывной жидкости обычно используют воду, реже— водные растворы соды, серной кислоты и других веществ.

Поверхностью контакта фаз между  газом и жидкостью может являться поверхность стекающей жидкой пленки (насадочные и центробежные скрубберы), поверхность капель (полые скрубберы, скрубберы Вентури), пузырьков газа (барботажные пылеуловители).          

Соприкосновение дисперсных частиц с  поверхностью жидкости происходит под  действием силы, которая движет частицу. Такими сипами могут быть сила тяжести, сила инерции, удары молекул (броуновское  движение) и турбулентные пульсации.

 При мокром улавливании (за исключением процесса в скрубберах Вентури) газа эффективно очищаются от частиц размером не менее 3-5 мкм. Частицы меньшего размера улавливаются плохо, что обусловлено двумя причинами.

Во-первых, мелкие частицы движутся совместно с газовым потоком  и огибают мокрую поверхность, не соприкасаясь с ней.

Во-вторых, вблизи мокрой поверхности  имеется пограничный газовый  слой, который мелкая частица далеко не всегда может преодолеть. В скрубберах Вентури, где газ движется с высокой скоростью, силы инерции, возникающие при разрушении вихрей, позволяют частицам преодолевать пограничный ламинарный слой. Поэтому в данных аппаратах возможно улавливание твердых частиц размером 1-2 мкм и капелек тумана диаметром до 0,2 мкм.

Если частицы гидрофобны, то для  эффективного улавливания их они  должны обладать дополнительным запасом  кинетической энергии, необходимым  для работы по преодолению сил  поверхностного натяжения. 
Раньше в тех случаях, когда была необходима очистка от гидрофобных частиц, для улучшения их смачиваемости к жидкости добавляли поверхностно-активные вещества. Однако такой способ сопряжен с дополнительным загрязнением органическими веществами сточных вод, образующихся при мокрой очистке, и не отвечает современным экологическим требованиям. 
          Мокрая очистка газов наиболее эффективна в случаях, когда допустимы увлажнение и охлаждение очищаемого газа, а отделяемые частицы имеют незначительную ценность. Охлаждение газа ниже температуры конденсации находящихся в нем паров жидкости способствует увеличению массы частиц, которые служат центрами конденсации, что облегчает их улавливание. Кроме того, водяные пары могут конденсироваться и на поверхности холодных капель. Возникающее при этом движение молекул пара способствует перемещению частиц пыли к каплям. Во многих случаях мокрую очистку применяют для выделения из газа частиц, имеющих большую ценность.

При мокрой очистке образуются сточные  воды, содержащие ловленные из газа дисперсные частицы. Если последние  могут вызвать загрязнение окружающей среды, необходимо предусмотреть их отделение в отстойниках или  устройствах циклонного типа. При  этом осветленную жидкость повторно используют для мокрой очистки. Таким  образом, одновременно обеспечиваются защита окружающей среды от загрязнения, и экономия свежей воды, которая  требуется лишь для подпитки в  количестве, теряемом со шламами. Повторное  использование осветленной жидкости делает экономически целесообразным отделение  от жидкости частиц и в тех случаях, когда они безвредны для окружающей среды.

 

 

 

 

 

 

 

Аппараты для  разделения неоднородных систем под  действием центробежной силы

 

 

 
Рис.2 Принципиальные схемы: а- циклон конструкции НИИОГАЗ; б- устройство циклона; 1-цилиндрический корпус; 2-коническое днище; 3-разгрузочный бункер; 4-выхлопная труба.

 

Скорость осаждения под  действием силы тяжести мала и  для ее увеличения проводят процессы осаждения в поле центробежных сил. Для создания поля центробежных сил  обычно используют один из двух способов: либо обеспечивают вращательное движение потока в неподвижном аппарате, либо поток направляют во вращающийся  аппарат. В первом случае процесс  проводят в циклонах, во втором –  в отстойных (осадительных) центрифугах. Центробежные силы в циклоне (рис. 2) создаются за счет тангенциального подвода газа к цилиндрическому корпусу аппарата 1.

Благодаря такому вводу газа, он приобретает вращательное движение вокруг трубы, расположенной по оси  аппарата и предназначенной для  вывода очищенного газа. Частицы пыли под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам корпуса 1 и поступают в разгрузочный бункер 3.

Чем меньше радиус циклона, тем больше ускорение центробежной силы и выше факторы разделения. Однако уменьшение радиуса циклона  ведет к росту скорости потока и возрастанию гидравлического  сопротивления. Поэтому при больших расходах запыленного газа вместо одного циклона большого диаметра устанавливают несколько циклонных элементов меньшего размера, объединенных в одном корпусе и работающих параллельно. Такие аппараты называют батарейными циклонами (рис. 3)

 

 

 

Рис.3 Схемы батарейного циклона (а) и его элементов (б): 1-корпус; 2-газорапределительная камера; 3-корпуса циклонных элементов; 4- трубчатые решетки; 5-бункер для частиц пыли; 6 – лопастные устройства для закручивания газового потока внутри элементов

 

 

Основные конструкции  фильтров

 По способу действия фильтры делятся на аппараты периодического и непрерывного действия; по назначению – фильтры для разделения суспензий и фильтры для очистки воздуха и промышленных газов. В качестве фильтровальной перегородки применяют: ткань, песок; уголь (зернистая перегородка); металлическую сетку; пористую керамику (жесткая перегородка) и др.

Самые простые и широко используемые в промышленности нутч или друк – фильтры (аппараты периодического действия), а также дисковые, песочные, патронные, рамные, камерные фильтры. К фильтрам непрерывного действия относятся: вакуумные, барабанные, ленточные, карусельные и др. Нутч – фильтры работают под вакуумом или под избыточным давлением.

Рис.4 Открытый нутч - фильтр, работающий под вакуумом:1 - корпус; 2 - суспензия; 3 - фильтровальная перегородка; 4 – пористая подложка; 5 - штуцер для выхода фильтрата, соединенный с вакуум-насосом

 

Рис.5 Закрытый нутч–фильтр:1 - корпус; 2 - обогревающая рубашка;

3 - кольцевая перегородка; 4-откидывающееся дно; 5 - фильтровальная перегородка; 6 - опорная решетка; 7 - сетка; 8 - съемная крышка;

9 - предохранительный  клапан

 

         При работе вакуумного нутч – фильтра (рис.4) фильтрация осуществляется путем создания пониженного давления под фильтровальной перегородкой. Осадок удаляется сверху вручную. Нутч, работающий при избыточном давлении сжатого воздуха (рис.5) имеет более удобное приспособление для удаления осадка, который снимается вручную с фильтровальной перегородки при опускании и повороте дна фильтра. Громоздкость и ручная выгрузка осадка не позволяют использовать эти аппараты очень широко. Распространенным фильтром периодического действия, работающим под избыточным давлением, является рамный фильтр–пресс (рис. 6). Фильтр состоит из чередующихся плит и рам, между которыми зажимается фильтровальная ткань. Плиты имеют по краям гладкую поверхность, а в середине – рифленую.

 

 
Рис.6 Схема рамного фильтр-пресса: 
1 - упорная плита; 2 - рама; 3 - плита; 4 - фильтрующая ткань; 5 – подвижная концевая плита; 6 - горизонтальная направляющая; 7 - зажимной винт; 8 - станина; 9 - желоб для сбора фильтрата или промывающей жидкости 

Полая рама фильтр–пресса  помещается между двумя плитами, образуя камеру 4 для осадка. Отверстия 1 и 2 в плитах и рамах совпадают, образуя каналы для прохода соответственно суспензии и промывной воды. Между  плитами и рамами помещают фильтровальные перегородки («салфетки»), отверстия  в которых совпадают с отверстиями  в плитах и рамах. Сжатие плит и  рам производится посредством винтового  или гидравлического зажимов.

Суспензия под давлением  нагнетается по каналу 1 и отводам 3 в полое пространство (камеру) внутри рам. Жидкая фаза суспензии проходит через фильтровальные перегородки 5, по желобкам рифлений 6 движется к  каналам 7 и далее в каналы 8, которые  открыты на стадии фильтрования у  всех плит.

Когда пространство (камера) 4 заполнится осадком, подачу суспензии  прекращают, и начинается промывка осадка. В стадии промывки по боковым  каналам 2 подают промывную жидкость, которая омывает осадок и фильтровальные перегородки и выводится через  краны 9. По окончании промывки осадок продувают сжатым воздухом и затем  раздвигают плиты и рамы. Осадок частично падает в сборник, установленный  под фильтром, а оставшаяся часть  осадка выгружается вручную. Салфетки при необходимости заменяют.

                                  

                                     Очистка газа от пыли

 

 

 

Рис.7 Принципиальная схема рукавного фильтра: 1 – рукава с кольцами жесткости; 2 – трубная решетка; 3 – разгрузочный бункер; 4 – шнек; 5 – устройства для встряхивания рукавов.

 

Целью фильтрования газов  является очистка их от пыли пропусканием через волокнистый фильтр или  другой пористый материал. Существуют сухие и мокрые способы очистки  газа и воздуха от пыли. Среди  аппаратов сухой очистки в  промышленности широкое распространение  получили рукавные фильтры (рис. 2.21).

Фильтр представляет собой  корпус прямоугольного сечения, в котором  находятся тканевые мешки (рукава) 1, выполненные из лавсана или хлопка. Нижние открытые концы рукавов закреплены на патрубках трубной решетки 2, верхние  закрытые концы рукавов подвешены  на общей раме. Запыленный газ вводится в аппарат через штуцер и попадает внутрь рукавов. Пыль осаждается на внутренней поверхности и в порах ткани. Очищенный газ удаляется через  верхний штуцер. С помощью специального устройства 5 рукава периодически встряхиваются.

Пыль падает в разгрузочный бункер 3 и удаляется из аппарата шнеком 4. Кроме того, рукава продувают  сжатым воздухом в направлении, обратном направлению движения очищаемого газа. Рукава снабжены кольцами жесткости, чтобы  избежать их сплющивания при продувке.

Основным достоинством рукавных фильтров является высокая степень  очистки газов от тонкодисперсной  пыли (частицы размером 1 мкм улавливаются на 98 - 99 %). Как показывает практика, рукавные фильтры не очень надежны  в работе, так как возможны разрывы  ткани и нарушение уплотнений, которые трудно обнаружить и устранить  при большом количестве рукавов  в аппарате.

 

 

Аппараты мокрой очистки  газов

 

 

 

Рис. 8 Механический газопромыватель: I—сифонные трубы; 2—лопасти для нагнетания газа; 3—лопасти для промывки; 4—кожух; 5—колба; 6—вал; 7—распределительный конус; 8, 12—била; 9—труба для удаления осадка; 10—канал для очищенного газа; 11—приемные коробки; 13—диск; 14—сливной канал.

А в насадочных 75—85%, причем запыленность промытого газа может  быть менее 1 —2 г/нм³.

Для более совершенной  газоочистки применяют механические газопромыватели или дезинтеграторы (рис. 105).

В улиткообразном кожухе 4 дезинтегратора вращается горизонтальный вал 6, на котором имеется распределительный конус 7 с отверстиями и литой стальной диск 13. На диске ротора через определенные промежутки закреплены по трем-четырем концентрическим окружностям горизонтальные круглые стержни или била 12, соединенные с другой стороны кольцами из полосовой стали. При вращении ротора била 12 проходят в промежутки между билами 8 статора, которые укреплены неподвижно также по трем-четырем концентрическим окружностям между литыми кольцами 5 в кожухе аппарата.

По внешней окружности диска 13 расположены также лопасти 3, при помощи которых производится промывка и отделение газа от воды, и лопасти 2, создающие напор газа (до 500 мм вод. ст.) для дальнейшей его транспортировки.

Очищаемый газ поступает  в центр аппарата через приемные коробки 11, а вода подается через сифонные трубы / и выбрасывается в отверстия конуса 7.

Смесь газа и воды попадает между неподвижными и вращающимися стержнями—билами и отбрасывается  лопастями к стенкам кожуха. При  этом вода распыляется в тончайший  туман и приходит в тесный контакт с газом, смачивая почти всю содержащуюся в нем пыль.

Образующийся осадок удаляется  через сливной канал 14 и уходит по трубам 9, а газ нагнетается  лопастями 2 в газоход через канал 10.

Дезинтеграторы имеют  высокую производительность (50—60 •103 нм³/час газа) при сравнительно небольшом расходе энергии (5—6 кет на 1000 нм³ газа).

Они применяются главным  образом в металлургии на очистке  доменного газа до остаточного содержания в нем пыли 0,05—0,02 г/нм³. Исходный газ должен содержать не более 2 г/нм3 пыли и иметь температуру не выше 60°; поэтому газ предварительно охлаждают и очищают в скрубберах.

Расход воды в дезинтеграторах  составляет 0,5—1,5 м³ на 1000 м³ газа. Недостатком аппаратов такого типа является сложность их  конструкции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1.Дытнерский, Ю.И. Процессы  и аппараты химической технологии: учебник для вузов / Ю.И. Дытнерский. – М.: Химия, 1995. – Ч.1, 2.