Разделение в поле сил тяжести.

К процессам разделения гетерогенных систем в поле сил относятся отстаивание и осаждение. Осаждение представляет собой процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости или газе твердые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под действием силы тяжести, сил инерции или электростатических сил. Осаждение, происходит под действием только силы тяжести, называется отстаиванием или седиментацией. В основном отстаивание применяется для предварительного, грубого разделения неоднородных систем. Причем отстаивание и осаждение совершенно идентичны по физической сущности процесса. Они различаются лишь тем, что при отстаивании дисперсная фаза обычно движется вверх, а при осаждении вниз. Поэтому вне зависимости от направления движения частиц общие закономерности процесса одинаковы.

Аппараты, предназначенные для проведения процессов отстаивания, называют отстойниками. Их можно разделить на три группы: для пылей, суспензий и эмульсий.

В типичном непрерывно действующем отстойнике суспензия поступает в центральную часть аппарата, осветленная жидкость выводится через кольцевой желоб, а осадок собирается в нижней части аппарата, при этом гребок, совершающий 0,02–0,5 об/мин, разрыхляет осадок и перемещает его по дну к разгрузочному штуцеру в центре отстойника.

В непрерывно действующем отстойнике для разделения, эмульсия вводится в среднюю часть аппарата между двумя перфорированными перегородками. После расслаивания легкая часть жидкости удаляется из аппарата через верхний отводной патрубок, а тяжелая через нижний. При этом высоты h₁ и h₂ отсчитываемые от поверхности раздела легкой и тяжелой жидкостей должны быть обратно пропорциональны плотностям жидкостей r₁ и r₂:

                             .

Не приводя подробный расчет процесса осаждения, рассмотрим кратко движение дисперсных частиц в ламинарном потоке в жидкой среде. Этот режим будет осуществляться при условии, если критерий Рейнольдса не превышает 2, если Re > 300, то режим движения становится турбулентным.

Напомним, что критерий Рейнольдса, отражающий влияние сил трения на движение жидкости, определяется следующим образом:

                            ,

где n - скорость движения частицы, м/с; r - плотность жидкости, кг/м³; d – определяющий размер частицы, м; m - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па × с.

При движении на частицу будут действовать сила тяжести F_т и выталкивающая сила Архимеда F_А.

Результирующая этих сил равна:

              ,

где r_ч, r_ж – плотность частицы и жидкости соответственно, кг/м³; g – ускорение свободного падения; d – диаметр частицы, м.

Согласно закону Стокса сила сопротивления F_c движению частицы пропорциональна ее скорости n_ос, т.е

                            .

В случае установившегося движения силы F_с и F_р равны между собой, тогда

                 .

Уравнение позволяет определить скорость осаждения или всплытия (отстаивания) n_ос из соотношения

                .

Из этого уравнения следует, что n_ос возрастает с увеличением квадрата диаметра частицы, разности плотностей частицы и жидкости, и с уменьшением вязкости среды.

Однако, необходимо отметить, что приведенные уравнения справедливы при условии, что все частицы имеют шарообразную форму. Это является определенным допущением. Поэтому на практике учет отклонений формы частиц производят с помощью поправочных коэффициентов j

для частиц овальной формы j = 0,77.,

для угловатых частиц j = 0,66.,

для продолговатых частиц j = 0,58., и

для пластинчатых частиц j = 0,43.

Проектирование отстойников необходимо вести по оценке скорости осаждения допустимо мелких частиц, находящихся в исходной смеси. Поэтому осаждение таких частиц будет иметь место лишь, в том случае, если продолжительность осаждения будет меньше или равна продолжительности пребывания движущейся жидкости в отстойнике.