white line white line
Заявки на оборудование просьба присылать в технический отдел на e-mail info@ence.ch, тел. +7 (495) 225 57 86
white line white line

Отстойники. Процесс осаждения

Швейцарская производственно-инжиниринговая компания ENCE GmbH (ЭНЦЕ ГмбХ) образовалась в 1999году, имеет 16 представительств и офисов в странах СНГ, предлагает оборудование и комплектующие с производственных площадок в CША, Канады и Японии, готова разработать и поставить по Вашему индивидуальному техническому заданию различные отстойники.


Отстойники

Вертикальные отстойники. Общее описание

Аппараты данного типа используются в системах фильтрации бытовых и промышленных стоков с пропускной способностью не выше 25 тыс. куб. метров в сутки. По конструктивному исполнению вертикальные отстойники представляют собой цилиндрические ёмкости с диаметром основания от 3 до 10 м и конической формой днища для сбора осадка. Различают также «ячейковые отстойники» квадратной формы (с размерами стороны от 12 до 14 метров). Донная часть таких отстойников представляет собой конструкцию из четырёх пирамидальных приёмников ила с индивидуальным сливом осадка (отдельно для каждого приёмника).

Различие в конструкции отстойников заключается в расположении входных и отводящих устройств и, следовательно, величины их пропускной способности. Последняя зависит не только от геометрической формы отстойника, но и от коэффициента полноты использования объёма.

Принцип работы: Вертикальный отстойник с боковым впуском работает следующим образом. Сточная вода подаётся в распределительный лоток, смонтированный по периметру отстойника (лоток имеет специальную конструкцию с переменным сечением профиля). Затем через водослив жидкость попадает в кольцевую полость между стенкой отстойника и струенаправляющей перегородкой. Внизу кольцевой полости имеется отражающее кольцо, перераспределяющее поток воды в зону отстоя. Отвод очищенной воды происходит через треугольный водослив (расположенный с двух сторон) в круговой сборный лоток. При этом лёгкие вещества (жир, масло и пр.) с поверхности воды удаляются через расположенную в кольцевой полости воронку.

Вертикальный отстойник с периферическим выпускным устройством. Чертеж и расчеты (диаметра отстойника)

Вертикальный отстойник с периферическим выпускным устройством

Размеры вертикальных первичных отстойников можно определить из приведённого выражения:

R = √Q / (3,6·π·k·υос) (1.1)

Где R – радиус отстойника, м
Q – величина расхода шламовых вод, м3
k – коэфф. объёмного использования (для отстойников с центральной впускной системой k принимается равным 0,35; при периферическом впуске воды, а также восходяще-нисходящем потоке k = 0,65-0,7)
υОС – быстрота осаждения загрязнений, м/с.

Для отстойников с восходяще-нисходящим потоком величину радиуса R следует увеличивать в 1,4 раза.

При расчёте отстойников с периферической впускной системой, принимаемый начальный радиус не должен превышать 5-ти метров. Размеры кольцевой зоны рассчитываются следующим образом:

δ = R-√R² - Q/(3,6·π·υвх) (1.2)

где υвх – априорная скорость входа воды в рабочую зону (принимается порядка 5-7 мм/с).

Принимаемое значение глубины отстойника должно составлять - 8·δ; глубина направляющей стенки – 0,7·Н; ширина отражающего кольца составляет 2·δ. Входная скорость потока в распределительный лоток (и скорость течения жидкости внутри него) должна составлять 0,4-0,5 мм/с. Размер внутренней перегородки в кольцевом лотке для сбора воды равняется 0,5·R; значение удельной нагрузки на треугольный водослив – 6 л/(с·м).

Конфигурация илосборной части отстойников должна иметь наклонные стенки с углом не менее 50-ти градусов.

При известной производительности (Q) и потребному времени отстаивания (τ), вертикальные отстойники рассчитываются достаточно легко.

Рабочий объём агрегата вычисляется по формуле:

Vp = Q·τ (1.3)

Высота рабочей области Н находится из выражения (в м):

H = υ·τ  (1.4)

где υ – скорость течения шламовых вод внутри отстойника (принимается в диапазоне 0,2-0,3 мм/с).

Площадь рабочего сечения составляет:

Fc = Vp/H (1.5)

а диаметр отстойника может быть вычислен как:

Dотс = √(4·(Fc+fцт)) / π (1.6)

где fц.т. – площадь рабочего сечения центрального трубопровода:

fцт = Q/υцтр (1.7)

где υц.тр. – скорость течения шламовых вод в центральном трубопроводе, которую принимают не более 300 мм/с.

Располагая вычисленными значениями Dотс и Н, легко подобрать подходящий типовой отстойник из стандартного ряда.

Производительность отстойников. Поверхность осаждения

Условные обозначения:

Vo – количество жидкой фазы, которая находится в суспензии (м3/час).
V1 – количество осветленной жидкости в суспензии (м3/час)
V2 – количество жидкой фазы в осадке (м3/час).
x0 – концентрация суспензии до того, как она отстаивалась (кгс сухого осадка на 1 кгс жидкости).
x2 – концентрация осадка (кгс сухого вещества на 1 кгс жидкости в осадке).
ω2 – скорость осаждения (м/сек).
Fo – площадь сечения резервуара или поверхность осаждения (м2).
γ1 – удельный вес жидкости (кгс/м3).
τ – время отстаивания (ч).

В том случае, если потери жидкости отсутствуют, соблюдается равенство:

V0 = V1 + V2

отстойники

Если жидкость после осветления располагается слоем (как показано на рисунке выше) с высотой h, то для выражения производительности (м3/час) отстойника используйте уравнение:

V1 = (F0·h) / τ

При этом продолжительность отстаивания τ при известной высоте слоя жидкой фазы зависит от скорости осаждения частиц ωо:

τ = h / (3600·w0)

Если подставить τ в предыдущее уравнения, то получается:

V1 = [F0·h] / [h/(3600·w0)] = 3600·w0·F0

Таким образом, можно найти производительность отстойника, которая не зависит от его высоты, а зависит исключительно от поверхности отстойника и скорости осаждения частиц. Поэтому современные отстойники обладают большой площадью сечения, а их высота невелика.

Поверхность осаждения2), необходимая для получения V1 3/час) осветленной жидкости, если известны концентрации хо и х2, можно найти, использовав формулу:

F0 = (V0-V2)/(3600·w0)

Радиальные отстойники. Описание, конструкция и преимущества

Данный тип является разновидностью вертикальных отстойников. Их высота составляет всего 0,1-0,15 метров, диаметр – 16-100 метров. Они применяются для осветления сточных вод, имеющих высокую степень мутности, а также для очистки промышленного водоснабжения. Вода подается в центральную часть радиального отстойника, а слив очищенной воды происходит через круговое отверстие, расположенное в верхней части аппарата. Осадок, осевший на дно, собирается с помощью вращающихся скребков.

Радиальные отстойники используются на таких очистных сооружениях, производительность которых более 20 тыс. м3 в сутки. Радиальные отстойники удаляют около 50% взвешенных веществ.

Отстойники данного типа используются в системах фильтрации шламовых вод с расходом от 20 тыс. куб. метров в сутки. В сравнении с агрегатами горизонтального типа, радиальные отстойники имеют:

  • более простую конструкцию;
  • высокую надёжность работы;
  • повышенную экономичность;
  • возможность работать в сооружениях с высокой производительностью.

В канализационных системах встречаются отстойники с тремя типами впускных систем:

  • центральной;
  • периферийной;
  • с центробежными сборными распределителями.

Наиболее часто используются отстойники с центральной подачей жидкости. Для агрегатов данного типа характерной особенностью является централизованная подача фильтруемых вод снизу (по специальной трубе). В то время как отвод осветлённой жидкости осуществляется в круговой канал сквозь лоток и треугольные водосливы.

Как правило, первичные радиальные отстойники оснащаются иловыми скребами, перемещающими выпадающий осадок по направлению к центральному приёмнику ила, откуда он может откачиваться насосами или выдавливаться массой поступающей жидкости. Лёгкие фракции, всплывающие и скапливающиеся на поверхности, удаляются в поплавки-жиросборники, опускаемые под воду специальным устройством при подходе иловых скребков.

Вторичные отстойники оборудуются вращающимися илоотсосами для сбора лёгкого осадка (так называемого активного ила и т.п.). Осадок удаляется прямо из слоя жидкости под статическим напором без перемещения в илоприёмник. Число оборотов иловых скребков и илососов составляет 0,8-3 ч-1.

В процессе расчёта величина радиуса отстойника определяется из выражения (1.1), где коэфф. k = 0,45. Величина диаметра берётся не ниже 18 м; величина отношения диаметра к толщине проточной части – от 6 до 12 (для промышленных стоков – до 30); глубина проточной части – 1,5-5 м. Расположение нейтрального слоя устанавливается на уровне 0,3 м; для вторичного отстойника следует учитывать глубину слоя ила (в диапазоне 0,3-0,5 м). Нагрузка на передний край треугольного водослива не должна быть выше 10 л/(с·м).

Тонкослойные отстойники

Тонкослойные отстойники применяются для эффективного отделения тонкодисперсных примесей. Их сравнительно небольшая глубина позволяет осветлять жидкости за 4-10 минут нахождения фильтрата в рабочей зоне. При этом габариты агрегатов значительно ниже, чем у отстойников других конструкций. Кроме того, тонкослойные отстойники могут свободно устанавливаться в замкнутых помещениях. Простая конструкция и доступные материалы позволяют изготавливать отстойники данного типа на любом производстве. Дополнительным преимуществом в эксплуатации является отсутствие надобности в «расходных материалах» и прочих комплектующих.

Конструкция тонкостенных отстойников выполнена в виде неглубоких (порядка 0,2-0,3 м) резервуаров со специальными вставками в виде трубчатых ферм или полок. Такие вставки носят название «дренов» и устанавливаются наклонно – для обеспечения естественного сваливания осаждаемого шлама к сборной ёмкости. В системах с расходом шламовых вод от 100 до 10 тыс. куб. метров в сутки применяются отстойники с небольшим наклоном трубчатых вставок. Крутонаклонные отстойники (с углом установки труб порядка 45-60 град.) используют в очистных системах с расходом до 170 тыс. куб. метров в сутки.

Тонкослойные отстойники способны значительно интенсифицировать процесс осаждения, а также в среднем на 25% увеличить эффект осветления и на 60% снизить площадь застройки под отстойник. Также к их преимуществам относятся устойчивость к изменениям температуры воды, концентрации загрязнений, а также устойчивость работы даже при сильных колебаниях расходов очищаемой воды.

Принцип тонкослойного отстаивания применяется при реконструкции уже работающих отстойников разного типа для увеличения их производительности. Данный принцип считается наиболее экономичным, а иногда вообще единственно возможным, если учитывать стесненные условия работающих очистных сооружений, особенно при отсутствии возле них свободных земельных площадей. Таким образом, реконструкция сооружений может быть произведена в очень короткие сроки, так как переоборудование очистных сооружений в тонкослойные отстойники не нуждается в сложных и долгих строительных работах. Все сводится лишь к установке блоков тонкослойных элементов в отстойной зоне.

Такие элементы могут быть изготовлены из гибких материалов, а также материалов достаточной жесткости. Для того чтобы обеспечить сползание взвеси в осадочную часть отстойника, которая оседает на поверхности тонкослойного отстойника, его элементам придается наклон к горизонту, составляющий порядка 55-60 градусов. Тонкослойные элементы отстойника изготавливаются в виде гофрированных или плоских полок, а также в виде труб круглого, прямоугольного или квадратного поперечного сечения.

Данным метод наиболее эффективен для очистки цветных вод, имеющих небольшую или среднюю мутность. Из-за того, что время пребывания воды в тонкослойных отстойниках достаточно малое, необходимо обеспечить равномерное распределение потока воды между всеми элементами, а также равномерное смешивание воды с реагентом (в случае его применения) и создания необходимых условий для процесса хлопьеобразования.

Плохая работа смесителей в обычных отстойниках может быть компенсирована благодаря длительному пребыванию воды в отстойнике, но в тонкослойных отстойниках такой вариант невозможен.

Схемы трубчатых отстойников

Схемы трубчатых отстойников
Схемы трубчатых отстойников

Многочисленные исследования доказали, что естественное (под действием гравитации) разделение тонкодисперсных взвесей протекает значительно интенсивней в замкнутом объёме элементов, наклонённых в горизонтальной плоскости под 45-60 град., чем в открытых лотках. Так как турбулентный поток увеличивает «несущую» способность жидкости, внутри отстойника организуется ламинарное течение шламовых вод – для повышения степени их осветления.

На рисунке выше изображена конструкция тонкостенного трубчатого отстойника. Основным рабочим органом является трубка длиной порядка 60-100 см и Ø 2,5-5 см. Сечение трубки может быть квадратным, в форме шестиугольника, ромба и т.п.

Для отстойников зарубежного производства характерно изготовление в виде стандартизированных блоков из пластика (ПВХ или полистирола). Стандартные блоки имеют длину, ширину, высоту порядка 3 м, 0,75 м, 0,5 м соответственно. Величина поперечного сечения трубок – 5 х 5 см. Нормированные размеры облегчают монтаж блоков внутрь имеющихся отстойников любого типа (в том числе радиальных, горизонтальных и вертикальных).

Тонкослойные пластинчатые отстойники включают в себя пакет наклонных полок. Вдоль их плоскости движется жидкость, при этом твёрдые частицы задерживаются на пластинах и скатываются в шламосборники.

В зависимости от конфигурации движения фильтруемой воды внутри отстойника, а также способа выпадения осадка, различают:

  • отстойники прямоточного типа (течение жидкости и выпадающего осадка сонаправлены);
  • противоточные отстойники (со встречным перемещением жидкости и шлама);
  • перекрёстные (где течение жидкости организовано перпендикулярно вектору выпадения осадка).

Необходимо заметить, что наиболее широкое распространение имеют противоточные отстойники (ввиду их большей производительности).

На рисунке ниже представлен тонкостенный отстойник. Для основного режима работ этого агрегата (т.е. при скорости потока 4-7 мм/с и фильтрации в межполочном пространстве в течение 20-25 мин) достигается стабильное осветление не ниже 93-95% (при концентрации твёрдой фазы в исходной взвеси 4-12 мг/л). Для эффективной очистки коагулированной воды применяются полочные напорные тонкостенные отстойники с пребыванием воды в зоне очистке до 10 мин.

Тонкослойный отстойник

Тонкослойный отстойник

Классификация тонкослойных отстойников осуществляется по ряду признаков:

  • конструктивному – по виду наклонных блоков (в виде трубок или полок-дренов);
  • функциональному – работа в циклическом или непрерывном режиме;
  • характеру взаимного перемещения фильтруемой воды и шлама (прямоточные, противоточные, комбинированные).

По типу поперечного сечения труб различают прямоугольные, квадратные, в виде шестиугольника или круглые секции.

Зазор между отдельными трубками (полками) h0 обычно составляет 50-150 мм, рабочая длина варьируется в пределах от одного до двух метров.

Расчёт конструкции тонкослойных отстойников заключается в определении геометрических параметров (длины, ширины и высоты водоведущего канала) – при заранее известном расходе фильтруемых вод Q (м3/с), концентрации твёрдых частиц во взвеси (до и после фильтрации) и химсвойствах примесей.

Величина площади поперечного сечения в межслойном пространстве (м2) определяется как:

F = Q/υ (1.8)

Расчет вертикальных (радиальных) отстойников

В инженерных расчётах основным показателем отстойника выступает площадь поверхности осаждения Р (м2), вычисляемая по формуле:

F = [Kз·Gсмосв·υос] · [(xос-xсм)/(xос-xосв)] (1.9)

где КЗ – коэфф. запаса для учёта неравномерности распределения фильтруемой взвеси по всей поверхности осаждения, а также учитывающий вихреборазование и прочие факторы в реальных условиях производства (в выполненных конструкциях КЗ=1,3-1,35); Gсм – расход фильтруемых взвешенных частиц по факту, кг/с; ρосв – плотность осветлённого фильтрата, кг/м3; vос – скорость выделения твёрдых компонентов взвеси, м/с; хсм, хос, хосв – концентрация твёрдых частиц в фильтруемой взвеси, осадке и осветлённом фильтрате соответственно, масс. доли.

Общая высота отстойника радиального типа складывается из трёх величин:

H = h1+h2+h3 (1.10)

где h1 – высота зоны свободного осаждения, м;
h2 – высота зоны сгущения, м;
h3 – высота зоны расположения лопастей, м.

Чтобы не допустить перемешивания у поверхности, зону свободного осаждения принимают h1=0,45-0,75 м. При этом более высокие значения принимают для сильно концентрированных взвесей с отношением твёрдой фазы к жидкой Т:Ж > 1:10.

С учётом непрерывности удаления шлама из отстойника, высота зоны сгущения составит:

h2 = gтосос (1.11)

где gт.ос – количество твёрдой фазы, приходящейся на единицу площади днища отстойника за время от осаждения до выгрузки, кг/м2;
Сос – концентрация твёрдой фазы в осадке (объёмная плотность), кг/м2.

Из определения следует:

gтос = [(GТ·τ)/F] · [(Gос·xос·τ)/F]  (1.12)

где G1 – производительность по твёрдой фазе осадка, кг/ч; τ – время пребывания осадка на днище от осаждения до выгрузки (обычно принимается τ=1ч).

Объёмная плотность осадка:

Сос = ρж·Δс·xос (1.13)

где ΔС – относительная масса взвеси.

Относительная масса взвеси:

с = (∆т·(n+1))/(ΔТ+n) (1.14)

где ΔТ= ρТ / ρЖ – относительная масса твёрдой фазы;
n=Т/Ж – величина разбавления в зоне сгущения.

Подставляя уравнения (1.12) и (1.13) в формулу (1.11), получим:

h2 = (Gос·τ)/(F·ρж·∆с) (1.15)

Высоту расположения лопастей мешалки можно определить, исходя из величины наклона лопастей (приблизительно 0,146 м на 1 м длины). Таким образом,

h3 = 0,146·D/2 = 0,073·D (1.16)

где D – диаметр отстойника, м.

Горизонтальные отстойники

Горизонтальные отстойники применяются на станциях по очистке сточных вод, имеющих пропускную способность более 15 тыс. м³/сут.

Наиболее распространенными являются отстойники с прямоугольной формой. В начале таких отстойников устраиваются иловые приямки в 1-2 ряда. Также в сооружении устанавливаются скребковые механизмы, часто тележечного или ленточного типа, которые перемещают осадок к иловым приямкам. Из них осадок удаляется с помощью насосов, гидроэлеваторов, грейферов или под действием гидростатического напора. Легкий осадок, такой, например, как активный ил, удаляется без сгребания эрлифтными установками.

Впускные и выпускные устройства выполняются таким образом, чтобы поток воды равномерно распределялся по всей площади живого сечения отстойника. Вода впускается через свободный водослив, расположенный во фронтальной части отстойника. При этом устраивается направляющая полупогружная перегородка в начале резервуара. Отвод воды осуществляется через водосборные лотки, установленные в торце отстойника. Перед лотками устраиваются полупогружные стенки, которые задерживают всплывающие загрязнители.

Проточная часть отстойника имеет глубину 1,5-4 м, длина – больше глубины в 8-12 раз (или в 20 раз при работе с производственными сточными водами). Ширина отстойника зависит от того, каким способом удаляется осадок и составляет обычно 6-9 м. На станциях биологической очистки ширина отстойника рассчитывается в зависимости от ширины аэротенка. Днище резервуара должно иметь уклон к приямку как минимум 0,005. При расчетах высоту нейтрального слоя над поверхностью осадка принимают равной 0,3 м, для вторичных отстойников учитывают глубину слоя ила, равную 0,3-0,5 м. Скорость потока сточных вод считается равной 5-10 мм/с.

Длина отстойника может быть найдена по формуле:

L = (υ·H)/ωос (2.1)

где L – длинна отстойника, м;
υ – скорость движения жидкости в отстойнике, м/с;
H – глубина отстойника, м;
ωос – скорость осаждения частиц в отстойнике, м/с.

В свою очередь скорость осаждения частиц может быть найдена по формуле:

ωос = 1/18 · (dт·ρт·g)/μж (2.2)

где ωос – скорость осаждения частиц в отстойнике, м/с;
dт – минимальный эквивалентный диаметр осаждаемых частиц, м;
ρт – кажущаяся плотность частиц, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с2;
μж – динамическая вязкость жидкости, Па·с.

Расчет горизонтальных отстойников

Отстойники используются для осветления, то есть разделения воды и дисперсных загрязнителей. В зависимости от типа загрязнений и поставленных задач наряду с классическими отстойниками используются сгустители и классификаторы, позволяющие интенсифицировать процессы очистки стоков. Конструктивные решения для сгустителей и классификаторов абсолютно идентичны – различия касаются методик расчета осаждения взвешенных частиц.

Сгустители рассчитываются по скорости осаждения наиболее мелкой взвеси в стоках, а расчет классификаторов ориентирован на вещества, которые должны быть отделены в первую очередь. Для расчета поверхности осаждения отстойников используются следующие исходные данные:

  • Запас поверхности для учета неравномерности распределения обрабатываемой суспензии – выражается коэффициентом;
  • Расход обрабатываемой суспензии в кг/сек;
  • Плотность осветленной жидкости;
  • Гравитационная (свободная) скорость осаждения частиц взвеси в м/сек.

Формулы расчета каждого параметра приведены. Для активизации процесса очистки отстойники оборудуются гребковыми мешалками непрерывного действия. За счет использования центробежной силы ускоряется осаждение взвеси.

Поверхность осаждения, являющаяся основной расчетной величиной отстойников, находится по формуле:

F = Kз · Gсм/(ρосв·ωст) · [(xос-xсм)/(xос-xосв)] (2.3)

где Kp – коэффициент запаса поверхности,
Gсм – массовый расход исходной суспензии, кг/с;
ρост – плотность осветленной жидкости, кг/м3;
ωст – скорость осаждения частиц суспензии, м/с;
хос – концентрация твердых частиц в осадке, масс. доли;
хсм - концентрация твердых частиц в исходной смеси, масс. доли;
хосв - концентрация твердых частиц в осветленной жидкости, масс. доли.

Отстойник для суспензий. Принцип действия

Отстойник для суспензий

Отстойники периодического действия

Процесс отстаивания происходит в аппаратах непрерывного и периодического действия, а также в аппаратах комбинированного типа.

В аппаратах периодического действия суспензия заливается и остается в состоянии покоя определенное время, которое нужно для оседания частиц. После этого происходит декантация слоя осветленной жидкости, то есть слой жидкости сливают через краны или сифонную трубку, расположенную выше уровня осадка. После сливания жидкости осадок выгружается вручную через верх аппарата или удаляют при помощи нижнего спускового крана.

Данный тип применяются для суспензий и представляют собой бассейны, которые не имеют перемешивающего устройства. Сам отстойник заполняется суспензией, а спустя определенное время, которые необходимо для осаждения твердых частиц, слой жидкости, которая уже осветлена, сливается через штуцера, расположенные выше того уровня, где находится осадок. Осадок, который представляется собой шлам (текучую жидкую массу), перемещают вручную либо через верхнюю часть аппарата, либо удаляют через нижний штуцер, используя спусковой клан.

Отстойник непрерывного действия

Самыми простыми отстойниками непрерывного действия являются «конусы», которые широко используются для мокрой классификации руд.

Отстойник-конус

Отстойник-конус

Отстойник-конус представляет собой конический резервуар с углом наклона 600. По желобу суспензия поступает в отстойник, после чего через воронку, которая имеет плавающее кольцо, стекает в конус. При этом взвешенные частицы осаждаются на дно корпуса, а осветленная жидкость удаляется по желобу.

Осадок, скапливающийся в нижней части конуса, отводится по трубе наружу. Конус соединяется с напорным трубопроводом при помощи патрубка. Таким образом происходит промывка аппарата в том случае, если он засорен осадками.

Как правило, такие аппараты устанавливают в виде батарей из нескольких конусов соединенных последовательно.

На рисунке ниже изображена схема многоярусного отстойника непрерывного действия, используемого для очистки воды:

многоярусный отстойник непрерывного действия

Вода поступает в резервуар, где обрабатывается известью и содой. После этого суспензия направляется в корпус, где находятся несколько ярусов конических перегородок. Каждый ярус такого отстойника работает самостоятельно. Вода после очистки направляется по центральной трубе и выводится из аппарата. Осадок, который накопился на поверхности конических перегородок, сползает и удаляется через патрубок. Важно, чтобы угол наклона этих перегородок превышал угол естественного откоса осадка. Собирающийся на дне осадок отводится периодически.

Для приготовления первоначальной суспензии используется промывная вода. При этом, чтобы не вводить много промывной жидкости, работа проводится по принципу противотока. Это значит, что осадок движется по направлению от первого отстойника к последнему, и проходит все аппараты последовательно. Свежую промывную жидкость направляют от первого отстойника к последнему. Она проходит через все отстойники последовательно в обратном направлении от движения осадка.

Метод, основанный на непрерывном отстаивании с промывкой, более выгоден, если сравнивать его с промывкой на фильтре. Причина в том, что он не затрачивает энергию на просасывание всей жидкости через фильтрующие перегородки.

Для того чтобы уменьшить площадь, которую занимает аппарат, используются отстойники в несколько ярусов. Такие отстойники состоят из нескольких аппаратов, расположенных вертикально один над другим.

Многоярусный отстойник с промывкой осадка

Многоярусный отстойник с промывкой осадка

В таком отстойнике суспензия непрерывно подается на верхний ярус, а свежая жидкость для промывки из бачка поступает через нижнюю часть предпоследнего яруса отстойника. Жидкость после осветления непрерывно удаляется по желобу из верхнего яруса, а после этого выводится по трубопроводу. Желоб располагается вверху отстойника. Сгущенный осадок собирается в ловушку, расположенную у днища яруса. Сюда также подается жидкость для промывки, поступающая с того яруса, который расположен ниже, через определенный бачок и трубопровод. При помощи промывной воды осадок смывается на расположенный ниже ярус, где процесс отстаивания и промывания происходит аналогичным образом. После этих операций осадок практически полностью промыт и освобожден от начальной жидкости, и вытекает через патрубок нижнего яруса отстойника. Промывная жидкость, находящаяся в верхнем ярусе, может быть использована для приготовления суспензий.

Основным недостатком всех отстойников является их огромная площадь. Поэтому довольно часто их заменяют фильтрами-сгустителями, имеющими более сложную конструкцию, но достаточно компактными.

Многоярусный отстойник с промывкой осадка

Отстойники непрерывного действия, оснащенные гребковой мешалкой

Отстойники непрерывного действия

Они представляют собой резервуар в форме цилиндра, имеющего коническое днище. В данном резервуаре расположена мешалка, снабженная гребками, непрерывно перемешивающими и перемещающими осадок к центральному разгрузочному отверстию, при этом взбалтывая его, что способствует обезвоживанию. Мешалка имеет незначительную чистоту вращения (0,00025-0,0083 с-1), следовательно, процесс осаждения не нарушается. При этом суспензия непрерывно поступает по трубе в центре резервуара.

Жидкость, которая уже прошла процесс осветления, переливается в кольцевой желоб и после этого удаляется через штуцер, расположенный в коническом днище, при помощи диафрагмового насоса. Для работы вала мешалки используется редуктор и электродвигатель.

Отстойники, оснащенные гребковой мешалкой, обеспечивают однородность осадка, а также позволяют обезводить осадок до твердой фазы, имеющей концентрацию 25-55%. Такие отстойники работают полностью автоматически. Среди недостатков таких отстойников следует выделить громоздкость.

Нормализованные аппараты имеют диаметр 1,8-30 м. Иногда применяются отстойники, имеющие диаметр до 100 метров. Для того чтобы уменьшить площадь, занимаемую отстойником, используются многоярусные аппараты, представляющие собой несколько отстойников, ставящихся друг на друга и имеющих общий вал для гребковых мешалок. Многоярусные аппараты имеют куда более сложную конструкцию, чем обычные.

Отстойник для очистки в котельных установках

В том случае, если необходимо отстаивание значительного количества жидкости, в качестве отстойников применяются большие бетонные бассейны или последовательно соединенные резервуары, работающие комбинированным способом. В данных резервуарах жидкости протекают непрерывно, а удаление осадка происходит периодически.

Примером удобного и компактного отстойника является отстойник, использующийся для очистки в котельных установках.

Отстойник для очистки в котельных установках

Корпус данного отстойника представляет собой прямоугольный ящик из стали. А внутри корпуса находятся наклонные перегородки, которые направляют поток попеременно сверху вниз, а потом внизу вверх. В конических днищах собирается осадок, а потом периодически удаляется через краны.

Если концентрация твердых взвешенных частиц в суспензии велика или выделяемый осадок можно использовать в производстве, то необходима непрерывная выгрузка не только жидкости, но и осадка.

Двухъярусный отстойник

Двухъярусный отстойник

Отстойники непрерывного действия, оснащенные коническими полками

Они обладают простой конструкцией и большой поверхностью. Суспензия, которая поступает в аппарат, распределяется по каналам между коническими полками. А на их поверхности осаждаются твердые частицы. Возникающий осадок сползает по наклонным полкам по направлению к стенкам корпуса, а после этого перемещается к нижней части аппарата, откуда он удаляется из аппарата. Жидкость после осветления поступает в центральную трубу, и далее выводится из верхней части аппарата.

Отстойники непрерывного действия, оснащенные коническими полками

Такие конструкции имеют большую поверхность осаждения, они не содержат движущиеся части, а также очень просты в использовании. Их недостатком является большая влажность шлама по сравнению с отстойниками с гребковой мешалкой.

Для разделения эмульсий используется отстойник непрерывного действия, который представляет собой горизонтальный резервуар, оснащенный перфорированной перегородкой. Данная перегородка не допускает возмущение жидкости в отстойнике струей эмульсии, поступающей в аппарат. При этом при выборе поперечного сечения отстойника учитывается скорость течения жидкости в корпусе аппарата. Данная скорость не должна превышать нескольких миллиметров в секунду, а режим течения должен быть ламинарным, чтобы не допускать смешивание фаз и улучшать процесс отстаивания.

Легкие и тяжелые фазы после расслаивания выводятся по разные стороны отстойника. Трубопровод, используемый для вывода тяжелой фазы, имеет соединение с атмосферой для предотвращения засифонивания.

Отстойник непрерывного действия для разделения эмульсий

Отстойник непрерывного действия для разделения эмульсий

Сравнение отстойников

Горизонтальные отстойники

Они наиболее распространены и применяются на вододоочистных станциях и имеют производительность около 15-50 тыс. м3 в сутки. В таких отстойниках можно удалить около 60% взвешенных примесей.

Горизонтальный отстойник – это железобетонный резервуар прямоугольной формы, состоящий из нескольких отделений. Такой отстойник может иметь длину до 48 метров, ширину - в несколько раз меньше, а глубина таких отстойников не может превышать 4 метров.

Толщина слоя воды составляет порядка 2-2,5 метров. Вода в такие отстойники поступает через отверстия, расположенные в торцевой стенке, а после этого заполняет весь резервуар отстойника. Очищенная вода выводится через специальный водослив, расположенный у противоположной стороны сооружения.

Для сбора осадка на дне отстойника находятся несколько приямков. Осадок, который не попадает в этом приямок, счищается при помощи скребкового устройства, приводящегося в действие при помощи цепной передачи. Скребки собирают осадок, двигаясь по дну отстойника. Примеси на поверхности отстойника также собираются и отправляются к специальному желобу. Для того чтобы удалить осадок из приямков, его сливают по трубам, расположенным на дне, и далее поднимают по иловым трубам под напором воды, а также с помощью плунжерного насоса.

Недостатки горизонтального отстойника:

  1. Ненадежность скребкового механизма.
  2. Значительная стоимость монтажных работ.
  3. Наличие зон, где осадок застаивается и не удаляется.
Вертикальные отстойники

Они представляют собой резервуары цилиндрической формы, имеющие коническое днище. Такие отстойники используются для первичного отстаивания воды на водоочистных станциях или же для удаления взвеси со сточных вод после коагулирования.

В такие отстойники вода попадает по трубе сверху в нижнюю часть, а потом распределяется по всей поверхности поперечного сечения. В результате осадок собирается на дне конической части, а очищенная вода поднимается вверх и затем переливается через круговой водослив в специальный лоток для сбора воды. На сливе находится перегородка для удаления всплывающих примесей.

Осадок, образующийся в результате отстаивания, собирается в нижней части отстойника и удаляется через специальный бункер. Если в отстойнике находится значительное количество осадка, то в нем дополнительно устанавливаются скребковые механизмы. В таких отстойниках можно удалить около 40% взвешенных примесей.

Вертикальные отстойники имеют более простую конструкцию, чем горизонтальные. Это же касается и условий эксплуатации. Среди основных достоинств таких отстойников следует выделить значительную величину кольцевого водослива в верхней части. Таким образом, достигается значительное снижение скорости течения и уменьшение вероятности выноса осадков.

Среди недостатков вертикальных отстойников нельзя не упомянуть сложность удаления осадка из разгрузочного люка в том случае, если отсутствует скребковый механизм.

Отстойники для очистки стоков при помощи методов биологической обработки

Очень важную роль играют отстойники для очистки стоков при помощи методов биологической обработки. При таком виде очистки необходимо дважды проводить отстаивание.

Первичные отстойники размещают до поступления воды в биореактор. Их назначение - удалять излишнее количество взвешенных веществ, а также механических примесей, таких как песка. На установки биоочистки необходимо направлять только сточные воды, содержащие оптимальную концентрацию 100-120 мг/л загрязняющих веществ, так как в случае более осветленной сточной воды возникает недогрузка биореактора и голодание активного ила.

Помимо этого, из-за недостаточного осветления сточных вод после их первичного отстаивания, возникает повышенное содержание питательных веществ в стоках. Это может привести к тому, что возникнет значительный прирост активного ила и вторичное загрязнение.

Для того чтобы полностью удалить биомассу, после биологической очистки, следует провести повторное отстаивание воды в отстойниках. Для этого, как правило, используются радиальные отстойники, снабженные илососами (устройства для удаления осадка). Сточная вода помещается сюда приблизительно на 1,5-2 часа.

Осадки биомассы, собранные в результате очистки, отправляются на дальнейшую переработку.

В некоторых случаях при повторном отстаивании могут использоваться двухъярусные отстойники. В них сбор осадков, а также их сбраживание, происходит в разных резервуарах, совмещенных в одном аппарате.

Статические и динамические отстойники

Существует также метод классификации отстойников, основанный на закачке в них воды. В отстойниках периодического действия отстаивание начинается после заполнения. Эти отстойники относятся к статическим отстойникам. В том случае, если закачка в отстойник сточных вод, а также вывод осветленных вод происходит постоянно, то данный отстойник можно отнести к аппаратам непрерывного действия или же динамическими отстойниками. Такие отстойники, как правило, используются для очистки сточных вод от примесей в виде нефтепродуктов.

Статические отстойники представляют собой железобетонные или стальные резервуары, работающие в режиме отстаивания, а также емкости, необходимые для равномерной подачи сточных вод для дальнейшей очистки. Данные сооружения заполняются сточными водами через специальные трубопроводы. После отстаивания сточных вод из них удаляются всплывшие примеси, и выполняется слив уже осветленных вод. Для того чтобы удалить осадок, который собирается на дне отстойника, используется дренаж, выполненный из перфорированных труб. Динамические отстойники отличаются от статических тем, что в них происходит непрерывное течение воды. К ним относятся и вертикальные, и горизонтальные отстойники.

Помимо этого, существуют аппараты, в которых вода протекает под разными углами наклона. Таким образом, можно снизить время отстаивания, так как оно возрастает пропорционально высоте слоя воды. К тому же большая часть осадка возникает в начальный период отстаивания. Если уменьшить слой воды, то значительно сокращается время отстаивания. А если процедуру повторять многократно, то эффективность очистки возрастает в несколько раз. Это привело к созданию тонкослойного отстойника, который может быть трубчатый и пластинчатый.

Трубчатые и пластинчатые отстойники

Трубчатый отстойник оснащен основным рабочим элементом – трубой, которая имеет диаметр 2,5-5 см и длину около метра. Ее длина зависит от скорости потока сточных вод, а также от степени ее загрязнения. Данные трубы имеют небольшой уклон до 10о или же напротив – более 60о. Отстойники, которые имеют маленький уклон, работают в периодическом режиме. Для осветления вода сначала пропускается через трубки, после чего следует промывка отстойника.

Данные отстойники используются для очистки воды, содержащей небольшое количество механических примесей. Эффективность таких отстойников достигает 85%.

При использовании трубчатые отстойники, имеющие большой угол наклона трубок, происходит стекание осветленной воды, а также сползание осевшего осадка, поэтому промывка труб для них необязательна.

Качество работы трубчатых отстойников мало зависит то того, какого диаметра трубки, однако очень сильно зависит от длины этих труб. Данные блоки могут состоять из большого количества трубок, которые имеют длину около 3 метров, ширину 0,75 метров и высоту 0,5 метров. Благодаря использованию этих блоков удается составить отстойник, который будет иметь такую производительность, которая необходима для конкретного типа производства.

Аналогичный способ отстаивания используется и в пластинчатых отстойниках. Данный вид отстойника состоит из параллельных пластин, между которыми протекает вода. При этом движения очищенной воды и осадка, который образовался в процессе отстаивания, может происходить в одном направлении или в противоположных.

Среди недостатков таких отстойников следует выделить необходимость удаления из воды примесей, которые состоят из частиц большого размера, а также тех частиц, которые плавают на поверхности. Если данные отстойники используются для очистки сточных вод от нефтепродуктов, то предварительно необходимо убрать с поверхности примеси, которые могут повредить оборудование.

Среди достоинств нельзя не упомянуть высокую скорость очистки, невысокие затраты на строительство и монтаж, а также экономичность.

Поверхность осаждения, скорость осаждения частиц, эффективность разделения

Отстаивание используется для сгущения суспензий, а также для классификации по фракциям частиц их твердые фазы. Сгустители и классификаторы имеют аналогичную конструкцию. Но при расчете сгустителей в расчет берется скорость осаждения мельчайших частиц суспензии. А при расчете классификатора используется скорость осаждения частиц, которые должны быть отделены на этой стадии.

В промышленности, как правило, используются отстойники непрерывного действия, оснащенные гребковой мешалкой. Их размеры представлены в таблице:

Диаметр, м 1,8 3,6 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 24,0 30,0
Высота, м 1,8 1,8 3,0 3,6 3,5 3,6 3,2 3,6 3,6
Поверхность, м2 2,54 10,2 28,2 63,9 113 176,6 254 452 706,5

Расчет отстойников. Материальный баланс процессов разделения

Для того чтобы рассчитать отстойники используется величина поверхности осаждения F (м2), которая вычисляется по формуле:

F = Кз · Gсм/(ρосв·wст) · [(xос-xсм)/(xос-xосв)]

где К3 – это коэффициент запаса поверхности, который учитывает неравномерность распределения исходной суспензии по площади осаждения, а также другие факторы, которые могут проявляться в производных условиях. Как правило, К3 находится в пределе от 1,3 до 1,35;
Gсм – это массовый расход суспензии, кг/с;
pосв – плотность жидкости после осветления, кг/м3;
ωст – скорость осаждения частиц суспензии, м/с;
хсм, хос и хосв – содержание твердых частиц в исходной смеси, осадке и осветленной жидкости.

Отстойник

Отстойник

Осаждение – это процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости твердые частицы отделяются от сплошной фазы под действием силы тяжести, центробежной силы, силы инерции или электростатических сил.

При выборе метода разделения учитывается концентрация дисперсных частиц, размер этих частиц, требования к качеству разделения, а также разница между плотностью дисперсной и сплошной фазы.

Если потери веществ в процессе разделения отсутствуют, то для вычисления материального баланса используется следующее уравнение

По всему веществу :

Gсм = Gоч + Gос

где Gсм, Gоч, Gос - расходы очищаемой смеси, очищенной воды и осадка соответственно.

По диспергированному веществу:

Gсм·xсм = Gоч·x + Gос·xос

где xсм, xоч, xос – соответствующие концентрации диспергированного вещества в расходах.

В том случае, если известен расход известной смеси, а также все концентрации, то можно найти расходы Gоч и Gос:

Gоч = Gсм · (xос-xсм)/(xос-xоч)

Gос = Gсм · (xос-xсм)/(xос-xоч)

Скорость осаждения частиц суспензии рассчитывается по формуле:

при ε>0,7

wст = wос·ε²·[10]-1,82·(1-ε)

при ε≤0,7

wст = wос · 0,123 · ε3 · 1/(1-ε)

где ωос - скорость свободного осаждения частиц;
ε - объемная доля жидкости, которая находится в суспензии. Для величины ε используется соотношение:

ε = 1 - xсм·[ρсмт]

где ρсм и ρт - плотности суспензий и твердых частиц в кг/м3.

Для определения плотности суспензии используется формула:

ερсм = [xсмт + (1-xсм)/ρж]-1

где рж – плотной чистой жидкости.

Для того чтобы рассчитать скорость осаждения шарообразных частиц используется формула:

wос = (μж·Re)/(dт·ρж)

где wос – скорость осаждения, м/с;
μж – вязкость жидкости, Па·с;
dт – диаметр частицы, м;
Re – критерий Рейнольдса.


Примеры расчетов и подбора отстойников

Задача №1
Расчет скорости осаждения частиц твердой фазы в воде

Условие:

Рассчитать скорость стесненного осаждения частиц твердой фазы в воде. Диаметр частиц dТ = 1,2 мм, плотность частиц ρТ = 1500 кг/м3. Содержание твердой фазы в суспензии xС = 0,1 массовых долей. Плотность воды принять равной ρЖ = 1000 кг/м3, динамическую вязкость принять равной μ = 0,001 Па·с.

Решение:

Предварительно найдем плотность суспензии:

ρс = (xcт + (1-xc)/ρж)(-1) = (0,1/1500 + (1-0,1)/1000)(-1) = 1034,5 кг/м3

Рассчитаем объемную долю жидкости в суспензии:

ε = 1-(xc·ρс)/ρт = 1-(0,1·1034,5)/1500 = 0,93

Поскольку ε>0,7, то для расчета скорости стесненного осаждения будет использоваться формула:

wст = wсв·ε2·10(-0,82·(1-ε))

где wСВ – скорость свободного осаждения, вычисляемая по формуле:

wсв = μж·Re/(dт·ρж)

В свою очередь Re является числом Рейнольдса, зависящим от значения числа Архимеда, которое может быть найдено по соответствующей формуле:

Ar = dт3·ρж·g·(ρтж)/(μж2) = 0,00123·1000·9,81·(1500-1000)/0,0012 = 8476

Получившееся значение числа Архимеда попадает в промежуток 36<Ar<83000, следовательно значение числа Re будет рассчитываться по следующей формуле:

Re = 0,152·Ar0,714 = 0,152·84760,714 = 97

Тогда скорость свободного осаждения равна:

wсв = 0,001·97/(0,0012·1000) = 0,081 м/с

Далее найдем искомую величину:

wст = 0,081·0,932·10(-0,82·(1-0,93)) = 0,061 м/с

Ответ: 0,061 м/с


Задача №2.
Расчет площади осаждения отстойника для обработки водной суспензии с твердыми частицами неправильной формы

Условие:

Рассчитать необходимую площадь осаждения отстойника для обработки водной суспензии с твердыми частицами неправильной формы (коэффициент формы равен 0,7) и эквивалентным диаметром 50 мкм. Необходимая производительность фильтра GФ = 1000 м3/час. Концентрации твердой фазы в суспензии, осадке и осветленной жидкости равны соответственно xC = 0,12, xО = 0,4 и xос = 0,008. Плотность воды принять равной ρЖ = 1000 кг/м3, плотность твердой фазы ρЖ = 1150 кг/м3. динамическую вязкость принять равной μ = 0,001 Па·с. Плотность осветленной жидкости принять равной плотности воды.

Решение:

Предварительно рассчитаем значение критерия Архимеда для процесса осаждения:

Ar = (φ·dт)3·ρж·g·(ρтж)/(μж2) = (0,7·50·10(-6))3·1000·9,81·(1150-1000)/0,0012 = 0,063

Получившееся значение Ar меньше 36, следовательно, расчет значения числа Re будет проводиться по формуле:

Re = Ar/18 = 0,063/18 = 0,0035

Далее найдем скорость свободного осаждения:

wсв = 0,001·0,0035/(0,7·50·10(-6)·1000) = 0,0001 м/с

Определим плотность суспензии:

ρс = (xcт + (1-xc)/ρж)(-1) = (0,12/1150 + (1-0,12)/1000)(-1) = 1016 кг/м3

Следовательно, объемная доля жидкости в суспензии равна:

ε = 1-(xc·ρс)/ρт = 1-(0,12·1016)/1150 = 0,89

Поскольку ε>0,7, то для расчета скорости стесненного осаждения будет использоваться формула:

wст = wсв·ε2·10(-0,82·(1-ε)) = 0,0001·0,892·10(-0,82·(1-0,89)) = 6,4·10(-5) м/с

Остается лишь найти искомую величину по следующей формуле, приняв коэффициент запаса K равным 1,3:

F = K·Gф/(ρос·wст)·((xо-xс)/(xо-xос)) = 1,3·1000/(3600·1000·6,4·10(-5))·((0,4-0,12)/(0,4-0,008)) = 4 м2

Ответ: 4 м2


Задача №3
Подбор отстойника по производительности

Условие:

Необходимо рассчитать отстойник, необходимый для отстаивания Q = 10 м3/ч жидкости, имеющей плотность ρж = 1000 кг/м3. В жидкости содержится x1 = 15% по массе твердых примесей с плотностью ρт = 2200 кг/м3. В лабораторных условиях было установлено, что скорость осаждения частиц будет составлять w = 0,8 м/ч, а содержание твердых частиц в осадке будет x2 = 60% по массе.

Решение:

Рассчитаем плотность жидкости, подаваемой на отстаивание:

1/ρc = (1-x1)/ρж + x1т

ρс = ((1-x1)/ρж + x1т)(-1) = (0,85/1000 + 0,15/2200)(-1) = 1089 кг/м3

Далее определим массовый расход жидкости, поступаемой на очистку:

G = Q·ρс = 10·1089 = 108900 кг/ч

Отношение содержаний сухого вещества в очищаемой жидкости и осадке составит:

a = x1/x2 = 15/60 = 0,25

Основной характеристикой отстойника является площадь осаждения, которая может быть определена по формуле:

F = (1,3·G)/(w·ρж)·(1-а) = 108900/(0,8·1000)·(1-0,25) = 132,6 м2

Ответ: 132,6 м2


Задача №4
Расчет предельной нагрузки по очищаемой жидкости отстойника непрерывного действия

Условие:

Определить предельную нагрузку по очищаемой жидкости радиального отстойника непрерывного действия с диаметром D = 12 м, если с его помощью планируется очищать G = 10000 кг/час суспензии плотностью ρc = 1050 кг/м3. Плотность осадка составляет ρо = 1220 кг/м3, а скорость осаждения частиц равна 0,5 м/час. Плотность жидкости равна ρж = 1000 кг/м3, плотность твердой фазы равна ρт = 1760 кг/м3.

Решение:

Общая площадь осаждения отстойника составит:

F = (π·D2)/4 = (3,14·122)/4 = 113 м2

Рассчитаем содержание по массе твердой фазы в суспензии и осадке.

Для суспензии:

1/1050 = (1-x1)/1000 + x1/1760

Откуда x1 = 0,11

Для осадка:

1/1120 = (1-x2)/1000 + x2/1760

Откуда x2 = 0,42

Следовательно, их соотношение равно:

a = x1/x2 = 11/42 = 0,26

Выразим из формулы площади отстойника и найдем максимальный расход суспензии, подаваемой на очистку:

Q = (F·w·ρж)/(1,3·(1-а)·ρс) = (113·0,5·1000)/(1,3·(1-0,26)·1050) = 55,9 м3

Ответ: 55,9 м3

Процесс осаждения

Общее описание процесса осаждения. Гравитационное осаждение

Отстаивание используется в промышленности, чтобы сгустить суспензию или классифицировать суспензии по фракциям частиц твердой фазы, а также для разделения эмульсий. Из-за малой движущей силы тяжести в процессе отстаивания можно довольно эффективно отделить только крупные частицы. Отстаивание является самым простым и дешевым процессом среди гидродинамических. Именно благодаря этому его используют для первичного разделения, чтобы удешевить окончательное разделение гетерогенной смеси более дорогими и сложными способами.

В промышленности отстаивание используется, как правило, в условиях высокой концентрации дисперсной фазы, если происходит стесненное осаждение, которое имеет скорость значительно меньше, чем скорость свободного осаждения. Вследствие трения частиц между собой, а также их столкновений друг с другом, наблюдается тенденция сближения скоростей осажденных частиц разных размеров. Поэтому возникает коллективное осаждение частиц со скоростями, близкими в каждом сечении аппарата, однако разными по высоте. При этом значительно замедляется скорость восхождения потоков жидкостей с приближением к днищу аппарата.

Данное явление связано с тем, что возникают восходящие потоки жидкости из-за вытеснения жидкости осаждающимися на дно частицами. Усложняется процесс из-за того, что крупные частицы обгоняют более мелкие. В процессе стесненного осаждения концентрация диспергированных частиц значительно изменяется по высоте самого отстойника. Это значит, что в верхней части расположены слои осветленной жидкости, чуть ниже расположена зона почти свободного осаждения, еще ниже – стесненное осаждения, и на самом дне расположен слой осадка.

Скорость стесненного осаждения, которое обозначается как wст, и является функцией скорости свободного осаждения, а также концентрации суспензии. Скорость стесненного осаждения выражается через объемную долю жидкости, которая находится в суспензии ε:

ε = Vж/(Vж+Vт)

где Vж и Vт - объем сплошной жидкой и твердой фазы, м3.

Отстаивание производится в аппаратах, которые называются отстойниками. Для сгущения суспензий используются отстойники, которые называются сгустителями, а для твердых частиц – классификаторами.

Существуют отстойники непрерывного, периодического, а также полунепрерывного. В непрерывных все процессе отстаивания происходят непрерывно. В полунепрерывных отстойниках происходит подача разделяемой смеси, а также вывод очищенной сплошной фазы непрерывно, а вот удаление сгущенной дисперсной фазы, например, осадкой и шлама, периодически.

В суспензиях дисперсная фаза, как правило, имеет более высокую плотность, чем сплошная. Благодаря этому гравитационное осаждение, которое еще называют естественным отстаиванием, равно ρтж. Данный процесс происходит в аппаратах периодического, непрерывного и полунепрерывного действия, которые называются отстойниками.

Основные элементы кинетики гравитационного осаждения

В зависимости от характеристик компонентов можно выделить следующие виды дисперсных систем:

  • пыли (количество частиц некой твердой субстанции в газе – взвеси)
  • туманы (взвеси небольших капель какой-либо жидкости в газе)
  • эмульсии (взвеси каких-либо капель жидкости в других видах жидкостей)
  • суспензии (взвеси твердых субстанций в жидкости).

Разделение таких неоднородных систем можно производить различными способами, одним из которых является гравитационное осаждение. Гравитационное осаждение считается самым простым способом разделения, обладающим при этом минимальными затратами энергии. Подобные манипуляции осуществляются с помощью специальных аппаратов, называемых отстойниками.

Расчеты для процесса осаждения

Для наглядного рассмотрения процесса осаждения твердой частицы в форме шара обозначим ее диаметр как d, ее плотность - ρт, а плотность жидкости, в которую она погружена – ρж. В этом случае существует обязательное условие, которое будет выглядеть как ρтж.

Когда частицу вводят в жидкость с начальной скоростью движения, равной нулю, она начинает двигаться ускоренно, а соотношение сил, действующих на нее, можно описать следующим уравнением:

T = A-R = J, (a)

Теперь следует расписать значение каждой компоненты уравнения:

  1. T = πd³/6 · ρTg – сила тяжести, которая равна массе частицы.
  2. A = πd³/6 · ρжg – сила выталкивания, равная массе объема жидкости, вытесненной частицей согласно закону Архимеда.
  3. R = φ · πd²/4 · W²ос/2 · ρж – сила сопротивления, которая имеет прямое отношение к поперечному сечению частицы F = πd²/4.
  4. J = m·dWос/dτ – сила инерции (где m – масса частицы, ϕ – коэффициент сопротивления, Wос скорость осаждения частицы).
  5. Τ – компонент время.

С увеличением скорости растет и сила сопротивления, стремящаяся уменьшить ускорение частицы. По истечении некоторого промежутка времени ускорение становится равным нулю.

Если величина скорости осаждения постоянна, то силы, действующие на частицу, будут представлены в виде следующей формулы:

T-A-R = 0; (б)

Из последующего рассмотрения вполне можно исключить отрезок времени движения частицы с ускорением (достаточная точность для технических расчетов позволяет это сделать), по той причине, что начальный период времени, за которое она достигает скорости осаждения, слишком мал в соотношении со всей длительностью процесса осаждения.

Учитывая данное обстоятельство, уравнение (б) можно представить более подробно:

π(d³/6)·ρTg - π(d³/6)·ρжg - φ(πd²/4)·(W²ос/2)·ρж = 0 (в)

Из этого уравнения можно вывести скорость осаждения:

Wос = √[4(ρтж)dg] / (3ρжφ) (г)

Однако сразу рассчитать скорость осаждения твёрдой частицы из уравнения (г) невозможно, так как необходимо учесть еще один коэффициент сопротивления ϕ, а его данные напрямую зависят от дополнительных условий осаждения.

Выделяется три режима осаждения - турбулентный, переходный и ламинарный. В каждом из них твердую частицу жидкость обтекает особым образом. Область того или иного режима осаждения определяется параметрами величины, называемой критерий Рейнольдса:

Re = Wосжж (д)

При небольших значениях Re жидкость обтекает частицу максимально плавно и без вихрей в ее кормовой части. Коэффициент сопротивления в этом случае обычно представляют уравнением:

φ = 24/Re (е)

В этом случае сила сопротивления вычисляется результатами сопротивления трения на поверхностях частицы, к тому же, она является пропорциональной первой степени скорости.

Вторая область, переходный режим осаждения частицы, находится в пределах изменений значения критерия Рейнолдса: 1,85 < Re < 500.

Если Re увеличивается, в кормовой части осаждающейся частицы появляется, так называемая, застойная зона, в замкнутом пространстве которой происходит вихревое (циркуляционное) движение. Если значения коэффициента Re не очень значительны, то все вихри весьма устойчивы. Если число Re постоянно растет, то интенсивность вихрей тоже увеличивается. Течение процесса теряет устойчивость, и можно наблюдать, как вихри периодически срываются с поверхности частицы и от них образуется видимый след. В конечном итоге основной долей становится лобовое сопротивление.

Коэффициент в этом случае рассчитывается согласно уравнению:

φ = 18,5/Re0,6 (ё)

При дальнейшем росте коэффициента Re выше величины 500, величина сопротивления остается почти постоянной и не зависит от значения Re (автомодельная область).

При данном варианте развития событий вихри начинают регулярно отрываться от поверхности кормовой части частицы, и этот режим имеет название турбулентный. Это означает, что в таком случае сила сопротивления пропорциональна скорости во 2-й степени, а сам коэффициент сопротивления определяется лобовым сопротивлением и имеет величину:

φ = 0,44 (ж)

Воспользовавшись одновременно рядом уравнений (г) и (е - ж), появляется возможность определить скорость осаждения с помощью метода последовательных приближений. Для этого сопоставляют предварительное и полученное значения wос и повторяют расчеты, пока не будет достигнута нужная точность.

Такие расчеты являются весьма трудоемкими и недостаточно удобными, однако этого можно избежать при преобразовании уравнения (г) в критериальное. Для этого берут уравнение (г) и назначают величину ϕ как функцию стальных параметров:

φ = [4/3]·[(ρтж)/ρж]·[gd/W²ос] (з)

Далее умножают правую и левую части на число Re2 и, проведя некоторые преобразования, выводят выражение:

φRe² = [4/3]·[(gd³ρжтж))/μ²ж] (и)

Безразмерная совокупность правой части выражения является критерием Архимеда:

Ar = (gd³ρжтж))/μ²ж (й)

Из уравнения (и) выходит:

Re = 1,15·(Ar/φ)0,5 (к)

Подставив в полученную формулу значение коэффициента ϕ из выражений (е - ж), выводится критериальное уравнение, с помощью которого и рассчитывается скорость осаждения.

В ламинарном режиме это имеет вид:

Re = Ar/18 (л)

В переходном:

Re = 0,152(Ar)0,715 (м)

В турбулентном:

Re = 1,74(Ar)0,5 (н)

Определение режима осаждения частицы с помощью критерия Архимеда

В этом случае верхняя граница ламинарного режима осаждения имеет значение Re = 1,85, которая равна величине Ar = 33. Таким образом, можно сделать вывод, что при условии исполнения условия, в котором величина Ar ≤ 33, происходит ламинарный режим осаждения. Верхняя граница предельного значения критерия Архимеда в процессе переходного режима имеет одно и то же значение с величиной Re = 500, и определяется по формуле (м) и равна 8,3∙104.

Переходный режим осаждения имеет ограничение изменений значения величины Ar в следующих пределах:

33 < Ar < 8,3∙104

Турбулентный режим осаждения образуется, только если Ar > 8,3∙104 или Re > 500.

Особенно удобны расчеты по формулам (л-н), поскольку неизвестный параметр wос является частью определяемого критерия, а величины, которые входят в определяющее значение Ar, как правило, уже известны из условий задачи (d, ρж, ρт, μж). По установленной величине Ar и судят о режиме осаждения. С помощью нужной формулы можно найти критерий Re, а далее и саму скорость осаждения:

Wос = (Re/d) / (μжж) (о)

При ламинарном режиме осаждения формула (л) преобразуют в следующее уравнение, которое называется формула Стокса:

Wос = [1/18] / [gd²(ρтж)/μж] (п)

Чтобы выявить скорости осаждения частиц неправильной формы, нужно учесть отклонения от шарообразной формы у имеющейся, для чего вводится расчет коэффициента формы ψ.

Это величина, образующаяся в результате отношения поверхности шарообразной частицы fш к поверхности шарообразной частицы fч такой же массы. Для частиц шарообразного вида значение ψ=1 (поскольку fш=fч), а для частиц другой формы ψ<1.

Беря во внимание коэффициент ψ, формулы (л-н) принимают следующий вид:

Re = ψAr/18 (р)

Re = 0,152(ψAr)0,715 (с)

Re = 1,74(ψAr)0,5 (т)

Физический смысл величин Re и Ar

Критерий Рейнольдса можно назвать некой мерой соотношения сил инерции в потоке жидкости (при процессе обтекания частицы) и сил вязкости.

При незначительных величинах Re силы вязкости преобладают над инерционными силами. Обтекание жидкостью частицы не образует вихри. При существенных показателях Re превалируют инерционные силы, при этом силы вязкости при обтекании частицы активным жидкостным потоком не могут их погасить, и потому за частицей появляются вихри.

Критерий Архимеда в этих процессах становится мерой соотношения разности силы Архимеда и силы тяжести (подъемной силы) к силам вязкости.

Подытожив, можно сказать, что критериальные уравнения учитывают не только те силы, которые при осаждении оказывают действие на частицу, но и специфические особенности обтекания жидкостью частицы.

Скорость осаждения

Отстаиванием называют процесс осаждения частиц под действием сил тяжести.

Основными видами осаждения являются:

  • отстаивание – осаждение под воздействием сил тяжести;
  • отстойное центрифугирование – осаждение под воздействием центробежных сил;
  • очистка газов под воздействием электрического поля.

Метод отстаивания используют в промышленности для следующих целей:

  • сгущение суспензий;
  • классификация суспензий по фракциям частиц твердой фазы;
  • разделение эмульсий;
  • грубая очистка газа от пыли.

Процесс отстаивания суспензий состоит их нескольких стадий. Если тщательно перемешать суспензию, твердые частицы в ней сначала будут равномерно распределены в жидкой фазе. Через некоторое время начинается процесс осаждения, в результате которого самые крупные частицы оседают на дно и образуют осадок (зона 4). Непосредственно над осадком образуется зона стесненного осаждения, где частицы расположены настолько тесно, что дальнейшее их перемещение возможно только посредством вытеснения жидкости (зона 3). Над зоной стесненного осаждения располагается переходная зона (зона 2), далее идет слой осветленной жидкости (зона 1). По мере отстаивания увеличивается зона стесненного осаждения и слой осветленной жидкости. Процесс отстаивания подходит к концу по мере завершения процесса разделения осадка и осветленной жидкости.

Изображение 1. Процесс отстаивания.

Процесс отстаивания
а, б, в, г, д – схема стадий процесса, 1, 2, 3, 4 – схема зон системы.

Критической точкой процесса является момент, при котором, уже исчезла переходная зона, но не полностью уплотнилась зона стесненного осаждения. Согласно данному параметру различают два типа суспензий:

  • Суспензии, скорость движения частиц в которых является постоянной до достижения критической точки, а затем сокращается по мере того, как происходит уплотнение зоны стесненного осаждения;
  • Суспензии, скорость движения частиц в которых сокращается с самого начала протекания процесса отстаивания. В таких суспензиях нет четкой границы между осветленным слоем и сгущенной суспензией.

По мере роста концентрации твердой фазы суспензии, сопротивление среды растет. Осаждение в ограниченном пространстве с высокой степенью концентрации твердых частиц называется процессом стесненного осаждения. Скорость стесненного осаждения всегда ниже скорости свободного осаждения. В большинстве случаев, движение твердых частиц в результате действия сил тяжести является ламинарным.

Отстаивание является наиболее экономичным способом первичного разделения среди прочих гидромеханических способов. Формулы, применяющиеся для расчета скорости осаждения частиц под воздействием сил тяжести, также могут применяться для расчета скорости осаждения мелких капель в газе. Благодаря внутренней циркуляции, скорость осаждения осаждения капли в жидкой среде может быть выше на 50%, чем скорость твердой частицы такого же размера. Если капли загрязнены примесями, скорость их осаждения следует рассчитывать по формулам, справедливым для твердых частиц. Если капли чистые, то их скорость осаждения растет по мере увеличения капли до критического размера dкр. В процессе осаждения капли меняют свою форму и называются осциллирующими. Осциллирующие капли по мере увеличения в размерах постепенно снижают скорость осаждения.

Отстаивание, применяемое в промышленности в условиях высокой концентрации дисперсной фазы, называется стесненным осаждением. Скорость стесненного осаждения меньше скорости свободного осаждения. По причине возникновения трения между частицами в процессе стесненного осаждения и их солидарного осаждения. Показатели скоростей частиц близки в каждом сечении аппарата, но отличаются по высоте. Так, ближе к днищу, скорость осаждения замедляется. Причиной замедления является возникновение восходящих потоков жидкости, вследствие вытеснения жидкости осаждающими частицами. Скорость стесненного осаждения рассчитывается по формуле:

ε = Vж/(Vж+Vт)

где ε - объемная доля жидкости;
Vж –объем сплошной (жидкой) фазы;
Vт – объем дисперсной (твердой) фазы.

Осаждение в поле центробежных сил

Отстойниками (сгустителями) называются аппараты, которые используются в целях разделения суспензий. Данные аппараты бывают двух типов:

  • Отстойники периодического действия;
  • Отстойники непрерывного действия: одноярусные, двухъярусные и многоярусные.

Аппараты периодического действия конструктивно представляют собой невысокие бассейны, не оснащенные перемешивающими устройствами. В отстойник подается суспензия, где она находится в неподвижном состоянии в процессе отстаивания. По окончании рабочего процесса осветленная жидкость выводится. Осадок удаляется в ручном режиме или смывается водой. После этого в отстойник снова подается суспензия.

Самый распространенный тип отстойников – одноярусные гребковые аппараты. Конструктивно данный аппарат представляет собой низкий резервуар цилиндрической формы с коническим дном и кольцевым прямоугольным желобом, который находится около верхнего края. Резервуар оснащен мешалкой с гребками, которая способна совершать до 20 об/ч. В резервуар суспензия подается сверху посредством трубы. Осветленная жидкость выводится посредством верхнего желоба. Сгущенная суспензия остается на дне и медленно перемещается к патрубку благодаря движению гребков. Из патрубка она выкачивается при помощи насоса. Аппараты данного типа рассчитаны на высокую производительность. К достоинствам таких аппаратов принято относить:

  • Непрерывность действия;
  • Равномерная плотность осадка;
  • Возможность регулировки плотности осадка;
  • Хорошее обезвоживание осадка при условии взбалтывания;
  • Механизация процесса.

В результате воздействия центробежных сил осуществляется гораздо более интенсивное разделение по сравнению с разделением, которое происходит в результате действия сил тяжести. Центробежное разделение осуществляется в гидроциклонах и центрифугах. Наиболее качественное разделение твердой и жидкой фазы осуществляется при помощи мультигидроциклонов. Такие машины включают в себя параллельно работающие гидроциклоны, диаметр которых составляет до 150 мм. Циклонные элементы располагаются на решетках вверху и внизу. Осветленная жидкость выводится посредством общего патрубка из циклонных элементов, а сгущенная суспензия выводится через общий патрубок в нижнюю камеру. Чем больше диаметр циклонного элемента, тем значительнее центробежные силы.


Инженеры всегда готовы проконсультировать или предоставить дополнительную техническую информацию по предлагаемым отстойникам.

Ваши запросы на отстойники просим присылать в технический департамент нашей компании на e-mail: info@ence.ch, тел. +7 (495) 225 57 86

Центральный сайт компании ENCE GmbH
Наша сервисная компания Интех ГмбХ

Головные Представительства в странах СНГ:
России
Казахстане
Украине
Туркменистане
Узбекистане
Латвии
Литве

Сообщить об ошибке на сайте ENCE GmbH, Switzerland / ENCE gmbH, Schweiz / ЭНЦЕ ГмбХ, Швейцария © ENCE GmbH