Разделение жидких систем Материальный баланс процесса осветления (разделения)

Пусть разделению подлежит система, состоящая из вещества а – сплошной фазы и взвешенных частиц вещества b – дисперсной фазы.

(39)

G_см, G_осв, G_ос – количество исх. смеш., осв. жидкости, получ. осадка, кг;

х_см, х_осв, х_ос – содержание вещества, масс. доли.

При отсутствии потерь вещества в процессе разделения уравнения материального баланса имеют вид:

по общему количеству:

по дисперсной фазе (веществу b):

(40)

Из этих соотношений:

(41)

Содержание взвешенных частиц в осветленной жидкости в осадке выбирается в зависимости от конкретных технологических условий.

Отстаивание

Отстаивание – процесс разделения смеси под действием гравитационных сил.

Рассмотрим процесс отстаивания: через некоторое время суспензия разделится на 4 слоя:

(рисунок)

1 – слой плотного осадка (шлака);

2 – слой сгущенной суспензии (зона стесненного осаждения);

3 – зона свободного осаждения;

4 – осветленная жидкость.

В зоне стесненного осаждения процесс сопровождается трением между частицами и их взаимными столкновениями. При этом более крупные увлекают за собой более мелкие и наоборот. В результате наблюдается уравнивание скоростей осаждения частиц. Такое осаждение называется коллективным или солидарным.

Частицы будут иметь одинаковую по сечению ω, тогда при уменьшении высоты скорость ↓. На нее влияют исходящие потоки жидкости, вытесняемой осаждающимися потоками.

При периодическом отстаивании высота отдельных зон изменяется во времени до момента полного расслоения неоднородной системы на осадок и осветленную жидкость. Это является следствием изменения скорости отстаивания w_ст=f( ).

В начальный момент осаждаются крупные частицы, вызывая обратный ток жидкости, затем после их осаждения скорость отстаивания возрастает до момента установления равновесия между весом и силой сопротивления среды. Далее (bс) осаждение идет с постоянной скоростью.

Наиболее медленная стадия – уплотнение осада, частицы находятся настолько близко, что затрудняют вытеснение жидкости (сd).

Скорость стесненного осаждения меньше скорости свободного осаждения. Это объясняется тем, сто при стесненном осаждении частицы испытывают добавочное сопротивление среды и сопротивление, обусловленное трением и соударением с другими частицами.

С гидродинамической точки зрения стесненное осаждение аналогично верхнему пределу существующего псевдоожиженного слоя – свободному витанию, т.е. условие равномерного осаждения частиц в неподвижной среде идентично условию витания частиц в восходящем потоке.

Следовательно, закономерности стесненного осаждения удобно изучать при движении восходящего тока через неподвижный слой.

Скорость стесненного осаждения равна скорости потока среды через слой частиц, зависит от их концентрации. При содержании частиц, близком к «0» скорость стремится к максимальной скорости свободного осаждения.

Т.о.

(42)

ε – объемная доля жидкости в неоднородной системе:

Re₀ – модифицированный критерий:

Для всех областей осаждения

(43)

Определив Ar, Re₀, определяют w_ст.

Также можно определить w_ст по w_ос:

(44)

Эти уравнения применимы для расчета w_ст для частиц шарообразной формы одного размера в неподвижной среде относительно неподвижных стенок аппарата.

При осаждении частиц нешарообразной формы скорость уменьшается на коэффициент формы φ.

Влияние движения среды принимается по опытным данным.

Влияние различия размеров частиц также требует учета, однако нет достоверных данных.

Скорость свободного осаждения частиц также рассчитывается с использованием критерия Мищенко:

(45)

Для газа:

(46)