Осаждение

Осаждение в широком понимании – это процесс разделения жидких или газовых неоднородных систем путем выделения из жидкой или газовой фазы твердых или жидких взвешенных частиц; такое выделение осуществляется под действием сил тяжести или центробежной силы, а также под действием сил электрического поля.

Соответственно различают:

• Отстаивание

• Циклонный процесс

• Отстойное центрифугирование

• Электроочистка

Гравитационное осаждение – процесс разделения неоднородных систем (пылей, суспензий и эмульсий) под действием разности плотностей сплошной и дисперсной фаз. Гравитационное осаждение характеризуется небольшой скоростью осаждения, поэтому и используется преимущественно для частичного разделения неоднородных систем.

Гравитационное осаждение (отстаивание) является простейшим методом разделения, отличающимся малыми энергозатратами.

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

При отстаивании должны соблюдаться 2 основных требования:

1) время пребывания элемента потока в аппарате должно быть равно или больше времени осаждения частиц;

2) линейная скорость потока в аппарате должна быть значительно меньше, чем скорость осаждения.

Несоблюдение первого требования приводит к тому, что частицы не успевают осесть, а второго – возникающие вихревые токи поднимают осаждающиеся частицы.

Кинетика осаждения

Рассмотрим процесс осаждения твердой шарообразной частицы диаметром d , плотность которой ρт, в жидкости с плотностью ρж. В данном случае примем ρт > ρж .

Баланс сил, действующих на нее, можно представить уравнением T - A - R = J ,

T =(πd³/6)ρтg - сила тяжести, действующая на частицу;

A =(πd³/6)ρжg - выталкивающая сила, равная по закону Архимеда весу объема вытесненной частицей жидкости;

R =(πd²/4)(w²ос/2) ρж– сила сопротивления, отнесенная к поперечному сечению частицы

F= πd²/4

J = m(dwос/dτ)= (πd³/6)ρт(dwос/dτ) - сила инерции.

Здесь: m – масса частицы; φ – коэффициент сопротивления; wос –скорость осаждения частицы;

τ – время.

С увеличением в начальный момент скорости возрастает сила сопротивления, которая уменьшает ускорение частицы. Через некоторый момент времени можно считать ускорение практически

равным нулю. При условии постоянства скорости осаждения уравнение действующих на частицу сил будет иметь вид Т - А - R = 0 .

(πd³/6)ρтg-(πd³/6)ρжg- (πd²/4)(w²ос/2) ρж=0

Wос =

можно выделить три режима осаждения: ламинарный, переходный и турбулентный. Каждый режим осаждения имеет свой характер обтекания твердой частицы жидкостью.

Область существования того или иного режима осаждения определяют величиной критерия Рейнольдса

Re =

Re 1,85.- ламинарный режим течения. При малых числах Re жидкость плавно «обтекает» частицу без образования вихрей в кормовой части. Коэффициент сопротивления в этой области описывают уравнением φ=24/Re

1,85 < Re < 500.-область переходного режима течения. С увеличением числа Re в кормовой части осаждающейся частицы образуется зона, в которой существует замкнутое циркуляционное (вихревое) движение. Пока значения числа Re невелики, вихри устойчивы. При дальнейшем увеличении числа Re возрастает интенсивность движения вихрей, течение становится неустойчивым и начинает наблюдаться периодический срыв вихрей с поверхности частицы, которые образуют вихревой след. Если в начале переходной области основная часть сопротивления приходится на силы трения, то в конце основную часть составляет лобовое сопротивление.

φ=

Re > 500 – турбулентный режим. В этом случае в кормовой части частицы наблюдается регулярный отрыв вихрей. Коэффициент сопротивления определяется, в основном, лобовым сопротивлением и составляет

φ = 0,44 .

Критерий Архимеда Аr =

Физический смысл. Критерий Архимеда характеризует отношение разности сил тяжести и подъемной к подъемной силе.

Аппараты, предназначенные для проведения процессов отстаивания, обычно называют отстойниками. Их целесообразно подразделить на 3 группы: для пылей, для суспензий и для эмульсий.

Отстойники для пылей являются непрерывно действующими или полунепрерывно действующими аппаратами. Газовой поток проходит через аппарат непрерывно, а осевшая пыль выгружается из него или непрерывно или периодически. Простейшим отстойником является отстойный газоход. Он снабжается перегородками и сборниками пыли.

Отстойники для суспензий работают как полунепрерывно действующие или непрерывно действующие аппараты.

Отстойники для эмульсий различают периодического и непрерывного действия.

Осаждение под действием центробежной силы применяется для разделения пылей, суспензий и эмульсий.

Для создания центробежных сил используют 2 приема:

1. обеспечивают вращательное движение потока жидкости в неподвижном аппарате

2. поток направляют во вращающийся аппарат, где перерабатываемые продукты вращаются вместе с аппаратом. В первом случае происходит циклонный процесс, а во втором - отстойное центрифугирование.

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.

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

Центробежный фактор разделения:

Циклонный процесс получил свое название от применяемых для газоочистки аппаратов – циклонов.

Циклоны используются преимущественно для разделения пылей. Сущность циклонного процесса заключается в том, что поток, несущий взвешенные частицы, вводят в аппарат тангенциально через входную трубу с рассчитанной скоростью 10-40 м/сек в случае газов и 5-25 м/сек в случае жидкости.

Благодаря тангенциальному вводу и наличию центральной выходной трубы поток начинает вращаться вокруг последней, совершая при прохождении через аппарат несколько оборотов. Под действием возникающих центробежных сил взвешенные частицы отбрасываются к периферии, оседают на внутренней поверхности корпуса, а затем опускаются в коническое днище и удаляются из аппарата через патрубок. Освобожденный от взвешенных частиц поток выводится из циклона через выходную трубу.

Отстойное центрифугирование.

В поле центробежных сил может производиться как фильтрование, так и осаждение.

Центрифуги, применяемые для осаждения, называют отстойными центрифугами.

Различают:

1 по принципу действия (периодически и непрерывно действующие)

2 по способу выгрузки материала ( с ручной или механической выгрузкой)

3 по расположению вала (вертикальные, горизонтальные, наклонные).

Осаждение под действием электрического поля.

Действие электрического поля на заряженную частицу определяется величиной ее электрического заряда. При электроосаждении частицам небольших размеров удается сообщить значительный электрический заряд и благодаря этому осуществить процесс осаждения очень малых частиц, который невозможно провести под действием силы тяжести или центробежной силы.

Физическая сущность: газовый поток, содержащий взвешенные частицы, предварительно ионизируют. Взвешенные частицы в газе приобретаю при этом электрический заряд. При прохождении ионизированного газового потока в Эл поле между 2 электродами заряженные частицы под действием Эл поля перемещаются к противоположно заряженным электродам и оседают на них.