Осаждение

Отстаивание

Процесс отстаивания осуществляется в наиболее простых в конструктивном отношении аппаратах - отстойниках. Движущей силой в этом случае является разность удельных весов участвующих в отстаивании фаз. Для систем “газ - твердое тело”, “газ - жидкость” она относительно больше, чем для систем “жидкость - жидкость” и “жидкость - твердое тело”. Малость величины движущей силы при отстаивании ограничивает область применения отстаивания и его эффективность.

В промышленности отстаивание применяют для грубой очистки газов, для сгущения суспензий, для разделения эмульсий (в основном не стойких). Отстаивание применяют часто для предварительного разделения неоднородных сред, что удешевляет окончательное тонкое разделение более сложными способами.

При отстаивании концентрация дисперсной фазы в сплошной достаточно велика и происходит стесненное движение частиц, при этом скорость стесненного движения W_ос,с меньше скорости свободного осаждения W_ос. Скорость стесненного движения зависит также от объемной доли сплошной фазы . При стесненном движении твердых частиц, например, для суспензий и капель жидкости - для эмульсий, возможно их соприкосновение и образование ансамблей частиц, скорость которых значительно уменьшается, по сравнению со скоростью свободного осаждения. Следует учитывать и то, что если осаждается полидисперсная фаза, то определение скорости стесненного осаждения значительно осложняется , т.к. крупные и мелкие частицы движутся с различными скоростями. Определение скорости стесненного осаждения производится по различным эмпирическим зависимостям.

Отстойники

По способу организации процесса отстойники могут быть периодического, непрерывного и полунепрерывного действия. В последних подача разделяемой смеси и вывод очищенной сплошной фазы производятся непрерывно, а удаление сгущенной дисперсной фазы - периодически.

Отстойники периодического действия представляют собой емкости, куда заливается разделяемая смесь. После определенного времени отстаивания через боковой патрубок сливается очищенная сплошная фаза, а затем удаляется сгущенная (концентрированная) дисперсная фаза. В частности, при отстаивании суспензий в осадке будут содержаться твердые частицы с некоторым количеством сплошной фазы.

Наиболее широко распространены в промышленности Отстойники непрерывного действия. На рис..1 показана схема отстойника непрерывного действия с гребковой мешалкой, применяемого для сгущения суспензий.

Рис.8.1 Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой.

1 - корпус; 2 - коническое днище; 3 - гребковая мешалка; 4 - кольцевой желоб;

В корпус отстойника 1, представляющего цилиндрический резервуар с коническим днищем 2 непрерывно подается суспензия по трубе 5. Твердые частицы под действием силы тяжести оседают на днище корпуса, образуя осадок. Гребковая мешалка перемещает осадок по направлению к разгрузочному отверстию. Мешалка вращается очень медленно и не нарушает осаждение дисперсной фазы. Осадок (сгущенная суспензия) отводится через разгрузочный патрубок 5 при помощи диафрагмового насоса. Очищенная сплошная фаза (осветленная жидкость) переливается в кольцевой желоб 4 и отводится через отводящий патрубок. Вал мешалки приводится в движение от электродвигателя через редуктор (число оборотов вала 0,00025 - 0,008 с^-1). Концентрация сгущенной смеси по твердой фазе достигает 30 - 35%. Диаметр отстойников такого типа находится в пределах от 1,8 до 30 м.

Отстаивание твердых частиц в газовой среде подчиняется принципиально тем же закономерностям, что и осаждение их под действием силы тяжести в жидкостях. Поскольку скорость осаждения пропорциональна, при прочих равных условиях, разности плотностей частиц и газа, то скорость очистки в газах будет выше скорости очистке в жидкостях. Несмотря на это очистка газов отстаиванием является малоэффективным процессом, т.к. действующие силы в данном случае невелики. Под действием силы тяжести из газа удается достаточно полно выделить лишь крупные частицы пыли. Поэтому отстаивание используется для предварительной, грубой очистки газов, содержащих частицы пыли относительно крупных размеров (более 100 мкм). Степень очистки газа от пыли не превышает 30 - 40%.

На рис. 2 показана схема пылеосадительной камеры для очистки газа от пыли. Запыленный газ поступает в корпус камеры 1, в котором установлены горизонтальные полки 2, и направляется в пространство между ними. При движении газа между полками и происходит процесс осаждения на последних. Пройдя полки , очищенный газ огибает вертикальную отражательную перегородку 3 и уходит из камеры. Основное назначение перегородки - обеспечение равномерного распределения газа между полками; кроме того, огибании газом перегородки под действием сил инерции из него удаляется часть пыли. Осевшая на полках пыль периодически удаляется при помощи скребков через люки или же смывается водой.

Рис.8.4 Пылеосадительная камера.

1 - корпус; 2 - полки; 3 - отражательная перегородка; 4 - люки для удаления пыли.

Схема расчета отстойника

В отстойнике прямоугольного сечения длиной L (м) и шириной b (м) суспензия разделяется на осадок и слой осветленной жидкости высотой h (м). Производительность отстойника по осветленной жидкости (м³/с), скорость потока жидкости вдоль аппарата равна W_п (м/с)

Для данных условий:

(1)

Время прохождения t суспензией отстойника составит

(2)

За это же время частицы, осаждающиеся со скоростью W_oc,c (м/с) должны пройти наибольший путь h, следовательно, время отстаивания определится из уравнения

(3)

Приравнивая правые части уравнений (8.7а) и (8.7б) и подставляя вместо W_п его значение из уравнения (8.6), получим

откуда производительность отстойника по осветленной жидкости составит

(8.8)

где - поверхность отстойника, м².

Уравнение (8.8) показывает, что производительность отстойника не зависит в явном виде от его высоты. Поэтому при проектировании отстойников их высоту следует принимать возможно меньшей, но такой, чтобы поперечное сечение потока было достаточным для обеспечения ламинарного режима течения

Из уравнения (8.8) можно определить поверхность осаждения (в м²)

(8.8а)

При известной плотности осветленной жидкости r_осв (кг³/м ), ее массовый расход будет , тогда

(8.8б)

Поставляя из уравнения (8.4) значение G_осв в уравнение (8.8б), получаем новую зависимость для определения поверхность осаждения:

(8.8в)

При выводе этого уравнения не учитывались обстоятельства, ухудшающие процесс отстаивания в реальных условиях: возможность вихреобразования в области ввода суспензии, наличие застойных зон и другие. Поэтому при инженерных расчетах следует увеличить величину поверхности, полученную по уравнению (8.8в), на 30 - 35%.

Осаждение под действием центробежных сил

Скорость разделения неоднородных систем значительно можно повысить в поле центробежных сил по сравнению с отстаиванием под действием силы тяжести. Такое повышение обуславливается увеличением движущей силы процесса разделения. Для создания поля центробежных сил используют два способа:

1. обеспечивают вращательное движение потока в неподвижном аппарате; такой процесс разделения называется циклонным, а аппарат для его осуществления - циклонами.

2. поток направляют во вращающийся аппарат, этот способ разделения называют осадительным центрифугированием; аппараты, в которых он осуществляется осадительными центрифугами.

Для оценки эффективности осаждения под действием центробежной силы по сравнению с разделением под действием силы тяжести вводится понятие о факторе разделения, равном их отношению

(8.9)

где m - масса осаждаемой частицы.

Таким образом, центробежная сила, действующая на частицу, больше силы тяжести во столько раз, во сколько ускорение центробежной силы а_ц больше ускорения силы тяжести .

Центробежное ускорение равно

(8.10)

где r - радиус вращения частицы, w_r - окружная скорость вращения частицы вместе с потоком на радиусе r. Окружную скорость можно выразить через частоту вращения частицы n(c^-1), т.е. . В этом случае выражение для центробежного ускорения примет вид

(8.10а)

Подставляя значения а_ц по формулам (8.10) и (8.10а) в зависимость (8.9), получим:

(8.11а)

(8.11б)

Значение К_р для циклонов имеет порядок сотен, а для центрифуг - около 3000; таким образом, движущая сила процесса осаждения в циклонах и центрифугах на 2 - 3 порядка больше, чем в отстойниках. По этой причине производительность циклонов и центрифуг выше производительности отстойников, в них можно отделять мелкие частицы: в центрифугах порядка 1 мкм, в циклонах - порядка 10 мкм.