Разделение в поле сил тяжести (отстаивание)

Кинетика отстаивания. При определении скорости отстаивания частицы дисперсной фазы сделаем следующие допущения: частица имеет сферическую форму; на осаждение не оказывают влияния ни другие частицы, ни стенки аппарата; плотность частицы р,, больше плотности среды ρ_с, в которой она осаждается. Скорость движения частиц постоянна.

В этом случае на частицу, движущуюся в среде со скоростью w₀, действуют следующие силы (рис. 3.1):

· сила тяжести

· подъемная сила (сила Архимеда)

· ла сопротивления

Поскольку движение частицы направлено вниз (ρ_ч > ρ_с), запишем урав­нение баланса сил (уравнение осажде­ния частицы под действием силы тяжести)

где g – ускорение свободного падения;

φ – коэффициент гидравлического сопротивления.

Отсюда скорость осаждения может быть выражена как

Входящий в уравнение (3.3) коэффициент гидравлического сопротивления определяется в зависимости от режима осаждения частицы (рис. 3.2).

1. При ламинарном режиме осаждения 10^-4< Re < 1,0, обтекание носит плавный характер, φ = 24/Re (формула Стокса).

2. При переходном режиме осаждения 1,0 < Re < 500, плавность о6текания нарушается, φ = 18,5/Re^0,6 (формула Аллена).

3. При турбулентном режиме осаждения Re > 500, движение становится неупорядоченным, траектории частиц – извилистыми, φ ≈ 0,44 (формула Ньютона).

В турбулентной области наступает автомодельный режим, т. е. режим не зависящий от изменяемого параметра (Re).

Поскольку осаждение в промышленных аппаратах-отстойниках осуществляется при ламинарном режиме, подставив в уравнение (3.3) коэффициент гидравлического сопротивления в виде формулы Стокса, получим

Для практических расчетов скорости осаждения используют также критериальную зависимость, учитывающую фактор формы частиц ψ,

где в качестве диаметра несферической частицы используется ее эквивалентный диаметр, полученный на основании ее веса G_ч

Поскольку не всегда возможно предсказать, в каком режиме будет осаждаться частица и какую зависимость для определения скорости ее осаждения следует использовать, считается, что ламинарный режим наблюдается при Аг < 1,8; переходный – при 1,8 < Ar < 8,3*10⁴; турбулентный – при Аг > 8,3*10⁴.

На практике для приближенного определения скорости осаждения во всех режимах обтекания частиц можно воспользоваться зависимостью

Отстаивание является одним из самых дешевых процессов и осуществляется в аппаратах, называемых отстойниками.

Различают отстойники для разделения пылей, суспензий и эмульсий. Эти аппараты могут быть периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.

По функциональному назначению отстойники для разделения суспензий делят на сгустители, осветлители и классификаторы.

Основной характеристикой отстойного оборудования является его производительность V_от, определяемая как

V _от = F w ₀

где F – площадь поверхности осаждения.

Для отстойников с несколькими поверхностями осаждения (многополочные отстойники), каждая из которых имеет площадь f _поз,

F= n f _пов,

где n – число поверхностей осаждения.

Для увеличения скорости осаждения мелкодисперсных частиц используют специальные растворы – коагулянты, способствующие объединению частиц между собой, что увеличивает массу осаждаемого агломерата.

Для разделения пылей применяются полочные пылеосадительные камеры (рис. 3.3), включающие расположенные друг над другом горизонтальные полки 2, равномерное распределение газа, вдоль которых осуществляется с помощью вертикальной перегородки 1. Скорость вдоль полок регулируется клапаном 3. Разгрузка осуществляется периодически через штуцер 5 скребками, вводимыми через люки с крышками 4.

Для автоматизации разгрузки полки могут устанавливаться с наклоном, а на слой осадка может оказываться вибрационное воздействие и т. п. Аппараты аналогичных конструкций могут применяться для разделения суспензий (полочные отстойники).

Одновременное воздействие сил тяжести и инерции на разделяемую пыль осуществляется

в отстойном газоходе (рис. 3.4), сна6женном вертикальными перегородками 1, о которые ударяются, не успевающие обогнуть их содержащиеся в газе твердые частицы. За счет этого они теряют скорость и под действием силы тяжести опускаются вдоль поверх­ности перегородок в сборники 2, откуда отводятся периодически или непрерывно.

На рис. 3.5 представлен отстойник для разделения суспензий непрерывного действия с гребковой мешалкой. Отстойник состоит из цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем, кольцевым желобом 2 и патрубком 5 для отвода очищенной жидкости, мешалки 7 с гребками 6 для перемещения постоянно образующегося осадка к разгрузочному устройству 8. Подача суспензии осуществляется через центральный патру6ок 3. Вращение мешалки с низкими скоростями, не разрушающими осадок, осуществляется с помощью электродвигателя 4.