Содержание к диссертации
Введение
1 Методы и оборудование для разделения неоднородных сред 6
1.1 Методы очистки сточных вод на химических предприятиях 6
1.2 Гравитационное осаждение 11
1.2.1 Кинетика осаждения частиц при воздействии силы тяжести 12
1.2.2 Аппараты для разделения жидких сред отстаиванием 13
1.3 Осаждение под действием центробежных сил 15
1.3.1 Кинетика осаждения частиц в центробежном поле 15
1.3.2 Закономерности процесса сгущения суспензий в гидроциклонах 17
1.3.3 Центрифугирование суспензий 23
1.4 Центробежное фильтрование неоднородных сред 29
1.4.1 Центробежное фильтрование суспензий 29
1.4.2 Периодически действующие фильтрующие центрифуги 32
1.4.3 Непрерывно действующие фильтрующие центрифуги 36
1.5 Фильтрование суспензий при воздействии давления 39
1.5.1 Кинетика фильтрования суспензий 40
1.5.2 Оборудование для фильтрования суспензий 42
1.5.3 Фильтрующие перегородки 46
1.6 Обоснование выбранного направления исследования 50
2 Описание процесса разделения жидких сред в центробежном поле и течения жидкостей при фильтровании 52
2.1 Моделирование процесса разделения суспензий в роторе осадительной центрифуги 54
2.2 Осаждение дисперсной фазы в кольцевом канале ротора 63
2.3 Гидродинамика течения жидких сред в проницаемых каналах 67
3 Экспериментальное исследование процесса разделения суспензий 19
3.1 Разработка конструкции гидроциклона 79
3.1.1 Предварительное определение размеров гидроциклона 79
3.1.2 Описание исследовательской установки и методики проведения экспериментов 82
3.1.3 Результаты сгущения суспензий в гидроциклонах 87
3.1.4 Результаты исследования процесса сгущения стоков в производстве фармацевтических препаратов 93
3.2 Разработка конструкций осадительных центрифуг 96
3.2.1 Описание исследовательской установки 96
3.2.2 Методика проведения экспериментов 98
3.2.3 Исследования по разделению суспензий в центрифуге с биконическим ротором 99
3.2.4 Параметры эффективности процесса центробежного осаждения твёрдой фазы в роторе центрифуги 104
3.2.5 Удаление осадка из ротора центрифуги 107
3.3 Исследование процесса фильтрации жидких сред 111
3.3.1 Результаты испытаний фильтрующего материала 112
3.3.2 Фильтрование суспензий нитратов целлюлозы 113
4 Разработка вариантов промышленного оборудования для процесса очистки сточных вод 122
4.1 Методика расчёта параметров гидроциклона 122
4.2 Определение геометрических размеров ротора центрифуги 125
4.3 Определение размеров проточного фильтра 129
4.4 Рекомендации по изменению фазы очистки сточных вод в производстве нитратов целлюлозы 130
Основные результаты работы 136
Список использованных источников литературы
- Кинетика осаждения частиц при воздействии силы тяжести
- Осаждение дисперсной фазы в кольцевом канале ротора
- Результаты исследования процесса сгущения стоков в производстве фармацевтических препаратов
- Рекомендации по изменению фазы очистки сточных вод в производстве нитратов целлюлозы
Введение к работе
В настоящее время объём выбросов загрязняющих веществ превысил масштабы природных процессов миграции и аккумуляции различных соединений, резко обострились проблемы, связанные с химическим загрязнением биосферы. Воздействие токсичных веществ на окружающую среду вызвало расширение исследований по определению масштабов и темпов загрязнения среды, а также поиск эффективных способов охраны атмосферного воздуха, природных вод и почвенного покрова. Во многих странах мира в последние годы повышены требования к качеству потребляемой воды, чистоте атмосферного воздуха и ужесточены санкции за нарушение установленных нормативов по содержанию вредных веществ в воздухе и воде. Важной народнохозяйственной задачей, особенно резко проявившейся в последние годы, является утилизация отходов промышленных предприятий, повторное использование их в производстве, создание замкнутых систем водопотребления и экологически безопасных предприятий. Снижение себестоимости продукции может быть также достигнуто за счёт возврата продукта в производство, более эффективного использования энергетических и трудовых ресурсов.
Одним из основных источников загрязнения биосферы являются коммунальные, сельскохозяйственные и промышленные сточные воды. Причем сточные воды химических производств оказывают наиболее значительное отрицательное воздействие на окружающую среду. Уменьшение количества транспортируемых жидких сред является актуальным для предприятий, изготавливающих продукты на основе целлюлозы, поскольку при их получении образуется большой объем сточных вод, содержащих значительное количество твердых частиц различной степени дисперсности. Поступление таких стоков в водоемы приводит к загрязнению территории и потере продукта. Проблема предотвращения загрязнения окружающей среды продуктами переработки целлюлозы может быть частично решена за счет повышения качества очистки сточных вод. Это можно осуществить, если на стадии очистки сточных вод использовать машины или аппараты, которые позволяют уменьшить
количество твердой фазы в сточных водах до уровня, отвечающего требованиям санитарных нормативов. В настоящее время на многих химических предприятиях для улавливания твердых частиц применяется метод отстаивания сточных вод под воздействием силы тяжести, несмотря на длительность процесса и его низкую эффективность. Это вызвано тем, что другие методы разделения, такие как фильтрование и осаждение в центробежном поле, не нашли широкого распространения, хотя и позволяют существенно интенсифицировать процесс очистки технологических и сточных вод химических предприятий от высокодисперсных частиц твердой фазы и обеспечить эффективное сгущение суспензий.
Значительный процент в выпуске основного технологического оборудования для существующих и новых процессов химической, фармацевтической, нефтехимической, пищевой и других отраслей промышленности занимают аппараты для разделения жидких неоднородных сред. Разработка высокоэффективных машин и аппаратов центробежной и фильтрационной очистки жидких неоднородных сред, основанная на принципах безотходной технологии, позволяет, наряду с увеличением единичной мощности оборудования и снижением потерь твердой фазы, значительно интенсифицировать процессы очистки жидких сред при оптимальных энергозатратах и минимальной материалоёмкости оборудования.
Совершенствование аппаратурно-технологического оформления производств продуктов целлюлозы проводилось ОАО «Полиэкс» (г. Бийск) и Бийским технологическим институтом (филиалом) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова с 1980 года. На основе проведённых экспериментальных исследований были разработаны различные варианты центробежного и фильтрационного оборудования. Диссертационная работа посвящена решению проблем повышения эффективности очистки жидких неоднородных сред в производстве продуктов целлюлозы от твёрдой фазы путем совершенствования технологических приёмов и используемого оборудования.
Кинетика осаждения частиц при воздействии силы тяжести
В случае падения капель жидкости в жидкой среде процесс осложняется тем, что форма капель непрерывно меняется. Для определения скорости осаждения капель используется формула [14] Рж-Рк Рк J А v0 = (1.3) g-dK КРж-g, где dK - диаметр капли, м; а - поверхностное натяжение на границах фаз, Н/м; рк - плотность жидкости, образующей капли, кг/м3.
Из рассмотрения кинетических закономерностей процесса осаждения частиц при воздействии силы тяжести следует, что скорость осаждения частицы повышается с увеличением её размеров и возрастанием разности плотностей материала частиц и среды, в которой происходит осаждение, и уменьшается с увеличением вязкости среды.
Для улавливания твёрдых частиц в поле действия гравитационных сил используются отстойники. Отстойники для суспензий работают как полу непрерывно действующие или непрерывно действующие аппараты. Данные сооружения позволяют, при определённых условиях, перерабатывать большие объёмы более 3000 т/ч загрязнённых жидкостей [15]. Основными недостатками отстойников всех типов являются [16]: громоздкость, большая занимаемая площадь и длительность процесса очистки.
На рисунке 1.2 показан непрерывно действующий радиальный отстойник с гребками. В производственных условиях такой отстойник наиболее рентабелен. Суспензия поступает в центральную часть аппарата, осветленная часть выводится через кольцевой желоб 8, осадок собирается в нижней части аппарата в сборнике 12 и выводится по трубе периодически или непрерывно. Гребки 3, вращаются в корпусе отстойника со скоростью 0,02...0,05 об/мин, разрыхляют осадок и перемещают его по дну корпуса к разгрузочному штуцеру в центре отстойника.
Удаляемый из отстойников осадок содержит много жидкости. Эта жидкость в большинстве случаев является ценным продуктом, поэтому ее необходимо извлекать из осадка. Извлечение жидкости из осадка в процессе непрерывного отстаивания достигается в установке для противоточной промывки. При создании отстойников возможности для интенсификации процесса незначительны. Единственным путем интенсификации является увеличение площади осаждения, что достигается размещением в аппарате большего числа полок.
При расчете отстойника обычно задаются степенью очистки сточной воды. Исходя из требуемой степени очистки и фракционного состава взвешенных частиц, находится минимальный размер частиц, подлежащих осаждению. Этот размер, названный эквивалентным диаметром частицы, берётся за исходный при вычислении скорости осаждения частиц в дисперсионной среде.
Многие исследовательские работы [17-22] направлены на повышение эффективности работы отстойников за счёт уменьшения занимаемой площади, улучшения условий осаждения твёрдой фазы, использования веществ ускоряющих осаждение взвешенных в жидкости частиц.
Осаждение под действием центробежной силы применяется при разделении неоднородных сред, содержащих частицы небольшого размера. Для осуществления этого процесса к осаждаемым частицам необходимо приложить центробежные силы, что достигается введением разделяемого потока в поле центробежных сил. Для создания поля центробежных сил в разделяемой среде в технике используются два приема, при первом вращательное движение потока жидкости (газа) обеспечивается в неподвижном аппарате, при втором поток направляется во вращающийся элемент аппарата или машины, в котором перерабатываемые продукты вращаются вместе с ротором. В первом случае осуществляется циклонный процесс осаждения, во втором - осадительное центрифугирование.
Физическая сущность процесса осаждения под действием центробежной силы заключается в том [23], что во вращающемся потоке на взвешенную частицу действует центробежная сила, направляющая её к периферии от центра по радиусу со скоростью, равной скорости осаждения v0. Окружная скорость несущего частицу потока среды vn. Частица движется с результирующей скоростью и оседает на стенках аппарата.
Осаждение дисперсной фазы в кольцевом канале ротора
На рисунке 2.3 показаны результаты исследований, полученные во время проведения эксперимента по разделению суспензии МКЦ в биконическом роторе лабораторной центрифуги и расчёта, согласно принятой модели при частоте вращения ротора 50 1/с. Относительная погрешность сравнительных данных составляет до 20 %, что позволяет использовать расчётные данные при проектировании роторов центрифуг и прогнозирования эффективности работы центрифуги при заданных технологических режимах.
Анализируя полученные результаты, можно утверждать, что одновременное увеличение частоты вращения ротора и уменьшение расхода суспензии позволяет существенно улучшить эффективность разделения суспензии при относительно небольших габаритных размерах ротора и добиться за один проход требуемого качества разделения суспензии. Исходя из требований к качеству очищаемой среды и рабочей характеристики центрифуги, можно определить оптимальный режим её работы по результатам расчёта и уточнения конструктивных особенностей ротора в процессе моделирования.
Осаждение дисперсной фазы в кольцевом канале ротора
При проектировании роторных центробежных аппаратов и центрифуг, содержащих цилиндрические или цилиндроконические роторы с кольцевыми каналами, возникает необходимость в определении длины обечайки ротора, толщины слоя осадка на стенке ротора в зависимости от технологических режимов работы аппарата и параметров разделяемых сред.
Одним из важных условий эффективной работы центробежного аппарата является наличие ламинарного потока жидкости в зазоре между коаксиальными цилиндрами ротора, то есть значение критерия Re 2300. Подставив в уравнение критерия Рейнольдса значение эквивалентного диаметра канала, можно исходя из расхода Q разделяемой среды, определить радиус RB внешнего цилиндра ротора и зазор 8 между коаксиальными цилиндрами (рисунок 2.4).
Для определения профиля скорости потока жидкости в зазоре между цилиндрическими стенками ротора воспользуемся [99] уравнениями Навье-Стокса, описывающими течение вязкой несжимаемой жидкости в цилиндрической системе координат, в которых z - компонент имеет следующий вид где ju - динамический коэффициент вязкости жидкости, Па-с; р - давление, Па; g - ускорение свободного падения, м/с .
Считаем, что система координат вращается вместе с ротором, то есть рассматривается движение суспензии относительно стенок ротора. Следовательно, можно предположить, что в этом случае тангенциальная скорость жидкости практически равна нулю. Сделаем несколько допущений. Предположим, что течение жидкости происходит в направлении оси z и рассматриваемая система обладает цилиндрической симметрией. Течение суспензии в канале стационарное и ламинарное. Силами тяжести, вследствие их малости, можно пренебречь. Используя сделанные допущения, уравнение (2.7) примет вид д ( dw) dp
Для интегрирования уравнения (2.10) воспользуемся следующими граничными условиями. При r=Re=R и r= R скорость w=0; при r=XR, dw/dr = 0, где - безразмерный коэффициент, характеризующий отношение радиусов внутреннего и внешнего цилиндров ротора, X R - значение координаты г, при которой скорость w достигает максимального значения.
Результаты исследования процесса сгущения стоков в производстве фармацевтических препаратов
В производстве фармацевтических препаратов важной задачей является очистка оборотных и сточных вод, содержащих зачастую трудно фильтруемую твердую фазу. Для этой цели могут быть использованы гидроциклоны, которые отличаются от других устройств, используемых в процессах разделения жидких неоднородных сред, простотой конструкции и обслуживания.
Проверка возможности использования гидроциклонов для очистки промышленных стоков ОАО «Органика» проводилась на лабораторной установке (рисунок 3.2), содержащей гидроциклон, центробежный насос и контрольно-измерительные приборы. Исходная суспензия приготавливалась в расходном баке путем перемешивания промышленных стоков мешалкой и разбавления их водой. Затем суспензия насосом подавалась в гидроциклон, из которого сгущенная суспензия (осадок) и очищенная жидкость вновь возвращались в бак. Расход суспензии изменялся с помощью регулятора и параметров работы насоса.
Первоначально были проведены исследования по определению физико-механических свойств частиц твёрдой фазы, содержащейся в сточных водах.
Плотность частиц твёрдой фазы составила 2385 кг/м , средний размер частиц 5 мкм. Время осаждения твёрдой фазы под действием силы тяжести составило около 10 минут, скорость осаждения частиц в воде 20 мм/мин.
При работе установки отбирались пробы сгущённой суспензии, осветлённой жидкости и исходной суспензии для определения содержания в них твёрдой фазы. Производительность установки по исходной суспензии изменялась в пределах от 5 до 17 л/мин. Определялась концентрация твёрдой фазы в сгущенной суспензии и очищенной сточной воде в зависимости от расходных и геометрических характеристик гидроциклона. Скорость коррозии стали 12Х18Н10Т, из которой изготовлены основные детали гидроциклона, составила менее 0,01 мм/год. Исследовано влияние диаметра отверстия сопла на устойчивую работу гидроциклона и соотношение расходов между осветлённой жидкостью и сгущённой суспензией [122]. В таблице 1 (приложение А) представлены результаты исследований по разделению промстоков в гидроциклоне при изменении его основных конструктивных и технологических параметров.
Для эффективной работы гидроциклона скорость суспензии на входе в гидроциклон должна составлять не менее 10 м/с из-за небольшого размера частиц твердой фазы. Для подачи суспензии в гидроциклон необходимо использовать центробежный насос, обеспечивающий давление в трубопроводе более 0,2 МПа, так как потери напора в аппарате и магистралях могут составлять до 0,05 МПа. Использование гидроциклона при требуемых режимных параметрах обеспечивает качество очистки 5... 10 мкм. Качество разделения суспензии можно существенно повысить за счет использования батарейных гидроциклонов.
Разработана технология очистки промышленных стоков от взвешенных частиц применительно к ОАО «Органика» [123]. По существующей технологии при подаче сточных вод предприятия в радиальные отстойники происходит уплотнение осадка, который невозможно затем транспортировать насосом в минишламонакопитель. Вследствие этого сточные воды с высоким содержанием твердой фазы, превышающим ПДК, поступают в канализацию и на городские очистные сооружения.
Как показывают опытные данные, предлагаемый способ гидроциклонной очистки не позволяет достичь за один проход нормативных показателей по содержанию твёрдой фазы в очищенной жидкости, т. е. не позволяет направить стоки непосредственно на очистные сооружения города. Вместе с тем применение гидроциклона позволяет повысить концентрацию твердой фазы в пульпе (осадке) с 20 до 180 г/л, при этом соотношение потоков осветленной жидкости и сгущенной суспензии составляет 8:3. Предложено изменить технологическую схему обезвоживания в минишламонакопителях, используя гидроциклон в качестве сгустителя перед подачей пульпы в минишламонакопитель. При этом осветлённая жидкость с концентрацией твёрдой фазы 5...8 г/л направляется для размыва осадка в радиальных отстойниках, а сгущённая суспензия поступает непосредственно в минишламонакопитель. Таким образом, достигается сокращение расхода воды на размыв осадка путём повторного её использования. При этом одновременно в 2-3 раза снижается количество воды направляемой в минишламонакопители, что облегчает дальнейшее обезвоживание осадка.
Проанализированы варианты сгущения пульпы с использованием шнековых центрифуг и барабанных вакуум-фильтров. Основными недостатками, сдерживающими применение указанного оборудования являются высокая дисперсность твердой фазы, наличие в пульпе осмоляющих веществ, затрудняющих регенерацию фильтровальных перегородок. Кроме того, применение данного оборудования предполагает наличие большого числа вспомогательного оборудования и помещений. Разработана техническая документация на батарейные гидроциклоны производительностью 15 и 30 м /ч. Опытный образец сгустителя, батарейного гидроциклона, производительностью 15 м3/ч использован при проведении промышленных испытаний и в технологии очистки сточных вод предприятия.
Рекомендации по изменению фазы очистки сточных вод в производстве нитратов целлюлозы
Следовательно, в осадительной центрифуге с биконическим ротором максимальное отношение производительностей экспериментальной и промышленной центрифуг равно отношению диаметров роторов в кубе. При моделировании размеров ротора промышленной центрифуги принято [140], что дисперсный состав твёрдой фазы в суспензиях продуктов переработки целлюлозы одинаков.
Зная диаметр ротора экспериментальной центрифуги и её оптимальную производительность, и приняв производительность промышленной центрифуги, с учетом уравнения (4.13) можно определить диаметр ротора промышленной центрифуги. Используя уравнение (4.11) и (4.12) можно рассчитать частоту вращения и высоту ротора промышленной центрифуги.
Для обеспечения геометрического подобия роторов экспериментальной и промышленной центрифуг необходимым условием является соблюдение неизменности симплексов геометрического подобия [8, 15, 35] основных размеров роторов. В данном случае к ним относится соотношение диаметров ротора и диска. /УДР = 0,8...0,9 , где Dp,Dd- диаметр, соответственно, внутренний ротора и внешний диска, м.
При моделировании процесса выгрузки осадка из ротора центрифуги главными факторами, определяющими эффективность процесса удаления осевших на стенках ротора после центрифугирования частиц дисперсной фазы, являются [98]: интенсивность потока промывной жидкости, поступающей к стенкам ротора; физико-механические свойства осадка и свойства жидкости; толщина слоя осадка на стенке ротора.
Интенсивность потока промывной жидкости, зависит от расхода и окружной скорости вращения диска ротора [141, 142]. Одним из основных условий, при переходе от экспериментальной центрифуги к промышленному образцу, является равенство окружных скоростей дисков в роторах центрифуг. Выразив окружную скорость вращения диска ротора через угловую скорость, после преобразования получено [98] уравнение для расчёта частоты вращения диска ротора промышленной центрифуги на стадии выгрузки осадка, которое выглядит следующим образом: пдп=пдм , (4.14) идп где пдм - частота вращения диска экспериментальной центрифуги, 1/с; DdM, Ddn - диаметр диска, соответственно, экспериментальной и промышленной центрифуг, м.
Используя положения теории подобия [35], определены основные технические характеристики промышленных центрифуг, которые могут быть использованы в системах очистки технологических и сточных вод при производстве продуктов из целлюлозы, представленные в таблице 4.1. Как видно из таблицы 4.1 с увеличением производительности центрифуги существенно возрастают геометрические размеры ротора, его диаметр и высота, хотя при этом частота вращения ротора уменьшается.
Учитывая экономические затраты на изготовление центрифуги, балансировку ротора, комплектующее оборудование, пуско-наладочные работы, планово-предупредительные ремонты и потребляемую при работе электроэнергию, создание центрифуг с диаметром ротора более 600...700 мм не рационально.
Определение размеров проточного фильтра
Разработка конструкции периодически действующего фильтра сводится к определению площади фильтрующей поверхности, позволяющей обеспечить требуемую производительность обработки сточных вод в течение заданного интервала времени. После режима фильтрации производится удаление осадка и регенерация фильтрующей перегородки и далее процесс разделения суспензии в фильтре повторяется. Поэтому, зная среднюю скорость фильтрования суспензии НЦ в интервале времени, площадь фильтрующей перегородки можно рассчитать по уравнению F0= , (4.15) где Qd - производительность фильтра по исходной суспензии, м /с; v0 скорость фильтрования суспензии, м/с.
При переходе к проектированию промышленного проточного фильтра необходимо учитывать скорость потока суспензии в напорном канале. Скорости потоков в каналах рассматриваемых фильтров должны быть одинаковыми, то есть в трубчатом фильтре с внутренней поверхностью фильтрования должно выполняться условие где D0n, D03 - внутренний диаметр канала, соответственно, промышленного и экспериментального фильтра, м; Q0JJ, 2ФЭ - производительность по исходной суспензии, соответственно, промышленного и экспериментального фильтра м3/с. Определив необходимую площадь фильтрующей поверхности по уравнению (4.15) и диаметр канала по уравнению (4.16), можно рассчитать длину проницаемого канала фильтра по уравнению г _ Рф ЬФ пиф пк где D0 - внутренний диаметр канала фильтра, м; пк - число каналов. Остальные размеры элементов фильтра, диаметр дренажного канала и диаметр патрубка для вывода фильтрата, выбираются пропорционально диаметру напорного канала и производительности фильтра по фильтрату. 4.4 Рекомендации по изменению фазы очистки сточных вод в производстве нитратов целлюлозы
