2.Aparaty do rozdzielania układów niejednorodnych

Układ niejednorodny - to mieszanina składająca się z co najmniej dwóch faz np. ciecz i ciało stałe, ciecz i gaz itp. oraz do układów ciekłych utworzonych z cieczy wzajemnie nie mieszających się ze sobą. Fazy występują w różnych ilościach, składnik występujący w przewadze w porównaniu z innymi nazywany jest fazą zwartą lub ciągłą, bądź rozpraszającą dyspergującą) pozostałe tworzą fazę rozproszoną (zdyspergowaną).

Tabela 1. Układy niejednorodne; ich składniki i nazewnictwo

Faza rozproszona	Faza zwarta	Mieszaniny
Ciało stałe	Ciecz	Zawiesina
Ciecz	Ciecz	Emulsja
Gaz	Ciecz	Piana
Ciało stałe	Gaz	Pył, dym, aerozol
Ciecz	Gaz	Mgła
ciecz	Ciało stałe	Pasta

Aparaty do rozdzielania zawiesin i emulsji

Aparaty do rozdzielania zawiesin podzielono w zależności od sposobu separacji ziaren fazy stałej od cieczy na:

• Odstojniki- w których rozdział następuje w wyniku działania siły ciężkści

• Filtry- w których rozdział następuje na przegrodzie porowatej

• Wirówki i hydrocyklony- w których rozdział następuje w rezultacie działania siły odśrodkowej

Odstojniki (osadniki)

Odstojniki są zbiornikami o dużej powierzchni wyposażonymi w mieszadła grabiowe. Rozdzielanie w odstojniku oparte jest na opadaniu cząstek stałych z prędkością zależną od ich rozmiaru i stężenia (proces sedymentacji). Efektem procesu rozdzielania jest uzyskanie cieczy klarownej i szlamu (fazy zagęszczonej)

Każdy odstojnik dzieli się na 4 strefy (rys 1 ) cieczy klarownej(1) opadania swobodnego (2), opadania zakłóconego( 3) oraz szlamu.

Podstawowym zastosowaniem odstojników jest oczyszczanie ścieków. Urządzenia te wykorzystywane są w przemyśle spożywczym oraz przy prowadzeniu bardziej złożonych procesów we współpracy z filtrami, wirówkami czy wymiennikami ciepła. Odstojniki dzieli się na służące do pracy ciągłej, okresowej i półokresowej, jednak z powodu dużych wymiarów tego typu maszyn dąży się do zapewnienia możliwości ciągłego działania. Charakterystyczną cechą odstojnika do pracy ciągłej jest stały dopływ zawiesiny oraz stały odpływ szlamu i cieczy klarownej. W odstojnikach o działaniu półciągłym doprowadzanie zawiesiny i odprowadzanie cieczy klarownej realizowane jest w sposób ciągły, natomiast szlam usuwany jest okresowo. Do odstojnika okresowego doprowadza się jednorazowo zawiesinę. W miarę rozdziału zawiesiny ciecz klarowną odprowadza się okresowo króćcami. Po opróżnieniu odstojnika z cieczy klarownej następuje usunięcie osadu króćcem usytuowanym na dnie aparatu.

Przykładem odstojnika do pracy ciągłej jest urządzenie firmy Dorr-Oliver nazywane odstojnikiem Dorra (rys.2). jest to aparat cylindryczny z dnem stożkowym o dużym kącie rozwarcia. W części stożkowej pracują zgarniacze zamontowane na wolnoobrotowym wale, przesuwające szlam w kierunku króćca wylotowego skąd jest odbierany pompą szlamową. Zawiesinę doprowadza się przewodem usytuowanym współosiowo z wałem zagarniaczy, którego wylot znajduje się poniżej górnego poziomu cieczy w odstojniku skąd rozpływa się na całą powierzchnię przekroju poprzecznego zbiornika.

Filtry

W filtrach prowadzona jest operacja filtracji- proces oddzielenia cząsteczek ciała stałego od płynu przy pomocy porowatej przegrody filtracyjnej (filtr). Rozróżnia się filtrację oczyszczającą (klarowanie) stosowana do zawiesin o stężeniu fazy stałej <1% w celu uzyskania filtratu, oraz filtrację rozdzielającą (separacyjną), która stosowana jest do zawiesin o stężeniu fazy stałej >1% w celu uzyskania filtratu lub wartościowego osadu.

Podział filtrów ze względu na:
Charakter pracy
okresowe
ciągłe

Najprostszy filtr składa się ze zbiornika do którego doprowadza się zawiesinę oraz z tkaniny filtracyjnej umieszczonej na perforowanym dnie tego zbiornika.

Zadaniem przegrody (tkaniny filtracyjnej) jest zatrzymanie cząstek ciała stałego w postaci „placka filtracyjnego” , a przepuszczenie płynu (przesączu).

Przegrody filtracyjne najczęściej wykonane są z :

• materiałów włóknistych, jak włókna, tkaniny azbestowe, z tworzyw sztucznych. (Dobór tkaniny zależy od agresywności filtrowanej cieczy)

• porowatych materiałów ceramicznych np. szkło piankowe

• materiałów ziarnistych: piasek, żwir

Silą napędową filtracji jest w wielu przypadkach ciśnienie hydrostatyczne, różnica ciśnień słupa cieczy nad warstwą filtracyjną (jeśli opór jest niewielki).

Jeśli opory przepływu są większe, wtedy stosujemy filtry próżniowe albo filtry ciśnieniowe.

Ogólne równanie filtracji

gdzie:

V_s – strumień objętościowy, natężenie przepływu [m³/s] ΔP –różnica ciśnień (ciśnienie nad przegrodą - ciśnienie pod przegrodą)

R_p, R_os – opór przegrody i opór osadu

Filtrację najczęściej prowadzimy pod stałym ciśnieniem . tzn. różnica ciśnień jest utrzymywana na stałym poziomie.

Równanie Rutha – określa ilość przefiltrowanej cieczy przez powierzchnię przegrody filtracyjnej

kτ = V²+2VC

τ – czas filtracji

k –stała kinetyczna

V – ilość przefiltrowanej cieczy

C – stała charakteryzująca filtrowany układ

Filtry o działaniu okresowym

a) filtry z przegrodą ziarnistą utworzona np. z żwiru czy piasku. Warstwa ziarnista znajduje się na ruszcie przy czym bezpośrednio na dnie rusztowym usypane są ziarna największe w wyższej części warstwy znajdują się ziarna najmniejsze. Filtry te stosowane są do filtracji zawiesin o bardzo małym stężeniu fazy stałej np. wód przemysłowych, rzecznych, ścieków.

Przepływ cieczy w filtrze może odbywać się pod działaniem ciśnienia hydrostatycznego lub ciśnienia wytworzonego przez pompę podającą zawiesinę

W miarę wypełnienia przestrzeni międzyziarnowej warstwy filtracyjnej osadem, wzrastają opory przepływu filtratu i szybkość filtracji zmniejsz się.

b) filtry z przegrodą tkaninową (nucze filtracyjne próżniowe i ciśnieniowe, prasy filtracyjne)

• Nucza próżniowa zbudowana jest z cylindrycznego lub prostopadłościennego zbiornika z przegrodą filtracyjną (z tkaniny lub porowatych płytek ceramicznych) umieszczoną powyżej jej dna. W dennicy zbiornika znajduje się króciec spustowy połączony ze zbiornikiem filtratu, który łączy się z pompą próżniową. Pompa zostaje włączona po napełnieniu filtru zawiesiną i sedymentacji części fazy stałej na przegrodzie filtracyjnej. Wskutek spadku ciśnienia poniżej przegrody wzrasta różnica ciśnień w sferach nad powierzchnią zawiesiny i poniżej przegrody, co zapewnia określoną szybkość filtracji.

• W nuczy filtracyjnej ciśnieniowej filtracja odbywa się pod ciśnieniem sprężonego powietrza lub innego gazu obojętnego, działającym na powierzchnię zawiesiny.

• Prasy filtracyjne należą do ciśnieniowych filtrów okresowych z przegrodą tkaninową. Prasa filtracyjna ramowa składa się z naprzemiennie ułożonych płyt i ram dociśniętych do siebie. Miedzy płytami i ramami umieszczone są przegrody z tkanin filtracyjnych. Ramy i płyty mają przelotowe otwory, które tworzą przewody wzdłuż prasy do których doprowadza się zawiesinę lub ciecz przemywającą (w czasie przemywania). Wszystkie płyty mają u dołu króćce zamykane zaworami, którymi w czasie filtracji odpływa filtrat. Osad gromadzi się na tkaninie filtracyjnej. Po zakończeniu filtracji następuje przemywanie osadu.

c) filtry z przegrodą ceramiczną

Do najbardziej znanych należą filtry świecowe o działaniu okresowym. W ciśnieniowym zbiorniku cylindrycznym umieszczone są ceramiczne elementy filtrujące tzw świece wykonane w kształcie rur cylindrycznych zamkniętych od dołu. Ich otwarte końce zamocowane są w dnie sitowym połączonym ze zbiornikiem filtratu. Zawiesinę wprowadza się do przestrzeni między świecami pod ciśnieniem, skąd ciecz przenika przez ścianki elementów filtrujących na zewnątrz.

Filtry o działaniu ciągłym

Stosowane są do filtrowania zawiesin o dużym stężeniu fazy stałej (>30% masowych).

1. Filtr bębnowy próżniowy

W skład filtru wchodzi cylindryczny bęben podzielony na sekcje, którego boczna ściana, wykonana z dziurkowanej blach, obciągnięta tkaniną, stanowi przegrodę filtracyjną. Bęben obraca się w tzw. wannie, do której doprowadzana jest zawiesina. W wannie zainstalowane jest mieszadło , które przeciwdziała sedymentacji cząstek fazy stałej. Jeden z czopów bębna stanowi element układu napędowego, drugi jest tzw. głowicą ruchomą filtru. Głowica ruchoma łączy się z nieruchomą głowicą rozdzielczą filtru, która łączy sekcje filtru z układem ciśnieniowym i próżniowym. Sekcje bębna łączą się z układem próżniowym. Pod działaniem różnicy ciśnień pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną przestrzenią bębna na jego zewnętrznej powierzchni odkłada się osad, a filtrat zostaje poprzez głowicę rozdzielczą odprowadzony do zbiornika filtratu.

1. Filtr bębnowy ciśnieniowy

Ma bęben obciągnięty tkaniną filtracyjną umieszczony w zamkniętym płaszczu zbiornika ciśnieniowego (3-4 bar). Filtrat przepływa przez przegrodę filtracyjną do wnętrza bębna , skąd odpływa przewodami w głowicach ruchomej i nieruchomej na zewnątrz filtru. Osad z wędrującej tkaniny filtracyjnej spada do przenośnika, przy zmianie kierunku jej ruchu podczas przejścia przez wałek z otworami, do których doprowadza się sprzężone powietrze ułatwiające usuwanie osadu. Przenośnik ślimakowy odprowadza osad na zewnątrz.

1. Filtry talerzowe

Na wolnoobrotowym wale osadzony jest talerz filtru. Pozioma przegroda dziurkowana stanowiąca górne dno talerza jest pokryta tkaniną filtracyjną. Przestrzeń talerza miedzy jego dnami (górnym dziurkowanym i dolnym pełnym) podzielona jest pionowymi przegrodami na wiele komór połączonych przewodami z głowicą ruchomą filtru, która przesuwa się po powierzchni jego głowicy nieruchomej. Zawiesina doprowadzana na talerz ulega filtracji wskutek różnicy ciśnień panującej po obu stronach przegrody filtracyjnej. Filtrat odpływa króćcem w głowicy nieruchomej, połączonym z układem próżniowym poprzez zbiornik filtratu. Osad pozostaje na przegrodzie filtracyjnej i po przemyciu jest usuwany zgarniakiem.

1. Filtry taśmowe

Przegrodę filtracyjną stanowi tkanina umieszczona na gumowej perforowanej taśmie nośnej, opasająca dwa bębny i wałki napinające. Górna część taśmy przesuwa się po stole podzielonym na komory połączone z układem próżniowym . Zawiesina podawana jest na przegrodę filtracyjną na jednym końcu filtru, osad odbierany jest na drugim końcu gdzie następuje zmiana kierunku ruchu przegrody filtracyjnej. Filtrat przepływa przez tkaninę, otwory w taśmie do odpowiedniej komory stołu i dalej do zbiornika filtratu. Nad kolejnymi komorami następuje przemycie osadu cieczą wypływającą ze zraszaczy. Osad odprowadzany jest z tkaniny filtracyjnej w miejscu zmiany kierunku jej ruchu, czyli na wałku.

Wirówki

Rozdzielanie zawiesin w wyniku działania sił odśrodkowych prowadzi się w wirówkach:

• Sedymentacyjnych (rozdzielanie w polu działania sił odśrodkowych)

• Filtracyjnych (rozdzielanie na przegrodzie filtracyjnej)

Ściany bębnów wirówek filtracyjnych są perforowane, a sedymentacyjnych pełne.

Wirówki charakteryzuje współczynnik rozdziału, czyli stosunek siły odśrodkowej do siły ciężkości

Gdzie:

ω- prędkość kątowa obrotu bębna [rad/s]

n- częstość obrotów bębna [obr/min]

r, D- odpowiednio promień i średnica bębna [m]

g- przyśpieszenie ziemskie [m/s²]

Ze względu na współczynnik rozdziału Z rozróżnia się wirówki:

• Zwykłe Z= 500÷4000

• Ultrawirówki Z= 6000÷50000

W zależności od charakteru pracy wyróżnia się wirówki o działaniu:

• Okresowym

• Półciągłym

• Ciągłym

Biorąc pod uwagę położenie wału napędowego wirówki dzieli się na: poziome i pionowe

Ze względu na sposób wyładowania osadu rozróżnia się wirówki:

• Z ręcznym wyładowaniem osadu

• Z mechanicznym wyładowaniem osadu

Wirówka sedymentacyjna o działaniu okresowym z ręcznym wyładowaniem osadu posiada bęben wykonany z pełnej blachy, który umieszczony jest w nieruchomej obudowie.( Rys 1)

Bęben napędzany jest przez wał, który wprawia go w ruch obrotowy. Zawiesinę doprowadza się przewodem. W czasie wirowania zawiesina wskutek działania siły obrotowej tworzy pierścieniową warstwę, w której ziarna fazy stałej zajmują położenie przy wewnętrznej ścianie bębna, natomiast ciecz tworzy warstwę bliżej osi obrotu bębna.

W wirówce o działaniu półciągłym zawiesina dopływa w sposób ciągły i w sposób ciągły odpływa nadmiar cieczy klarownej. Osad usuwa się okresowo po uprzednim zatrzymaniu bębna. Rys.2

W wirówce sedymentacyjnej poziomej o działaniu ciągłym wszystkie podstawowe czynności:

Doprowadzanie zawiesiny, odprowadzanie cieczy klarownej i odprowadzanie osadu przebiegają jednocześnie.

Wewnątrz stożkowego bębna zainstalowany jest ślimak do transportu wydzielonego osadu. Zawiesina doprowadzana jest wałem ślimaka i przez otwory w jego ścianie rozpływa się na bęben gdzie następuje jej rozdział. Obroty bębna i ślimaka różnią się od siebie do ok 2%.

Wirówki sedymentacyjne rurowe stosowane są do rozdzielania zawiesin o bardzo małym stężeniu fazy stałej (<1%). Rys.4

Zawiesina doprowadzana jest od dołu, ciecz klarowna odpływa górą bębna, a osad gromadzi się na ścianie bębna. Zaleta tych wirówek jest osiąganie wysokich wartości współczynnika rozdziału, dlatego nazywane są ultrawirówkami.

Separatory talerzowe najczęściej o działaniu ciągłym z hydraulicznym wyładunkiem zagęszczonej zawiesiny stosowane są do klarowania zawiesin rys.6

Przestrzeń osadzonego na wale bębna separatora jest podzielona na szereg warstw przez pakiet od 40 do 100 stożkowych talerzy na które wpływa zawiesina rozdzielając się na szlam i ciecz. Oprócz separatorów talerzowych stosowane są mniej intensywne separatory komorowe

Wirówki filtracyjne

Stosowane głównie do filtracji zawiesin gruboziarnistych, w sytuacjach gdy wymagane jest przemywanie osadu oraz gdy zachodzi konieczność uzyskania osadu maksymalnie pozbawionego fazy ciekłej. Istotne jest aby osad był dobrze przepuszczalny. Ściany bębnów wirówek filtracyjnych są dziurkowane, a w celu zatrzymania najdrobniejszych ziaren fazy stałej na wewnętrznej powierzchni bębna stosuje się dodatkowe sita lub tkaniny filtracyjne. Wirówki filtracyjne również mogą pracować w sposób okresowy, półciągły lub ciągły.

1. Wirówka filtracyjna o działaniu okresowym

Posiada osadzony na pionowym wale bęben, który umieszczony jest w nieruchomej obudowie

W obudowie znajdują się króćce do odprowadzania filtratu i osadu. Na wewnętrznej powierzchni bębna tworzy się warstwa osadu, a filtrat wypływa do przestrzeni między wirującym bębnem a nieruchomą obudową, skąd króćcem odpływa na zewnątrz wirówki. Osad po odwirowaniu cieczy i ewentualnym przemyciu jest usuwany ręcznie po zatrzymaniu bębna. Wirówki filtracyjne o działaniu okresowym z wyładunkiem ręcznym stosuje się do rozdziału zawiesin zawierających materiały włókniste i ziarniste.

1. Wirówka filtracyjna o działaniu półciągłym

Poziomo usytułowany bęben umieszczony w nieruchomej obudowie. Zawiesina ulega rozkładowi podczas ruchu obrotowego, filtrat odprowadzany jest króćcem. Po wytworzeniu na wewnętrznej powierzchni bębna odpowiednio grubej warstwy osadu odcina się dopływ zawiesiny, a do bębna doprowadzana jest ciecz przemywająca.

Następnie odwirowuje się ciecz zawartą w osadzie, a po tej czynności zmniejsza się częstość obrotów bębna i usuwa osad za pomocą hydraulicznie napędzanego skrobaka. Charakteryzują się większą wydajnością od wirówek o działaniu okresowym.

1. Wirówki filtracyjne o działaniu ciągłym

Zasilane są ciągłym strumieniem zawiesiny, w sposób nieprzerwany odprowadzany jest z wirującego bębna filtrat i osad. Wyładowanie osadu może być realizowane za pomocą pulsującego tłoka( rys.11), ślimaka lub wskutek wibracji bębna.

Filtrat pod działaniem siły odśrodkowej przepływa przez warstwę osadu, tkaninę filtracyjną i otworami w ścianie bębna do nieruchomej obudowy skąd króćcem odprowadzany jest na zewnątrz. Osad zatrzymany w przegrodzie filtracyjnej usuwany jest tłokiem tarczowym. Podczas ruchu tarczy tłoka osad jest przesuwany w kierunku otworu odpływowego i może być jednocześnie przemywany.

Hydrocyklony

Hydrocyklon (rys.14) jest aparatem umożliwiającym wykorzystanie siły odśrodkowej do rozdzielania zawiesin. Wskutek znacznych przyśpieszeń odśrodkowych możliwe jest uzyskanie współczynników rozdziału Z w zakresie 500÷25000, co umożliwia wydzielenie z zawiesin cząstek fazy stałej o wym. 3÷250 μm

Zawiesina dopływa do hydrocyklonu pod ciśnieniem 2÷5 bar stycznie do górnej cylindrycznej części. To powoduje ruch zawiesiny po spirali przestrzennej wokół pionowej osi w obu (cylindrycznej i stożkowej) częściach aparatu. W pierwszej fazie ruch spiralny ku dołowi tworzy wir pierwotny, a następnie przechodzi w zwrotny ruch spiralny ku górze- wir wtórny wypływając z hydrocyklonu rurą 4. Zawiesina ulega rozdzieleniu na strumień cieczy klarownej w postaci wiru wtórnego ku górze oraz strumień szlamu spływający ku dołowi aparatu. Ze względu na wielkość średnicy aparatu D rozróżnia się hydrocyklony: duże, średnie, małe. Ze zmniejszeniem średnicy hydrocyklonu następuje zwiększenie siły odśrodkowej działającej na zawiesinę i możliwość wydzielania z niej coraz mniejszych cząstek fazy stałej. W zależności od przeznaczenia rozróżnia się hydrocyklony klarujące, klasyfikujące i zagęszczające. W celu uzyskania wymaganej wydajności przy niewielkich średnicach aparatów pojedyncze hydrocyklony łączy się w baterie nazywane multihydrocyklonami. Ze względu na ograniczone zdolności rozdzielcze hydrocyklonu stosuje się instalacje wielostopniowe ( złożone z kilku aparatów) lub takie w których hydrocyklon współpracuje z innym aparatem do rozdzielania układów niejednorodnych (odstojnik, filtr, wirówka). Wydajność hydrocyklonu uzależniona jest przede wszystkim od spadku ciśnienia ∆p i jest określona wzorem (2):

Maksymalną wielkość cząstek fazy stałej unoszonych w cieczy klarownej wypływającej z hydrocyklonu, czyli jego zdolność rozdzielczą określa zależność (3):

Przemysłowe zastosowania hydrocyklonów dotyczą procesów: zagęszczania, klarowania, klasyfikacji, wymywania, krystalizacji, polimeryzacji, ługowania oraz oczyszczania ścieków.