WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ
INSTYTUT TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ
ZAKŁAD INŻYNIERII I APARATURY CHEMICZNEJ
ODSTOJNIK
Projekt wykonany w ramach zajęć
Maszynoznawstwo i aparatura przemysłu chemicznego MARTA MARTYŁA
studia dzienne I stopnia 2010/2011
na kierunku Technologia Chemiczna
TEMAT PROJEKTU:
Wykonaj obliczenia odstojnika o działaniu ciągłym i wydajności m=28 t/h.
Parametry pracy odstojnika:
• stężenie początkowe zawiesiny: c =11%
p
• stężenie końcowe odprowadzanego szlamu: c =28%
k
• wielkość cząstek fazy stałej, które powinny zostać wydzielone z zawiesiny: d =34μm min
• masa fazy stałej w 1m3 szlamu: q=400 kg/m3
• gęstość fazy stałej: ρ =1700kg/m3
s
• gęstość fazy ciekłej: ρ =1000kg/m3.
c
UWAGI:
1
Co to jest zawiesina?
Zawiesina - układ niejednorodny, dwufazowy, w postaci cząstek jednego ciała rozproszonych (faza rozproszona) w drugim ciele (faza rozpraszająca), np. cząstek ciała stałego w gazie lub cząstek cieczy w cieczy. Jeżeli cząstki te są dostatecznie małe, mowa jest o układzie koloidalnym. Gęstość fazy rozproszonej w zawiesinach jest na ogół
większa niż gęstość fazy rozpraszającej i z tego powodu rozproszone cząstki fazy stałej mają tendencję do sedymentacji (opadania). Przykładami zawiesiny są: zupa, błoto, woda w jeziorze czy sok Kubuś. Średnica cząstek w zawiesinie jest większa od 100 nanometrów.
Sposoby rozdzielania zawiesin:
Można wyróżnić kilka sposobów rozdzielania zawiesin: sedymentacja- opadanie większych drobin zawiesiny (ciała stałego) na dno naczynia, dekantacja- metoda przemywania osadu wytrąconego w naczyniu, polegająca na zadaniu go odpowiednim rozpuszczalnikiem, wymieszaniu i odczekaniu do ponownego opadnięcia osadu, po czym zlewa się klarowną ciecz znad osadu. Czynność powtarzana jest wielokrotnie.
filtracja- metoda oddzielania substancji stałych od cieczy i gazów, poprzez mechaniczne zatrzymanie jednej z substancji (zwykle ciała stałego) w przegrodach porowatych (filtrach) przy użyciu odpowiednich aparatów. Ciecz lub gaz otrzymywane po filtracji nazywa się filtratem.
Co to są odstojniki?
Odstojnik (także osadnik) – zbiornik, w którym przebiega grawitacyjne osiadanie zanieczyszczeń zawartych (w postaci zawiesin) w zanieczyszczonej wodzie (również ściekach) z gospodarstw domowych, w kopalniach lub zakładach przemysłowych. Dzięki temu możliwe jest wykorzystywanie wody w obiegu zamkniętym lub odprowadzenie ścieków do kanalizacji w przypadku ścieków komunalnych lub rzeki w przypadku ścieków przemysłowych. Osadniki spełniają szczególną rolę w oczyszczalniach ścieków.
Rodzaje odstojników:
odstojnik Dorra - najczęściej stosowany w przemyśle. 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 do zasilacza , 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, którego dolna cześć zaopatrzona jest w grabie mieszające nachylone pod pewnym kątem w celu przesuwania w czasie obrotu osadu do otworu znajdującego się na dnie zbiornika. Dno zbiornika jest stożkowe.
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.
2
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.
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, który otwierany jest automatycznie lub ręcznie. Ciecz z zawiesiną wprowadzona jest do odstojnika przez centrycznie umieszczony otwór, który zaopatrzony jest stożek dopływowy, który zabezpiecza przed powstawaniem wirów. Klarowna ciecz spływa przez krawędź odstojnika do obwodowej rynny 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. Ruch pływaka ku górze przenoszony jest za pomocą systemu dźwigni na zawór, 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.
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, do rynny odpływowej. Osad jest odprowadzany z dolnej części aparatu okresowo. Dla lepszego i równomiernego odpływu cieczy klarownej krawędź przelewowa 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, która zanurzona jest pod lustrem cieczy klarownej. Po odpuszczeniu cieczy klarownej z dolnej części odprowadza się zebrany osad przez otwarcie kurka.
Czym są flokulanty i koagulanty?
Koagulacja to proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty tworzące fazę ciągłą o nieregularnej strukturze. Istnieje koagulacja odwracalna i nieodwracalna, a także spontaniczna i wymuszona. W wyniku koagulacji może następować zjawisko żelowania, tworzenia się past i materiałów stałych, sedymentacji lub pokrywania powierzchni mieszaniny warstwą fazy rozproszonej. Koagulanty-substancje nieorganiczne, neutralizują ładunki powierzchniowe na cząstkach, co umożliwia ich zderzenia i koagulację.
Flokulacja - jest to końcowy etap niektórych rodzajów koagulacji t.j. wypadania osadu z koloidów. Dokładnie jest to proces tworzenia się wiązań chemicznych między micelami, na skutek czego micele łączą się w duże agregaty, które w widoczny sposób wypadają z mieszaniny tworząc osad lub mętną zawiesinę. Flokulanty-wielkocząsteczkowe związki organiczne lub polimery tworzące struktury sieciowe, plastrowe itp.
3
II. Treść projektu i założenia wstępne: Wykonaj obliczenia odstojnika o działaniu ciągłym i wydajności m=28 t/h.
Parametry pracy odstojnika:
• stężenie początkowe zawiesiny: c =11%
p
• stężenie końcowe odprowadzanego szlamu: c =28%
k
• wielkość cząstek fazy stałej, które powinny zostać wydzielone z zawiesiny: d =34μm min
• masa fazy stałej w 1m3 szlamu: q=400 kg/m3
• gęstość fazy stałej: ρ =1700kg/m3
s
• gęstość fazy ciekłej: ρ =1000kg/m3.
c
4
DANE:
OBLICZENIA:
WYNIK:
3.1. BILANS MASOWY.
c = 1
,
0 1
ρ = ρ * c + 1
( − c ) * ρ
3
p
z
s
p
p
c
ρ = 1077 kg / m
z
3
ρ = 1700 kg / m
V = 0
,
0 072 m 3 / s
s
0
3
ρ = 1000 kg / m
ρ = 1700 kg / m 3 * 1
,
0 1+ 1
( − 1
,
0 )
1 *1000 kg / m 3
G = 77 5
, 4 kg / s
c
z
0
w = ,
0 07 m
5 / s
o
3
G =
8
,
5 2 kg / s
ρ = 1077 kg / m
szl
z
G = 7 ,
1 72 kg / s
c
t
1000 kg
kg
V = 28 = 28*
= 7
,
7 8
=
0
h
3600 s
s
1
1
m 3
= 7
,
7 8*
= 7
,
7 8*
= 0
,
0 072
ρ
1077 kg / m 3
s
z
m 3
kg
kg
G = V * ρ = 0
,
0 072
*1077
= 77 5
, 4
0
0
z
s
m 3
s
c * V *
3
3
ρ
p
0
c
1
,
0 1* 0
,
0 072 m / s *1000 kg / m
w =
=
= 0
,
0 7 m
5 / s
0
G
77 5
, 4 kg / s
0
G = G * w = 77 5
, 4 kg / s * 0
,
0 7 m
5 / s = 8
,
5 2 kg / s
szl
0
0
G = G − G = 77 5
, 4 kg / s − 8
,
5 2 kg / s = 71 7
, k
1 g / s
c
0
szl
3.2. ŚREDNICA GRANICZNA.
− 6
η = 1004 1
* 0 Pa * s
2
− 6
36η
36 1
* 004 1
* 0 Pa* s
d
− 4
= 7
,
3
10
*
m
d =
gr
3
3
=
3
ρ = 1700 kg / m
gr
(ρ − ρ )*ρ * g
1
( 70 k
0 g / m 3 − 100 kg
0 / m 3) 1
* 000 kg / m 3 * 8
,
9 m
1 / s 2
s
s
c
c
3
ρ = 1000 kg / m
c
2
g = 8
,
9 1 m / s
d
− 4
= 7,
3 1
* 0 m
5
gr
3.3. PRĘDKOŚĆ OPADANIA POJEDYNCZEGO ZIARNA.
− 6
η = 1004*10 Pa* s Prędkość uwarstwionego opadania pojedynczego ziarna: u = ,
5 2*10− 4 m / s
0
3
ρ = 1700 kg / m
s
d 2 *(ρ − ρ )* g
gr
s
3
ρ = 1000 kg / m
u
c
=
c
0
18η
2
g = 8
,
9 1 m / s
d
− 4
= ,
3 7 *10 m
gr
[( ,
3 7 1
* 0− 4 m)2 * 1
( 700 kg / m 3 − 1000 kg / m 3)* 8
,
9
m
1 / s 2 ]
u =
0
18*1004 1
* 0− 6 Pa * s
u = ,
5 2 1
* 0− 4 m / s
0
u = ,
5 2*10− 4 m / s Sprawdzenie poprawności wartości u Re = ,
0 017
0
0:
0
d
= 34 1
* 0− 6 m
min
u * d
* ρ
,
5 2 1
* 0− 4 m / s *34*10− 6 m 1
* 000 kg / 3
m
ρ = 1000 kg / m 3
Re
0
min
=
c =
c
0
η
1004 1
* 0− 4 Pa * s
η = 1004*10− 6 Pa* s
Re = 0
,
0 17
0
Re < 2
0
3.4. RZECZYWISTA PRĘDKOŚĆ OPADANIA.
ε = ,
0 6
Obliczenie wartości współczynnika K':
K'=0,066
e = ,
0 6
3
ε
(
)
6
,
0
3
K '= 1
,
0 23*
= 1
,
0 23*
= ,
0 066
1− ε
1− ,
0 6
K '=
0
,
0 66
Obliczenie rzeczywistej prędkości opadania:
u = ,
3 4 1
* 0− 5 m / s
rz
ψ = 1
− 4
u = ,
5 2 1
* 0− 4 m / s u = K '*ψ * u =
0
,
0 66 1
* * ,
5 2 1
* 0 m / s
rz
0
0
u = ,
3 4 1
* 0− 5 m / s
rz
3.5. POWIERZCHNIA OSADNIKA.
ck=0,26
Obliczenie stężenia ciała stałego w warstwie granicznej: c=0,64
24 * 2
c
24 * ( ,
0 26)2
c =
k
=
= ,
0 64
29* ck − 5
29 * ,
0 26 − 5
6
,
0 072 m 3 / s
Obliczanie powierzchni osadnika:
F=34,45m2
0
c = 1
,
0 1
p
F ⋅ u
1
c = ,
0 64
0 = −
V ⋅ c
d
u = ,
5 2 1
* 0− 4 m / s
2
4,8
0
0
c ⋅ (
1
( − c) )
0
dc
F ⋅ u
1
0 = 2
3,8
V ⋅ c
c ⋅
1
(
8
,
4
− c) )
0
0
V ⋅ c
0
0
F = 2
3,8
c ⋅
1
(
8
,
4
− c) ⋅ u 0
3
0
,
0 072 m / s * 1
,
0 1
F =
2
3,8
− 4
( 6
,
0
)
4 * 8
,
4 * 1
( −
6
,
0
)
4
* ,
5 2 1
* 0 m / s
2
F = 3 ,
4 45 m
3.6. RZECZYWIASTA POWIERZCHNIA ODSTOJNIKA.
F=34,45m2
Frz=1,35*F=46,51m2
Frz=46,51m2
3.7. ŚREDNICA ODSTOJNIKA
Frz=46,51m2
D = 1
,
1 3* F = 1
,
1 3* 46 5
, m
1 2 = 7 7
, m
1 ≈ m
8
D=8m
rz
Na podstawie średnicy odstojnika dobieram następujące parametry: n=0,234 obr/min = 0,0039 obr/s
N=1 kW
Nx=2 kW
i=3
Parametry te dobrałam na podstawie tabeli 1 pochodzącej z:
Henryk Bieszk „ODSTOJNIK – Dane wyjściowe i materiały pomocnicze do wykonania zadania
projektowego”, Gdańsk 2007.
3.8. OBJĘTOŚĆ WARSTWY SZLAMU.
w ≅ c = ,
0 26
ρ
3
k
k
s + w
V = 1
,
9 m
szl
k
V =
0
,
0 072 m 3 / s
ρ
0
V = V * c *[
c
]
szl
0
p
c = 1
,
0 1
ρ s
p
* w * n
k
ρ
ρ = 1000 kg / m 3
c
c
ρ = 1700 kg / m 3
s
kg
n =
0
,
0 03 o
9 br / s
1700 3
m + ,
0 26
kg
3
1000 3
m
V = ,
0 0072
* 1
,
0 1*[
m
]
szl
s
kg
1700 3
obr
m * ,
0 26* ,
0 0039
kg
1000
s
3
m
3
V = 1
,
9 m
szl
7
3.9. NATĘŻENIE PRZEPŁYWU SZLAMU.
3
V = 1
,
9 m
3
V = V * n = 1
,
9 m * 0
,
0 039 obr / s
V
szl
2
szl
2 = 0,036m3
n=0,0039 obr/s
3
V =
0
,
0 36 m
2
3.10. CZAS ZAGĘSZCZANIA ZAWIESINY.
h = ,
0 6 m
h
6
,
0 m
τ = 5042 ,
0 2 s
0
0
τ =
=
C = 3
,
0 5
u * C
,
3 4 1
* 0− 5 m / s * 3
,
0 5
1
rz
1
u = ,
3 4 1
* 0− 5 m / s
rz
τ = 5042 ,
0 2 s
3.11. WYSOKOŚĆ ODSTOJNIKA.
G = 77 5
, 4 kg / s
Obliczam wysokość strefy zagęszczania:
h
0
1 = 5,01m
τ = 5042 ,
0 2 s
G
2
F = 3 ,
4 45 m
s = 0,1 * G0 = 0,1 * 77,54 kg/s = 7,75 kg/s
3
ρ = 1700 kg / m
s
G τ
*
s
h =
1
F * ρ s
7,7 k
5 g / s *5042 ,
0 2 s
h =
= ,
5 0 m
1
1
3 ,
4 4 m
5 2 *1700 kg / m 3
D = 8m
Wysokość szlamu:
h2 = 0,584m
h2 = 0,073 * D = 0,073 * 8m = 0,584m
h =
6
,
0 m
Wysokość całkowita:
h = ,
6 2 m
0
h =
0
,
5
m
1
1
h =
5
,
0 84 m
h = h + h + h =
6
,
0 m + 0
,
5
m
1 + 5
,
0 84 m = 1
,
6 9 m ≈ ,
6 2 m
0
1
2
2
3.12. POWIERZCHNIA ŁOPATKI ZGARNIACZA.
D = 8m
Obliczanie czynnej szerokości zgarniacza:
l = 1,2m
i = 3
D −
D
1
,
0
m
8 − 1
,
0 * m
8
l =
=
= ,
1 2 m
i
2
2*3
D = 8m
Obliczanie powierzchni łopatki zgarniacza:
As = 25,6m2
l = 1,2m
π
2
2
A =
( D − ( D − 2 i)
s
4
π
2
2
2
A =
( 8
( m) − 8
( m − 2* )
3 ) = 25 6
, m
s
4
3.13. WYSOKOŚĆ ŁOPATKI ZGARNIACZA.
3
V = 1
,
9 m
V
m
1
,
9
3
b = 0,36m
szl
b
szl
=
=
= 3
,
0 6 m
2
A = 25 6
, m
A
25 6
, m 2
s
s
8
3.14.1. DO TRANSPORTU SZLAMU.
V =
0
,
0 36 m 3
d
2
4* V
2 = 0,39m
d
2
=
u =
m
3
,
0
/ s
2
π * u
2
2
4 * ,
0 036 m 3
d =
= 3
,
0 9 m
2
π *
m
3
,
0
/ s
3.14.2. DO TRANSPORTU ZAWIESINY.
V =
0
,
0 072 m 3 / s
4* V
d
0
0 = 0,12m
d
0
=
u = m
1 / s
0
π * u
3
3
4* 0
,
0 072 m 3 / s
d =
= 12
,
0
m
0
π * m
1 / s
3.14.3. DO TRANSPORTU CIECZY KLAROWNEJ.
G = 71 7
, 2 kg / s
Obliczam natężenie przepływu cieczy klarownej:
V
c
c = 0,072 m3/s
3
ρ = 1000 kg / m
c
G
7 ,
1 72 kg / s
V
c
=
=
= 0
,
0 72 m 3 / s
c
ρ
1000 kg / m 3
c
V =
07
,
0
2 m 3 / s
Obliczam średnicę rurociągu dla cieczy klarownej:
d
c
1 = 0,3m
u = m
1 / s
4
4* V
d
c
=
1
π * u 4
4 * ,
0 072 m 3 / s
d =
=
m
3
,
0
1
π * m
1 / s
IV. Spis treści:
strona
I. Wprowadzenie.
2
II. Treść projektu i założenia wstępne.
4
III. Część obliczeniowa.
5
3.1. Bilans masowy.
5
3.2. Średnica graniczna.
5
3.3. Prędkość opadania pojedynczego ziarna.
6
3.4. Rzeczywista prędkość osadzania.
6
3.5. Powierzchnia osadnika.
6
3.6. Rzeczywista powierzchnia odstojnika.
7
3.7. Średnica odstojnika.
7
3.8. Objętość warstwy szlamu.
7
3.9. Natężenie przepływu szlamu.
8
3.10. Czas zagęszczania zawiesiny.
8
3.11. Wysokość odstojnika.
8
3.12. Powierzchnia łopatki zgarniacza.
8
3.13. Wysokość łopatki zgarniacza.
8
3.14. Średnica rurociągu:
9
3.14.1. Do transportu szlamu.
9
3.14.2. Do transportu zawiesiny.
9
3.14.3. Do transportu cieczy klarownej.
9
IV. Spis treści.
9
V. Wykaz jednostek i oznaczeń.
10
VI. Literatura.
10
VII. Rysunek ofertowy w formacie A-4.
11
V. Wykaz oznaczeń i jednostek:
ρs - Gęstość ciała stałego
[kg/m3]
ρ - Gęstość czystej cieczy
[kg/m3]
c0 - Stężenie ciała stałego
V0 – wydajność
[m3/s]
G0 - natężenie masowe zawiesiny
[kg/s]
w0 - Szybkość opadania drobin
[m/s]
dgr - Średnica graniczna cząstek
[m]
u0 - Prędkość opadania pojedynczego ziarna
[m/s]
urz - Rzeczywista prędkość opadania
[m/s]
dz - Wymiar najmniejszej wydzielonej drobiny
[m]
g - Przyspieszenie ziemskie
[m/s2]
η - Lepkość cieczy klarownej
[Pa*s]
F - Powierzchnia osadzania
[m2]
Frz - Rzeczywista powierzchnia osadzania
[m2]
vszl - Objętość warstwy szlamu
[m3]
τ - Czas zagęszczania mieszaniny
[s]
h0 - Wymiar charakterystyczny zbiornika
[m]
C1 - stała
h1 - Wymiar charakterystyczny zbiornika
[m]
h2 - Wymiar charakterystyczny zbiornika
[m]
h - Wysokość całkowita zbiornika
[m]
As - Powierzchnia łopatek zgarniacza
[m2]
D - Średnica zbiornika
[m]
b - Wysokość łopatki zgarniacza
[m]
d0 - Średnica rurociągu do transport zawiesiny
[m]
d1 – średnica rurociągu do transportu cieczy klarownej
[m]
d2 - średnica rurociągu do transportu szlamu
[m]
VI. Literatura:
•
H. Bieszk, Odstojnik – dane wyjściowe i materiały pomocnicze do wykonania zadania projektowego, Gdańsk 2007.
•
T. Wilczewski, Pomoce projektowe z podstaw maszynoznawstwa chemicznego, Gdańsk 2008.
VII. Rysunek ofertowy.