1

Wybrane aparaty do rozdzielania zawiesin

Wirówki

Dr inż. Henryk Bieszk

Katedra Aparatury i Maszynoznawstwa Chemicznego PG

2

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

sedymentacyjnych oraz filtracyjnych .

W wirówkach sedymentacyjnych rozdzielanie odbywa się w polu działania sił odśrodkowych, w filtracyjnych natomiast na przegrodzie filtracyjnej.

Ściany bębnów wirówek filtracyjnych są perforowane, sedymentacyjnych natomiast pełne.

3

Według przeznaczenia technologicznego rozróżnia sięwirówki

filtracyjne - do oddzielania fazy stałej od cieczy, sedymentacyjne – do zagęszczania zawiesin przez

oddzielenie części fazy ciekłej.

4

Ponadto wirówki dzieli się ze względu na współczynnik rozdziału lub uwielokrotnienia przyspieszenia definiowany jako stosunek siły odśrodkowej do siły ciężkości

Z rg

D n=

⋅≈

⋅ω 2 2

1800(1)

gdzie: ω [rad/s] - prędkość kątowa obrotu bębna, n [obr/min] –częstość obrotów bębna, r, D [m] – odpowiednio promień i średnica bębna, g [m/s2] - przyspieszenie ziemskie.

Rozróżnia się wirówki zwykłe, dla których Z = 500÷4000 oraz ultrawirówki, dla których Z = 6000÷50000.

5

W zależności od charakteru pracy rozróżnia się wirówki o działaniu

okresowym, półciągłym i ciągłym;

Biorąc pod uwagę położenie wału napędzającego wirówki dzieli się na

pionowe i poziome.

Dalszym kryterium podziału jest sposób usuwania osadu; rozróżnia się wirówki z

ręcznym wyładowaniem osadu i wirówki z mechanicznym wyładowaniem osadu.

6

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

7

Rys.1. Schemat wirówki sedymentacyjnej o działaniu okresowym; 1- bęben, 2 – obudowa, 3 - wał napędowy, 4 - przewód dopływu zawiesiny, 5 - przewód odpływu cieczy klarownej

8

Bęben napędzany jest przez wał, który wprawia go w ruch obrotowy.

Zawiesinę doprowadza się do bębna stożkowo zakończonym przewodem zapewniającym równomierne jej rozprowadzenie na obwodzie bębna w ilości stanowiącej ok. połowy jego objętości.

W czasie wirowania zawiesina wskutek działania siły odśrodkowej tworzy pierścieniową warstwę, w której ziarna fazy stałej (o większej gęstości) zajmują położenie na, i w pobliżu wewnętrznej ściany bębna, natomiast ciecz (o mniejszej gęstości) tworzy warstwę bliżej osi obrotu bębna.

9

Ciecz klarowna odpływa przewodem przesuwającym sięstopniowo do ściany bębna.

Osad po odprowadzeniu cieczy klarownej i zatrzymaniu bębna usuwa się ręcznie.

W wirówce sedymentacyjnej o działaniu półciągłymzawiesina dopływa w sposób ciągły do bębna, w którym tworzy się warstwa o grubości określonej szerokością górnej krawędzi bębna.

W taki sam, ciągły sposób z bębna odpływa przelewowo nadmiar cieczy klarownej.

Wirowanie prowadzi się do czasu wypełnienia bębna osadem do grubości wynoszącej 1/2÷3/4 szerokości górnej krawędzi przelewowej.

Osad usuwa się okresowo po uprzednim zatrzymaniu bębna.

10

Rys 2. Schemat wirówki sedymentacyjnej o działaniu półciagłym; 1- bęben, 2 – obudowa, 3 - wał napędowy, 4 - przewód dopływu zawiesiny, 5 - przewód odpływu cieczy klarownej

11

W wirówce sedymentacyjnej poziomej o działaniu ciągłym, rys. 3, wszystkie podstawowe czynności:

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

12

Rys.3. Schemat wirówki sedymentacyjnej o działaniu ciągłym; 1-bęben, 2- wał napędowy ślimaka, 3- wał napędowy drążony, 4-bęben cylindryczny ze ślimakiem, 5- obudowa, 6- dopływ zawiesiny, 7- odpływ cieczy klarownej, 8- odpływ osadu

13

Wewnątrz stożkowego bębna zainstalowany jest ślimak do transportu wydzielonego osadu.

Zawiesina doprowadzana jest osiowo drążonym wałem ślimaka i otworami w jego ścianie rozpływa się na ścianęwirującego bębna wirówki gdzie następuje jej rozdział.

Obroty bębna i ślimaka różnią się od siebie (do ok. 2%), co powoduje równomierne rozprowadzenie szlamu na wewnętrznej powierzchni bębna i jego przesuwanie w kierunku mniejszych średnic stożkowego bębna.

Osad odprowadzany jest z wirówki króćcem w jej obudowie.

14

Ciecz klarowna natomiast przepływa w kierunku części o większej średnicy, wypływa po przeciwnej stronie bębna i odprowadzana jest oddzielnym króćcem w obudowie wirówki.

Wirówki tego typu nie są wrażliwe na rodzaj zawiesiny i sąstosowane zwykle do odwadniania zawiesin substancji krystalicznych a także do rozdzielania emulsji.

Do rozdzielania (klarowania) zawiesin o bardzo małym stężeniu fazy stałej (poniżej 1%) stosowane są wirówki sedymentacyjne rurowe, rys. 4.

15

Rys.4. Schemat ultrawirówki rurowej do rozdziału zawiesin; 1- bęben wirówki, 2- obudowa, 3- przewód dopływowy zawiesiny, 4- przewód odpływowy cieczy klarownej

16

Do rurowego bębna wirówki zawiesina zawierająca bardzo drobne cząstki fazy stałej doprowadzana jest od dołu, na wewnętrzną ścianę bębna.

Ciecz klarowna odpływa górąbębna do górnej części nieruchomej obudowy bębna, a następnie na zewnątrz wirówki.

Osad pozostaje na ścianie bębna i po wytworzeniu odpowiednio grubej jego warstwy następuje zatrzymanie bębna.

W celu usunięcia osadu, bęben wyjmuje się z obudowy.

17

Oczyszczony z osadu bęben umieszcza się ponownie w obudowie i rozpoczyna następny cykl pracy wirówki.

Wirówki te wyposażane są w dwa wymienne bębny w celu możliwie maksymalnego wykorzystania czasu pracy wirówki, przez skrócenie czasu jej postoju koniecznego do usunięcia osadu.

Średnice rurowych bębnów wynoszą 0.05÷0.15 [m], ich długości są kilkukrotnie większe, a częstości obrotów osiągają45000 [obr/min].

Zaletą jest osiąganie wysokich wartości współczynnika rozdziału Z, 8÷34 razy większych niż w zwykłych wirówkach. Z tego powodu wirówki te nazywane są ultrawirówkami

18

Do klarowania zawiesin stosowane są separatory talerzowe, rys. 5, w których cząstki fazy stałej gromadzą się w strefie ściany bocznej bębna, a ciecz klarowna odprowadzana jest ze strefy znajdującej się w osi bębna separatora.

Rozpowszechnione są talerzowe separatory zawiesin o działaniu ciągłym z hydraulicznym wyładunkiem zagęszczonej zawiesiny.

Wirówki talerzowe są przeznaczone do wydzielania cząstek o wymiarach 0.5 [μm]÷0.5 [mm].

Podczas pracy ciągłej można rozdzielać zawiesiny o stężeniach do 10% mas. ze strumieni zawiesiny do 100 [m3/h].

19

Rys. 5. Wirówka talerzowa - widok

20

Rys. 6. Schemat wirówki talerzowej; 1- bęben, 2- wał napędowy, 3- talerze, 4- przewód dopływu zawiesiny, 5- kanały rozpływowe, 6- przewód odpływowy cieczy klarownej, 7- przewód odpływowy szlamu

21

Separatory talerzowe mają one bębny o większej od ultrawirówek rurowych średnicy, najczęściej 0.15÷0.3 [m], a częstość obrotów zawiera się w przedziale 6000÷10000 [obr/min].

Przestrzeń osadzonego na wale bębna separatora jest podzielona na szereg warstw przez pakiet stożkowych talerzy (40÷100 szt.).

Zawiesina doprowadzana do bębna przewodem dopływowym rozpływa się do przestrzeni między talerzami, wpływając na poszczególne talerze kanałami utworzonymi przez znajdujące się w nich otwory.

Podczas przepływu zawiesiny następuje rozdział na szlam oraz na ciecz klarowną.

Szlam spływa ku ścianom bębna, ciecz klarowna płynie w kierunku osi bębna.

22

Rozdzielone w ten sposób, ciecz klarowna i szlam, odprowadzane są na zewnątrz wirówki oddzielnymi dla każdej cieczy przewodami znajdującymi się w górnej części obudowy bębna wirówki.

W porównaniu z ultrawirówkami rurowymi, separatory talerzowe charakteryzują się sprawniejszym rozdzielaniem i większą pojemnością bębna.

Oprócz separatorów talerzowych stosowane są mniej intensywne separatory komorowe, rys.7 .

23

Rys. 7. Schemat separatora komorowego; 1- bęben, 2- komora, 3- wał , 4- przewód dopływu zawiesiny, 5- przewód odpływowy cieczy klarownej, 6- przewód odpływowy szlamu

24

Wirówki filtracyjne są stosowane głównie do filtracji zawiesin gruboziarnistych, w sytuacjach, gdy wymagane jest przemywanie osadu oraz gdy zachodzi konieczność uzyskania osadu możliwie maksymalnie pozbawionego fazy ciekłej.

Istotnym parametrem, oprócz wielkości stopnia rozdziału Z, jest tu przepuszczalność osadu, dlatego wirówki filtracyjne stosowane są do rozdzielania zawiesin tworzących dobrze przepuszczalne osady.

25

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.

Wirówka filtracyjna o działaniu okresowym, rys. 8, posiada osadzony na pionowym wale bęben, który umieszczony jest w nieruchomej obudowie.

26

Rys. 8. Schemat wirówki filtracyjnej okresowej; 1- bęben, 2- wał, 3- obudowa, 4- dopływ zawiesiny, 5- odpływ filtratu, 6- odpływ osadu, 7- pokrywa

27

W obudowie znajdują się króćce do odprowadzania filtratu i osadu.

Zawiesina doprowadzana jest do wirówki po jej uruchomieniu.

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 uprzednim zatrzymaniu bębna, rys. 9.

28

Rys. 9. Wirówka filtracyjna okresowa; odpływ osadu

29

Wirówki filtracyjne o działaniu okresowym z wyładunkiem ręcznym stosuje się do rozdziału zawiesin zawierających materiały włókniste i ziarniste.

Wilgotność końcowa osadu osiągana w tych wirówkach kształtuje się na poziomie poniżej 1% dla substancji gruboziarnistych, 1 ÷ 5% dla średnioziarnistych i 5 ÷ 40% dla drobnoziarnistych.

30

W wirówce filtracyjnej o działaniu półciągłym z mechanicznym usuwaniem osadu, rys. 10, poziomo usytuowany bęben jest umieszczony w nieruchomej obudowie.

Zawiesina doprowadzana do bębna ulega rozdziałowi podczas wykonywania przez bęben ruchu obrotowego.

Filtrat odprowadzany jest z wirówki na zewnątrz króćcem w obudowie.

Po wytworzeniu się na wewnętrznej powierzchni bębna odpowiednio grubej warstwy osadu, odcina się dopływ zawiesiny, a do bębna doprowadzana jest ciecz przemywająca.

31

Rys.10. Schemat wirówki filtracyjnej o działaniu półciągłym; 1- bęben, 2- wał napędowy, 3- obudowa, 4- dopływ zawiesiny, 5- dopływ cieczy myjącej, 6- odpływu filtratu, 7- zgarniak, 8- odprowadzenie osadu, 9- cylinder tłoka

32

Po odcięciu jej dopływu do bębna, następuje odwirowanie cieczy zawartej w osadzie, a po tej czynności zmniejsza sięczęstość obrotów bębna i usuwa osad.

Do tej ostatniej czynności stosowany jest napędzany hydraulicznie skrobak poruszający się od osi bębna w kierunku jego ściany.

Po usunięciu osadu skrobak odsuwany jest od powierzchni filtracyjnej i wraca do wyjściowego położenia.

Wszystkie czynności – otwieranie zaworów na przewodach doprowadzających zawiesinę, ciecz przemywającą, docisk zgarniaka, zmiana częstości obrotów bębna, mogą byćzaprogramowane i wykonywane automatycznie.

33

Wirówki o działaniu półciągłym charakteryzują się większąwydajnością od wirówek o działaniu okresowym.

Z uwagi na sposób usuwania osadu za pomocą zgarniaka, wirówek tych nie zaleca się stosować do materiałów, dla których niepożądane jest ich rozdrabnianie .

Do rozdziału takich materiałów mogą być stosowane wirówki o działaniu ciągłym z usuwaniem osadu za pomocąpulsującego tłoka.

34

Wirówki filtracyjne o działaniu ciągłym zasilane sąciągłym strumieniem zawiesiny, w sposób nieprzerwany odprowadzany jest z wirującego bębna filtrat i osad.

Wyładowanie osadu może być realizowane za pomocąpulsującego tłoka, ślimaka lub wskutek wibracji bębna.

Wirówka filtracyjna o działaniu ciągłym z tłokowym urządzeniem do usuwania osadu, rys. 11, jest zasilana zawiesinądoprowadzaną do stożka rozprowadzającego skąd wypływa na wewnętrzną powierzchnię bębna.

35

Rys.11. Schemat wirówki filtracyjnej o działaniu ciągłym; 1- bęben, 2- obudowa, 3- wał drążony, 4- wał pełny, 5- tłok, 6- dopływ zawiesiny, 7- dopływ cieczy myjącej, 8- odpływ filtratu, 9- odpływ popłuczyn10- odpływ osadu

36

Filtrat pod działaniem siły odśrodkowej przepływa przez warstwę osadu, tkaninę filtracyjną i otworami w ścianie bębna do jego nieruchomej obudowy skąd odpowiednim króćcem jest odprowadzany na zewnątrz wirówki.

Osad zatrzymany na przegrodzie filtracyjnej jest usuwany tłokiem tarczowym, który wykonuje ruch posuwisto-zwrotny i jednocześnie obrotowy z częstością obrotów bębna wirówki.

Podczas ruchu tarczy tłoka do przodu, osad przesuwany jest wzdłuż tworzącej bębna na długość skoku tłoka w kierunku otworu odpływowego.

Na tej drodze osad może być przemywany. W czasie ruchu powrotnego na uwolnioną od osadu

powierzchnię napływa zawiesina.

37

Wirówki tego typu budowane są również jako wielostopniowe, np. wirówka trójstopniowa, rys.12, posiada bęben utworzony z trzech, różniących się średnicami części.

W pierwszym stopniu; o najmniejszej średnicy, następuje utworzenie warstwy osadu,

w drugim - przemywanie osadu, a w trzecim; o największej średnicy – odwirowanie (podsuszenie)

osadu.W wirówkach wielostopniowych, w porównaniu z

jednostopniowymi, uzyskuje się lepsze przemycie i odwirowanie (podsuszenie) osadu.

38

Rys.12. Schemat trójstopniowej wirówki filtracyjnej o działaniu ciągłym; 1- bęben, 2- obudowa, 3- wał drążony, 4- wał pełny, 5-tłok, 6- dopływ zawiesiny, 7- dopływ cieczy myjącej, 8- odpływ filtratu, 9, 10- odpływ popłuczyn,11- odpływ osadu

39

Bębny filtracyjnych wirówek pionowych mają średnice w zakresie 0.2 ÷1.5 [m], a wirówek poziomych są większe i wynosząod 0.6 do 2.5 [m].

Dane te dotyczą także bębnów wirówek sedymentacyjnych.

Dane operacyjne i gabarytowe omówionych wirówek filtracyjnych zamieszczono w tabeli 1.

40

do 500.8÷1.50.2÷0.9400÷1400Ciągłado 700.8÷2.50.1÷0.5300÷2000Półciągłado 6.00.9÷2.00.05÷0.7600÷1200Okresowa

Wydajnośćw

odniesieniu do filtratu

[m3/h]

Średnica bębna

[m]

Stężenie masowe

fazy stałej w zawiesinie

[kg/kg]

Współczynnikrozdziału, Z

Wirówka (charakter

pracy)

Tabela 1. Dane techniczne wirówek filtracyjnych

41

Wirówki o działaniu ciągłym są wydajniejsze od wirówek o działaniu okresowym, znacznie prostsza jest również ich obsługa, z tych powodów ich zastosowanie w procesach produkcyjnych prowadzonych w dużej skali.

Wirówki o działaniu okresowym znajdują zastosowanie w procesach produkcyjnych o niewielkiej skali.

Wirówki są urządzeniami szybkobieżnymi wymagającymi bardzo starannej obsługi i dozoru.

42

Hydrocyklony

Hydrocyklon, rys. 13, jest aparatem umożliwiającym wykorzystywanie siły odśrodkowej do rozdzielania zawiesin.

Wskutek znacznych przyspieszeń odśrodkowych możliwe jest uzyskiwanie współczynników rozdziału Z w przedziale wartości 500÷25000, co umożliwia wydzielanie z zawiesin cząstek fazy stałej o wymiarach 3 ÷250 [μm].

Budowę hydrocyklonu ilustruje rys. 14.

43

Rys. 13. Hydrocyklon - widok

44

Rys. 14. Schemat budowy hydrocyklonu; 1- część cylindryczna, 2- część stożkowa, 3- dopływ zawiesiny, 4- odpływ cieczy klarownej, 5- odpływ szlamu,

45

Zawiesina dopływa do hydrocyklonu pod ciśnieniem 2÷5 [bar] stycznie do jego górnej cylindrycznej części.

To powoduje ruch zawiesiny po spirali przestrzennej wokółpionowej osi w obu, cylindrycznej i stożkowej, częściach aparatu.

W pierwszej fazie zawiesina porusza się spiralnie ku dołowi aparatu tworząc wir pierwotny (zewnętrzny), a następnie przechodzi w zwrotny ruch spiralny ku górze – wir wtórny (wewnętrzny), wypływając z hydrocyklonu rurą 4, rys. 14.

46

W takich warunkach zawiesina ulega rozdzieleniu na strumień cieczy klarownej kierowanej w postaci wiru

wtórnego ku górze, oraz strumień szlamu spływającego ku dołowi aparatu.

Ciecz klarowna wypływa z hydrocyklonu rurą centralną z jego górnej części, natomiast szlam, króćcem usytuowanym najniżej.

47

Ze względu na wielkość średnicy aparatu D, wyróżnia sięhydrocyklony:

duże (D = 400÷1200 [mm]), średnie (D = 80÷400 [mm]) i małe (D = 8÷80 [mm]).

Ze zmniejszeniem średnicy hydrocyklonu następuje zwiększenie siły odśrodkowej działającej na zawiesinę i możliwość wydzielania z niej coraz mniejszych cząstek fazy stałej.

48

W zależności od przeznaczenia rozróżnia się hydrocyklony: klarujące, klasyfikujące i zagęszczające.

Hydrocyklony klarujące posiadają długą część stożkową o kącie rozwarcia poniżej 10o, klasyfikujące charakteryzują siędłuższą częścią cylindryczną, a kąt rozwarcia części stożkowej wynosi 30÷120o.

Hydrocyklony zagęszczające mają bardzo krótką częśćstożkową o kącie rozwarcia dochodzącym do 150o.

49

W celu uzyskania wymaganej wydajności przy niewielkich średnicach aparatów pojedyncze hydrocyklony łączy się w baterie nazywane multihydrocyklonami, rys. 15.

Liczba hydrocyklonów w baterii zależy od wielkości strumienia zawiesiny i może dochodzić do 456 (firma Dorr-Oliver), a ich średnice od kilku do kilkudziesięciu milimetrów.

50

Rys. 15. Multihydrocyklon - widok

51

Prowadzenie operacji rozdzielania w jednym hydrocyklonie lub multihydrocyklonie nie zawsze zapewnia uzyskanie wymaganych technologicznie parametrów rozdzielania zawiesiny.

W takich warunkach stosowane są instalacje wielostopniowe (złożone z większej liczby pojedynczych aparatów), rys.16, lub takie, w których hydrocyklon współpracuje z innym aparatem do rozdzielania układów niejednorodnych (odstojnik, filtr, wirówka) rys.17, 18.

Ten ostatni wariant jest korzystny ze względu na ograniczone zdolności rozdzielcze hydrocyklonu.

52

Rys. 16. Schemat instalacji hydrocyklonu dwustopniowego

53

Rys. 17. Schemat instalacji hydrocyklonu współpracującego z filtrem

54

Rys. 18. Schemat instalacji hydrocyklonu współpracującego z wirówką filtracyjną

55

Przepływ cieczy w hydrocyklonie jest bardzo złożony i dlatego pomimo ich powszechnego stosowania projektowanie hydrocyklonów oparte jest na wynikach badań doświadczalnych i danych eksploatacyjnych.

56

gdzie: k – stała, której wartość dla hydrocyklonów długich wynosi (1.2÷1.4) ×103 , a dla hydrocyklonów krótkich (0.8 ÷1.0) ×103, do i d1 – odpowiednio średnice przewodów wlotowego zawiesiny i wylotowego cieczy klarownej z hydrocyklonu, ρz - gęstość zawiesiny.

Q k d d pv o

z

≅ ⋅ ⋅ ⋅12Δρ (2)

Wydajność hydrocyklonu uzależniona jest przede wszystkim od spadku ciśnienia Δp, i w odniesieniu do zawiesiny jest określona wzorem:

57

Maksymalną wielkość cząstek fazy stałej unoszonych w cieczy klarownej wypływającej z hydrocyklonu, czyli jego zdolnośćrozdzielczą określa zależność:

( )d d

h QdD

o

v

=⋅ − ⋅

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

2

1 2

10 64

245 ρ ρ

.

gdzie: ρ1 i ρ2 - gęstości odpowiednio; fazy stałej i cieczy , h – wysokość wiru wtórnego, D – średnica hydrocyklonu.

(3)

58

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