Разделение жидких систем

2. Материальный баланс процесса разделения

Пусть разделению подлежит система, состоящая из вещества а (сплош­ной фазы) и взвешенных частиц вещества b (дисперсной фазы). Введем обозначения:

G_cм. G_ocb, G_ос — масса исходной смеси, осветленной жидкости и полу­чаемого осадка, кг;

х_см, х_осв, х_ос— содержание вещества b в исходной смеси, осветленной жидкости и осадке, массовые доли.

При отсутствии потерь вещества в процессе разделения уравнения материального баланса имеют вид:

по общему количеству веществ

_{Gсм = Gосв + Gос} (V.1)

по дисперсной фазе (веществу b):

_{Gсмхсм = Gосвхосв + Gосхос} (V,2)

Совместное решение уравнений (V,1) и (V,2) позволяет определить массу осветленной жидкости G_ocв и массу осадка G_oc, получаемых при заданном содержании вещества b в осадке и осветленной жидкости:

(V.3)

(V,4)

Содержание взвешенных частиц в осветленной жидкости и в осадке выбирается в зависимости от конкретных технологических условий про­цесса разделения. При этом содержание вещества в осветленной жидкости обычно ограничивается некоторым нижним пределом.

А. Отстаивание

3. Скорость стесненного осаждения (отстаивания)

Опыт показывает, что при отстаивании неоднородных систем наблю­дается постепенное увеличение концентрации диспергированных частиц в аппарате по направлению сверху вниз (рис. V-1). Над слоем осадка (зона 1) образуется зона сгущенной суспензии (зона 2), в которой проис­ходит стесненное осаждение частиц, сопровождающееся трением между частицами и их взаимными столкновениями. При этом более мелкие частицы тормозят движение более крупных, а частицы боль­ших размеров увлекают за собой мелкие частицы, ускоряя их движение. В результате наблюдается тенденция к сближению скоростей осаждения частиц различных размеров, возникает коллективное, или соли­дарное, осаждение частиц с близ­кими скоростями в каждом сечении аппарата, но различными скоростями по его высоте. Постепенное уплот­нение обусловлено уменьшением скорости частиц по мере приближения к днищу аппарата. Замедление объ­ясняется тормозящим действием жидкости, вытесняемой осаждающимися частицами и движущейся от неподвижной перегородки (днища) в направ­лении, обратном движению частиц.

Как видно из рис.V-1, образуется ясно выраженная граница между зоной стесненного осаждения (зона 2) и находящейся выше зоной свобод­ного осаждения (зона 3), над которой располагается осветленная жидкость (зона 4). Такая схема несколько упрощает действительную картину про­цесса осаждения, которая обычно является еще более сложной вследствие образования между указанными выше основными зонами промежуточных (переходных) зон.

При периодическом процессе отстаивания высота отдельных зон изме­няется во времени до момента полного расслоения неоднородной системы на осадок и осветленную жидкость. Это является следствием изменения скорости отстаивания w_ст во времени . В начале отстаивания осаждаются преимущественно более крупные частицы, вызывающие наи­более интенсивное обратное движение жидкости. Однако по мере умень­шения концентрации этих частиц тормозящее влияние обратного тока жидкости ослабевает, и скорость отстаивания возрастает до момента установления динамического равновесия между действующей силой (весом) и силой сопротивления среды. В последующий период времени совместное (коллективное) осаждение частиц происходит с постоянной скоростью. Завершающая и наиболее медленная стадия процесса — уплотнение осадка, когда частицы в нем располагаются настолько близко друг к другу, что вытеснение жидкости становится все более затруднительным. На этой стадии процесс отстаивания проте­кает с уменьшающейся скоростью.

Скорость стесненного осаждения меньше скорости свободного осаждения. Это объясняется тем, что при стесненном осаждении частицы испытывают не только большее сопротивление среды, но и добавочное сопротивление, обусловленное трением и соударениями частиц. Увеличение сопротивления среды связано в данном случае с динамическим воз­действием на нее всей массы осаждающихся частиц, которое приводит, как отмечалось, к возникновению восходящего потока среды, а также с возрастанием вязкости среды.

С гидродинамической точки зрения стесненное осаждение аналогично определенному состоянию взвешенного (псевдоожиженного) слоя твердых частиц. Скорость стесненного осаждения соответ­ствует верхнему пределу существования взвешенного слоя, когда скорость потока среды достигает значения, при котором дальнейшее ее увеличение приводит к началу уноса частиц из псевдоожиженного слоя.

Поэтому, условие равномерного оса­ждения частиц в неподвижной среде идентично условию витания частиц в восходящем потоке. Следовательно, закономерности стесненного оса­ждения удобно изучать при движении восходящего потока жидкости (газа) через слой взвешенных в нем частиц. При этом скорость стесненного осаждения равна скорости потока среды через взвешенный слой частиц и зависит от концентрации частиц в жидкости (газе). Очевидно, при кон­центрации частиц, приближающейся к нулю, скорость стесненного оса­ждения приближается к максимуму — скорости свободного осаждения.