Кинетика осаждения

Выше были рассмотрены законы движения твердых тел в жидкостях (капельных и упругих) и получены формулы для расчета скорости свободного осаждения частиц под действием силы тяжести. Эти же формулы могут применяться при расчете осаждения мелких капель в газе. При осаждении капель жидкости в жидкой среде благодаря внутренней циркуляции в капле скорость движения капли может быть на 50 % выше, чем скорость твердой сферической частицы эквивалентного диаметра. При загрязнении капель примесями или в присутствии поверхностно-активных веществ тенденция к циркуляции сильно снижается; скорость осаждения таких капель, называемых «жесткими», следует рассчитывать по уравнениям, полученным для твердых частиц. В случае осаждения чистых капель скорость осаждения возрастает с увеличением размера капель только до определенного (критического) значения их эквивалентного диаметра (размер капель выражается как диаметр сферы, объем которой равновелик объему капли). Капли с в процессе движения периодически меняют свою форму и называются осциллирующими. Скорость осаждения осциллирующих капель с увеличением их размера немного уменьшается. Скорость свободного осаждения мелких капель можно рассчитать по уравнению Адамара.

При

.

Все расчетные формулы, приведенные выше, относились к свободному осаждению, когда концентрация дисперсной фазы очень мала и ее частицы при движении не соприкасаются друг с другом.

В промышленности отстаивание применяют чаще всего в условиях высокой концентрации дисперсной фазы, когда происходит стесненное осаждение, скорость которого может быть значительно меньше скорости свободного осаждения. При этом вследствие трения между частицами и их взаимных столкновений наблюдается тенденция к сближению скоростей осаждения частиц различных размеров, возникает коллективное или стесненное осаждение частиц со скоростями, близкими по величине в каждом сечении аппарата, но различными по его высоте. С приближением к днищу аппарата скорость осаждения все более замедляется. Это связано с возникновением восходящих потоков жидкости из-за вытеснения ее осаждающимися на дно частицами. При этом процесс осложняется тем, что крупные частицы обгоняют мелкие. В условиях стесненного осаждения концентрация диспергированных частиц сильно изменяется по высоте отстойника; в верхней части располагается слой осветленной жидкости, ниже него – зона практически свободного осаждения, затем зона стесненного осаждения, и на дне находится слой осадка.

Осаждение под действием центробежной силы, определение, сущность процесса. Классификация.

Осаждение под действием центробежной силы – процесс разделения пылей, суспензий и эмульсий при введении разделяемого потока в поле центробежных сил (от лат. fuga zentrus – быстрое течение, связанное с центром), или, более точно, это гидромеханический процесс отделения твердой или жидкой дисперсной фазой от жидкой или газовой дисперсионной среды при введении гетерогенной системы в центробежное поле.

Разделение не четкое, для тонкого разделения используют фильтрование или осаждение под действием сил электрического поля.

Различают:

1. Циклонный процесс: для создания центробежных сил используют вращательное движение потока в неподвижных аппаратах
(рис. 3.55).

Рис. 3.55. Схема циклонного процесса

2. Центробежное отстаивание: для создания центробежных сил используют вращательное движение потока вместе с аппаратом. Причем процесс происходит в центрифугах, имеющих барабан со сплошными стенками (рис. 3.56).

Рис. 3.56. Схема центробежного отстаивания

3. Центробежное осветление применяется для очистки тонких суспензий и коллоидных растворов (рис. 3.57).

Рис. 3.57. Схема центробежного осветления: 1 – ротор; 2 – корпус; 3 – стабилизирующие перегородки; 4 – резиновый подпятник; 5 – электродвигатель; 6 – подшипниковая опора; 7 – веретено; 8 – отверстие для выхода осветленной жидкости; I – исходная суспензия; II – осветленная жидкость

4. Центробежное фильтрование: процесс происходит в центрифугах с дырчатыми барабанами (рис. 3.58).

Рис. 3.58. Схема центробежного фильтрования: 1 – вал; 2 – перфорированный ротор; 3 – корпус; I – исходная суспензия; II – осадок; III – осветленная жидкость

Физическая сущность процесса осаждения под действием центробежной силы заключается в том, что во вращающемся потоке на взвешенную частицу действует центробежная сила, направляющая ее к периферии от центра по радиусу со скоростью, равной скорости осаждения w₀ (рис. 3.59). Окружная скорость несущего частицу потока w_r. Частица движется с результирующей скоростью w_p по траектории и оседает на стенках аппарата.

Рис. 3.59. Схема к расчету продолжительности осаждения

Процесс осаждения протекает под действием центробежной силы

,

где m – масса частицы; r – радиус вращения частицы.

Сопротивление осаждению, как и в случае осаждения под действием сил тяжести, оказывает сила трения (сила сопротивления среды).

Для оценки эффективности осаждения под действием центробежных сил сравним силу тяжести и центробежную силу, действующие на частицу. Сила тяжести без учета подъемных (архимедовых) сил составляет

Тогда ,

т. е. центробежная сила больше силы тяжести в раз.

Отношение центробежного ускорения к ускорению свободного падения, т. е. , часто называют фактором разделения, или центробежным фактором (здесь ).
В гидроциклонах в центрифугах и .

В промышленных аппаратах соотношение между и таково, что центробежная сила не меньше чем на два порядка превышает силу тяжести.

Определение процесса фильтрования, физическая сущность процесса, схема процесса, область промышленного применения.

Фильтрование – гидромеханический процесс тонкого разделения гетерогенных систем с жидкой или газовой дисперсионной средой путем выделения дисперсной фазы при пропускании смеси через пористую перегородку, способную пропускать дисперсионную среду и задерживать дисперсную фазу.

Фильтрование применяют в промышленности для тонкого разделения систем. С его помощью можно добиться значительно более полной, чем в процессах осаждения, очистки жидкости или газа от взвешенных частиц и соответственно, более высокого выхода продукта (если им является твердая фаза суспензии).

В процессе фильтрования твердые частицы либо задерживаются на поверхности фильтровальной перегородки, образуя осадок, либо проникают в ее глубину, задерживаясь в порах. В соответствии с этим различают фильтрование с образованием осадка и фильтрование с закупоркой пор. Иногда их совмещают (применяя фильтрование с образованием осадка и закупориванием пор).