Фильтрующие центрифуги.

Принципиальное отличие фильтрующих центрифуг от осадительных заключается в том, что они имеют перфорированный барабан, на внутренних стенках которого закреплена фильтровальная ткань. На рис. 8.18 показана схема вертикальной фильтрующей центрифуги периодического действия. Центрифуга состоит из перфорированного барабана 2, насажанного на вращающийся вал. На внутренней поверхности барабана расположена дренажная проволочная сетка 3, а на ней - фильтровальная ткань 4. Суспензия подается сверху в барабан. В результате фильтрования на фильтрующей ткани образуется слой осадка. Фильтрат (фугат) под действием центробежной силы проходит через осадок, фильтровальную перегородку, перфорацию барабана и попадает в кожух, откуда и отводится. После окончания процесса фильтрования барабан останавливается и вручную выгружается осадок.

Достоинством центрифуги этого типа является простота устройства, а недостатками - периодичность работы и ручная выгрузка осадка.

Рис.8.18 Схема вертикальной фильтрующей центрифуги.

1 - корпус; 2 - перфорированный барабан; 3 - проволочная сетка; 4 - фильтровальная ткань; 5 - осадок; 6 - суспензия. Потоки: с - суспензия; ф - фильтрат (фугат).

В перфорированный барабан на внутреннюю его поверхность укладывается дренажная сетка, на нее закрепляется фильтровальная ткань, а на фильтровальную ткань сверху укладывается предохранительная сетка. Она служит для того, чтобы не было выпучивания ткани при действии ножа во время съема осадка. Особенностью этих центрифуг является осуществление всех операций процесса в автоматическом режиме и при постоянной скорости вращения барабана. Приведем такой пример. Рабочий цикл фильтра, продолжительность которого равна t_р = 10 мин, разбит на операции, запрограммированные по отведенным им отрезкам времени. Операции эти следующие: 1) фильтрование в течении t₁ = 5 мин. Открывается клапан подачи суспензии в центрифугу на время 5 мин., после чего он закрывается; 2) отжим осадка t₂ = 0,5 мин; 3) промывка осадка t₃ = 1 мин., в течении этого времени открыт клапан подачи промывной жидкости; 4) отжим осадка после промывки t₄ = 0,5 мин.; 5) снятие осадка t₅ = 3 мин., в течении этого времени поднимается медленно нож и срезает осадок. После этого начинается вновь процесс фильтрования. Открывание и закрывание клапанов производится автоматически. Срезанный ножом осадок поступает в желоб 5, которому во время работы ножа сообщается вибрация для лучшего отвода осадка. Применяются такие центрифуги для разделения суспензий с концентрацией твердой фазы более 10% и содержащие твердые частицы размером более 30 мкм, измельчение которых допустимо.

Основным достоинством этих центрифуг является полная автоматизация процесса фильтрования. Недостаток их - это относительно быстрый износ фильтровальной перегородки.

Очистка газов фильтрованием.

Очистка газов от взвешенных твердых частиц фильтрованием, как и разделение суспензий, применяется в тех случаях, когда этот процесс невозможно осуществить методами осаждения в отстойных камерах и циклонах. Принцип действия для очистки газов фильтрованием тот же, что и для разделения суспензий: используются фильтровальные перегородки, которые пропускают газ, но задерживают на своей поверхности твердые частицы. Применяемые на практике фильтровальные перегородки делятся на четыре группы:

1) гибкие (ткани и не тканные материалы из природных и синтетических волокон, войлок, губчатая резина и т.д.);

2) полужесткие (пакеты металлических сеток, слои волокон, стружки и т.д.);

3) жесткие (плоские и цилиндрические пористые перегородки из керамики, пластмасс, спеченные или спрессованные металлические порошки);

4) зернистые (слои кокса, гравия, песка).

К числу наиболее широко применяемых фильтров с гибкими перегородками относятся рукавные фильтры. Схема такого фильтра представлена на рис.8.22.

Рис.8.22 Схема рукавного фильтра

1 - корпус; 2 - бункер для пыли; 3 - трубная решетка, на которой крепятся рукава; 4 - рукава; 5 - крышки рукавов с петлями; 6 - рама для подвески рукавов; 7- опора рамы с пружиной; 8 - патрубок для входа запыленных газов; 9- патрубок для выхода очищенных газов;10 - продувочный патрубок;11- шнек;12 - металлические кольца;13- дроссельные клапаны;14 - патрубки для отвода пыли; I,II - секции аппарата.

Работает рукавной фильтр следующим образом. В секцию I, работающую на стадии фильтрования через патрубок 8 поступают запыленные газы и далее входят в рукава 4.Рукава вверху закрыты крышками 5 и подвешены на крючки рамы 6. Нижняя часть рукавов плотно укреплены в трубной решетке 3. Чтобы рукава сохраняли цилиндрическую форму в них, вшиваются металлические кольца 12. Проходя через рукава, газ очищается от пыли, которая оседает на внутренней поверхности рукавов и в порах фильтровальной ткани, а очищенный газ выходит через патрубок 9, дроссельный клапан 13 которого открыт. Для очистки рукавов от осевшей пыли поток газа периодически (через 5 - 10 мин) отключается на 20 - 30 сек, в течении которых рукава, висящие на общей пружинной опоре, встряхиваются при помощи кулачкового механизма. Отключение и включение газового потока и кулачкового механизма производится автоматически. При встряхивании рукавов пыль попадает в днище корпуса (бункер для пыли) откуда удаляется обычно шнеком 11. Если рукава выполнены из толстой ворсистой ткани, производится кроме встряхивания и продувка рукавов сжатым воздухом. Секция II, как показано на рис.8.22, работает на стадии очистки рукавов от пыли. В этом случае дроссельный клапан 13 на патрубке 9 закрывается и открывается клапан на патрубке 10, через который поступает на продувки сжатый воздух. Он проходит через наружную поверхность фильтровальной ткани рукавов, очищает их от пыли, которая падает в бункер. Выходя из рукавов продувной газ отводится из аппарата через патрубок 8, который отсоединяется от трубопровода запыленного газа и присоединяется с линией отвода продувного газа.

Рукавные фильтры обычно монтируются на общих коллекторах в виде ряда параллельно работающих секций (в каждой 12-25 рукавов). Это позволяет не прерывать очистку газов на время удаления пыли из отдельных секций.

Достоинством рукавных фильтров является высокая степень очистки газов от тонкодисперсной пыли (частицы размером 1 мкм улавливаются на 98 - 99%).

К недостаткам их относятся высокое гидравлическое сопротивление (до 2500 Па), относительно быстрый износ фильтровальной ткани и закупорка ее пор, не пригодность для очистки влажных газов и газов, имеющих высокую температуру.

Для газов с высокой температурой применяются фильтры с термостойкой фильтровальной перегородкой (пористые перегородки из керамики, спрессованных металлических порошков и др.)

Мокрая очистка газов

Мокрую очистку газов от пыли или тумана применяют, когда допустимы увлажнение и охлаждение очищаемого газа, а отделяемые частицы имеют незначительную ценность. Этот способ очистки основывается на контакте запыленного газа с промывной жидкостью (чаще всего водой). Поверхностью контакта фаз между газом и жидкостью может быть движущаяся жидкая пленка (насадочные и центробежные скрубберы), поверхность капель жидкости (полые скрубберы, скрубберы Вентури), поверхность пузырьков газа (барботажные пылеуловители). Если улавливаемые частицы пыли не смачиваются жидкостью, то очистка газа в мокрых пылеуловителях мало эффективна. В таких случаях для увеличения смачиваемости частиц и увеличении степени очистки к промывной жидкости добавляют поверхностно - активные вещества. Однако этот способ сопряжен с загрязнением органическими веществами сточных вод, образующихся при мокрой очистке и не отвечает современным экологическим требованиям.

Охлаждение газа ниже температуры конденсации находящихся в нем паров жидкости способствует увеличению веса пылинок, играющих при этом роль центров конденсации, и облегчает выделение их из газа.

При мокрой очистке образуются сточные воды, содержащие уловленные из газа дисперсные частицы, которые могут вызвать загрязнение окружающей среды. В этом случае необходимо предусмотреть очистку сточных вод в отстойниках или в устройствах циклонного типа. При этом осветленная жидкость повторно используется для мокрой очистки, что ведет к экономии свежей воды. В этом случае свежая вода требуется лишь для возмещения потерь ее со шламом. Аппараты для мокрой очистки газов называют скрубберами.

Полые и насадочные скрубберы. Простейшими аппаратами для мокрой очистки и одновременного охлаждения газов являются полые скрубберы - вертикальные колонны круглого (чаще) или прямоугольного сечения. Запыленный газ движется через скруббер снизу вверх со скоростью не более 0,8 - 1,5 м/с (для уменьшения брызгоуноса) и орошается водой, разбрызгиваемой через форсунки, установленные по всей высоте колонны. При этом все поперечное сечение скруббера перекрывается распыляемой жидкостью. Жидкость с уловленной пылью выводится снизу из конического днища. Расход жидкости на улов пыли составляет от 3 до 10 м³ на 1000 м³ газа. Степень улавливания пыли тем больше, чем больше расход орошающей жидкости, запыленность газа и размер частиц пыли, но не превышает 60 - 75%. Гидравлическое сопротивление невелико и составляет 100 - 250 Па.

В насадочных скрубберах объем колонны заполняется насадкой, которая сверху орошается промывной жидкостью. Жидкость стекает по насадке в виде пленки. Противотоком к ней движется газ, подаваемый в нижнюю часть колонны. Смоченная поверхность насадки и является поверхность контакта фаз. Вода вместе со шламом поступает в коническое днище колонны и через патрубок выводится через него. Для удобства чистки насадки от загрязнении в насадочных скрубберах применяют регулярную насадку с крупными элементами или хордовую насадку, представляющую собой сделанную из деревянных (или другого материала) брусьев.

Расход жидкости в насадочных скрубберах составляет 1,5 - 6 м³ на 1000 м³ газа. Гидравлическое сопротивление их (200 - 300 Па), несколько больше, чем полых скрубберов. Степень улова пыли в насадочных скрубберах зависит от тех же факторов, что и в полых. Улавливается до 70 % частиц размером 2 - 5 мкм, более крупная пыль улавливается на 80 - 90%. Частицы 1 мкм и меньше улавливаются плохо.

Очистка газов в электрическом поле

(электроосаждение)

Скорость осаждения очень мелких частиц (<10 мкм) из газовых сред чрезвычайно мала не только в гравитационном поле, но и в поле центробежных сил.

По этой причине разделение тонкодисперсных газовзвесей (очистка газов от пыли и мелких капель) рассмотренными выше методами практически невозможна. Этот процесс, однако, успешно осуществляется в электрическом поле.

Физические основы процесса. Электрическая очистка основана на ионизации молекул газа электрическим зарядом (самостоятельная ионизация). Сущность этого процесса заключается в следующем. Имеется электрическая цепь (рис.8.26), в которую включен источник тока 1, допускающий возможность изменения напряжения, и гальванометр 2, а на концах цепи - пластина 3 и острие 4, разделенные воздушным зазором 5, причем пластина должна обладать положительным зарядом, а острие - отрицательным.

Первоначально ток в такой цепи практически не обнаруживается, т.к. газ, состоящий из нейтральных молекул, не проводит электричество. При повышении разности потенциалов между электродами до некоторой величины (точка а на графике рис.8.26б) наступает ионизация газов вследствие того, что находящиеся в газах в небольшом количестве свободные электроны и ионы, приобретают приращение кинетической энергии, достаточной для расщепления встречных нейтральных молекул, в результате чего значительно возрастает количество заряженных частиц и появляется электрический ток. Соответствующая этому моменту разность потенциалов называется ионизационным потенциалом. При дальнейшем повышении разности потенциалов сила тока начинает возрастать (отрезок аб),так как дополнительно появившиеся электроны и ионы при движении к электроду также вызывают ионизацию. Это явление называется ударной ионизацией, а процесс, характеризуемый отрезком аб называется тихим самостоятельным разрядом. Затем сила тока начинает резко увеличиваться при малом увеличении разности потенциалов (отрезок бв). Это объясняется тем, что напряженность электрического поля около вершины острия достигает предела, при котором у вершины острия произошел электрический пробой, т.е. расщепление молекул воздуха с образованием положительных и отрицательных ионов (точка б). Это явление называется коронным разрядом и сопровождается появлением бледно - голубой короны вокруг проводника. Образовавшиеся при этом положительные ионы теряют заряд у вершины излучающего электрода, а отрицательные перемещаются к противоположно заряженному электроду. Область ионизации у проводника, в которой происходит излучение света, называется

Рис.8.26. а) электрическая цепь;

б) изменение силы тока, проходящего через газ, в зависимости от разности потенциалов между электродами.

оболочкой короны, а напряжение при котором появляется корона, начальным напряжением коронного разряда. Устойчивость протекания стадии коронного разряда, характеризующегося неполным пробоем воздуха, обуславливается геометрической конфигурацией электродов, создающих электрическое поле с неоднородной напряженностью.

Если разность потенциалов между электронами достигнет некоторого предела, при котором сила тока будет соответствовать точке в, то наступает искровой разряд. Между электродами проскакивает искра (отрезок вг) с соответствующим значительным падением разности потенциалов.

Заключительной стадией разряда при достаточной мощности тока может явится образование электрической дуги (точка г). Следовательно, чтобы избежать короткого замыкания электродов, пробой воздушного слоя должен произойти лишь на части расстояния между электродами. Остальная часть воздушного пространства между электродами, называемая внешней областью короны, должна остаться не пробитой. Из описания этого процесса следует, что для ионизации газов, используемой для электрической очистки их от пыли, можно применять только такие электроды, которые способны создавать неоднородное электрическое поле, при котором градиент напряжения не остается постоянным, а убывает по мере удаления от излучающего электрода.

Аппараты в которых происходит процесс электрической очистки газов, обычно называют электрофильтрами. Однако это название не соответствует сущности процесса, т.к. при электрической очистке газов происходит процесс осаждения, а не фильтрования (фильтровальная перегородка отсутствует). Поэтому в дальнейшем будем называть эти аппараты электроосадителями. Для создания неоднородного электрического поля в электроосадителях применяют электроды различной формы. Электрод, вокруг, которого образуется “корона”, называется коронирующим электродом и имеет форму стержня. Коронирующий электрод носит отрицательный заряд. Положительно заряженный электрод имеет форму цилиндра или пластины и носит название осадительный электрод. При таких формах электродов можно использовать более высокое напряжение без появления искрового разряда. При возникновении короны появляются ионы обоих знаков и свободные электроны. Под действием электрического поля положительные ионы движутся к коронирующему электроду и нейтрализуются на нем, а отрицательные ионы и свободные электроны перемещаются к осадительному электроду. Соприкасаясь со встречными пылинками или капельками, находящимися в газе, они сообщают последним свой заряд и увлекают к осадительному электроду. В результате частицы пыли или тумана оседают на этом электроде. Основная масса частиц пыли или тумана приобретает отрицательный заряд потому, что отрицательные ионы и электроны проделывают более длинный путь от области короны к осадительному электроду, чем положительные ионы. Соответственно больше их вероятность столкновения со взвешенными в газе частицами. Отрицательно заряженные частицы пыли или тумана, попадая на осадительный электрод, отдают ему свои заряды, а затем удаляются с электрода. Лишь небольшая доля частиц, которые столкнулись с положительно заряженными ионами в области короны оседают на коронирующем электроде.

На степень очистки газа влияет проводимость пыли. Если частицы хорошо проводят ток, а силы адгезии (сцепления) невелики, то заряд отдается мгновенно, а сама частица получает заряд электрода. Возникает кулоновая сила отталкивания и частица вновь может попасть в поток газа. Это приводит к увеличению уноса пыли из аппарата и снижению степени очистки. Если пыль плохо проводит ток, то она прижимается силой поля к электроду и образует на нем слой отрицательно заряженных частиц, который отталкивает приближающиеся частицы того же знака. Напряжение в порах слоя осевшей пыли может превысить критическое и вызвать коронирование газа у осадительного электрода - “обратную корону”. Это явление снижает эффективность очистки газа. Для исключения вредного влияния пыли, осевшей на электродах, и их очистки ее удаляют периодическим встряхиванием электродов.

При очистке газов с высокой концентрацией твердых частиц большая часть ионов осаждается на последних и количество переносимых зарядов существенно уменьшается, поэтому снижается сила потребляемого тока, так как скорость взвешенных частиц (0,3 - 0,6 м/с) значительно меньше скорости ионов (60 - 100 м/с). При падении силы потребляемого тока до нуля степень очистки газа резко ухудшается - происходит полное “запирание короны”. В этом случае необходимо уменьшить концентрацию частиц в газе путем образования перед электроосадителем предварительной очистки газа, тем самым уменьшить нагрузку на электроосадитель. Частицы жидкости обладают относительно невысоким удельным электрическим сопротивлением и обычно хорошо смачивают поверхность электрода. Поэтому они быстро отдают электроду свой заряд и стекают по его поверхности.

Электроосадители работают только на постоянном токе.

Выбор аппаратов для разделения неоднородных систем.

При выборе метода разделения и аппаратов для его осуществления следует учитывать много различных факторов, которые в большинстве случаев взаимо- зависимы. Прежде всего следует учитывать требования, предъявляемые к качеству разделения: технологические (учитывающие возможность использования продуктов разделения в дальнейшем технологическом процессе, их ценность и т.д.); экологические (влияние исходной системы и продуктов разделения на человека, окружающую среду) и другие.

На сам процесс разделения и работу аппарата влияют: заданные начальные и конечные концентрации дисперсной фазы и ее фракционный состав; физические свойства фаз (их плотность, вязкость, температура, химическая агрессивность и др.)

На выбор аппарата влияют и его такие характеристики, как сложность конструкции и обслуживания, стоимость очистки. Только соответствующие технико - экономические расчеты могут служить надежной основой для выбора аппарата.

Аппараты для разделения суспензий. Наиболее эффективными аппаратами для разделения суспензий являются фильтры и фильтрующие центрифуги, где возможна промывка осадка и его просушка. Следует иметь в виду, что эти аппараты сложны по конструкции, относительно дороги. В ряде случаев эффективно применение осадительных центрифуг и гидроциклонов, в которых можно отделять мелкодисперсные частицы.

Отстойники просты по конструкции, но мало эффективны в работе. Они громоздки, в них плохо отделяются мелкие частицы. Отстойники рекомендуется использовать для предварительного разделения грубых и высококонцентрированных суспензий.

Аппараты для очистки газов. При выборе аппаратов для очистки газа следует принимать во внимание технико - экономические показатели их работы, при определении которых следует учитывать степень и стоимость очистки газа. Эффективность очистки зависит от ряда факторов: влажность газов, содержание и свойства пыли (сухая, липкая, волокнистая, гигроскопическая и т.д.), фракционный состав пыли. Пылеосадительные камеры и циклоны по капитальным и эксплутационным затратам предпочтительнее других аппаратов, но они улавливают лишь крупные частицы. Поэтому эти аппараты применяют часто для предварительной очистки газов перед электроосадителями и рукавными фильтрами. Батарейные циклоны рекомендуется использовать при больших расходах очищаемого газа.

Рукавные фильтры используют для тонкой очистки газов от сухой пыли они имеют высокую степень очистки для частиц любого размера более 1 мкм, но работают при небольшой запыленности газа, требуют поддержание его температуры в определенных пределах.

Аппараты мокрой очистки эффективны для улавливания пыли средней дисперсности. Их применение целесообразно, когда необходимо увлажнение и охлаждение газа. Эти аппараты просты по устройству, эксплутационные затраты невелики. Однако их использование связано с большим расходом воды. Если дисперсные частицы представляют угрозу загрязнения окружающей среды, необходима дополнительная аппаратура по их выделению из воды. При электрической очистке газов можно получить весьма высокую степень улавливания взвешенных частиц. Расход энергии на очистку невелик вследствие малого потребления тока и низкого гидравлического сопротивления электроосадителей.

Ниже в таблице приведены некоторые усредненные характеристики распространенных газоочистительных аппаратов.

Тип аппарата	Содержание пыли в газе, max кг/м^3	Размеры частиц не менее мкм	Степень очистки, %	Гидравлическое сопротивление Па
Пылеосадительные камеры	не лимитируется	100	30-40	50
Циклоны	0,4	10	70 - 95	400 - 700
Батарейные циклоны	0,1	10	85 - 95	500 - 800
Рукавные фильтры	0,02	1	95 - 98	500 - 2500
Центробежные скрубберы	0,05	2	85 - 95	400 - 800
Барботажные пылеуловители	0,3	5	80 - 99	500 - 1000
Скрубберы Вентури	0,05	1	95 - 99	3000 - 7000
Электроосадители	0,01 - 0,05	0,005	95 -99	100 - 200