Апарати для промивання осадів

 

Апаратів, спеціально призначених для промивання осадів, немає. Для цієї мети служать звичайно апарати, використовувані для поділу суспензій (відстійники, фільтри, центрифуги).

Промивання осадів здійснюють із метою більш повного діставання рідкої фази (наприклад, у виробництві їдкого натру вапняним способом), або для одержання осаду високої якості, вільного від домішок (наприклад, у виробництві карбонату барію). Правильна організація процесу промивання осадів відіграє важливу роль у підвищенні якості одержуваного продукту.

Існує декілька методів промивання осадів: метод витис-нення рідкої фази осаду промивною рідиною, метод розведення рідкої фази осаду промивною рідиною, метод дифузії рідкої фази осаду в промивну рідину. Останній метод використовують рідко й тільки в шнекових осаджувальних центрифугах. Промивною рідиною у виробництві неорганічних речовин звичайно слугує технологічна або демінералізована вода (в залежності від вимог, встановлених до якості продукту).

Промивка методом витиснення. Промивання осаду цим методом можна організувати в один або декілька ступенів на фільтрах і центрифугах періодичної та безупинної дії. Багатоступеневе промивання здійснюють звичайно на фільтрах безупин-ної дії.

Одноступеневе промивання осадів здійснюють на нутч-фільтрах, фільтр-пресах, листових і барабанних фільтрах, центрифугах безупинної та періодичної дії. Таке промивання застосовують, якщо осад грубозернистий і легко промивається, або якщо немає необхідності одержання промивних вод із високою концентрацією речовини, що витягається з осаду.

При промиванні осаду на фільтрах періодичної дії кількість промивної рідини (V_n, м³), необхідної для зниження ступеня насичення m осаду фільтратом до заданого значення, можна визначити за рівнянням:

 

V_n = k₁ k₂ k₃V_o (3.7)

 

Де k₁, k₂, k₃ — коефіцієнти, що враховують вплив відповідно в'язкості m рідини, товщини _ос прошарку осаду й розміру часток d_ч; V_o — об'єм фільтрату в порах осаду перед промиванням, м³.

Чисельні значення k₁, k₂, k₃ в залежності від m, d_ч, і d можна визначити за довідковою літературою. При складанні рівняння (3.7) умовно вважалося, що промивна рідина в порах осаду не змішується з фільтратом.

Рівняння, що відображує закономірність процесу промивання осаду на фільтрах безупинної дії, має вигляд:

 

R_m = (1 – m₁) exp [– (m₂ – m₁)/(l – m₁)], (3.8)

 

де R_m — масова доля розчиненої речовини, яка залишилась в осаді після промивання (до промивання R_m = 1); m₁ — відношення об'єму промивної рідини, що надійшла в пори осаду на першій стадії промивання, до об'єму фільтрату в порах перед промиванням (значення т₁ визначаються експериментально);

 

m₂ = V_n /V_o.

 

З підвищенням температури промивної води осад краще відмивається від маточного розчину, оскільки при цьому зменшується в'язкість води і пришвидшуються дифузійні процеси.

У виробництві екстракційної фосфорної кислоти на карусельних і стрічкових фільтрах відмивають фосфогіпс. При цьому промивна рідина надходить на останній ступінь промивання (рахуючи за рухом осаду) і зустрічається з майже відмитим осадом. З цього ступеня рідина, що містить речовину, яка витягується, (наприклад, Н₃РО₄) в невеликій концентрації, направляється на попередній ступінь, де зустрічається з менш промитим осадом. У результаті цього концентрація речовини, що витягується, в промивній рідині зростає. Збільшення числа ступенів промивання призводить до скорочення витрати рідини і до більш повного відмивання осаду від маточного розчину.

Багатоступінчасте протитечійне промивання осаду методом витиснення можна виконувати на центрифугах.

Промивання методом розведення. При фільтруванні суспензій із дисперсними частками в прошарку осаду звичайно утворяться тупикові пори, із яких не можна витиснути фільтрат промивною рідиною.

У цьому випадку використовують метод розведення, який полягає в наступному. Осад репульпує (скаламучується) в промивній рідині, в результаті чого фільтрат, що утримується в тупикових порах, розводиться. Отриману суспензію знову піддають поділу. Цим способом промивають нерозчинні або малорозчинні осади, наприклад осади карбонатів барію, магнію або кальцію, гидроксидів алюмінію та магнію.

Промивання методом розведення здійснюють звичайно багатоступенево. При цьому розрізняють послідовне і протитечійне промивання.

Послідовне промивання доцільне в тому випадку, якщо промивна вода з розчиненою в ній речовиною не може бути використана у виробництві, а до чистоти осаду надаються підвищені вимоги. Нариклад промивання сульфату барію демінералізованою водою.

На рис. 3.22 показана схема триступеневого послідовного промивання осаду з використанням барабанних вакуум-фільтрів. Осад, що утворився в попередньому апараті для поділу суспензій, спрямовується в репульпатор 1. Туди ж подається промивна вода. Отримана суспензія з репульпатора перекачується на фільтр першого ступеня, де розділяється на частково промитий осад, який направляється в репульпатор 2, і фільтрат, який видаляється трубопроводом. На фільтрі другого ступеня й у репульпаторі 3 відбуваються аналогічні операції. Остаточно промитий осад із фільтра третього ступеня подається в бункер або на транспортер. Промивні води трубопроводами надходять у збірник і далі направляються на станцію нейтралізації.

 

Рис. 3.22. Схема триступеневого послідовного промивання осаду: 1—2—3 — репульпатори

 

Якщо промивання проводити водою, що не містить речовини, яка витягується, а частку рідкої фази в осадах усіх ступенів прийняти однаковою, то процес можна описати такими рівняннями:

 

k = lg(C_н /C_к)/lg(m₃+1) (3.9)

 

 

W = G ( –1), (3.10)

 

де k — число ступенів промивання; С_н, С_к — масові долі речовини, що витягується, в рідкій фазі відповідно у вихідного і промитого осадів (у долях одиниці); W — витрата промивної рідини, подаваної на один ступінь промивання, % від маси твердих часток; G — масова частка рідкої фази в осаді, % від маси твердих часток; m₃ = W/G.

Значення G і С_н знаходять експериментально або беруть за даними діючого виробництва, С_к розраховують, виходячи з вимог до якості продукту. Задаючись числом ступенів промивання, можна визначити витрату промивної води і навпаки.

Загальну витрату промивної води для всіх ступенів визначають із виразу:

 

W = kW_i

 

Зі збільшенням числа степенів промивання зменшується витрата промивної води або за тіє ж витрати утворюється чистіший осад. Витрата води знижується (або підвищується чистота осаду за тіє ж витрати) із зменшенням вмісту рідкої фази в осаді.

Протитечійне промивання дозволяє одержати всю промивну рідину з достатньо високою концентрацією речовини, що витягується. На рис. 3.23 показана схема триступінчатого протитечійного промивання з застосуванням барабанних вакуум-фільтрів. Осад, який утворився в апараті для поділу суспензій, подається в репульпатор 1 першого ступеня промивання, куди надходить також промивна вода з фільтра другого ступеня. От-

 

Рис. 3.23. Схема триступінчатого протитечійного промивання осаду: 1—2—3 — репульпатори

 

римана суспензія на фільтрі першого ступеня розділяється на осад, що подається в репульпатор 2, і фільтрат, який являє собою кінцеву промивну рідину з максимальною концентрацією речовини, що витягається. В репульпаторі 2 осад суспензується в промивній рідині, яка надходить із фільтра третього ступеня. Отримана суспензія на фільтрі другого ступеня розділяється на осад, що надходить у репульпатор 3, і фільтрат (промивну воду), який спрямовується на суспензування осаду в репульпаторі 1. У репульпатор 3 подається свіжа промивна вода. утворена тут суспензія розділяється на фільтрі третього ступеня промивання. Промивна вода надходить у репульпатор 2, а відмитий від маточного розчину осад вивантажується в бункер або на транспортер.

Із наведеної схеми очевидно, що осад, який промивається й промивна вода рухаються протитечійно, при цьому концентрація речовини, що витягується, в промивній рідині зростає (у напрямку від третього ступеня до першого), а в осаді зменшується (у напрямку від першого ступеня до третього).

Процес протитечійного промивання осаду методом розведення може бути розрахований за такими співвідношеннями:

 

С_пк = (С – C )/j (3.11)

 

j = W + G_H + G_K

 

m₄ = W/G_k; C_k =C /G_K (3.12)

 

k = lg [C_пк/C_к (m₄ – 1) + 1]/lg m₄, (3.13)

 

де С_пк — массовая частка речовини, що витягується, в кінцевій промивній рідині, %, С и C — масова частка речовини, що витягується, у вихідному й промитому осадах, % від маси твердих частинок; G_H і G_K — масова частка рідкої фази у вихідному і промитому осадах, % від маси твердих частинок.

Зі збільшенням числа ступенів промивання той же рівень відмивання осаду утворюється за меншої витрати промивної води. При цьому С_пк буде вище. За одного й того ж числа ступенів промивання збільшення витрати води підвищує якість осаду й зменшує значення С_пк .

Об'єм промивної води повиннен бути таким, щоб забезпечити достатню текучість суспензії при транспортуванні її трубопроводами. Це особливо важливо при обробці осадів високодисперсних суспензій, схильних до утворення тиксотропних систем. Наприклад, при 50 °С таку систему карбонат барію утворить за концентрації його в суспензії більше 35 %, а сульфат барію — більше 25 %.

Число ступенів промивання (або витрата промивної ріди-ни), розраховане (або прийняте) за рівняннми (3.9)—(3.13) варто збільшити на 15—25 %, оскільки ці рівняння виведені для умов ідеального протікання процесу, без урахування наявності друзових кристалів, адсорбційної здатності твердих часток та нерівномірності перемішування суспензій.

Перевагою протитечійного промивання в порівнянні з послідовним є те, що однаковий рівень відмивання осаду від маточного розчину досягається за меншої витрати води (хоча число ступенів промивання зростає) і промивні води утворюються з великим вмістом речовини, яка витягується. Останнє важливо не тільки для подальшої переробки, наприклад упарювання кінцевої промивної рідини, але і при спрямуванні її на шламові поля або станцію нейтралізації.

Для промивання осаду методом розведення можуть бути використаними не тільки фільтри, а й відстійники й осаджувальні центрифуги. Наприклад, протитечійному промиванню у відстійниках піддають шлам карбонату кальцію у виробництві їдкого натру вапняним способом, а у виробництві глинозему методом Байера — «червоний шлам». Але оскільки осад із відстійників виходить із високим вмістом рідкої фази, в цьому випадку потрібно більше число ступенів промивання, чим при використанні фільтрів або центрифуг типу ОГШ. Проте у випадку застосування центрифуг типу ОГШ варто рахуватися з винесенням твердої фази фугатом.

Багатоступеневе промивання методами витиснення й розведення. Цей вид промивання є поєднанням послідовних процесів витиснення й розведення при протитечійному русі осаду та промивної рідини.

На рис. 3.24 показана схема триступеневого протитечійного промивання осаду методами витиснення і розведення з застосуванням барабанних вакуум-фільтрів. Вихідна суспензія на барабанному вакуум-фільтрі 1 розділяється на фільтрат (потікІ ) і осад, що промивається на цьому ж фільтрі методом витиснення частиною промивних вод (потік ІІІ), які надходятьіздругого ступеня. Промивна рідина (потік ІІ) із першого ступеня, в якому вміст речовини, що витягується дещо нижче, чим у фільтраті (потік І), спрямовується на подальшу переробку, а осад подається в репульпатор 2, де суспензується водою (потік V) із третього ступеня й частиною промивної води (потік IV) із другого ступеня. Таким чином, частина промивної води другого ступеня циркулює всередині його між репульпатором і фільтром. Це пов'язано з тим, що для репульпації в одиницю часу потрібно більше рідини, чим може її профільтруватися через готовий прошарок осаду. Проте вміст речовини, що витягується, в суміші вод, які надходять на другий ступінь (потоки IV і V), завжди менше її вмісту в рідкій фазі осаду після першого ступеня промивання.

Отримана в репульпаторі 2 суспензія розділяється на наступному фільтрі 3 на осад і фільтрат (потік VII), що утворює потім два потоки (ІІІ і IV). Осад промивається (третій ступінь) на цьому ж фільтрі свіжою промивною водою (потік VI), яка, пройшовши прошарок осаду, утворює промивну рідину (потік V). Остаточно промитий осад вивантажується на транспортер або в бункер.

Рис. 3.24. Схема триступеневої промивки осаду методами витиснення і розведення: 1, 3 — вакуум-фільтри; 2 — регулятор; І —VІІ — потоки

З описаної схеми очевидно, що на першому та третьому ступенях осад промивається на фільтрах методом витиснення, а на другому ступені — методом розведення. Розглянутий метод дозволяє збільшити число ступенів промивання, не збільшуючи числа фільтрів, але схема при цьому ускладнюється.