Осаждение. 
Разделение жидких и газовых неоднородных систем

Гравитационное осаждение

Осаждением называется процесс разделения жидких и газовых неоднородных систем (суспензий, пылей) путём выделения твёрдых частиц. Осаждение под действием силы тяжести называется отстаиванием. В основном отстаивание применяется для предварительного грубого разделения неоднородных систем. Осаждение связано с движение твёрдых частиц в жидкости или газе.

Рассмотрим движение шарообразной частицы в неподвижной среде (рис. 1). При движении тела в жидкости или при обтекании его движущейся жидкостью возникают сопротивления для преодоления которых, а так же обеспечения равномерного движения тела должна быть затрачена определенная энергия. Величина возникающего сопротивления зависит от режима движения и формы обтекаемого тела.

Рис. 1 Действие сил на твердую частицу, движущуюся в неподвижной среде

Если шарообразная частица весом G будет падать под действием собственного веса, то скорость ее первоначально возрастет, однако с ростом скорости начнет увеличиваться и сопротивление движению частицы со стороны среды. Одновременно произойдет уменьшение ее ускорения и через короткий промежуток времени наступит динамическое равновесие — сила тяжести станет равна силе сопротивления среды, и частица начнет двигаться с постоянной скоростью — скоростью осаждения. Баланс сил в этом случае будет:

где — сила тяжести, равная весу частицы; - выталкивающая сила Архимеда, равная весу жидкости в объёме тела; - сила сопротивления среды.

;

;

.

где — диаметр частицы; - плотность среды; плотность твердой частицы; скорость осаждения; - коэффициент сопротивления среды (безразмерный).

В развернутом виде уравнение (2.1) примет вид:

откуда скорость осаждения будет равна:

Расчёт скорости осаждения по уравнению (2) затруднён, т.к. коэффициент сопротивления зависит от критерия Рейнольдса, в который входит неизвестная .

Критерий Рейнольдса для процесса осаждения рассчитывается по формуле: смесь суспензия гравитационный осаждение.

Существуют три режима осаждения: ламинарный, переходный и турбулентный.

При ламинарном режиме осаждения (рис. 2 а) жидкость обтекает частицу плавно без образования вихрей. Скорость и размер частиц при этом небольшой, но велика вязкость среды. Энергия тратится только на преодоление сил трения. С увеличением скорости осаждения (при переходном режиме) в потоке все большую роль начинают играть силы инерции, которые приводят к отрыву пограничного слоя от поверхности тела, что способствует понижению давления за движущимся телом в непосредственной близости от него и образованию завихрений. При турбулентном режиме осаждения за частицей движется вихревой поток.

Рис. 2. Движение шарообразной частицы в жидкости.

При ламинарном режиме (область действия закона Стокса) Re500 и).

При ламинарном режиме скорость осаждения определяют по формуле Стокса:

Значение зависит от Re, для оценки которого необходимо знать скорость осаждения.

Расчёт скорости осаждения начинают с определения критерия Архимеда при известном диаметре частиц d. В не входит скорость осаждения.

Рассчитав, определяют режим осаждения. Зная зависимость между Рейнольдсом и Архимедом для данного режима находят критерий Рейнольдса и далее скорость осаждения: .

При ламинарном режиме Ar36, переходном 36Ar83000 и турбулентном — Ar>83 000.

Зависимость между критериями и следующая:

Для ламинарного режима ,.

Для переходного.

Для турбулентного ,.

где — коэффициент формы (или фактор), учитывающий отличие формы частицы от шара.

Для частиц неправильной формы скорость осаждения меньше, поэтому скорость, рассчитанную для шарообразной частицы, умножают на поправочный коэффициент ш, который < 1.

Все приведённые выше рассуждения справедливы, если осаждение не стеснённое (свободное), когда соседние частицы не оказывают влияния на движение друг друга. Свободное осаждение наблюдается в разбавленных суспензиях и газовых взвесях (при объёмной концентрации твердой фазы менее 5%) при отсутствии взаимного влияния частиц дисперсной фазы. Если концентрация частиц большая (стеснённое осаждение), то, осаждаясь, частицы соприкасаются друг с другом и сопротивление осаждению становится больше, чем для одиночной частицы. Вследствие этого скорость осаждения уменьшается. При стеснённом осаждении в рассчитанную скорость, вводят поправки, зависящие от концентрации суспензии. При ориентировочных расчётах действительную скорость осаждения принимают равной половине теоретической скорости осаждения одиночной шарообразной частицы.

Сущность отстаивания заключается в том, что пыль, суспензия пропускают через камеру, на дно которой под действием силы тяжести осаждаются взвешенные частицы.

При отстаивании должны соблюдаться два основных требования:

• 1. время пребывания элемента потока в аппарате должно быть больше или равно продолжительности осаждения частицы (в противном случае частицы не успевают осесть);
• 2. линейная скорость потока в аппарате должны быть значительно меньше скорости осаждения (в противном случае возникающие вихревые потоки поднимают осажденную частицу);

Аппараты для разделения неоднородных систем под действием силы тяжести

Осаждение твердых частиц под действием силы тяжести называется отстаиванием. Отстаивание, в основном, применяется для предварительного грубого разделения неоднородных систем.

Отстойники, применяемые в промышленности, подразделяются на три группы: для пылей, для суспензий и для эмульсий.

Простейшим отстойником для пылей (запыленных газов) является отстойный газоход.

Установка вертикальных перегородок в газоходе приводит к возникновению инерционных сил, что способствует процессу осаждения твердых частиц. Запыленный газ подается непрерывно, а пыль из бункеров выгружают периодически.

Известно, что производительность отстойников прямо пропорциональна равномерному распределению газа между полками. Степень очистки в таких камерах невелика и составляет 30 — 40%, причем частицы размером 5 мкм и меньше вообще не отделяются от газа.

Для разделения суспензий применяется непрерывно действующий отстойник с гребковой мешалкой 3 (рис. 5). Он представляет собой цилиндрический резервуар 1 с коническим днищем 2 и кольцевым желобом 4 вдоль верхнего края аппарата. В резервуаре установлена мешалка, снабженная гребками, которые непрерывно перемещают осадок (шлам) к центральному разгрузочному отверстию и одновременно слегка взбалтывают осадок, способствуя его обезвоживанию. Мешалка вращается медленно, не нарушая процесса осаждения. Осветленная жидкость переливается в кольцевой желоб и удаляется через штуцер. Осадок (шлам), представляющий собой сгущенную суспензию, удаляется через штуцер в днище.

На показан отстойник непрерывного действия для разделения эмульсии. Он представляет собой горизонтальный резервуар 1 с перфорированной перегородкой 2, которая предотвращает возмущение жидкости в отстойнике струей эмульсии, поступающей в аппарат, и равномерно распределяет поток по сечению отстойника. Расслоившиеся легкая и тяжелая фазы выводятся с противоположной стороны отстойника. Уровень раздела легкой и тяжелой жидкости поддерживается регулятором уровня или гидравлическим затвором 3 (сифон, «утка»).

Производительность отстойника

Рабочий объем камеры:

Vр = a· b·h = Vсек· ф0.

ф0 = h / щ0.

где, а — длина осадительной камеры, м.

b — ширина осадительной камеры, м.

h — высота от точки входа до точки осаждения, м.

ф0 — длительность осаждения частицы, с щ0 — скорость осаждения частицы, м/с.

Vсек = a· b·щ0 — производительность камеры, м3/с.

a· b = F — площадь осаждения.

Vсек = F· щ0.

Производительность отстойного аппарата равна произведению площади осаждения на скорость осаждения.