|
|
Процессы и аппараты нефтегазо- переработки. процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии куиии д., Левеншпиль о
(XVIII,11) (XVIII,12)
F& = XV
б = xV/F
или
С учетом уравнения (XVIII, 12) сопротивление слоя осадка запишется следующим образом:
Roc=9ocxV/F (XVIII, 13)
Записав уравнение (XVIH, 7) в дифференциальной форме, можем представить уравнение (XVIII, 8) в следующем виде:
(XVIII,14)
dV _ Ар
Fdx — росxV/F -J- Яф. п
Это уравнение используют для расчета процесса фильтрации.
Можно рассмотреть два теоретических случая осуществления процесса фильтрации: 1) при постоянном перепаде давления;
при постоянной скорости фильтрации.
Фильтрация при Ар = const. Как следует из уравнения (XVIII, 14), в этом случае по ходу процесса скорость фильтрации уменьшается вследствие увеличения слоя осадка 8. Запишем уравнение (XVIII, 14) в следующем виде:
p0CxV dV + Яф. пF dV = ApF2 dx
Проинтегрировав это дифференциальное уравнение, получим (poc*/2) V2 + Яф. пFV — ApF2x = О
Разделив обе части уравнения на F2, можем записать
(-L)2 + %n(-^)-Дрт=0 (XVIII,15)
Полученное квадратное уравнение можно решить относи тельно V/F, называемой удельной производительностью фильтра
v __ ^Ф.п . л[/ Яф.„ \2 . 2Арх (XVIII,16)
F РосХ У \ Рос* / Рос*
Если сопротивлением фильтрующей перегородки можно прене бречь по сравнению с сопро-
тивлением слоя осадка (Roc >
Суспензия
>/?ф. п). то уравнение (XVIII, 16) упрощается
V2gJr- 65
/г 75
626.•‘-ЬНД* 184
222
Г,, 227
-(АЛ 247
S 340
V 354
перегородку. Фильтрат
Из приведенных уравнений следует, что производитель ность фильтра пропорциональна площади фильтрующей пере городки.
Часто конструкция фильтра обусловливает максимальную тол щину слоя образующегося осадка 6. Поэтому из уравнения (XVIII, 15) можно в этом случае найти время фильтрации т.
Приняв во внимание уравнение (XVIII, 12) преобразуем уравне ние (XVIII, 15) к следующему виду:
2^. fia + б _ Арт = о
Откуда время фильтрации равно
1 - тк (■¥-+**•") <xvm'i8>
Фильтрация при С — const. В этом случае суспензию подают на фильтр поршневым насосом, обеспечивающим постоянную ее подачу. Как видно из уравнения (XVIII, 14), такой режим филь трации обеспечивается непрерывным увеличением перепада дав ления Ар на фильтре. Приняв конечную величину перепада дав ления Арк, получим следующее квадратное уравнение:
Рос* 07О2 -1- Яф. п (170 - АДкТ = О Отсюда удельная производительность фильтра равна
v. - - fy-n | 1f ( Яф. п У . Аркт (XVIII,19)
F 2р
ос* г V 2рос* / Рос*
Пренебрегая сопротивлением фильтровальной перегородки по сравнению с сопротивлением осадка, получим
(XVIII,20)
V_ ^ -I / Дркт
F ' V Рос*
Промывка осадка. Часть фильтрата задерживается в объеме осадка. Поэтому осадок промывают другой жидкостью для уда ления из него фильтрата. При промывке сопротивление осадка остается постоянным, так как новый осадок не образуется. Поэтому скорость промывки также остается постоянной. Поскольку дви жение жидкости в порах осадка является ламинарным и сопротив ление обусловлено в основном трением вязкой жидкости о стенки каналов между частицами осадка, можно записать следующее соот ношение:
Ар Ск. фРф = СпррПр (XVIII,21)
где Ск. ф, Спр — скорость фильтрации в конце процесса и скорость промывки; Рф, Рпр — вязкости фильтрата и промывной жидкости.
Отсюда скорость промывки равна
Спр=Ск.ф-^7 (XVI 11,22)
Нпр
Из уравнения (XVIII,22) следует, что для увеличения скорости промывки вязкость промывной жидкости должна быть по воз можности меньше по сравнению с вязкостью фильтрата. Объем промывной жидкости Vnp определяется требованиями к качеству осадка и является опытной величиной. Время промывки осадка равно
*пр = Vnp/FCnp (XVIII,23)
Если фильтрацию ведут при постоянной скорости, то промыв ку проводят с той же скоростью, т. е. С = Спр. В этом случае из уравнения (XVIII,21) получаем следующее соотношение:
Дрпр = Лрк. ф - (XVII 1,24)
М-Ф
где Дрк.Ф» Дрпр — сопротивление в конце процесса фильтрации и при промывке осадка.
Сопротивление при промывке осадка уменьшается при сниже нии вязкости промывной жидкости.
Устройство фильтров и их основные конструкции. Вакуум- фильтры. В промышленности применяют в основном вакуум- фильтры двух типов: нутч-фильтры и барабанные вакуумные фильтры.
Нутч-фильтр (рис. XVI11-9) является простейшим аппаратом для фильтрации суспензий под вакуумом. Изготавливается в виде цилиндрического сосуда 1 с нижним днищем 2. На некотором рас стоянии от днища установлена плоская фильтрующая перегород ка 3, на которой закреплена дренажная сетка 4 и ткань 5. Про странство под перегородкой сообщается с вакуумным насосом че рез штуцер 6.
Уровень суспензии Н1 над фильтрующей перегородкой поддер живается переливным штуцером 7.
Рис. XV111-9- Нутч-фильтр:
1 — корпус; 2 — днище; 3 — фильтрующая перегородка; 4 — дренажная сетка; 5 — ткань; 6 — штуцер вывода фильтрата; 7 — переливной штуцер.
Рис. XVIII-10. Схема включения нутч-фильтра в систему:
/ — суспензия; II — фильтрат; III — газы; 1 — приемник суспензии; 2,5 — насосы; 3 — нутч-фильтр; 4 — вакуумный сборник; 6 — каплеотбойник; 7 — вакуум-насос.
Схема включения фильтра в систему дана на рис. XVIII-10. Работа установки происходит следующим образом. Суспензия из приемника 1 подается насосом 2 в нутч-фильтр 3 (нутч-фильтров может быть несколько). Через переливной штуцер избыток сус пензии перетекает обратно в приемник 1. Таким образом в нутч- фильтре поддерживается постоянный уровень суспензии.
Через сборник фильтрата 4 вакуум-насос 7 создает в системе разрежение, под действием которого осуществляется процесс
фильтрации. Осадок откладывается на фильтре, а фильтрат и вы^ делившиеся из суспензии в вакууме газы и воздух отсасываются вакуум-насосом в сборник фильтрата 4, из которого фильтрат от качивается насосом 5. Газы из сборника фильтрата поступают в каплеотбойник 6 и через вакуум-насос 7 удаляются из системы.
По окончании процесса фильтрации, когда слой осадка дости гает предельной толщины, прекращают подачу суспензии, оста ток суспензии отфильтровывают. Промывную жидкость подают из
Рис. XVIII-II. Схема барабанного вакуум-фильтра:
/ — суспензия; / / — подача промывной жидкости; III — фильтрат; IV — вывод про мывной жидкости; V — газ на продувку; VI — инертный газ; 1 — барабан; 2 — корыто; 3 — привод барабана; 4 — крышка; 5 — коллектор промывной жидкости; 6 — отвод ная трубка; 7 — распределительная головка; 8 — сменный диск распределительной головки; 9 — продольная перегородка; 10 — нож для удаления осадка; // — шнек для выгрузки осадка; 12 — продольная перегородка.
другого приемника, как и фильтруемую суспензию. Промыв ную жидкость направляют в специальный вакуумный сборник. Затем осадок разгружают. Режим фильтрации при Ар =-- const.
Барабанные вакуум-фильтры широко применяют на установ ках депарафинизации масел. Основу фильтра (рис. XVIII-II) со ставляет горизонтальный барабан 1 диаметром до 3 м и длиной свыше 5 м, который вращается на двух цапфах со скоростью около 0,5 об/мин.
На боковой поверхности барабана крепятся металлическая сетка и фильтровальная ткань, обмотанная по спирали проволо кой. Изнутри фильтрующая перегородка разделена по образую щим продольными перегородками 12 на отдельные секции (12 и более), каждая из которых отводными трубками 6 соединена с ди ском 9, укрепленным на цапфе. Число отверстий в диске равно числу секций барабана. К диску прижата пружинами неподвиж ная распределительная головка, которая разделена на три ка меры, соответствующие отдельным стадиям фильтрации, промывки и продувки. Каждая камера имеет штуцер и через кольцевую про резь в сменном диске 8 головки 7 сообщается с соответствующим участком фильтровальной перегородки (рис. XVIII-I2). Нижняя часть барабана погружена в суспензию, которая подается в ко рыто 2 (см. рис. XVI11-11). Центральный угол, соответствующийпогруженной в суспензию фильтрующей поверхности барабана, равен 120—140р. Над барабаном установлен трубный коллектор 5 для подачи промывной жидкости. Сбоку размещены нож 10 для срезания осадка и шнек 11 для удаления осадка из фильтра.
Барабанный вакуум-фильтр работает следующим образом. Каждая секция барабана при его вращении погружается в сус пензию. При этом через отводную трубку, отверстие в диске цапфы и длинное окно в диске распределительной головки секция сооб щается с источником вакуума.
Под влиянием разности давлений в корпусе фильтра и внутри секции происходит фильтрация. Пока данная секция погружена в суспензию, соединенное с ней отверстие в диске цапфы сколь зит вдоль длинного окна диска распределительной головки и идет процесс фильтрации. По мере поворота секции вместе с бараба ном по часовой стрелке на поверхности секции образуется слой осадка. Фильтрат через штуцер в распределительной головке вы водится в сборник фильтрата. Когда секция выходит из слоя сус пензии, она еще соединяется с длинной прорезью. При этом ва куум под фильтровальной перегородкой сохраняется, и осадок сушится потоком инертного газа, который просасывается через осадок из корпуса фильтра. При дальнейшем вращении барабана данная секция соединяется со вторым, более коротким окном. При этом секция оказывается соединенной с вакуум-насосом через сбор ник промывной жидкости. Разбрызгиваемая из коллектора про мывная жидкость проходит через осадок, вытесняя находящийся там фильтрат. Затем осадок вновь просушивается проходящим через осадок потоком инертного газа. Секция соединяется с третьим окном, через которое газодувкой в секцию подается инертный газ под избыточным давлением примерно 5 кПа. Осадок
Рис. XVIII-12. Схема распределительной головки:
а — диск цапфы; 6 диск распределитель ной головки; / — отверстия для присоеди нения отводных трубок; 2 — окно для от вода фильтрата; 3 — окно для отвода про мывной жидкости; 4 — отверстие для под вода продувочного газа.
отделяется от поверхности барабана и затем снимается ножом. После этого для данной секции вновь начинается процесс филь трации.
Очевидно, что длительность каждой стадии процесса фильтра ции определяется временем, в течение которого каждая секция соединена с соответствующим окном распределительной головки. Если а — центральный угол в градусах, отвечающий данному окну в диске распределительной головки (см. рис. XVI11-12), товремя пребывания секции барабана в пределах данного окна опре делится следующим образом.
Длина окна I равна
I = 2лга/360 (XVIII,25)
При скорости вращения барабана п сб/мин окружная скорость перемещения центра отводной трубки будет равна
v = 2яга/60 (XVIII,26)
Время пребывания отводной трубки (секции барабана) в пре делах данного окна т в секундах будет равно
t=l/v=a/6n (XVIII, 27)
где v — линейная скорость вращения барабана.
Поскольку в пределах удлиненных окон происходит как филь трация, так и подсушивание осадка, собственно время фильтра ции будет определяться долей угла а, соответствующей времени контакта данной секции барабана с суспензией или промывной жидкостью.
Рис. XVI11-13. Рамный фильтр-пресс:
I
Поскольку секции при вращении барабана последовательно проходят все стадии процесса, фильтрация осуществляется не прерывно. При этом в каждый данный момент часть секций (около V3) работает, в режиме фильтрации, в части секций осадок под сушивается, в других секциях осадок промывается, в следую щих по ходу вращения осадок вновь подсушивается, а в одной- двух секциях происходит продувка осадка.
Применяют также дисковые вакуумные фильтры, в которых вместо барабана на общем валу находится несколько дисков, разделенных на секторы, как и барабан. Фильтрация осуществ ляется через обе торцовые поверхности каждого диска.
Фильтры под давлением. Наиболее широкое применение имеют фильтр-прессы и пластинчатые фильтры.
Рамный фильтр-пресс (рис. XVIII-13) представляет собой на бор плит 1 и рам 2 квадратной или круглой формы, которые опи раются на балки 3 и сжимаются специальным приспособлением 5 через нажимную плиту 4. Плиты фильтра имеют с обеих сторон рифленую поверхность, на которую укладывают фильтровальную ткань. В собранном виде между двумя соседними плитами обра зуются камеры, в которых накапливается осадок.
В плитах, рамах и листах фильтровальной ткани имеются отверстия, которые при сборке фильтра образуют каналы для подачи суспензии и промывной жидкости, а также для вывода фильтрата и промывного раствора (рис. XVI11-14).
При фильтрации (рис. XVII1-14, а) суспензия подается парал лельно во все рамы и по каналам в них вытекает в пространство между плитами. Через ткань, уложенную на плитах, проходит фильтрат, 'который'затем стекает по рифленой поверхности плит к выводному каналу и выводится из фильтра.
Рис. XVI11-14. Схема движении потоков в рамном фильтр-прессе:
а — при фильтрации; б — при промывке осадка; / — суспензия; II — фильтрат; III — промывная жидкость; IV — промывной раствор; V — осадок; 1 — плита; 2 — рама; 3 — фильтровальная ткань.
Осадок отлагается на фильтровальной ткани. Максимальная толщина слоя осадка равна половине толщины рамы. Если про мывку ведут через тот же канал, что и подачу суспензии, то тол щину осадка необходимо контролировать (например, по величине Ар), чтобы не произошла полная забивка фильтра осадком. В про тивном случае для промывки используют специальные каналы в плитах, через которые промывная жидкость поступает под филь тровальную ткань и выводится из фильтра через коллектор (рис. XVIII-14, б).
Для снятия осадка прекращают действие нажимного устрой ства, плиты и рамы раздвигают, рамы вынимают и разгружают осадок. Обычно рамные фильтр-прессы работают при давлении 0,3—0,4 М-Па.
Разновидностью фильтр-прессов этого типа являются камер ные фильтры. В,зтих/фильтрах рам нет, а по периферии плит с обеих сторон имеются утолщения. При сборке плит j эти утолщения соприкасаются одно с другим и обра зуют между смежными плитами камеры для накопле-
ния осадка. В остальном конструкция и принцип ра боты камерных фильтров не отличаются от рамных.
Чтобы избежать большой длины уплотнительных ц поверхностей, применяют также пластинчатые филь- 5 тры. Основу таких - фильтров составляют фильтру ющие пластины (рис. XVII1-15), которые собраны
Рис. XVI11 -15 . Элемент фильтрующей пластины:
1 — рама; 2 — крупная сетка; 3 — мелкая сетка; 4 — фильтровальная ткань; 5 — осадок.
в пакет по нескольку десятков штук и помещены в общем корпусе. Форма пластин может быть круглая или прямоугольная. В первом случае пластины устанавливают перпендикулярно оси корпуса фильтра, во втором — вдоль.
Каждая пластина имеет каркас, состоящий из рамки 1 с от водным патрубком и крупной проволочной сетки 2. На крупную сетку с обеих сторон пластины укладывается мелкая сетка 3, а поверх последней — фильтровальная ткань 4.
Суспензия подается в корпус фильтра, фильтрат проходит снаружи внутрь пластин и затем через выводной патрубок в рамке поступает в общий коллектор. Осадок образуется снаружи пла стин, заполняя постепенно пространство между ними. После по лучения осадка необходимой толщины суспензию сливают из корпуса фильтра, осадок промывают, подавая промывную жид кость через те же каналы, что и суспензию. Затем осадок разгру жают. При разгрузке осадка весь пакет фильтрующих пластин может быть вынут из корпуса фильтра.
ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ
« Под центрифугированием понимают процесс разделения сус пензий или эмульсий в поле центробежных сил, возникающих при вращении сплошного или перфорированного барабана с загружен ной в него смесью. Аппараты для центрифугирования называются центрифугами. Различают отстойные центрифуги, применяемые для отстаивания, и фильтрующие центрифуги, служащие дляфильтрации. Схемы центрифуг указанных типов приведены на рис. XVIII-I6. Центрифуги могут быть с горизонтальным и верти кальным расположением вала ротора, периодического и непре рывного действия.
Центрифуги применяют в процессе депарафинизации масел, когда использование фильтрации затруднено вследствие малой величины образующихся кристаллов, низкой скорости фильтра ции и быстрой забивки отверстий фильтрующей ткани мелкими кристаллами.
Наибольшее распространение получили центрифуги с часто той вращения барабана 6—7 тыс. об/мин и 15—17 тыс. об/мин (суперцентрифуги).
Центрифуги с частотой вращения 6—7 тыс. об/мин (рис. XVIII-17) применяют при депарафинизации масел. Центри фуга установлена на станине. Привод барабана центрифуги осу ществляется от электродвигателя во взрывозащищенном испол нении через червячный редуктор. Вертикальный вал подвешен в направляющем подшипнике, который мягко закреплен в седле резиновым кольцом. Внизу вал имеет упорный подшипник.
Охлажденная смесь парафинистого масла с растворителем по ступает через загрузочную трубу 1 н питательный мундштук 2
Рис. XVIII -16. Схемы центрифуг основных типов:
а — отстойная центрифуга для разделения суспензий; / — барабан; 2 — суспензия; 3 _ осадок; б — отстойная центрифуга для разделения эмульсий; I — диафрагма; 2 — барабан; 3 — тяжелая жидкость; 4 — легкая жидкость; в — фильтрующая центрифуга; / — корпус; 2 — перфорированный барабан; 3 — дренажная сетка; 4 — фильтроваль ная ткань; 5 — осадок; 6 — суспензия; / — суспензия или эмульсия; II — вывод лег кой жидкости, тяжелой жидкости и фильтрата соответственно; /// — вывод осадка, легкой жидкости и осадка соответственно.
в центральный канал 3 барабана 4 и направляется в его нижнюю часть. Более плотная смесь растворителя и масла под действием центробежной силы движется к периферии барабана и вдоль его стенок поднимается снизу вверх к делительному конусу 5. От сюда масло поступает в камеру, образованную кожухом 6, и вы водится из центрифуги через разгрузочный желоб 7 с гидравли ческим затвором н воронку 8. Менее плотная суспензия парафина в растворителе (петролатум) вдоль наклонных дисковых направ
ляющих 9 перемещается к центру барабана, откуда она отводится через трубу 10, снабженную наконечником 11. Через трубу 12 и воронку 13 петролатум выводится из центрифуги.
Рис. XV111-17. Центрифуга подвесного типа непрерывного действия:
Петролатум может быть выведен из разных слоев, что опреде ляет степень его чистоты. Для этого при помощи маховика соп ло 11 трубы 10 можно устанавливать на разном удалении от оси
/ — сырье; II — смесь растворителя и масла; III — петролатум (смесь парафина и рас творителя); / — загрузочная труба; 2 — питательный мундштук; 3 — центральный канал; 4 — барабан; 5 — делительный конус; б — кожух; 7 — разгрузочный желоб; 8, 13 — воронки; 9 — направляющие диски; 10 — труба для отвода петролатума; II — наконечник; 12 — труба для вывода петролатума.
Рис. XV111-18. Схема суперцентрифуги для депарафинизации масла из раствора в бен зине:
I —ввод сырья; II —ввод воды; III —вывод раствора депарафинированпого масла; IV — вывод петролатума; ! — штуцер для ввода смеси; 2 — отбойная пластина; 3 — слой воды; 4 — спой петролатума; 5 — слой раствора депарафинированпого масла; 6 — приводной вал; 7 — диафрагма; 8 — ротор.
вращения барабана. Производительность центрифуги около 2500 кг/ч при плотности рабочей смеси, равной единице.
Суперцентрифуги (рис. XVIII-18) используются при депарафи низации остаточных масел из раствора их в бензине. Охлажден ный раствор масла в бензине поступает через штуцер 1 в нижнюю часть ротора, подвешенного на валу, вращаемом электродвига телем, выполненным во взрывозащищенном исполнении. Ударяясь об отбойную пластину 2, масло разбрызгивается и под действием центробежной силы разделяется на два слоя. Поскольку плот ность церезина несколько больше плотности раствора масла в бен зине, петролатум образует внешний слой 4, а раствор масла — внутренний слой 5.
Чтобы облегчить вывод петролатума из ротора центрифуги, применяют горячую воду, нагретую до 60—65° С. Излишек горя чей воды непрерывно выводится вместе с петролатумом. При этом горячая вода и петролатум интенсивно перемешиваются, кри сталлы углеводородов расплавляются, и петролатум выводится из
центрифуги в виде эмульсии с водой. Производительность подоб ных центрифуг около 1500—2000 кг/ч.
Физические основы процесса. На частицу массой т, вращаю щуюся с угловой скоростью со на расстоянии г от оси, действует центробежная сила
С=ты°-г (XVII 1,28)
Поскольку число оборотов в минуту п и угловая скорость 0) связаны между собой соотношением
со = яя/30 (XVIII,29)
_ л2п2г п2п2г
С т —„„„ = mg -
900
900g
900
ri2D
1800
(XVIII,30)
выражение (XVI 11,28) можно записать в следующем виде:
где G = mg — вес частицы; D = 2r — диаметр окружности, на которой вра щается частица.
Отношение CIG = /Сц, называемое фактором разделения, показы вает, во сколько раз центробежная сила больше силы тяжести. Из выражения (XVIII,30) получаем, что
С
|
0 )Г
|
п2г
|
пЮ
|
|
и
|
я
|
900
|
1800
|
8
|
(XVIII ,31)
где Яц = со2л — ускорение, создаваемое центробежной силой.
Фактор разделения Ко. характеризует эффективность работы центрифуги. С увеличением величины /Сц возрастает разделяю щая способность центрифуги. При этом, как следует из выраже ния (XVIII,31), Кп возрастает пропорционально квадрату числа оборотов барабана. Однако существует предел увеличения числа оборотов, обусловленный механической прочностью барабана. Поэтому с увеличением числа оборотов барабана приходится уменьшать его диаметр, что приводит к меньшему росту вели чины Kv
Поскольку центробежная сила больше силы тяжести в /Сц раз, скорость осаждения частицы в поле центробежной силы согласно уравнению (XVIII, 1) будет равна
w ^ _ 1 / 4 . рт — Рж dgKn __ -I/ 4 рт — Рж . daa (XVIII,32)
ос г 3 рж | У 3 рж I
или в критериальном виде
£ Re2 = Аг Х„ (XVIII,33)
Для ламинарного режима (Re < 0,2)
Аг Кц <3,6
Для турбулентного режима (Re 5= 500)
Аг > 84 000
Д-2*
Dq 2Rq
О
т = Vp/V
(XVIII,34)
dr
где Vp — (я/4) (D2- — Щ) Н — рабочий объем бара бана; V — производительность центрифуги.
Рис. XVIII-19. Схема к расчету перепада давления при центробежной фильтрации.
Это эквивалентно тому, что жидкость в барабане движется вдоль его оси к выходу со скоростью
Скорость осаждения woc частицы будет определяться законом сопротивления и будет изменяться по ходу процесса, что обуслов лено перемещением частицы с одного радиуса на другой. Будем для определенности считать, что частица осаждается в ламинар ном режиме, т. е. скорость осаждения равна
Я(Рт-Рж) |
|
|
Скачать 2.36 Mb.