Файл: Бушмелев, В. А. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства учебник.pdf

В целлюлозной и бумажной массе всегда содержится небольшое количество минеральных примесей (загрязнений) в виде песка, гипса, известкового шлама и т. п. Отделяют пх главным образом центрифу­ гированием, иногда — отстаиванием.

Значительно большие количества взвешенных частиц содержат неочищенные растворы химических реагентов, предназначенных для варки целлюлозы, а именно: белый щелок после каустнзации и только что полученная сырая башенная кислота. Отделение взвешенных ча­ стиц от этих жидкостей производится в основном отстаиванием и филь­ трацией, а иногда — центрифугированием. Центрифугирование приме­

Движение взвешенных частиц в жидкой или газообразной средах, вызванное любой произвольной силой и направленное на отделение ча­ стиц от среды, называется осаждением. Скорость частицы при осаж­ дении называется скоростью осаждения. Если осаждение происходит под действием силы тяжести, то такой процесс называется отстаива­ нием, а скорость — соответственно скоростью отстаивания.

Необходимым условием отстаивания является неравенство плот­ ностей фаз, а также неподверженность взвешенных частиц броунов­

при отстаивании не наблюдается. Сопротивление осаждающимся ча­ стицам оказывается только со стороны жидкости. Такое отстаивание называется с в о б о д н ы м . Отстаивание в ограниченном объеме жидкости при большой концентрации твердой фазы характеризуется взаимным соприкосновением частиц. Сопротивление движению твер­ дых частиц при этом будет зависеть не только от сопротивления среды, но и от взаимного трения и соударения частиц. Такое отстаивание называется с т е с н е н н ы м .

Процесс отстаивания можно разбить на несколько стадий. Если при небольшой концентрации исходной суспензии отстаивание сначала будет свободным во всем объеме, то по истечении некоторого времени вблизи поверхности осаждения концентрация твердой фазы может возрасти настолько, что отстаивание в этой части объема будет уже стесненным. При этом верхний слой жидкости освобождается от взве­ шенных веществ и становится осветленным, а на поверхности осажде­ ния постепенно образуется слой уплотненного осадка. Между слоем осветленной жидкости и слоем осевших на дно твердых частиц отстаи­ вание продолжается как в свободном (вверху), так и в стесненном (внизу) режимах. Если проследить движение единичной твердой ча­

94

стицы в суспензии с низкой начальной концентрацией, то она сначала осаждается свободно, затем стесненно, после чего оседает на уплот­ ненный слой частиц. Внизу этого слоя располагаются крупные ча­ стицы, выше — более мелкие и наверху — самые мелкие.

Скорость отстаивания

Скорость отстаивания является наиболее важной характеристикой этого процесса. Для получения уравнения скорости отстаивания рас­ смотрим общий случай движения частицы в среде. Допустим, что ча­ стица с массой т движется под действием силы F с ускорением а. Воз­ никающие при этом сопротивления 5 направлены в противоположную сторону. Тогда справедливо равенство F—S = та. Это общий закон движения.

При отстаивании действующей силой F является разность силы тяжести частицы G и выталкивающей архимедовой силы А, т. е. F = = G—А. Сразу же после начала отстаивания сила сопротивления среды возрастает настолько, что движение частиц из ускоренного пре­ вращается в равномерное, при котором ускорение.а = 0. В этом слу­ чае общий закон отстаивания будет представлен равенством G—А — —S = 0. Соответствующая этому выражению равномерная скорость частиц, движущихся в среде под действием силы тяжести, и будет ско­ ростью отстаивания.

Таким образом, для того чтобы происходило отстаивание, дейст­ вующая на частицу сила, равная G—А, должна быть больше силы со­ противления среды S, или равна ей, т. е. должно быть соблюдено ус­

— (Pi —Р)Д

Сила сопротивления 5 определяется по формуле (2-15). Подставив

Эта формула устанавливает взаимосвязь критерия Ar с критерием Re и коэффициентом сопротивления X.

Для ламинарного режима отстаивания X = — . Подставив это

Re

в формулу (5-1), получаем А г = — • — -Re2, откуда Re = — . Этим

95

соотношением воспользуемся для установления критического числа Архимеда (Агкр), с помощью которого можно характеризовать границу ламинарного и переходного режимов осаждения. Подставив в него

ReKp = 2, получим Агкр = 2-18 = 36.

Аналогичным методом, используя формулу (5-1) и формулы коэф­ фициентов сопротивления (2-17) и (2-38), находим зависимость числа Re от критерия Аг и условия их применимости для других режимов отстаивания.

В итоге будем иметь следующие расчетные формулы:

Вычислив по критерию Аг величину числа Re, скорость отстаива­

Практически отстаивание суспензий проходит в ламинарном ре­

Эта зависимость известна как уравнение Стокса, по которому ско­ рость отстаивания при ламинарном режиме пропорциональна квадрату диаметра частиц и разности плотностей частиц и среды и обратно про­ порциональна вязкости среды.

Скорость стесненного отстаивания wCT обычно меньше вычислен­ ной по формуле (5-5) скорости свободного отстаивания, так как при этом возникают дополнительные сопротивления трения от столкнове­ ния частиц. Помимо определяющих физических величин, входящих в формулу (5-5), величина w„ будет зависеть еще и от объемной доли

жидкости в суспензии в = ^ "» гАе У и Уі — объемы жидкости и

1 Плановский Н. А., Рамм В. М., Каган С. 3. Процессы и аппараты хими­ ческой технологии. М., 1967, с. 246.

96

где w — скорость свободного отстаивания, определяемая по формуле

Аппараты, предназначенные для проведения процессов отстаива­ ния, называются отстойниками. В зависимости от характера процесса отстаивания эти аппараты делятся на отстойники периодического, непрерывного и полунепрерывного действия.

Аппараты периодического действия характеризуются периодич­ ностью подачи суспензии, отбора осветленной жидкости и выгрузки шлама. К ним относятся так называемые декантаторы для осветления

Осадок

белых щелоков, отстойники для сырой башенной кислоты, отбельного раствора и т. п.

В аппаратах полунепрерывного действия осаждение частиц произ­ водится при движении очищаемой жидкости непрерывно, а удаление осевших загрязнений — по мере их накопления, периодически. К та­ ким аппаратам относятся так называемые песочницы, которые при­ меняются для очистки целлюлозной и бумажной массы от песка и дру­ гих механических примесей, а также отстойники, применяемые в про­ цессах водоочистки.

Отстойники непрерывного действия характеризуются непрерыв­ ностью подачи суспензии, отвода осветленной жидкости и удаления шлама. К ним относятся одноярусные и многоярусные отстойники (уплотнители) Дорра, включаемые в систему непрерывной каустизации, скребковые отстойники для улавливания волокна из оборотных вод, конусные отстойники для осветления воды и т. п.

На рис. 5-1 показана схема отстойника полунепрерывного дейст­ вия, проточного типа (песочницы). Это бетонный канал шириной 1,5—2 м и длиной 25—30 м, по которому движется целлюлозная или бумажная масса со скоростью 12—18 м/мин. Высота потока не должна

97