POLITECHNIKA POZNAŃSKA
WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ
INSTYTUT TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ
ZAKŁAD INŻYNIERII I APARATURY CHEMICZNEJ
ODSTOJNIK
Projekt wykonany w ramach zajęć
Maszynoznawstwo i aparatura przemysłu chemicznego
MARTA MARTYŁA
studia dzienne I stopnia 2010/2011
na kierunku Technologia Chemiczna
TEMAT PROJEKTU:
Wykonaj obliczenia odstojnika o działaniu ciągłym i wydajności m=28 t/h.
Parametry pracy odstojnika:
•
stężenie początkowe zawiesiny: c
p
=11%
•
stężenie końcowe odprowadzanego szlamu: c
k
=28%
•
wielkość cząstek fazy stałej, które powinny zostać wydzielone z zawiesiny: d
min
=34μm
•
masa fazy stałej w 1m
3
szlamu: q=400 kg/m
3
•
gęstość fazy stałej: ρ
s
=1700kg/m
3
•
gęstość fazy ciekłej: ρ
c
=1000kg/m
3
.
UWAGI:
1
I. Wprowadzenie:
Co to jest zawiesina?
Zawiesina - układ niejednorodny, dwufazowy, w postaci cząstek jednego ciała rozproszonych (faza rozproszona)
w drugim ciele (faza rozpraszająca), np. cząstek ciała stałego w gazie lub cząstek cieczy w cieczy. Jeżeli cząstki
te są dostatecznie małe, mowa jest o układzie koloidalnym. Gęstość fazy rozproszonej w zawiesinach jest na ogół
większa niż gęstość fazy rozpraszającej i z tego powodu rozproszone cząstki fazy stałej mają tendencję do
sedymentacji (opadania). Przykładami zawiesiny są: zupa, błoto, woda w jeziorze czy sok Kubuś. Średnica
cząstek w zawiesinie jest większa od 100 nanometrów.
Sposoby rozdzielania zawiesin:
Można wyróżnić kilka sposobów rozdzielania zawiesin:
sedymentacja- opadanie większych drobin zawiesiny (ciała stałego) na dno naczynia,
dekantacja- metoda przemywania osadu wytrąconego w naczyniu, polegająca na zadaniu go odpowiednim
rozpuszczalnikiem, wymieszaniu i odczekaniu do ponownego opadnięcia osadu, po czym zlewa się klarowną ciecz
znad osadu. Czynność powtarzana jest wielokrotnie.
filtracja- metoda oddzielania substancji stałych od cieczy i gazów, poprzez mechaniczne zatrzymanie jednej z
substancji (zwykle ciała stałego) w przegrodach porowatych (filtrach) przy użyciu odpowiednich aparatów. Ciecz
lub gaz otrzymywane po filtracji nazywa się filtratem.
Co to są odstojniki?
Odstojnik (także osadnik) – zbiornik, w którym przebiega grawitacyjne osiadanie zanieczyszczeń zawartych (w
postaci zawiesin) w zanieczyszczonej wodzie (również ściekach) z gospodarstw domowych, w kopalniach lub
zakładach przemysłowych. Dzięki temu możliwe jest wykorzystywanie wody w obiegu zamkniętym lub
odprowadzenie ścieków do kanalizacji w przypadku ścieków komunalnych lub rzeki w przypadku ścieków
przemysłowych. Osadniki spełniają szczególną rolę w oczyszczalniach ścieków.
Rodzaje odstojników:
odstojnik Dorra - najczęściej stosowany w przemyśle. Jest to aparat o działaniu ciągłym. Jest to cylindryczny
zbiornik o dużym przekroju poprzecznym i o malej wysokości. Ciecz z zawiesiną doprowadza się w sposób ciągły
rurą do zasilacza , z którego spływa on do odstojnika. Wzdłuż obwodu zbiornika biegnie rynna, do której
poprzez krawędź przelewowa przelewa się ciecz klarowna. Wzdłuż osi pionowej aparatu umieszczony jest wał,
którego dolna cześć zaopatrzona jest w grabie mieszające nachylone pod pewnym kątem w celu przesuwania w
czasie obrotu osadu do otworu znajdującego się na dnie zbiornika. Dno zbiornika jest stożkowe.
dwukomorowy odstojnik Dorra - zasada działania odstojnika dwukomorowego jest taka sama jak
jednokomorowego. Wydajność odstojnika jest proporcjonalna do powierzchni przekroju poprzecznego aparatu. W
praktyce buduje się odstojniki 2-4 komorowe, w związku z tym i wydajność jest większa od jednokomorowego.
Komory oddzielone są od siebie półkami, nad którymi są zabudowane ruchome grabie. Każda komora ma
oddzielne urządzenie do napełniania i odprowadzenia cieczy klarownej.
2
odstojniki o poziomym przepływie cieczy (kaskadowy)-odstojniki tego typu bardzo dobrze pracują jako aparaty o
podwójnym działaniu, tj. sedymentacji w połączeniu z klasyfikacją ziarna. Budowa aparatu jest bardzo prosta,
składa się z szeregu skrzyń o kształcie pryzmatycznym lub stożkowym, które są ustawione szeregowo. Wytrącone
ziarna opadają do skrzyń zależnie od wielkości, cięższe bliżej, lżejsze dalej.
odstojnik Allena - jest to aparat o działaniu ciągłym; popularnie nazywamy stożkiem Allena. Nazwa wywodzi
się od kształtu aparatu. Kąt rozwarcia stożka wynosi zwykle 45 - 60°. Aparat jest zaopatrzony z zawór do
odpuszczania osadu, który otwierany jest automatycznie lub ręcznie. Ciecz z zawiesiną wprowadzona jest do
odstojnika przez centrycznie umieszczony otwór, który zaopatrzony jest stożek dopływowy, który zabezpiecza
przed powstawaniem wirów. Klarowna ciecz spływa przez krawędź odstojnika do obwodowej rynny i odpływa
na zewnątrz. Osad gromadzi się w dolnej części przy wierzchołku stożka. Proces sedymentacji powoduje
zwiększenie się gęstości zawiesiny w dolnej części stożka, co z kolei zwiększa siłę wyporu hydraulicznego
pływaka sterującego. Ruch pływaka ku górze przenoszony jest za pomocą systemu dźwigni na zawór, który
otwiera się samoczynnie i powoduje odpływ osadu. Ciężar pływaka może być zmieniany, wskutek czego zmienia
się rodzaj odprowadzonego osadu. Działanie opisanego urządzenia jest automatyczne.
odstojnik do pracy półciągłej - Należy do grupy osadników, gdzie osad jest odprowadzany okresowo, a ciecz
klarowna ciągle, de z wyjątkiem okresu czasu, w którym odprowadzany jest osad. Wówczas bowiem zwierciadło
obniża się i ciecz klarowna nie może w tym czasie odpływać. Ciecz klarowna przelewa się przez krawędź
przelewową, do rynny odpływowej. Osad jest odprowadzany z dolnej części aparatu okresowo. Dla lepszego i
równomiernego odpływu cieczy klarownej krawędź przelewowa jest ząbkowana.
odstojnik pracujący okresowo - Najprostszym odstojnikiem, pracującym okresowo, może być każdy zbiornik, z
którego po opadnięciu cząstek ciała stałego odprowadza się ciecz klarowną oddzieloną od ciała stałego. W tym
przypadku do odprowadzenia cieczy klarownej zastosowano rurę, która zanurzona jest pod lustrem cieczy
klarownej. Po odpuszczeniu cieczy klarownej z dolnej części odprowadza się zebrany osad przez otwarcie kurka.
Czym są flokulanty i koagulanty?
Koagulacja to proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty tworzące
fazę ciągłą o nieregularnej strukturze. Istnieje koagulacja odwracalna i nieodwracalna, a także spontaniczna i
wymuszona. W wyniku koagulacji może następować zjawisko żelowania, tworzenia się past i materiałów
stałych, sedymentacji lub pokrywania powierzchni mieszaniny warstwą fazy rozproszonej. Koagulanty-
substancje nieorganiczne, neutralizują ładunki powierzchniowe na cząstkach, co umożliwia ich zderzenia i
koagulację.
Flokulacja - jest to końcowy etap niektórych rodzajów koagulacji t.j. wypadania osadu z koloidów. Dokładnie
jest to proces tworzenia się wiązań chemicznych między micelami, na skutek czego micele łączą się w duże
agregaty, które w widoczny sposób wypadają z mieszaniny tworząc osad lub mętną zawiesinę. Flokulanty-
wielkocząsteczkowe związki organiczne lub polimery tworzące struktury sieciowe, plastrowe itp.
3
II. Treść projektu i założenia wstępne:
Wykonaj obliczenia odstojnika o działaniu ciągłym i wydajności m=28 t/h.
Parametry pracy odstojnika:
•
stężenie początkowe zawiesiny: c
p
=11%
•
stężenie końcowe odprowadzanego szlamu: c
k
=28%
•
wielkość cząstek fazy stałej, które powinny zostać wydzielone z zawiesiny: d
min
=34μm
•
masa fazy stałej w 1m
3
szlamu: q=400 kg/m
3
•
gęstość fazy stałej: ρ
s
=1700kg/m
3
•
gęstość fazy ciekłej: ρ
c
=1000kg/m
3
.
4
III. Część obliczeniowa:
DANE:
OBLICZENIA:
WYNIK:
3.1. BILANS MASOWY.
s
kg
G
s
kg
G
s
m
w
c
szl
o
/
72
,
71
/
82
,
5
/
075
,
0
=
=
=
3.2. ŚREDNICA GRANICZNA.
2
3
3
6
/
81
,
9
/
1000
/
1700
*
10
*
1004
s
m
g
m
kg
m
kg
s
Pa
c
s
=
=
=
=
−
ρ
ρ
η
m
d
s
m
m
kg
m
kg
m
kg
s
Pa
g
d
gr
c
c
s
gr
4
3
2
3
3
3
6
3
2
10
*
7
,3
/
81
,
9
*
/
1000
*
)
/
1000
/
1700
(
*
10
*
1004
*
36
*
*
)
(
36
−
−
=
−
=
−
=
ρ
ρ
ρ
η
m
d
gr
4
10
*
7
,
3
−
=
5
3
3
/
1000
/
1700
11
,
0
m
kg
m
kg
c
c
s
p
=
=
=
ρ
ρ
s
kg
m
kg
s
m
V
G
s
m
m
kg
s
kg
s
kg
h
t
V
m
kg
m
kg
m
kg
c
c
z
z
z
z
c
p
p
s
z
54
,
77
1077
*
0072
,
0
*
0072
,
0
/
1077
1
*
78
,
7
1
*
78
,
7
78
,
7
3600
1000
*
28
28
/
1077
/
1000
*
)
11
,
0
1
(
11
,
0
*
/
1700
*
)
1
(
*
3
3
0
0
3
3
0
3
3
3
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
−
+
=
−
+
=
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
s
kg
s
kg
s
kg
G
G
G
s
kg
s
m
s
kg
w
G
G
s
m
s
kg
m
kg
s
m
G
V
c
w
szl
c
szl
c
p
/
71
,
71
/
82
,
5
/
54
,
77
/
82
,
5
/
075
,
0
*
/
54
,
77
*
/
075
,
0
/
54
,
77
/
1000
*
/
0072
,
0
*
11
,
0
*
*
0
0
0
3
3
0
0
0
=
−
=
−
=
=
=
=
=
=
=
ρ
s
kg
G
s
m
V
m
kg
z
/
54
,
77
/
0072
,
0
/
1077
0
3
0
3
=
=
=
ρ
3.3. PRĘDKOŚĆ OPADANIA POJEDYNCZEGO ZIARNA.
2
3
3
6
/
81
,
9
/
1000
/
1700
*
10
*
1004
s
m
g
m
kg
m
kg
s
Pa
c
s
=
=
=
=
−
ρ
ρ
η
m
d
gr
4
10
*
7
,
3
−
=
Prędkość uwarstwionego opadania pojedynczego ziarna:
s
m
u
s
Pa
s
m
m
kg
m
kg
m
u
g
d
u
c
s
gr
/
10
*
2
,
5
*
10
*
1004
*
18
]
/
81
,
9
*
)
/
1000
/
1700
(
*
)
10
*
7
,
3
[(
18
*
)
(
*
4
0
6
2
3
3
2
4
0
2
0
−
−
−
=
−
=
−
=
η
ρ
ρ
s
m
u
/
10
*
2
,
5
4
0
−
=
s
m
u
/
10
*
2
,
5
4
0
−
=
s
Pa
m
kg
m
d
c
*
10
*
1004
/
1000
10
*
34
6
3
6
min
−
−
=
=
=
η
ρ
Sprawdzenie poprawności wartości u
0
:
2
Re
017
,
0
Re
*
10
*
1004
/
1000
*
10
*
34
*
/
10
*
2
,
5
*
*
Re
0
0
4
3
6
4
min
0
0
<
=
=
=
−
−
−
s
Pa
m
kg
m
s
m
d
u
c
η
ρ
017
,
0
Re
0
=
3.4. RZECZYWISTA PRĘDKOŚĆ OPADANIA.
6
,
0
6
,
0
=
=
e
ε
Obliczenie wartości współczynnika K':
066
,
0
6
,
0
1
)
6
,
0
(
*
123
,
0
1
*
123
,
0
'
3
3
=
−
=
−
=
ε
ε
K
K'=0,066
s
m
u
K
/
10
*
2
,
5
1
066
,
0
'
4
0
−
=
=
=
ψ
Obliczenie rzeczywistej prędkości opadania:
s
m
u
s
m
u
K
u
rz
rz
/
10
*
4
,
3
/
10
*
2
,
5
*
1
*
066
,
0
*
'*
5
4
0
−
−
=
=
=
ψ
s
m
u
rz
/
10
*
4
,
3
5
−
=
3.5. POWIERZCHNIA OSADNIKA.
c
k
=0,26
Obliczenie stężenia ciała stałego w warstwie granicznej:
64
,
0
5
26
,
0
*
29
)
26
,
0
(
*
24
5
*
29
*
24
2
2
=
−
=
−
=
k
k
c
c
c
c=0,64
6
s
m
u
c
c
s
m
V
p
/
10
*
2
,
5
64
,
0
11
,
0
/
0072
,
0
4
0
3
0
−
=
=
=
=
Obliczanie powierzchni osadnika:
2
4
8
,
3
2
3
45
,
34
/
10
*
2
,
5
*
)
64
,
0
1
(
*
8
,
4
*
)
64
,
0
(
11
,
0
*
/
0072
,
0
m
F
s
m
s
m
F
=
−
=
−
F=34,45m
2
3.6. RZECZYWIASTA POWIERZCHNIA ODSTOJNIKA.
F=34,45m
2
F
rz
=1,35*F=46,51m
2
F
rz
=46,51m
2
3.7. ŚREDNICA ODSTOJNIKA
F
rz
=46,51m
2
m
m
m
F
D
rz
8
71
,
7
51
,
46
*
13
,
1
*
13
,
1
2
≈
=
=
=
D=8m
Na podstawie średnicy odstojnika dobieram następujące parametry:
n=0,234 obr/min = 0,0039 obr/s
N=1 kW
N
x
=2 kW
i=3
Parametry te dobrałam na podstawie tabeli 1 pochodzącej z:
Henryk Bieszk „ODSTOJNIK – Dane wyjściowe i materiały pomocnicze do wykonania zadania
projektowego”, Gdańsk 2007.
3.8. OBJĘTOŚĆ WARSTWY SZLAMU.
s
obr
n
m
kg
m
kg
c
s
m
V
c
w
s
c
p
k
k
/
0039
,
0
/
1700
/
1000
11
,
0
/
0072
,
0
26
,
0
3
3
3
0
=
=
=
=
=
=
≅
ρ
ρ
3
3
3
3
3
3
0
1
,
9
]
0039
,
0
*
26
,
0
*
1000
1700
26
,
0
1000
1700
[
*
11
,
0
*
0072
,
0
]
*
*
[
*
*
m
V
s
obr
m
kg
m
kg
m
kg
m
kg
s
m
V
n
w
w
c
V
V
szl
szl
k
c
s
k
c
s
p
szl
=
+
=
+
=
ρ
ρ
ρ
ρ
3
1
,
9 m
V
szl
=
7
0
8
,
3
2
0
0
8
,
3
2
0
0
0
8
,
4
2
0
0
0
)
1
(
8
,
4
)
)
1
(
8
,
4
1
)
)
1
(
(
1
u
c
c
c
V
F
c
c
c
V
u
F
c
d
d
c
c
V
u
F
c
⋅
−
⋅
⋅
=
−
⋅
=
⋅
⋅
−
⋅
−
=
⋅
⋅
3.9. NATĘŻENIE PRZEPŁYWU SZLAMU.
3
1
,
9 m
V
szl
=
n=0,0039 obr/s
3
2
3
2
036
,
0
/
0039
,
0
*
1
,
9
*
m
V
s
obr
m
n
V
V
szl
=
=
=
V
2
= 0,036m
3
3.10. CZAS ZAGĘSZCZANIA ZAWIESINY.
s
m
u
C
m
h
rz
/
10
*
4
,
3
35
,
0
6
,
0
5
1
0
−
=
=
=
s
s
m
m
C
u
h
rz
2
,
50420
35
,
0
*
/
10
*
4
,
3
6
,
0
*
5
1
0
=
=
=
−
τ
τ
s
2
,
50420
=
τ
3.11. WYSOKOŚĆ ODSTOJNIKA.
3
2
0
/
1700
45
,
34
2
,
50420
/
54
,
77
m
kg
m
F
s
s
kg
G
s
=
=
=
=
ρ
τ
Obliczam wysokość strefy zagęszczania:
G
s
= 0,1 * G
0
= 0,1 * 77,54 kg/s = 7,75 kg/s
s
s
F
G
h
ρ
τ
*
*
1
=
m
m
kg
m
s
s
kg
h
01
,
5
/
1700
*
45
,
34
2
,
50420
*
/
75
,
7
3
2
1
=
=
h
1
= 5,01m
D = 8m
Wysokość szlamu:
h
2
= 0,073 * D = 0,073 * 8m = 0,584m
h
2
= 0,584m
m
h
m
h
m
h
584
,
0
01
,
5
6
,
0
2
1
0
=
=
=
Wysokość całkowita:
m
m
m
m
m
h
h
h
h
2
,
6
19
,
6
584
,
0
01
,
5
6
,
0
2
1
0
≈
=
+
+
=
+
+
=
m
h
2
,
6
=
3.12. POWIERZCHNIA ŁOPATKI ZGARNIACZA.
D = 8m
i = 3
Obliczanie czynnej szerokości zgarniacza:
m
m
m
i
D
D
l
2
,
1
3
*
2
8
*
1
,
0
8
2
1
,
0
=
−
=
−
=
l = 1,2m
D = 8m
l = 1,2m
Obliczanie powierzchni łopatki zgarniacza:
2
2
2
2
2
6
,
25
)
)
3
*
2
8
(
)
8
((
4
)
2
(
(
4
m
m
m
A
i
D
D
A
s
s
=
−
−
=
−
−
=
π
π
A
s
= 25,6m
2
3.13. WYSOKOŚĆ ŁOPATKI ZGARNIACZA.
2
3
6
,
25
1
,
9
m
A
m
V
s
szl
=
=
m
m
m
A
V
b
s
szl
36
,
0
6
,
25
1
,
9
2
3
=
=
=
b = 0,36m
8
3.14. ŚREDNICA RUROCIĄGU:
3.14.1. DO TRANSPORTU SZLAMU.
s
m
u
m
V
/
3
,
0
036
,
0
2
3
2
=
=
m
s
m
m
d
u
V
d
39
,
0
/
3
,
0
*
036
,
0
*
4
*
*
4
3
2
2
2
2
=
=
=
π
π
d
2
= 0,39m
3.14.2. DO TRANSPORTU ZAWIESINY.
s
m
u
s
m
V
/
1
/
0072
,
0
3
3
0
=
=
m
s
m
s
m
d
u
V
d
12
,
0
/
1
*
/
0072
,
0
*
4
*
*
4
3
0
3
0
0
=
=
=
π
π
d
0
= 0,12m
3.14.3. DO TRANSPORTU CIECZY KLAROWNEJ.
3
/
1000
/
72
,
71
m
kg
s
kg
G
c
c
=
=
ρ
Obliczam natężenie przepływu cieczy klarownej:
s
m
m
kg
s
kg
G
V
c
c
c
/
072
,
0
/
1000
/
72
,
71
3
3
=
=
=
ρ
V
c
= 0,072 m
3
/s
s
m
u
s
m
V
c
/
1
/
072
,
0
4
3
=
=
Obliczam średnicę rurociągu dla cieczy klarownej:
m
s
m
s
m
d
u
V
d
c
3
,
0
/
1
*
/
072
,
0
*
4
*
*
4
3
1
4
1
=
=
=
π
π
d
1
= 0,3m
IV. Spis treści:
strona
I. Wprowadzenie.
2
II. Treść projektu i założenia wstępne.
4
III. Część obliczeniowa.
5
3.1. Bilans masowy.
5
3.2. Średnica graniczna.
5
3.3. Prędkość opadania pojedynczego ziarna.
6
3.4. Rzeczywista prędkość osadzania.
6
3.5. Powierzchnia osadnika.
6
3.6. Rzeczywista powierzchnia odstojnika.
7
3.7. Średnica odstojnika.
7
3.8. Objętość warstwy szlamu.
7
3.9. Natężenie przepływu szlamu.
8
3.10. Czas zagęszczania zawiesiny.
8
3.11. Wysokość odstojnika.
8
3.12. Powierzchnia łopatki zgarniacza.
8
3.13. Wysokość łopatki zgarniacza.
8
3.14. Średnica rurociągu:
9
3.14.1. Do transportu szlamu.
9
3.14.2. Do transportu zawiesiny.
9
3.14.3. Do transportu cieczy klarownej.
9
IV. Spis treści.
9
V. Wykaz jednostek i oznaczeń.
10
VI. Literatura.
10
VII. Rysunek ofertowy w formacie A-4.
11
V. Wykaz oznaczeń i jednostek:
ρ
s -
Gęstość ciała stałego
[kg/m
3
]
ρ - Gęstość czystej cieczy
[kg/m
3
]
c
0 -
Stężenie ciała stałego
V
0 –
wydajność
[m
3
/s]
G
0 -
natężenie masowe zawiesiny
[kg/s]
w
0 -
Szybkość opadania drobin
[m/s]
d
gr -
Średnica graniczna cząstek
[m]
u
0 -
Prędkość opadania pojedynczego ziarna
[m/s]
u
rz -
Rzeczywista prędkość opadania
[m/s]
d
z -
Wymiar najmniejszej wydzielonej drobiny
[m]
g - Przyspieszenie ziemskie
[m/s
2
]
η - Lepkość cieczy klarownej
[Pa*s]
F - Powierzchnia osadzania
[m
2
]
F
rz -
Rzeczywista powierzchnia osadzania
[m
2
]
v
szl -
Objętość warstwy szlamu
[m
3
]
τ - Czas zagęszczania mieszaniny
[s]
h
0 -
Wymiar charakterystyczny zbiornika
[m]
C
1 -
stała
h
1 -
Wymiar charakterystyczny zbiornika
[m]
h
2 -
Wymiar charakterystyczny zbiornika
[m]
h - Wysokość całkowita zbiornika
[m]
A
s
- Powierzchnia łopatek zgarniacza
[m
2
]
D
-
Średnica zbiornika
[m]
b - Wysokość łopatki zgarniacza
[m]
d
0
- Średnica rurociągu do transport zawiesiny
[m]
d
1
– średnica rurociągu do transportu cieczy klarownej
[m]
d
2 -
średnica rurociągu do transportu szlamu
[m]
VI. Literatura:
•
H. Bieszk, Odstojnik – dane wyjściowe i materiały pomocnicze do wykonania zadania projektowego,
Gdańsk 2007.
•
T. Wilczewski, Pomoce projektowe z podstaw maszynoznawstwa chemicznego, Gdańsk 2008.
VII. Rysunek ofertowy.