Wybrane aparaty do rozdzielania zawiesin. Odstojniki

Transkrypt

1 Wybrane aparaty do rozdzielania zawiesin Odstojniki Dr inż. Henryk Bieszk Katedra Aparatury i Maszynoznawstwa Chemicznego PG 1

2 Określenie zawiesina odnosi się do układu złożonego z cieczy, stanowiącej fazę ciągłą (zwartą lub dyspergującą), i rozproszonej (zdyspergowanej) w niej fazy stałej. Umowny podział zawiesin w zależności od wielkości cząstek ciała stałego przedstawia tabela 1. 2

3 Tabela 1.Klasyfikacja zawiesin w zależności od wielkości cząstek ciała stałego Lp Drobna Rodzaj zawiesiny Makroniejednorodna (gruba) Bardzo drobna Roztwór koloidalny Wielkość cząstek stałych [μm ] > < 0.1 3

4 Aparaty do rozdzielania zawiesin podzielono, w zależności od sposobu separacji ziaren fazy stałej od cieczy na: aparaty, w których rozdział następuje w wyniku działania siły ciężkości; - odstojniki, aparaty, w których rozdział następuje na przegrodzie porowatej; - filtry, urządzenia, w których rozdział następuje w rezultacie działania siły odśrodkowej; -wirówki i hydrocyklony. 4

5 Odstojniki W odstojnikach, nazywanych również osadnikami następuje rozdział zawiesiny na ciecz klarowną (czystą) i szlam (fazę zagęszczoną). Odstojniki są aparatami typu zbiornikowego o kołowym (najczęściej) lub czworokątnym kształcie przekroju poziomego. 5

6 Rys.1. W odstojnikach następuje rozdział zawiesiny na ciecz klarowną (czystą) i szlam (fazę zagęszczoną). 6

7 Rys.2. Strefy sedymentacji fazy stałej w cieczy; 1- strefa cieczy klarownej, 2- strefa opadania swobodnego, 3- strefa opadania zakłóconego (faza podgęszczona), 4- strefa szlamu (faza zagęszczona) 7

8 Rys.3. Odstojniki są aparatami typu zbiornikowego najczęściej o kołowym kształcie przekroju poziomego 8

9 Rys.4. Odstojnik o kołowym kształcie przekroju poziomego 9

10 Rys.5. Odstojniki o prostokątnym kształcie przekroju poziomego 10

11 Aparaty te charakteryzują się znacznymi rozmiarami, stąd dąży się zazwyczaj do zapewnienia ciągłości ich pracy. Rozróżnia się odstojniki o działaniu okresowym, półciągłym i ciągłym. 11

12 W odstojnikach o działaniu ciągłym dopływ zawiesiny, odpływ cieczy klarownej oraz odpływ szlamu odbywa się w sposób ciągły. Przykładem takiego aparatu o działaniu ciągłym jest konstrukcja firmy Dorr-Oliver nazywana odstojnikiem Dorra. Jest to aparat cylindryczny z dnem stożkowym o dużym kącie rozwarcia. 12

13 W najwyższej strefie części cylindrycznej odstojnika na całym jej wewnętrznym obwodzie umieszczona jest prostokątna rynna stanowiąca przelew dla odprowadzanej z aparatu cieczy klarownej. Zawiesinę doprowadza się przewodem, usytuowanym współosiowo z wałem zgarniaczy, którego wylot znajduje się poniżej górnego poziomu cieczy w odstojniku skąd rozpływa się na całą powierzchnię przekroju poprzecznego odstojnika. rys. 6. Schemat jednokomorowego odstojnika Dorra przedstawia 13

14 Rys.6. Schemat odstojnika Dorra; 1- zbiornik, 2- rynna, 3- wał, 4- zgarniacz, 5- dopływ zawiesiny, 6- odpływ cieczy klarownej, 7- odpływ szlamu 14

15 Rys. 7. W najwyższej strefie części cylindrycznej odstojnika na całym jej wewnętrznym obwodzie umieszczona jest prostokątna rynna stanowiąca przelew dla odprowadzanej z aparatu cieczy klarownej. 15

16 W części stożkowej odstojnika pracują zgarniacze, mocowane do ramion wolnoobrotowego wału, kierując szlam z dna aparatu do króćca odpływowego. Odstojniki te budowane jako konstrukcje żelbetowe mają średnice dochodzące do 200 [m], wysokości do 7 [m], a częstość obrotowa wału zgarniaczy wynosi [obr/min]. 16

17 Rys.8. Odstojnik Dorra; schemat działania 17

18 W celu zwiększenia wydajności (przepustowości) oraz lepszego wykorzystania miejsca, budowane są odstojniki wielokomorowe, w których poszczególne komory umieszczone są jedna nad drugą. Liczba komór wynosi 2 7, ich średnice 3 20 [m], a wysokość ok. 2 [m]. Najczęściej buduje się odstojniki 2 4 komorowe. Schemat dwukomorowego odstojnika o działaniu ciągłym przedstawia rys

19 Rys. 9. Schemat dwukomorowego odstojnika o działaniu ciągłym; 1- komora I, 2- komora II, 3- przegroda międzykomorowa, 4- kierownica szlamu z komory I 19

20 Rys.10. Dwukomorowy odstojnik o działaniu ciągłym; schemat działania 20

21 Zasada działania odstojnika dwukomorowego jest taka sama jak omówionego aparatu jednokomorowego. Komory są oddzielone od siebie przegrodą, nad którą pracują zgarniacze szlamu. Każda komora posiada oddzielne dopływy zawiesiny oraz odpływy cieczy klarownej. Szlam spływa osiowo z komory górnej do dolnej części komory położonej niżej, a stąd króćcem odpływu szlamu na zewnątrz. 21

22 W odstojnikach do pracy o charakterze półciągłym szlam odprowadzany jest okresowo, a ciecz klarowna w sposób ciągły z wyjątkiem okresu czasu, w którym odpływa szlam. Ciecz klarowna przelewa się przez krawędź przelewową do rynny odpływowej, a stąd króćcem na zewnątrz aparatu. Dla równomiernego odpływu cieczy klarownej krawędź przelewowa jest ząbkowana. Szlam odprowadzany jest z dolnej części aparatu okresowo. Schemat takiego aparatu przedstawia rys

23 Rys. 11. Schemat stożkowego odstojnika o działaniu półciągłym; 1- zbiornik, 2- dopływ zawiesiny, 3- zespół dopływowy, 4- krawędź przelewowa, 5- odpływ cieczy klarownej, 6- odpływ szlamu, 7- zawór, 8- awaryjny odpływ szlamu 23

24 Rys.12. Stożkowy odstojnik Dorra; schemat działania 24

25 Zawiesina może być wprowadzana do odstojnika przez stożek dopływowy zapewniający łagodny rozpływ zawiesiny, ograniczający powstawanie zawirowań. Schemat takiego aparatu przedstawia rys

26 Rys.13. Odstojnik stożkowy; 1- stożek dopływowy zawiesiny 26

27 W odstojnikach do pracy o charakterze okresowym zawiesina doprowadzana jest okresowo i w taki sam sposób odprowadzana jest ciecz klarowna oraz szlam. Ciecz klarowną, po sedymentacji cząstek fazy stałej na dno odstojnika, odprowadza się rurą usytuowaną poniżej jej powierzchni, a następnie króćcem na zewnątrz aparatu. Szlam odprowadzany jest z dolnej części aparatu po odpływie z niego cieczy klarownej. Schemat takiego aparatu przedstawia rys

28 Rys. 14. Schemat odstojnika o działaniu okresowym; 1- zbiornik, 2- dopływ zawiesiny, 3- rura przegubowa, 4- odpływ cieczy klarownej, 5- odpływ szlamu, 6- mechanizm podnoszenia rury odpływu 28

29 Rys.15. Odstojnik o działaniu okresowym; schemat działania odpływ cieczy klarownej 29

30 Objętość odstojnika jest proporcjonalna do długości drogi opadania ziarna fazy stałej w cieczy. Objętość ta może być zmniejszona przez wypełnienie odstojnika płytami ustawionymi pod pewnym kątem (30 60 o ) do poziomu. Płyty oddalone od siebie o [mm], tworzą elementarne przestrzenie opadania i zmniejszają drogę opadania ziaren fazy stałej. Zwiększa się przy tym powierzchnia opadania. Odstojniki z wypełnieniem płytowym noszą nazwę lamelowych, schemat takiego aparatu przedstawia rys

31 Rys. 16. Schemat odstojnika lamelowego; 1- dopływ zawiesiny, 2- odpływ cieczy klarownej, 3- odpływ szlamu, 4- płyty (lamele) 31

32 Rys. 17. Odstojnik lamelowy; - schemat działania 32

33 Rys.18. Odstojnik lamelowy ruch elementów fazy stałej i cieczy klarownej 33

34 Najczęściej spotykane są odstojniki lamelowe, przeciwprądowe, w których zawiesina doprowadzana jest do środkowej części komory. Ciecz klarowna przepływa między płytami w kierunku przelewu górnego, a ziarna fazy stałej spływają po powierzchniach płyt do dolnej części komory, skąd są odprowadzane jako szlam. 34

35 Odstojniki oprócz zastosowań do rozdziału zawiesin, są stosowane do oczyszczania ścieków, rys. 19, jak również współpracują z innymi aparatami procesowymi jak filtry, wirówki; wymienniki ciepła rys. 20, a także reaktory czy piece, rys

36 Rys. 19. Odstojniki oprócz zastosowań do rozdziału zawiesin, są stosowane do oczyszczania ścieków. 36

37 Rys. 20. Odstojniki oprócz zastosowań do rozdziału zawiesin, współpracują z innymi aparatami procesowymi jak: wymienniki ciepła, filtry, czy wirówki. 37

38 Rys. 21. Schemat instalacji do spalania odpadów; 1- odstojnik, 2- pompa, 3- wirówka, 4- podajnik, 5- piec, 6- odpylacz 38

39 Proces sedymentacji można łączyć z przemywaniem szlamu. Do tego celu stosuje się kilka aparatów, zwykle systemu Dorra ustawionych kaskadowo, rys. 22, co umożliwia przeciwprądowe przemywanie ciągłe. Szlam z aparatu niższego pompuje się do odstojnika ustawionego wyżej gdzie przemywany jest cieczą klarowną z aparatu ustawionego jeszcze wyżej. 39

40 Rys. 22. Schemat baterii odstojników Dorra 40

41 U góry baterii dopływa czysta ciecz przemywająca, a u dołu odpływa czysta ciecz wzbogacona w składnik wymywany. Szlam zanieczyszczony dopływa do aparatu najniższego, zaś przemyty (oczyszczony) odpływa z ustawionego najwyżej. 41

42 W odstojnikach zachodzi proces opadania (sedymentacja) cząstek ciała stałego w cieczach. Teoretyczną prędkość swobodnego opadania kulistych cząstek ciała stałego można obliczyć z równania: u o d ( ρ ρ ) 2 s c = [m/s] (1) 18μ c g Z uwagi na znaczne stężenia fazy stałej, procesu opadania w odstojnikach nie można uznać za swobodny. Cząstki opadając zderzają się ze sobą i, w konsekwencji, prędkość opadania jest mniejsza od teoretycznej prędkości opadania u o. 42

43 Rzeczywistą prędkość opadania u rz przyjmuje się znacznie mniejszą: u = 0.5 rz u o [m/s] (2) Masowe natężenie przepływu fazy ciekłej Q Gc,określa równanie: Q = Q 100 c 100 p [kg/s] (3) Gc Gz gdzie: Q Gz masowe natężenie przepływu zawiesiny [kg/s], c p początkowe stężenie fazy stałej w zawiesinie [%]. 43

44 Masowe natężenie przepływu fazy stałej Q Gs,określa równanie: Q Gs = Q Q [kg/s] (4) Gz Gc Stężenia masowe fazy stałej na wlocie do, i wylocie z odstojnika wyrażają równania: x p c p = [kg c.s /kg cieczy ] (5) 100 c p oraz 44

45 x k c 100 k = [kg c.s /kg cieczy ] (6) c k gdzie: c k końcowe stężenie fazy stałej w szlamie (fazie zagęszczonej) [%]. Na podstawie znajomości natężenia przepływu cieczy, prędkości opadania cząstki i stężeń fazy stałej na wlocie do, i wylocie z odstojnika oblicza się jego powierzchnię na podstawie równania: A vc k p = [m 2 ] (7) k Q u rz x x k x 45

46 gdzie: k = 1.33 współczynnik uwzględniający nierównomierność rozpływu zawiesiny na powierzchni odstojnika, Q vc objętościowe natężenie przepływu cieczy doprowadzanej do odstojnika [m 3 /s]. Określenie wielkości odstojnika polega na wyznaczeniu jego powierzchni (A) i wysokości (H). Wzdłuż wysokości odstojnika można wyróżnić trzy strefy, rys.21: 1- strefa swobodnego opadania cząstek o wysokości h 1, 2 strefa zakłóconego, wskutek dużego zagęszczenia cząstek, opadania o wysokości h 2, 3 strefa szlamu (osadu) o wysokości h 3. 46

47 Rys.21. Odstojnik Dorra do pracy ciągłej; strefy opadania cząstek fazy stałej 47

48 Całkowita wysokość odstojnika jest sumą trzech wysokości: H= h + h + h [m] (8) gdzie: h 1 wysokość, na której zachodzi swobodne opadanie ziaren fazy stałej; (przyjmuje się [m]), h 2 wysokość, na której zachodzi zakłócone opadanie [m], h 3 wysokość warstwy szlamu (osadu), w której pracują zgarniacze. Wysokość warstwy podgęszczonej fazy stałej, w której zachodzi opadanie zakłócone określa równanie: 48

49 h 2 = m q sf [m] (9) gdzie: m sf masa fazy stałej przypadająca na [m 2 ] powierzchni odstojnika, q objętościowe stężenie fazy stałej [kg/m 3 ]. Dla obliczeń przybliżonych przyjmuje się, że wartość q = [kg/m 3 ]. Dokładną wartość należy wyznaczać eksperymentalnie. Masę fazy stałej przypadającej na [m 2 ] powierzchni odstojnika określa zależność: 49

50 m sf Q 3600 A Gs = [kg/m 2 ] (10) gdzie: Q Gs natężenie fazy stałej wg. równania (4), A powierzchnia odstojnika, wg. równania (7). Wysokość warstwy, w której pracują zgarniacze oblicza się z zależności: D h = [m] (11) 2 gdzie: D średnica odstojnika; [m]. 50

51 Średnicę odstojnika wyznacza się ze wzoru: D = 1.13 A [m] (12) gdzie: A powierzchnia odstojnika, wg. równania (7). 51