Аппараты для проведения процессов. В аппаратах для отстаивания суспензий и эмульсий используются си­лы земного притяжения и центробежные силы при наличии разницы в плотностях взвешенных частиц

ОТСТАИВАНИЯ ЖИДКО­СТЕЙ И ГАЗОВ

В аппаратах для отстаивания суспензий и эмульсий используются си­лы земного притяжения и центробежные силы при наличии разницы в плотностях взвешенных частиц и среды. Если плотность частиц меньше плотности среды, то они всплывают в среде основной жидкости; если плотность частиц больше плотности среды, то они опускаются на дно ап­паратов. В аппаратах для отстаивания пылей, дымов и туманов использу­ются те же принципы, с той только разницей, что твердые частицы или ка­пельки жидкостей всегда имеют большую плотность по сравнению с газа ми и опускаются на дно аппарата. Производительность отстойников зави­сит от скорости осаждения частиц и от поверхности отстаивания. В связи с этим отстойники имеют большую площадь свободного сечения и незначи­тельную высоту.

Схема гребкового отстойника твердых частиц непрерыв­ного действия показана на рис. 4.5. Суспензия подается в центр аппарата, имеющего поло­гое коническое днище 4. Во вре­мя ее радиально­го движения к расположенному на периферии кольцевому же­лобу 1 происхо­дит осаждение твердых частиц на днище. Медленно вращающаяся рама 6 (скорость вращения 2-20 оборотов в час) с помощью гребков 3, прикрепленных к ней под углом, перемещает осадок к центру, откуда он отсасывается насосом. Осветленная жидкость переливается через край корпуса в желоб 1 и отводится из аппарата через выходной штуцер. Диаметр отстойников достигает 60 м. Значительно более компактны двухъярусные и многоярусные отстойники, представляющие собой конструкции, собранные из нескольких отстойников, расположенных друг над другом.

На рис. 4.6 показана схема непрерывно дей­ствующего отстойника эмульсий, представляющего собой полый го­ризонтальный ци­линдрический aппарат. Эмульсия по подводящему трубопроводу 1 вводится через боковую стенку корпуса 2. Капли легкой жидкости, имеющей плотность р₁ всплывают вверх, образуют сплошной слой и удаляются из отстойника через верхний патрубок 4. Тяжелая жид­кость, имеющая плотность р₂, отводится снизу аппарата через патрубок 3. Патрубки для отвода легкой и тяжелой жидкостей размещаются на отмет­ках h₁ и h₂ (при размещении патрубков необходимо учитывать соотно­шение p₁h₁= p₂h₂). Обводная линия 5 служит для компенсации давления в паровом пространстве аппарата и обеспечения постоянства отвода жидко­стей.

Для интенсификации отстаивания эмульсий процесс проводят в элек­трическом поле переменного тока высокого напряжения (20-50 кВ), под действием которого частицы однородных жидкостей сливаются вместе, что способствует ускорению процесса отстаивания. Аппараты для разде­ления эмульсий в электрическом поле называются электроразделителями или электродегидраторами. Их используют, в частности, в нефтеперераба­тывающей промышленности для очистки нефти и готовой продукции (бен­зина, дизельного топлива и других нефтепродуктов) от примеси воды. Электродегидраторы бывают цилиндрические (горизонтальные и верти­кальные) и сферические.

На рис. 4.7 приведен поперечный разрез горизонтального электродегидратора с нижней подачей сырья, рас­считанного на давление 1,0 МПа и температуру 110°С и выше. Диаметр корпуса элек­тродегидратора составляет 3,5 м, длина около 18 м, ем­кость около 160 м³. Произво­дительность электродегидра­тора по нефти достигает 6000 т/сутки. Для защиты от кор­розии внутренняя поверх­ность корпуса и днищ элек­тродегидратора покрыта эма­лью.

Поступающая в аппарат через штуцер 1 эмульсия, по мере ее движения снизу вверх, последовательно про­ходит через зоны воздейст­вия слабого и сильного электрических полей. Напряженность электрического поля достигает макси­мального значения в зоне, расположенной между нижним 3 и верхним 4 электродами. Устройство нижнего 2 и верхнего 5 маточников (перфориро­ванных труб) способствует равномерному распределению эмульсии по се­чению электродегидратора. Такая конструкция электродегидратора позво­ляет отделять самые крупные капли воды в нижней части аппарата, а наи­более мелкие - в межэлектродном промежутке. Обезвоженная нефть отво­дится через верхний штуцер 6, а вода - через коллектор 9. К электродам 3 и 4, подвешенным внутри электродегидратора на гирляндах из высоко­вольтных тарельчатых изоляторов 8, от вторичной обмотки трансформато­ра с помощью шин, проходящих через изоляторы 7, подводится перемен­ный электрический ток с напряжением до 30000 В. Расстояние между электродами (в зависимости от подводимого напряжения) составляет 100-150 мм.

Для отстаивания взвешенной пыли из потока газа используются аппа­раты различных типов. На рис. 4.8 показана пылеосадительная камера, сущность работы которой заключается в резком уменьшении скорости движения газового потока и осаждении твердых частиц на дно камеры или горизонтальные перегородки под действием силы тяжести.

Очистка газов от пыли, а также разделение эмульсий и суспензий бо­лее эффективно происходит в аппаратах циклонного типа. На рис. 4.9 по­казана схема циклона для очистка газа от пыли. В цилиндроконическом корпусе 1 имеется аксиально расположенный патрубок 4. По­ступающий в циклон по тангенциально расположенному патрубку 2 запы­ленный газ приобретает вращательное движение. Величина центробежной силы Р_ц, действующей на частицу массой m, определяется из выражения

F_ц = - m ω² r, (4.1)

где ω - угловая скорость частицы; r- радиус вращения частицы.

Твердые частицы под действием центробежной силы движутся к стенкам конического днища аппарата и одновременно перемещаются вниз под воздействием силы тяжести. Осевшая пыль выводится из циклона че­рез нижний патрубок 3, а обеспыленный газ по патрубку 4 отводится из зоны разделения и выводится из аппарата.

Аналогично работают гидроциклоны для разделения эмульсий и сус­пензий. Степень очистки газов от пыли в циклонах относительно неболь­шая и достигает 60-90 %, но значительно выше, чем в пылеосадительных камерах. В целях увеличения эффективности очистки без значительного увеличения гидравлического сопротивления системы прибегают к умень­шению радиуса вращения газа и замене одного циклона несколькими меньшими. Такой принцип по­ложен в основу устройства батарейного

циклона (рис. 4.10), в общем корпусе которого на перегородке 7 смонтировано 50-100 и более параллельно работающих ци­клонных элементов 2, имею­щих диаметр 150-250 мм. В корпусе 3 каждого элемента имеются выхлопные трубы 5 свинтовыми лопастями 4.

К числу недостатков ци­клонов относятся: невысокая степень очистки от тонкодис­персной пыли, высокое гид­равлическое сопротивление, большой расход энергии на очистку, механический износ стенок аппарата частицами пыли, высокая статическая электризация час­тиц пыли, возможность образования отложений пыли на стенках циклона, если температура поступающих на очистку газов снизится ниже точки ро­сы (коэффициент запаса должен быть не менее 15-20 °С).

В определенных случаях для неглубокой очистки газов от грубой пы­ли используются инерционные пылеуловители. Схема работы инерци­онного жалюзийного золоуловителя показана на рис. 4.11. В корпусе 1 такого пылеуловителя имеются концентрические конические кольца разного диаметра 2 или наклонные перегородки. Твердые час­тицы золы (пыли), движущиеся по золоуловителю вместе с потоком газа, ударяются под действием силы инерции о кольца (перегородки) и отбрасы­ваются от них в противо­положную движению ос­новного потока газа сторо­ну. Большая часть очищен­ного газа (около 90 %) об­текает перегородки и уда­ляется с помощью дымосо­са в атмосферу, а остальная его часть с золой (пылью) по центральному патрубку 3 направляется на дополнительную очистку в циклоне. Несмотря на простоту и компакт­ность, а также отсутствие движущихся частей, жалюзийные пылеуловите­ли обладают существенными недостатками: невысокой степенью очистки (отделяется только грубая пыль), большим гидравлическим сопротивлени­ем, износом конических колец (перего­родок) и частым забиванием их пылью.

Аппараты для разделения пылей и туманов в электрическом поле называ­ются электрофильтрами. На рис. 4.12 показана схема трубчатого электрофильтра, который представляет собой вертикальную ка­меру 1 с газоходами для входа 6 и вы­хода газа 8. В камере установлены осадительные электроды 2 (трубы диамет­ром 150-300 мм) длиной 3-6 м, вдоль оси которых с помощью рам 4 и 5 на­тянута проволока коронирующие электроды 3. К нижней раме 5 подве­шены грузы для натяжения проволоки, рама 4 подвешена на электроизолято­рах и подключена высоковольтным ка­белем к отрицательному полюсу повысительно- выпрямительного агрегата. Распределительная решетка 7 служит для равномерного распределения запыленного газа по сечению фильтра. При улавливании тумана образующаяся жидкость сама стекает с осадительных электродов 2; при улавливании пыли последнюю приходиться периодиче­ски стряхивать с электродов с помощью вибратора или механизма ударно­го действия 9 после отключения напряжения.

Аналогично устроены пластинчатые электрофильтры, в которых роль осадительных электродов выполняют пластины, расположенные на рас­стоянии 150-200 мм друг от друга.

Сущность процесса очистки газа от пыли (тумана) заключается в следующем. Если к двум специально подобранным электродам в виде двух концентрических цилиндров (провода и трубы) или цилиндра и плоскости (провода и пластины) подвести постоянное напряжение выше критическо­го, присоединив провод к отрицательному полюсу источника тока и зазем­лив трубу или пластину, то между ними образуется неоднородное поле с самостоятельным газовым разрядом (то есть с прохождением тока между электродами в газовом пространстве). При этом в темноте видно голубова­тое свечение около провода, называемое коронным разрядом или короной. В области короны градиент напряженности электрического поля выше пробивного, но пробой газа является местным, так как по мере удаления от провода напряженность поля резко падает. Когда между электродами про­ходит запыленный газ, то электроны, сталкиваясь с частицами пыли, при­соединяются к ним и нейтральная пыль приобретает отрицательный заряд. Пылинки притягиваются к пластине, имеющей заряд противоположного знака, и осаждаются на ней.

При улавливании пыли, хорошо проводящей электрический ток, ее слой на осадительном электроде получает положительный заряд и оттал­кивается в газовый поток, что приводит к выносу пыли из фильтра. Если пыль не электропроводная, то она образует на осадительном электроде возрастающий во времени плотный отрицательно заряженный слой, про­тиводействующий основному полю и снижающий эффективность пылеотделения. Для исключения этого вредного явления пыль, осевшую на элек­тродах, либо периодически удаляют встряхиванием электродов после от­ключения напряжения, либо увлажняют водой, увеличивая ее проводи­мость. Эффективность улавливания пыли в электрофильтрах достигает 99,5 % и более.

Питание всех типов электрофильтров (пластинчатых, трубчатых, го­ризонтальных, вертикальных, сухих и мокрых) осуществляется постоян­ным током с напряжением 40-75 кВ.

Основные недостатки электрофильтров: большой расход энергии, а также появление на производстве мощных источников зажигания электри­ческого происхождения.