3.3 Поділ рідких неоднорідних систем

Осадження в полі сил тяжкості.

Теорія процесу. Для прискорення відстоювання часто користуються коагуляцією часток, т. е. укрупненням їх за допомогою коагулянтів, що вводяться в суспензію, внаслідок чого під дією молекулярних сил зчеплення відбувається злипання дрібних часток у великі конгломерати (пластівці, флоккулы). В якості коагулянтів застосовують желатин, пектин, бентоніт, а також електроліти - розчинні у воді солі Аl₂(SО₄)₃, FеСl₃, поліакриламід та ін. Якщо що підлягають виділенню частки несуть негативний заряд, то найбільш ефективними коагулянтами є катіони Аl⁺⁺⁺ Fе⁺⁺⁺ і позитивно заряджені частки желатину, а для виділення часток з позитивним зарядом застосовують пектин і поліакриламід (аніонні групи, що мають), а також бентоніт.

В той же час слід зазначити, що коагуляція речовин за допомогою хімічних реагентів значно ускладнює ведення процесу, тому останнім часом отримує застосування електрокоагуляція.

Розрахунок відстійників. При розрахунку відстійників визначають їх продуктивність по освітленій рідині і необхідну поверхню осадження, а по ній – лінійні розміри відстійника заданої форми.

Кількість освітленої рідини і вологого осаду, що отримуються при розділенні суспензії, знаходять з наступних рівнянь матеріального балансу. Нехай G_c – кількість суспензії, що поступає на розділення, зі змістом твердої фази x₁ (в мас. %). В результаті розділення отримують кількість вологого осаду G_oc (в кг) зі змістом твердої фази х₂ (в мас. %) і кількість освітленої рідини G_ж (в кг). Нехтуючи незначним змістом твердої фази в освітленій рідині, можна записати наступні рівняння матеріальних балансів :

по суспензії G_с = G_oc G_ж;

по твердій фазі G_c х₁ = G_oc x₂.

Вирішуючи спільно ці рівняння, знаходять кількість освітленої рідини G_ж (в кг).

G_ж = G_c [1 – (x_l / x₂)] (3.22)

Якщо в результаті відстоювання у відстійнику в течію τ (в с) суспензія на площі осадження F (в м²) розділяється на шар освітленої рідини h і шар згущеного осаду, то об'єм освітленої рідини V_ж (в м³/с)

V_ж = F h / τ, (3.23)

Тривалість осадження частки τ на ділянці h

τ = h / w_oc

Підставивши значення τ в рівняння (3.23), отримують

V_ж = F w_ос. (3.24)

З рівняння (3.24) видно, що продуктивність відстійника залежить від площі і швидкості осадження і не залежить від висоти відстійника. Тому при заданій висоті шару освітленої рідини h (в м) і шару згущеного осаду одноярусні відстійники виготовляють з розвиненою площею осадження (діаметром до 10…12 м) і невеликими по висоті (до 1,0…1,5 м). Необхідна площа осадження F (в м²) з рівняння (3.24)

F = V_ж / w_ос. (3.25)

При підстановці в це рівняння значень V_ж = G_ж / ρ_ж і G_ж з рівняння (3.22) отримують необхідну площу осадження F (в м²).

F = 1,3 G_c (1 – x₁ / x₂) / (ρ_ж w_oc), (3.26)

де 1,3 – коефіцієнт, що враховує збільшення площі відстійника за рахунок можливого нерівномірного подання суспензії на відстоювання.

При обмеженому осадженні у формулу (3.26) замість w_oc підставляють значення w_ст.

Осадження під дією відцентрової сили.

Теорія процесу. Недоліки відстійників: 1) більші розміри їх (d = 10…12 м); 2) незначна (w < 0,5 м/год) швидкість осадження часток; 3) малоефективні при поділі сумішей, частки яких мають розміри d_э < 5 мкм, або коли їх щільність близька до щільності середовища. Ефективне виділення таких часток із суспензій і емульсій досягається осадженням їх у поле дії відцентрової сили, яка в десятки раз перевершує силу ваги. В апаратах – гідроциклоні, центрифузі й сепараторі – відбувається так зване відстійне центрифугування.

При обертальному русі суміші на зважену частку діє відцентрова сила, що відкидає частку від центру до периферії зі швидкістю, рівної швидкості осадження.

Величина відцентрової сили при цьому

G_ц = G_т ω² R / g = G_т w² / (R g) (3.27)

де m – маса частки;

ω – кутова швидкість обертання частки, рад/с;

w – окружна швидкість обертання частки, м/с;

R – радіус обертання частки, м.

тобто відцентрова сила більше сили ваги в ω² R / g раз.

Величина ω² R / g = w² / (R g) = Ф (3.28)

називається фактором поділу. Фактор поділу показує, у скільки раз дія відцентрової сили перевершує дію сили ваги.

Ф = п² R / 900 (3.29)

При ламінарному режимі осадження у відцентрових пристроях швидкість осадження визначають по рівнянню Стокса з урахуванням фактора поділу, тобто

w_oc = g d² (ρ_ч – ρ_с) ω² R / (18 μ_с g) = d² ω² R (ρ_ч – ρ_с) / (18 μ_с) (3.30)

П ристрої для відцентрового осадження. Для виділення твердої фази із суспензій у полі дії відцентрових сил застосовують гідроциклони, центрифуги, що осаджують (БВГШ) і сепаратори.

Гідроциклони широко застосовують для згущення й поділу суспензій із частками розміром 10…150 мкм і більш. Гідроциклон мал. 3.15, а складається із циліндричного корпуса діаметром від 8 до 500 мм; нижня частина його виконана з кутом конусності 10…20°.

Малюнок 3.15. Гідроциклон:

а – схема пристрою; б – рух потоків в гідроциклоні

Ефективність розділення в гідроциклонах виражається величиной граничного діаметру d_ч (в мкм) часток, що виділяються в нім.

Високонапірні гідроциклони малих розмірів ефективніші, проте вони менш продуктивні, що вимагає компонування їх у батарею для паралельної роботи.

Безперервно діюча відстійна горизонтальна шнекова центрифуга (БВГШ) з механізованим вивантаженням осаду застосовується в крохмальо-патоковім виробництві.

Сепаратори широко застосовуються для виділення вершків з молока, дріжджів з дріжджового молока, освітлення пива, меляси та ін. Сепаратори розділяють:

1. По технологічному призначенню – сепаратори-роздільники для концентрування суспензій і емульсій; сепаратори-освітлювачі для виділення твердих часток з рідини.

2. По типу ротора – тарілчасті й камерні.

3. По способу вивантаження осаду з ротора – з ручним і відцентровим вивантаженням.

4. По способу подачі поділюваної рідини й виводу отриманих фракцій – відкриті, напівзакриті й герметичні.

Розглянемо процес розділення молока на вершки (жирові кульки) і знежирене молоко. У барабані сепаратора початкове молоко поступає по вертикальних каналах, утворених отворами в тарілках, в міжтарілкові простори. Жирові кульки вершків рухаються разом з потоком молока вниз, до периферії тарілок, із швидкістю потоку w_п (в м/с)

w_п = V / (2π R l z), (3.31)

де V – продуктивність сепаратора, м³/с;

R – радіус даного перерізу, м;

l – відстань між тарілками по горизонталі, м;

z – число міжтарілкових проміжків.

В той же час під дією доцентрової сили жирові кульки (як легші) переміщатимуться (спливати) до осі обертання барабана зі швидкістю, визначуваною по формулі Стоксу,

w_в = d² ω² R (ρ_с – ρ_ш) / 18μ, (3.32)

де d – діаметр жирової кульки (2,2…3,5 мкм);

ρ_з і ρ_ш – щільність середовища і жирової кульки, кг/м³.

У міру видалення жирової кульки від осі обертання швидкість wв зростатиме, оскільки збільшується R, а швидкість потоку wп зменшуватися, оскільки зі збільшенням R зростає переріз потоку. Внаслідок цього вектор абсолютної швидкості w кульки у міру видалення його до периферії буде обертатися до осі обертання. Таким чином, найсприятливіші умови для виділення жирових кульок будуть на колі тарілок, де відхилення напряму руху жирової кульки від напряму руху потоку буде максимальним.

В той же час жирова кулька буде виділена з молока за тієї умови, якщо під час руху його в потоці до краю тарілок він встигне перейти в шар вершків під дією швидкості спливання wв.

Для визначення продуктивності сепаратора розглянемо елементарний кільцевий об'єм dV (в м³) сепаруючій частині барабана, обмежений радіусом dR.

dV = 2 R dR h z,

де h – відстань між тарілками по вертикалі, м.

Час перебування молока в цьому об'ємі складе

dτ = dV / V = 2 R dR h z / V.

Жирова кулька, що за цей час знаходиться в молоці, рухаючись із швидкістю w_в, переміститься у напрямі до осі обертання на відстань

dl = w_в dτ = 2π d² ω² R² dR × (ρ_с – ρ_ш) h z / (18Vμ). (3.33)

За час проходження повного робочого об'єму барабана, обмеженого радіусами R_м і R_б, жирова кулька повинна встигнути переміститися в потоці на відстань l.

В результаті інтеграції рівняння(3.33) в межах від 0 до l і від R_м до R_б отримаємо

l = [2π d² ω² h z (ρ_с – ρ_ш) / (18 Vμ)] × [(R_б³ – R_м³) / 3]

Після підстановки в це рівняння значення l = h / tgα і спрощення отримаємо продуктивність сепаратора V (в м³/с).

V = d² ω² z tgα (R_б³ – R_M³) × (ρ_c – ρ_ш) β / (8,6 μ) (3.34)

де β – к. к. д. сепаратора (β = 0,5…0,7).

Флотацією називають процес розділення рідких неоднорідних систем, грунтований на виборчому прилипанні бульбашок газу до часток, що становлять внутрішню фазу системи. В процесі флотації бульбашки газу, що знаходяться в рідині, прилипають до погано змочуваних водою (гідрофобним) часток і піднімають їх до поверхні рідини, де вони і виділяються разом з піною, що утворилася, тоді як добре змочувані водою (гідрофільні) частки не прилипають до бульбашок газу і осідають на дно апарату, звідки і віддаляються.

Замість інших, складніших і дорожчих, способів розділення флотацію ефективно і широко застосовують для знежирення рідин і стічних вод м'ясо- і жиркомбинатов, виділення глютену з крохмального молока при виробництві кукурудзяного крохмалю, виділення кормових дріжджів з культуральної рідини та ін.

Встановлено, що чим більше числа бульбашок газу у високодисперсному стані рівномірно розподілене в одиниці об'єму рідкої системи, т. е. чим вище міра аерації її, тим вище швидкість флотації. Для утворення бульбашок газу високої дисперсності застосовують пневматичний, ежекторний, напірний і електролітичний способи.

П

Малюнок 3.16 Схема напірої флотації для виделення жира

ри пневматичному способі повітря вводять в рідину під тиском через барботери – труби з отворами діаметром від 1 до 10 мм. При ежекторному способі рідина і повітря поступають в ежектор, в якому і забезпечується хороше змішення їх. При напірній флотації (мал. 3.16), широко вживаною для знежирення рідин, суміш рідини, що розділяється, і повітря після ежектора 1 подається насосом 2 під тиском 0,3.0,4 МПа в ресівер 3 і витримується в нім 1,5.2 мін; при цьому збільшується розчинність повітря в рідині і утворюється пересичена водно-повітряна емульсія, яка потім через барботер 6 поступає в камеру флотації 5 флотатора 4, працюючого під атмосферним тиском. Що сплив в камері 5 жир відводиться через злив 7, а освітлена рідина із зони відстоювання 8 по трубі 9 відводиться через злив 10.

При електролітичному способі через водну суміш, що розділяється, пропускають постійний електричний струм і води, що утворюються при електролізі, газоподібний кисень і водень використовуються для так званої електрофлотації.

Основними регульованими параметрами процесу осадження є якість отримуваних фракцій і продуктивність пристрою по основному продукту. Ці показники залежать від питомого навантаження пристрою по початковій суміші, її температури, швидкості осадження (спливання) в ній часток, що виділяються, і тривалості перебування елементу потоку в апараті.