Отстаивание

Неоднородные жидкие систем ы поддаются разделению под действием силы тяжести, если плотность дисперсной фазы больше плотности диспер­сионной среды. В этом случае взвешенные частицы оседают на дно сосуда. Осаждение под действием силы тяжести твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой среде, называют отстаиванием (сгущением, седиментацией).

Практически методом отстаивания и де­кантации пользуются главным образом для разделения грубых суспен­зий.

Скорость осаждения. Осаждение частиц происходит по законам падения тел в среде, оказывающей сопротивление их движению. Оседающая частица движется вначале ускоренно, но через некоторый промежуток времени, когда сопротивление трения среды уравновесит действие силы тяжести, она приобретает постоянную скорость и падает равномерно.

При осаждении суспензий с неоднородными по размерам частицами отстаивание протекает постепенно: сначала осаждаются на дно более крупные частицы, мелкие же образуют муть, которая отстаивается медленней. В концентрированных суспензиях обычно происходит процесс поверхностного взаимодействия частиц друг с другом; они соединяются в группы и мелкие частицы увлекаются более крупными.

Таким образом, отстаивание концентрированных суспензий проис­ходит при режиме солидарного, или стесненного, осаждения, когда различные по величине частицы осаждаются совместно. В этом случае по мере отстаивания можно наблюдать постепенное увеличение верхнего слоя осветленной жидкости.

Различают два типа осадков, получающихся при отстаивании.Грубые суспензии дают осадки, в которых крупнозернистые взвешенные частицы ложатся на дно плотными слоями; при этом между осевшим слоем осадка и осветленной жидкостью наблюдается резко выраженная граница.

Тонкие суспензии дают осадки иного типа; повышение концентрации суспензии происходит только в нижней части отстойного аппа­рата. В этом случае резкой границы между осадком и осветленной жидкостью нет, а наблюдается постепенный переход от более концентрированных слоев к менее концентриро­ванным.

В сложных смесях или так называемых полидисперсных суспен­зиях, состоящих из частиц разной величины, часто образуются осадки обоих типов, т. е. на дно оседает плотный слой крупных частиц, а над ним находится муть.

зона 4

зона 3

зона 2

зона 1

1 зона – осадок; 2 зона – зона сгущенной суспензии; 3 зона – зона свободного осаждения; 4 зона – осветленная жидкость.

Концентрация плотных кристаллических осадков, оседающих сплошным слоем на дно отстойного резервуара, иногда достигает 60%, но обычно концентрация их не превышает 40%. В тонких суспензиях осадок не выпадает, а происходит только сгущение суспензии, т. е. некоторое увеличение ее концентрации.

С гидродинамической точки зрения стесненное осаждение аналогично определенному состоянию взвешенного (псевдоожиженного) слоя твердых частиц. Скорость стесненного осаждения соответствует скорости уноса частиц из псевдоожиженного слоя. Поэтому равномерное осаждение частиц в неподвижной среде идентично условию витания частиц в восходящем потоке.

Для расчета скорости стесненного осаждения могут быть использованы следующие уравнения:

При ε>0,7 Wст= Wос ε² 10 ^{-1,82 (1- ε)} (1)

При ε≤0,7 Wст= Wос 0,123 ε² /(1- ε) (2)

Где Wос = √ 4d g (ρ_т – ρ) / 3ξ ρ (3)

ρ_т – плотность твердой частицы;

ρ – плотность среды;

ξ – коэффициент сопротивления среды; (КСИ)

d – эквивалентный диаметр частицы;

g – ускорение свободного падения;

ε – относительная шероховатость трубы. (ЭПСИЛОН)

Скорость стесненного осаждения можно рассчитать также, исходя из следующей зависимости для критерия Рейнольдса:

Re_ст = Аr ε^4,75 / (18 + 0,6 √ Аr ε^4,75) (4)

Критерий Рейнольдса отражает влияние силы трения на движение жидкости. Ламинарное – Rе ≤2320; турбулентное при Rе>2320.

На основе уравнений 1-4 можно рассчитать скорость стесненногоосаждения одинаковых по размеру шарообразных частиц. При осаждении частиц иной формы полученное значение следует умножить на поправочный коэффициент формы, значение которого определяют опытным путем.

Производительность отстойников.

Пусть отстойник имеет длину l(м), ширину b(м).

h – высота отстойника, м.

Производительность отстойника по осветленной жидкости

Qосв = Wп b h (1)

Где Wп – скорость потока жидкости вдоль аппарата, м/с.

Время прохождения τ (с) суспензией отстойника составит:

τ =l/Wп (2)

За это же время частицы со скоростью Wос должны пройти наибольший путь h, следовательно, время отстаивания

τ = h/Wос (3)

Приравнивая правые части уравнений 2 и 3 и подставляя вместо Wп его значение из уравнения 1 (Wп = Qосв/hb), получим:

h/Wос = l/Wп = lhb/Qосв, откуда

Qосв= Wос lb = Wос F (4)

где lb=F – поверхность отстойника, м²

Уравнение (4) показывает, что производительность отстойника не зависит от его высоты, а зависит только от скорости осаждения и свободной поверхности отстойника. Поэтому современные конструкции отстойников имеют сильно развитую площадь свободного сечения, а высо­та аппаратов незначительна.

Дата добавления: 2014-10-31