Розділення рідких і газових гетерогенних

СИСТЕМ

Класифікація гетерогенних систем

Гетерогенні, або неоднорідні, системи складаються з двох і більш фаз, розподілених один в одному. Фаза, що знаходиться в подрібненому стані, називається дисперсною, або внутрішньою, фазою. Суцільна фаза, в якій розподілені частинки дисперсної фази, називається дисперсійною, або внутрішньою, середовищем (фазою).

Залежно від того, яка фаза є дисперсною, а яка дисперсійною, розрізняють наступні гетерогенні системи (табл. 3.1).

Емульсії і піни володіють при певних концентраціях дисперсної фази інверсією (обігом) фаз, яка полягає в переході дисперсної фази в дисперсійне середовище, і навпаки.

У технологічних процесах часто необхідно здійснювати розділення гетерогенних систем, методи і апаратура для яких класифікуються в першу чергу за природою рушійної сили процесу (табл. 3.2).

 

Таблиця 3.1 - Класифікація гетерогенних систем

Дисперсійне середовище	Стан дисперсної фази	Найменування гетерогенної системи	Розмір частинок дисперсної фази, мкм
Газ	Твердий	Пил	5...100
Твердий	Дим	0,3...5
Рідкий	Туман	0,3...3
Рідина	Твердий	Суспензія:
груба	>100
тонка	0,5...100
муть	0,1...0,5
Колоїдний розчин	<0,1(з виникненням броунівського руху)
Рідкий	Емульсія	<0,5
Газоподібний	Піна	-

 

Окрім перерахованих процесів для розділення застосовується ряд інших, наприклад промивання газів (мокре розділення) для димів і туманів.

Як правило, вибір процесу і апаратура для розділення гетерогенних систем визначається розмірами дисперсної фази, фізичними властивостями фаз, що розділяються, енерговитратами на його реалізацію.

 

 

Таблиця 3.2 – Класифікація процесів і апаратів для розділення гетерогенних систем

Рушійна сила	Гетерогенна система	Процес	Апарат
Сила тяжіння	Пил	Осадження	Пилоосадова камера
Суспензія	Відстоювання	Відстійник
Емульсія	Відстоювання	Відстійник
Різниця тиску	Суспензія	Фільтрування	Фільтр рідинний
Пил	Фільтрування	Фільтр газовий
Відцентрова сила	Суспензія	Центрифугування (відстійне або фільтруюче) Циклонний	Центрифуга     Гідроциклон
Пил	Циклонний	Циклон
Емульсія	Центрифугування (відстійне) Циклонний	Сепаратор   Гідроциклон
Сила електричного поля	Дим	Осадження	Електрофільтр сухий
Туман	Осадження	Електрофільтр мокрий

 

3.2 Матеріальний баланс процесу розділення

Якщо в апарат для розділення гетерогенних систем подається деяка кількість початкової суміші в кількості G_см, кг, що містить х_см (вага, %) дисперсної фази, а після розділення утворюється концентрована дисперсна фаза в кількості G_oc з концентрацією х_ос і очищене дисперсійне середовище в кількості G_ф з концентрацією дисперсної фази фільтрату х_ф, що залишилася, матеріальний баланс такого процесу записується відповідно до рівняння (В. 5) для вхідних і вихідних матеріальних потоків

(3.1)

для дисперсної фази, що міститься в них

 

(3.2)

Сумісним рішенням рівнянь (3.1) і (3.2) можна визначити два необхідних для розрахунку технологічного процесу параметра.

 

Лекція 4

Розділення в полі сил тяжіння (відстоювання)

 

Кінетика відстоювання

Кінетика відстоювання. При визначенні швидкості відстоювання частинки дисперсної фази зробимо наступні допущення:

частинка має сферичну форму; на осадження не впливають ні інші частинки, ні стінки апарату; густина частинки р_ч більше густини середовища р_с, в якій вона осідає. Швидкість руху частинок постійна.

В цьому випадку на частинку, рухому в середовищі із швидкістю w_0, діють наступні сили (рис. 4.1):

• сила ваги

(4.1)

 

• підйомна сила (сила Архімеда)

(4.2)

Рис. 4.1. Сили, діючі на осідаючу частинку:

G_A — сила Архімеда;

G— сила ваги;

R — сила опору;

— діаметр частинки

· сила опору

 

(4.3)

 

Оскільки рух частинки направлений вниз (р_ч > р_с), запишемо рівняння балансу сил (рівняння осадження частинки під дією сили ваги)

 

 

де g — прискорення вільного падіння;

— коефіцієнт гідравлічного опору.

Звідси швидкість осадження може бути виражена як

 

(4.4)

Коефіцієнт гідравлічного опору φ, що входить в рівняння (4.4), визначається залежно від режиму осадження частинки (рис. 4.2).

1. При ламінарному режимі осадження 10^-4 < Re < 1,0, обтікання носить плавний характер, = 24/Re (формула Стокса).

2. При перехідному режимі осадження 1,0 < Re < 500, плавність обтікання порушується, = 18,5/Re^0,6 (формула Аллена).

 

Рис. 4.2. Залежність коефіцієнта гідравлічного опору φ від режиму осадження частинки:

10^-4 < Re < 1 — ламінарний режим; 1 < Re < 500 — перехідний режим;

Re > 500 — турбулентний режим

 

3. При турбулентному режимі осадження Re > 500, рух стає неврегульованим, траєкторії частинок — звивистими, (( =0,44 (формула Ньютона).

У турбулентній області наступає автомодельний режим, тобто режим не залежний від змінного параметра (Re).

Оскільки осадження в промислових апаратах-відстійниках здійснюється при ламінарному режимі, підставивши в рівняння (4.4) коефіцієнт гідравлічного опору у вигляді формули Стокса, одержимо

 

(4.5)

 

Для практичних розрахунків швидкості осадження використовують також критерійну залежність, що враховує чинник форми частинок ψ,

 

 

(4.6)

 

де як діаметр несферичної частинки використовується її еквівалентний діаметр, одержаний на підставі її ваги G_ч,

 

(4.7)

 

Оскільки не завжди можливо передбачити, в якому режимі осідатиме частинка і яку залежність для визначення швидкості її осадження слід використовувати, вважається, що ламінарний режим спостерігається при Аг < 1,8; перехідний — при 1,8 < Аг < 8,3 • 10⁴; турбулентний — при Ar > 8,3 • 10⁴.

На практиці для наближеного визначення швидкості осадження у всіх режимах обтікання частинок можна скористатися залежністю

 

 

(4.8)

 

Відстоювання є одним з найдешевших процесів і здійснюється в апаратах, званих відстійниками.

Розрізняють відстійники для розділення пилу, суспензій і емульсій. Ці апарати можуть бути періодичної, напівбезперервної і безперервної дії.

По функціональному призначенню відстійники для розділення суспензій ділять на згущувачі, освітлювачі і класифікатори.

Основною характеристикою відстійного устаткування є його продуктивність V_от, визначувана як

 

(4.9)

 

де F — площа поверхні осадження.

 

Рис. 4.3. Схема поличної пилоосадової камери:1 — перегородка; 2 — полиці; 3 — клапан; 4 — кришки; 5 — штуцер

 

Рис. 4.4. Схема відстійного газоходу:

1— перегородка; 2 — збірник

Для відстійників з декількома поверхнями осадження (багатополичні відстійники), кожна з яких має площу

 

 

(4.10)

 

де n — число поверхонь осадження.

 

Для збільшення швидкості осадження дрібнодисперсних частинок використовують спеціальні розчини — коагулянти, сприяючі об'єднанню частинок між собою, що збільшує масу осаджуваного агломерату.

Для розділення пилу застосовуються поличні пилоосадові камери (рис. 4.3), що включають розташовані один над одним горизонтальні полиці 2, рівномірний розподіл газу, уздовж яких здійснюється за допомогою вертикальної перегородки 1. Швидкість уздовж полиць регулюється клапаном 3. Розвантаження здійснюється періодично через штуцер 5 скребками, що вводяться через люки з кришками 4.

Для автоматизації розвантаження полиці можуть встановлюватися з нахилом, а на шар осаду може впливати вібраційна дія і т.п. Апарати аналогічних конструкцій можуть застосовуватися для розділення суспензій (поличні відстійники).

Одночасна дія сил тяжіння і інерції на пил, що розділяється, здійснюється у відстійному газоході (рис. 4.4), забезпеченому вертикальними перегородками 1, об які ударяються, тверді частинки які знаходяться в газі, що не встигають обігнути їх. За рахунок цього вони втрачають швидкість і під дією сили тяжіння опускаються уздовж поверхні перегородок в збірники 2, звідки відводяться періодично або безперервно.

На рис. 4.5 представлений відстійник для розділення суспензій безперервної дії з гребковою мішалкою. Відстійник складається з циліндрового корпусу 1 з конічним днищем, кільцевим жолобом 2 і патрубком 5 для відведення очищеної рідини, мішалки 7с гребками 6 для переміщення осаду, що постійно утворюється, до розвантажувального пристрою 8. Подача суспензії здійснюється через центральний патрубок 3. Обертання мішалки з низькими швидкостями, що не руйнують осад, здійснюється за допомогою електродвигуна 4.

 

Рис. 4.5. Схема механізованого відстійника безперервної дії:

1 — корпус; 2 — кільцевий жолоб; 3, 5 — патрубки; 4 — електродвигун; 6 — гребок; 7 — мішалка; 8 — розвантажувальний пристрій

Лекція 5