Odstojniki i aparaty do rozdzielania ciekłych mieszanin niejednorodnych
Opracowanie: Kwolek Przemysław, Lichwa Grzegorz, Papież Michał, Rusek Agnieszka
1. Wprowadzenie. 1
2. Rozwiązania konstrukcyjne odstojników. 3
3. Wirówki 8
4. Wirówki sedymentacyjne i filtracyjne 9
5. Hydrocyklony. 13
6. Elementy obliczeń -najważniejsze wielkości. 15
7. Dobór aparatu do procesu. 19
Aparaty stosowane do rozdzielania zawiesin można podzielić na trzy grupy w zależności od sposobu oddzielania cząstek ciała stałego od cieczy:
· aparaty, w których oddzielenie to odbywa się pod działaniem sił ciężkości - odstojniki.
· aparaty, w których oddzielenie następuje przez zatrzymanie cząsteczek ciała stałego na przegrodzie porowatej- filtry
· maszyny i aparaty, w których oddzielenie odbywa się pod działaniem siły odśrodkowej- wirówki i hydrocyklony.
Odstojniki pracują w sposób:
· okresowy-aparaty typu zbiornikowego, o przekroju kołowym, zaopatrzone w szkła zwierne króćce równomiernie rozmieszczone w pewnych odległościach na odpowiedniej wysokości. Zawiesinę o objętości równej objętości odstojnika doprowadza się do nich jednorazowo. W miarę opadania cząstek ciała stałego pod działaniem sił ciężkości wzrasta wysokość warstwy cieczy klarownej w górnej części odstojnika. Ciecz klarowna odprowadza się okresowo umieszczonymi w ścianie odstojnika króćcami, zaopatrzonymi w zawory. Osad w postaci szlamu odprowadza się króćcem, umieszczonym na dnie odstojnika po odprowadzeniu całkowitej objętości cieczy klarownej.
· półciągły- doprowadzenie zawiesiny i odprowadzenie cieczy klarownej odbywa się w sposób ciągły, natomiast osad odprowadza się w sposób okresowy.
· ciągły- doprowadzenie zawiesiny, jak i odprowadzenie cieczy klarownej i osadu odbywa się w sposób ciągły. Ten sposób pracy dominuje w warunkach przemysłowych.
Podczas pracy w odstojniku wyróżnić można strefy:
· wypadania- strefa środkowa , gdzie podawany jest surowiec,
· zagęszczania- strefa dolna, trafia do niej surowiec ze strefy wypadania,
· przelew- strefa górna, dopływa do niej ciecz klarowna.
Odstawanie (sedymentacja) polega na swobodnym opadaniu cząstek ciała stałego w cieczy, pod wpływem sił ciężkości z prędkością zależna od ich rozmiaru i stężenia. Urządzenia służące do odstawania noszą nazwę odstojników.
Teorie opadania cząstek w środowisku ciekłym lub gazowym pod działaniem sił ciężkości podał Newton, została ona uzupełniona przez Allena, Stokesa i Rittingera.
Rys.1. Odstojnik (osadnik):1-przelew cieczy klarownej, 2-mieszadło grabowe
Wydajność odstojnika określa zdolność aparatu do zagęszczania zawiesiny lub klarowania cieczy i jest proporcjonalna do pola jego powierzchni:
gdzie:
strumień masy zawiesin
prędkość cieczy w odstojniku
gęstość cieczy
stężenie ciała stałego w zawiesinie na wylocie i odpływanie z odstojnika
Wielkość odstojnika zależy od czasu przebywania cząstek w strefie zatężenia. Wysokość pozostałych stref wynosi 0,6-1,0 m.
Średnica odstojników kołowych, metalowych jest mniejsza od 25 m, betonowych natomiast dochodzi do 100m.
Mieszadło grabowe wykonuje 2,5-20 obr/min.
Szybkość sedymentacji cząstek stałych z cieczy może być zwiększona kilkakrotnie przez zainstalowanie w odstojnikach nachylonych półek pod kątem 30-60o, które noszą wówczas nazwę lamelowych.
Przybliżona liczbę płyt w odstojnikach lamelowych współprądowych i przeciwprądowych obliczyć można ze wzoru:
- odległość między płytami
-szerokość płyt
- kąt pochylenia płyt
W przemyśle stosuje się różne typy odstojników, do najczęściej spotykanych należy odstojnik Dorra. Jest to aparat o działaniu ciągłym. Jest to cylindryczny zbiornik o dużym przekroju poprzecznym i o malej wysokości. Ciecz z zawiesiną doprowadza się w sposób ciągły rurą 2 do zasilacza 3 , z którego spływa on do odstojnika. Wzdłuż obwodu zbiornika biegnie rynna, do której poprzez krawędź przelewowa przelewa się ciecz klarowna. Wzdłuż osi pionowej aparatu umieszczony jest wał 7, którego dolna cześć zaopatrzona jest w grabie mieszające 8 nachylone pod pewnym kątem w celu przesuwania w czasie obrotu osadu do otworu znajdującego się na dnie zbiornika 6. Dno zbiornika jest stożkowe.
Rys. Odstojnik Dorra.
1- krawędź przelewowa
2- wał napędowy
3- grabie mieszające
4- dopływ cieczy z zawiesina
5- odpływ osadu
6- odpływ cieczy klarownej
Odstojniki buduje się ze stali, betonu lub drewna.
W celu lepszego wykorzystania miejsca w budynkach fabrycznych buduje się odstojniki wielokomorowe, składające się z kilku odstojników o malej wysokości, umieszczonych jeden na drugim.
Dwukomorowy odstojnik Dorra. Zasada działania odstojnika dwukomorowego jest taka sama jak jednokomorowego. Wydajność odstojnika jest proporcjonalna do powierzchni przekroju poprzecznego aparatu. W praktyce buduje się odstojniki 2-4 komorowe, w związku z tym i wydajność jest większa od jednokomorowego. Komory oddzielone są od siebie półkami, nad którymi są zabudowane ruchome grabie. Każda komora ma oddzielne urządzenie do napełniania i odprowadzenia cieczy klarownej. Kwestie odprowadzania osadu załatwia się w ten sposób, że z górnej komory przepuszcza się osad osiowo do dolnej części komory niższej, a z niższej na zewnątrz. Średnice odstojników wielopółkowych wynoszą 1,8-6 [m]. Wysokość odstojników waha się w granicach 1,8-4 [m]. Np. przy średnicy 5,5 [m] przyjmuje się wysokość w granicach 2,5 - 3,5 [m].
Odstojniki o poziomym przepływie cieczy (kaskadowy). Odstojniki tego typu bardzo dobrze pracują jako aparaty o podwójnym działaniu, tj. sedymentacji w połączeniu z klasyfikacją ziarna. Budowa aparatu jest bardzo prosta, składa się z szeregu skrzyń o kształcie pryzmatycznym lub stożkowym, które są ustawione szeregowo. Wytrącone ziarna opadają do skrzyń zależnie od wielkości, cięższe bliżej, lżejsze dalej.
Rys. Odstojnik o poziomym przepływie cieczy(kaskadowy).
1 -dopływ cieczy z zawiesina
2 - wylot osadu
3 - odpływ cieczy klarownej
Bateria odstojników Dorra .Często proces sedymentacji można łączyć z procesem przemywania osadu (dekantacja). Stosuje się wtedy kilka odstojników, zwykle systemu Dorra, ustawionych kaskadowo, co umożliwia przeciwprądową ciągłą dekantację. Osad zagęszczony z odstojnika niższego pompuje się pompą szlamową do zbiornika wyższego, gdzie miesza się on z cieczą klarowną odpływającą z odstojnika ustawionego jeszcze wyżej. Dzięki kaskadowemu ustawieniu aparatów, przepływ cieczy klarownej jest samoczynny. U góry baterii dopływa ciecz czysta przemywająca, u dołu zaś odpływa ciecz klarowna wzbogacona w składnik wymywany. Szlam zanieczyszczony dopływa do najniższego odstojnika wymyty zaś jest usuwany z najwyższego. W ten sposób są zachowane wszystkie cechy przeciwprądu.
Odstojnik Allena. Jest to aparat o działaniu ciągłym; popularnie nazywamy stożkiem Allena. Nazwa wywodzi się od kształtu aparatu. Kąt rozwarcia stożka wynosi zwykle 45 - 60°. Aparat jest zaopatrzony z zawór do odpuszczania osadu 7, który otwierany jest automatycznie lub ręcznie. Ciecz z zawiesiną wprowadzona jest do odstojnika przez centrycznie umieszczony otwór, który zaopatrzony jest stożek dopływowy 3, który zabezpiecza przed powstawaniem wirów. Klarowna ciecz spływa przez krawędź odstojnika 4 do obwodowej rynny 6 i odpływa na zewnątrz. Osad gromadzi się w dolnej części przy wierzchołku stożka. Proces sedymentacji powoduje zwiększenie się gęstości zawiesiny w dolnej części stożka, co z kolei zwiększa siłę wyporu hydraulicznego pływaka sterującego 8. Ruch pływaka ku górze przenoszony jest za pomocą systemu dźwigni 9 na zawór 7, który otwiera się samoczynnie i powoduje odpływ osadu. Ciężar pływaka może być zmieniany, wskutek czego zmienia się rodzaj odprowadzonego osadu. Działanie opisanego urządzenia jest automatyczne.
Rys. Odstojnik Allena.
1 -zbiornik,
2 -dopływ cieczy z zawiesina,
3 - stożek dopływowy,
4 - krawędź przelewowa,
5 -odpływ cieczy klarownej,
6 -przelew,
7 - zawór,
8 -pływak,
9 -układ dzwigni,
10 -ciężar regulujący,
11-warstwa osadu,
12-fundament
Odstojnik Dorra stożkowy. Jest to aparat o budowie stożkowej, stosowany do wytrącania osadu w procesie zmiękczania wody. Do górnej części aparatu poprzez zespół dopływowy 3 doprowadza się wodę. Woda klarowna jest odbierana z rynny biegnącej wokół górnej krawędź przelewowej 4. Zbierający się w dolnej części osad jest odprowadzany rurą 6.
Odstojnik do pracy półciągłej. Należy do grupy osadników, gdzie osad jest odprowadzany okresowo, a ciecz klarowna ciągle, de z wyjątkiem okresu czasu, w którym odprowadzany jest osad. Wówczas bowiem zwierciadło obniża się i ciecz klarowna nie może w tym czasie odpływać. Ciecz klarowna przelewa się przez krawędź przelewową 4, do rynny odpływowej 6. Osad jest odprowadzany z dolnej części aparatu okresowo. Dla lepszego i równomiernego odpływu cieczy klarownej krawędź przelewowa 4 jest ząbkowana.
Odstojnik pracujący okresowo. Najprostszym odstojnikiem, pracującym okresowo, może być każdy zbiornik, z którego po opadnięciu cząstek ciała stałego odprowadza się ciecz klarowną oddzieloną od ciała stałego. W tym przypadku do odprowadzenia cieczy klarownej zastosowano rurę 3, która zanurzona jest pod lustrem cieczy klarownej. Po odpuszczeniu cieczy klarownej z dolnej części odprowadza się zebrany osad przez otwarcie kurka 7.
Odstojnik talerzowy działaniu ciągłym. Aparat ten zmniejsza wysokość opadania cząstek ciała stałego przez zabudowie talerzową wnętrza zbiornika. Zawiesina doprowadzona góra (1) przepływa przez komorę (3) i spływa na obwodzie zbiornika w dół, dzięki czemu cząsteczki ciężkie doznają dodatkowego impulsu opadania. W każdej przestrzeni pomiędzy talerzami częściowe strumienie wznoszą się ku górze , przy równoczesnym osadzaniu się cząstek ciała stałego na powierzchniach talerzy. Ciecz klarowna dochodzi do górnego zbiornika, skąd przepływa do zbiornika zbiorczego (6). Szlam wydzielany na powierzchniach talerzy spływa na dno zbiornika, skąd zgarniacz (7) wypycha go do wylotu. Osadnik taki służy do wzbogacania zawiesiny i znajduje zastosowanie w przemyśle cukierniczym.
Rys. Osadnik talerzowy o działaniu ciągłym:
1- wlot zawiesiny,
2-rynna przelewowa,
3- komora do rozpraszania energii,
4- talerze stożkowe,
5-lej zbiorczy dla cieczy klarownej,
6-wlot cieczy klarownej,
7-zgarniacz osadu,
8- przenośnik ślimakowy,
9- wylot szlamu
Rozdzielanie zawiesin i emulsji w wyniku działania sił odśrodkowych prowadzi się w wirówkach sedymentacyjnych i filtracyjnych. W wirówkach filtracyjnych rozdzielanie odbywa się na przegrodzie filtracyjnej (na zasadzie filtracji), natomiast w sedymentacyjnych (na zasadzie sedymentacji) w polu działania sił odśrodkowych. Bębny wirówek filtracyjnych są perforowane tj. mają otwory na powierzchni bocznej, natomiast sedymentacyjnych są pełne (lite).
W wirówce okresowej objętość zawiesiny jest wlewana do bębna ręcznie lub przewodem zasilającym. W trakcie wirowania filtrat odpływa kanałem odpływowym, a osad po zatrzymaniu wirówki zgrania się ręcznie. W wirówkach o działaniu półciągłym, po wytworzeniu się odpowiednio grubej warstwy osadu dopływ zawiesiny zostaje zatrzymany i w czasie zwolnionych obrotów osad albo przez nóź albo przez pług zbierający jest usuwany z wirówki. Urządzenia o działaniu ciągłym pracują w sposób ciągły, są zasilane ciągłym strumieniem zawiesiny i również w sposób ciągły jest odbierany filtrat i osad z wirującego bębna.
Zdolność wirówek do rozdzielania określa się tzw. współczynnikiem rozdziału-uwielokrotnienia, zdefiniowanego jako stosunek siły odśrodkowej do siły ciężkości:
r - promień wirowania
g - przyspieszenie ziem. m/s2;
w - prędkość kątowa, rad/s;
D - średnica bębna;
n - liczba obrotów bębna, obr./min.
Wirówkę sedymentacyjną stanowi pełny, nieperforowany bęben, do którego podawana jest w sposób okresowy zawiesina, jako porcja objętości lub strumień zawiesiny. W wyniku wirowania bębna następuje rozdział mieszaniny i ciecz klarowna odpływa z wirówki rurą ssącą lub przez próg przelewowy. Cząstki ciała stałego osiadają na ścianie bębna i usuwane są okresowo lub w sposób ciągły zależnie od rodzaju pracy wirówki (okresowej lub ciągłej).
Wirówki sedymentacyjne bębnowe ze ślimakowym wyładowaniem osadu są konstruowane jako pionowe lub poziome z bębnem cylindrycznym lub cylindryczno-stożkowym. Wymiary bębna określa stosunek L/D = 1,5 - 3,5. Wewnątrz bębna zainstalowany jest ślimak do transportu wydzielonego osadu. Ślimak obraca się w tym samym kierunku co bęben, lecz z prędkością mniejsi lub większą tak, że różnica prędkości wynosi 5 ÷ 100 obr./min. Obroty bębna wirówki wynoszą 1600 ÷ 6000 obr./min. Surówka podawana jest osiowo pustym opałem ślimaka, wypływa przez otwory w ślimaku i jest odrzucana na ścianki wirującego bębna. Ciało stałe wydzielone pod wpływem działania siły odśrodkowej jest zbierane ze ściany bębna ślimakiem i przenoszone do części stożk...
chemicznyPWR