ВОПРОС № 3 Оборудование для отстаивания и осаждения

По принципу действия различают гравитационные отстойники, отстойные центрифуги, гидроциклоны и сепараторы.
Отстойники бывают периодического, непрерывного и полунепрерывного действия.
Отстойник периодического действия представляет собой плоский бассейн без перемешивающих устройств. Бассейн заполняют суспензией, которая отстаивается в нем в течение необходимого для разделения времени. Затем осветленный слой жидкости сливают (декантируют) через штуцера, расположенный выше слоя осадка. Осевший осадок (шлам) выгружают вручную.
Размеры и форма отстойников зависят от концентрации дисперсной фазы и размеров частиц. С увеличением плотности и размеров частиц размеры отстойника уменьшают. Продолжительность отстаивания зависит от вязкости дисперсионной фазы, которая снижается с повышением температуры, поэтому для ускорения процесса отстаиваемую суспензию подогревают (если это не противоречит технологии).
В отстойник полунепрерывного действия с наклонными перегородками (рис. 2) суспензию подают через штуцер и направляют при помощи наклонных перегородок попеременно сверху вниз и снизу вверх. Устройство перегородок увеличивает продолжительность пребывания суспензии и площадь поверхности отстаивания.



Рис. 2. Отстойник полунепрерывного действия с наклонными перегородками:
1 – наклонные перегородки, 2 – корпус, 3 – бункеры
Шлам собирается в коничес­ких бункерах, и по мере накопления его удаляют из них через краны.
Осветленную жидкость отводят из отстойника через верхний штуцер.
Наибольшее распространение в промышленности получили отстойники непрерывного действия.
Непрерывнодействующий отстойник с гребковой мешалкой (рис. 3) представляет собой цилиндрический резервуар с коническим днищем и внутренним кольцевым жело­бом вдоль верхнего края отстойника. Мешалка с наклонными ло­пастями, на которых расположены гребки для перемещения осад­ка к разгрузочному люку, вращается с переменной частотой 0,02...0,5 мин-1.





Рис. 3. Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой:
1 – кольцевой желоб, 2 – мешалка, 3 – гребок, 4 – люк, 5 – коническое днище, 6 – цилиндрический резервуар

Суспензия непрерывно подается по трубе в середину резервуа­ра. Осветленная жидкость переливается в кольцевой желоб и отво­дится из отстойника. Шлам удаляется при помощи диафрагменного насоса. Извлечение жидкости из шлама, если она является ценной для производства или ее извлечение необходимо по техно­логическим условиям, производится в установке для противоточной промывки. В таких отстойниках достигаются равномерная плотность осадка и эффективное его обезвоживание. Недостаток гребковых отстойников — их громоздкость.
Многоярусные отстойники представляют собой не­сколько отстойников, поставленных один на другой, или цилинд­рический резервуар с коническим днищем, внутри которого уста­новлены конические перегородки, разделяющие отстойники на ярусы (рис. 4). Такие отстойники гораздо менее громоздки и в них увеличена площадь поверхности отстаивания. Их используют на сахарных заводах для сгущения сатурационных соков.

Рис. 4. Многоярусный отстойник:
1 – распределительное устройство, 2 – трубы, 3 – стакан, 4 – гребковая мешалка, 5 – разгрузочный конус, 6 – скребок, 7 – коллектор, 8 – рама.

Отстойник имеет общий вал, на котором расположены гребковые мешалки. Суспензия через распределительное устройство подаётся по трубам в стаканы каждого яруса отстойника. Осветлённая жидкость собирается через кольцевые желоба в коллектор. Ярусы соединены стаканами для удаления шлама. Стакан каждого вышерасположенного яруса опущен нижним концом в слой шлама нижерасположенного яруса. Таким образом ярусы отстойника последовательно соединены по шламу. Шлам удаляют только из нижнего яруса через разгрузочный конус, в котором установлен скребок.
Отстойник для непрерывного разделения эмульсий (рис. 5) состоит из нескольких частей. Эмульсия подается в левую часть отстойника, откуда поступает в среднюю сепарационную камеру. Перегородки 2позволяют регулировать высоту уровня смеси. В сепарационной части исходная смесь разделяется на составляющие под действием сил тяжести. Легкая жидкость поднимается и вытекает из отстойника через верхний штуцер. Тяжелая жидкость опускается, проходит под правой перегородкой 3и вытекает через нижний штуцер. Каналы для выхода жидкости образуют сообщающиеся сосуды.
Центрифуги могут быть с вертикальным и горизонтальным расположением вала и барабана, периодического действия (подвод суспензии и выгрузка осадка производятся периодически), полунепрерывного (суспензия подается непрерывно, а осадок выгружается периодически) и непрерывного действия (подача суспензии и выгрузка осадка осуществляются непрерывно).
Отстойная центрифуга периодического действия с ручной выгрузкой осадка (рис. 6) состоит из барабана, насаженного на вращающийся вал и помещенного корпус. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении барабана, твердые частицы осаждаются в виде сплош­ного слоя осадка на стенке барабана, а осветленная жидкость пе­реливается в кожух и удаляется через расположенный внизу пат­рубок. По окончании процесса осадок выгружают из центрифуги.



Рис. 5. Отстойник для разделения эмульсий: Рис. 6. Отстойная центрифуга:
1 – корпус, 2 – левая перегородка, 3 – правая перегородка 1 – вал, 2 – барабан, 3 - корпус

Процесс в отстойной центрифуге состоит из разделения (осаж­дения) суспензии и отжима или уплотнения осадка.
В автоматических отстойных центрифугах (рис. 7) загрузка материала, промывка, пропаривание и выгрузка осадка выполняются автоматически. Осадок после отделения жид­кости снимается ножом 3 или скребком, который срезает его и направляет в желоб или на конвейер. Нож управляется гидравли­ческим цилиндром; с ножом сблокирован пневматический моло­ток, который ударяет по желобу для облегчения выгрузки осадка.
Последовательность и продолжительность отдельных стадий полного цикла центрифугирования регулируются электрогидравлическим автоматом, который состоит из масляного насоса, редуктора и гидравлических цилиндров, управляемых сер­вомотором.
Описанная центрифуга пред­назначена для разделения гру­бых и средних суспензий.




Рис.7. Автоматическая центрифуга:
1 – гидравлический цилиндр, 2 – барабан, 3 – нож, 4 – желоб, 5 – штуцер для удаления фугата, 6 – труба для суспензии


Рис. 8. Непрерывнодействующая отстойная горизонтальная центрифуга
со шнековой выгрузкой осадка:
1 – корпус, 2 – ротор, 3 – шнековое устройство,4 – полый вал, 5 – центральная труба, 6 – камера осадка, 7 – патрубок для фильтрата

Непрерывнодействующие отстойные горизонтальные центрифуги со шнековой выгрузке осадка (НОГШ) применяют в крахмалопаточном производстве для получения концентрированного крахмального осадка и в других производствах.
Центрифуга (рис. 8) состоит из ротора и внутреннего шнекового устройства, заключенных в корпус. Суспензию подают через центральную трубу в полый вал шнека. На выходе из этой трубы внутри шнека суспензия под действием центробежной силы распределяется в полости ротора.
Ротор вращается в кожухе в полых цапфах. Шнек вращается в цапфах, находящихся внутри цапф ротора. Под действием центробежной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам ротора, жидкость образует внутреннее кольцо, толщина которого определяется положением сливных отверстий на торце ротора. Образовавшийся осадок перемещается вследствие отставания частоты вращения шнека от частоты вращения ротора к отверстиям в роторе, через которые он выводится в камеру 6 и удаляется из центрифуги.
При движении вдоль ротора осадок уплотняется. При необходимости он может быть промыт.
Осветленная жидкость отводится через сливные отверстия в камеру фильтрата и удаляется через патрубок 7.
Путем изменения частоты вращения ротора и шнека можно регулировать режим работы центрифуги, изменяя продолжительность отстаивания и выгрузки осадка.
Центрифуги типа НОГШ обладают высокой производительно­стью их применяют для разделения тонкодисперсных суспензий с высокой концентрацией твердой фазы.
Производительность отстойных центрифуг определяется скоростью осаждения, фактором разделения и площадью поверхнос­ти осаждения в роторе центрифуги
(11)



Из последнего уравнения получено выражение для расчета производительности (м3/ч) отстойных центрифуг с ножевым съе­мом осадка


(12)

где k— отношение продолжительности подачи суспензии к общему времени ра­боты центрифуги/
Производительность (м3/ч) центрифуги НОГШ по суспензии

(13)



Сепараторы, применяемые для разделения тонкодисперсных суспензий и эмульсий, обеспечивают эффективное отделение дрожжей от сброженной бражки, тонкое осветление виноматериалов обезжиривание молока и др.
Тарельчатый дрожжевой сепаратор с внутренни­ми соплами (рис. 9) состоит из барабана и пакета тарелок, зак­люченных в корпус, который смонтирован на общей раме с элект­родвигателем. Вал с насаженными на него тарелками приводится во вращение электродвигателем через ременную передачу. Сепаратор снабжен клапанами для его безразборной промывки. Клапаны автоматически открываются при снижении частоты вращения вала в результате накопления осадка.
Суспензия в сепаратор подается по внешней кольцевой трубе (рис. 9, б) под нижнюю перфорированную тарелку, достигает под действием центробежной силы нижней поверхности тарелки частично разделяется и поступает в межтарельчатое пространство вышерасположенной тарелки. Пакет сепарационных тарелок увеличивает эффект сепарирования благодаря сокращению пути свободного осаждения дрожжевых частиц. Если дрожжевая частица достигла нижней поверхности тарелки, то можно считать, что она практически выделилась из смеси. Осевшие частицы дрожжей через внутренние сопла поступают во внутреннюю кольцевую трубу и выводятся из сепаратора. Осветленная жидкость выводится по периферийной трубе.
Саморазгружающийся сепаратор (рис. 10) предназначен для разделения суспензий, содержащих более 1 % твердых частиц. Суспензия подается в барабан сверху через центральную впускную трубку и распределяется по периферии при помощи распределительного конуса. Твердые частицы как более тяжёлая фаза направляются к стенке барабана. Жидкость выходит из барабана в его верхней части после прохождения через дисковую насадку и встроенный насос с напорным диском. Осадок выгружается из барабана сепаратора через определенные интервалы без остановки сепаратора.






Рис. 9 Дрожжевой сепаратор:
А – общий вид, б – схема работы тарелок, 1 – корпус, 2 – внутренне сопло, 3 – привод, 4 – рама, 5 – сменная втулка рабочего вала, 6 – регулируемая напорная труба, 7 клапан системы безразборной мойки, 8 – пакет тарелок




Рис.11 Схема работы тарелок саморазгружающегося сепаратора
Внутреннее дно барабана может свободно перемещаться по вертикали. Во время сепарирования дно под действием гидравлического давления уплотняющей жидкости прижимается к верхней части барабана, обеспечивая надежную герметизацию. Через определенные интервалы автоматически по заданной программе резко понижается давление уплотняющей жидкости, в результате чего дно барабана перемещается вниз. При этом открывается кольцевая щель, через которую под действием центробежной силы выгружаются твердые частицы.
Повышение и понижение гидравлического давления осуществля­ются посредством «импульсов» рабочей жидкости, которая подается снаружи в систему и приводит в действие барабан. Эти импульсы и последующие выгрузки твердых частиц (так называемые «выстре­лы») регулируются устройством для выгрузки, которое приводится в действие датчиком времени, или самозащелкивающимся устрой­ством, срабатывающим, как только твердые частицы достигают оп­ределенного уровня в пространстве, где они удерживаются.
Выгрузка твердых частиц может быть частичной, полной или комбинированной.
Сопловые сепараторы с непрерывным удале­нием осадка применяют для разделения суспензий, содержащих от 6 до 30 % твердых частиц. Центробежная сила, развиваемая в таких сепараторах, в 6000...9000 раз больше силы тяжести. Про­изводительность сопловых сепараторов достигает 150 м3/ч.
Сепараторы высокопроизводительны, компактны, герметичны, изготовляются из антикоррозийных материалов, просты в обслу­живании (сборка, разборка и периодическая промывка сепарато­ров производятся с помощью специальных устройств и моющих машин), не требуют значительных затрат ручного труда, могут работать по заданной программе. Недостаток аппаратов — высокая стоимость.
(14)

Разновидностью соплового сепаратора является бактофуга (рис.11), которая представляет собой герметичный высокоскоростной сепаратор, выполненный в виде осветлителя и снабженный рубаш­кой для охлаждения, а также циклоном для деаэрации концентрата
Преимущества бактофуги — высокий фактор разделения (это позволяет разделять суспензии, содержащие очень мелкие части­цы, такие, как бактерии), непрерывная выгрузка концентрата твердых частиц, не содержащего воздуха; герметичный вход тех­нологической жидкости и выход осветленной жидкости; охлажде­ние во время сепарирования; наличие устройства для предотвра­щения утечки загрязненного воздуха.
В бактофуге сепарирование происходит также в. барабане с набо­ром конических тарелок. Для непрерывной выгрузки осадка пре­дусмотрены два расположенных по периферии сопла 2.Технологи­ческая жидкость в условиях герметичности подается снизу в полый вал 3 и под действием центробежной силы распределяется по тарел­кам. Тяжелая фаза непрерывно разгружается через сопла вместе с небольшим количеством жидкой фазы. Основная часть осветлен­ной жидкости в условиях герметичности выходит через штуцер 1.Влажный концентрат, выходящий из сопл, собирается в крышке центрифуги, а затем поступает в циклон, где деаэрируется. Концен­трат выгружается из циклона через штуцер 4,а загрязненный воздух циркулирует через циклон в крышку барабана циклона
Такие бактофуги применяют при очистке молока от находя­щихся в нем бактерий (до 99 %), в фармацевтической промышлен­ности для извлечения осажденных белков (таких, как гамма-гло­булин) и различных ферментов.
Гидроциклоны применяют для осветления, обогащения суспен­зий, классификации твердых частиц по размерам от 5 до 150 мкм, а также для очистки сточных вод после мойки пищевых агрегатов.
Корпус гидроциклона (рис. 12) состоит из верхней цилиндри­ческой части и конического днища. Качество разделения в гидро­циклонах зависит от угла конусности. Оптимальным считают угол, равный 10...15°. При таком угле удлиняются коническая часть гидроциклона и путь твердых частиц, следовательно, увели­чивается время пребывания частиц и улучшается качество разде­ления.





Рис. 11 Схема бактофуги: Рис. 12 Гидроциклон:
1 – штуцер для выхода осветлённой жидкости из 1 – тангенциальный штуцер, 2 – патрубок
бактофуги, 2 – выход концентрата через сопла, 3 – перегородка, 4 – цилиндрический корпус,
3 – вход технологической жидкости через полый вал, 5 – коническое днище, 6 – штуцер для выхода
4 – штуцер для выхода деаэрированного концентрата шлама
из циклона, 5 – поток циркулирующего воздуха в
циклоне
Суспензия подается тангенциально в цилиндрическую часть и приобретает вращательное движение. Скорость суспензии на вхо­де в гидроциклон составляет 5...25 м/с. Под действием центробеж­ной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам гидроцикло­на и движутся по спиральной траектории вдоль стенок вниз к штуцеру 6,через который отводятся в виде шлама. Осветленная жидкость движется во внутреннем спиральном потоке вверх вдоль оси гидроциклона и удаляется через патрубки 2.
Диаметр гидроциклонов, применяемых в качестве классифика­торов, З00...350мм, высота 1,0...1,2 м. Для сгущения грубых сус­пензий используют гидроциклоны диаметром 100 мм, для сгуще­ния и осветления тонких суспензий — гидроциклоны диаметром 10...15 мм, обычно объединяемые в общий агрегат, в котором они работают параллельно (мультигидроциклон).
Производительность гидроциклонов, м3/ч,

(15)




Рис.13 Сверхцентрифуга
1 – корпус,2 – ротор, 3 – лопасть,
4- подпятник, 5 – труба,
6 – отверстие для выхода
осветлённой жидкости,
7 – шпиндель, 8 – опора, 9 - шкив

Сверхцентрифуги (рис. 13) имеют ротор малого диаметра — не более 200 мм, вращаю­щийся с большой частотой—до 4500 мин-1. Фактор разделения составляет 15 ООО. В таких центрифугах разделяют очень тонкодисперсные суспензии и эмульсии (обезжиривания молока).