Розділення неоднорідних систем

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ІНСТИТУТ ДИСТАНЦІЙНОГО НАВЧАННЯ

Я.М. Ханик, А.І. Дубинін,

О.В. Станіславчук, Л.З. Білецька

ПРОЦЕСИ ТА АПАРАТИ ХІМІЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Частина ІІ

Гідромеханічні процеси. Перемішування

За редакцією професора Я.М. Ханика

Рекомендовано Методичною радою Інституту дистанційного навчання

Національного університету “Львівська політехніка”

як навчальний посібник для студентів дистанційної форми навчання

Львів

Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”

2006

ББК 35.115+35

П 845

УДК 66.02

Рекомендовано Методичною радою Інституту дистанційного навчання

Національного університету “Львівська політехніка” як навчальний посібник для студентів дистанційної форми навчання

(протокол №1–2005/2006 від 14 вересня 2005 р.)

Рецензенти:

Білей П.В., доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри технології деревообробки і збереження деревини Українського національ­ного лісотех­нічного університету;

Гивлюд М.М., доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри хімічної технології силікатів Національного університету “Львівська політехніка”

Х

П 845

аник Я.М. та ін.

Процеси та апарати хімічних технологій. Ч. ІІ. Гідромеханічні процеси. Перемішування: Навч. посібник / Я.М. Ханик, А.І. Дубинін, О.В. Станіславчук, Л.З. Білецька; За ред. проф. Я.М. Ханика. – Серія “Дистанційне навчання”. – № 39. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська полі­техніка”, 2006. – 180 с.

У посібнику описано основні закономірності перебігу гідромеханічних процесів та перемішування. Призначений для студентів дистанційної форми навчання напрямів “Хімічна технологія” та “Інженерна механіка”.

ББК 35.115+35

© Ханик Я.М., Дубинін А.І.,

Станіславчук О.В.,

Білецька Л.З., 2006

ЗМІСТ

ПЕРЕДМОВА 5

ВСТУП 6

РОЗДІЛ І. РОЗДІЛЕННЯ НЕОДНОРІДНИХ СИСТЕМ 7

1.1. Неоднорідні системи й методи їхнього розділення 7

1.2. Розділення рідких систем 9

1.2.1 Основні параметри суспензій і емульсій 9

1.2.2. Матеріальний баланс процесу розділення 10

1.3. Розділення рідких систем методом відстоювання 11

1.3.1. Загальні відомості 11

1.3.2. Швидкість стислого осадження 12

1.3.3. Апаратура для розділення рідких неоднорідних систем 14

1.3.4. Інтенсифікація процесу відстоювання 20

1.3.5. Розрахунок відстійників 21

1.4. Розділення фільтруванням 23

1.4.1. Загальні відомості 23

1.4.2. Теоретичні засади процесу фільтрування 26

1.4.3. Фільтрувальні перегородки ................................................................... 31

1.4.4. Будова фільтрів ....................................................................................... 32

1.4.5. Розрахунок фільтрів 49

1.5. Центрифугування 53

1.5.1. Загальні відомості 53

1.5.2. Процеси у відстійних центрифугах 55

1.5.3. Процеси у фільтрувальних центрифугах ..............................................59

1.5.4. Будова центрифуг ...................................................................................62

1.5.5. Розрахунок центрифуг ............................................................................71

1.6. Розділення газових систем 75

1.6.1. Загальні відомості 75

1.6.2. Очистка газів під дією сил тяжіння 76

1.6.3. Очистка газів під дією інерційних і відцентрових сил 80

1.6.4. Мокра очистка газів 89

1.6.5. Очистка газів фільтруванням 96

1.6.6. Електрична очистка газів 102

1.6.7. Будова електрофільтрів 106

1.6.8. Коагуляція та укрупнення частинок, що відділяються

під час газоочищення ............................................................................108

1.6.9. Порівняння та вибір апаратів для газоочистки 110

Контрольні запитання

до розділу 1 – “Розділення неоднорідних систем” 111

РОЗДІЛ 2. ПЕРЕМІШУВАННЯ 114

2.1. Загальні відомості. 114

2.2. Методи перемішування 114

2.2.1.Ефективність та інтенсивність перемішування 114

2.3. Механічне перемішування 115

2.3.1. Потужність механічних мішалок 116

2.3.2. Вибір кількості обертів мішалки 120

2.3.3. Механічні перемішувальні пристрої 122

2.3.4. Пневматичне перемішування 129

Контрольні запитання до розділу 2 – “Перемішування” 130

РОЗДІЛ 3. ОСНОВНІ ЗАЛЕЖНОСТІ ТА РОЗРАХУНКОВІ ФОРМУЛИ

ДО 1 РОЗДІЛУ “РОЗДІЛЕННЯ НЕОДНОРІДНИХ СИСТЕМ”

ТА ДО 2 РОЗДІЛУ “ПЕРЕМІШУВАННЯ” 131

Контрольні задачі 131

ДОДАТКИ 177

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 179

Передмова

У другій частині посібника (усього п’ять частин) описано основні законо­мірності гідромеханічних процесів та перемішування, конструкції апаратів, у яких відбуваються вказані процеси, а також принцип їхньої роботи.

Особливістю другої частини є те, що кожний розділ завершується контрольними запитаннями для самоперевірки, прикладами розв’язання задач, а також задачами для самостійної роботи, що дає змогу студентам краще засвоїти теоретичні положення описаних процесів і набути навики застосу­вання теоретичних знань на практиці.

Я. Ханик вступ

Гідромеханічні процеси застосовують у різних галузях виробництва як одну з основних стадій. До них належать процеси перемішування та розділення неоднорідних систем, які залежно від фізичного стану поділяють на суспензії, емульсії, піни, дими, тумани, забруднені твердими частинками гази. У першому розділі описано методи розділення рідких і газових неоднорідних систем, а також конструкції апаратів, у яких реалізуються процеси розділення. Наведено порівняльний аналіз методів розділення неоднорідних систем.

У другій частині посібника розглянуто процес перемішування, який передбачає механічне, пневматичне, а також перемішування у трубопроводах і за допомогою сопел і насосів. Зокрема в розділі “Перемішування” розглянуто ефективність, інтенсивність процесу, критеріальні залежності для розрахунку потужності мішалок, їх конструкції та галузі застосування.

Розділ 1 розділення неоднорідних систем

1. Неоднорідні системи та методи їхнього розділення

Неоднорідними, або дисперсними, називають системи, утворені із двох або більшої кількості фаз із розвинутою поверхнею розділення між ними.

Будь-яка неоднорідна (бінарна) система складається з дисперсної (внутріш­ньої) фази, розподіленої у вигляді дрібних частинок (краплинок, криста­ликів, плі­вок, пластинок, бульбашок) у другій суцільній фазі – дисперсійному середовищі.

Залежно від фізичного стану фаз розрізняють суспензії, емульсії, піни, пили, дими й тумани.

Суспензії – неоднорідні системи, які складаються з рідини (дисперсійне середовище) і зважених у ній твердих частинок (дисперсна фаза). Залежно від розмірів частинок твердої речовини суспензії умовно поділяють на чотири групи: грубі суспензії (>100 мкм), тонкі (0,5–100 мкм), муті (0,1–0,5 мкм), колоїдні розчини (<0,1 мкм).

Колоїдні розчини можна зарахувати до перехідної ділянки між суспен­зіями та істинними (гомогенними) розчинами. У колоїдах тверді частинки мають розміри, наближені до розмірів молекул рідини, тому в цих розчинах виникає броунівський рух твердих частинок. Із виникненням броунівського руху частинки не можуть осаджуватись під дією сили тяжіння.

Емульсії складаються з рідин, які не змішуються. Одна з них розподілена в іншій у вигляді краплинок, розміри яких коливаються в значних межах. Якщо розміри краплинок менші, ніж 0,4–0,5 мкм, емульсії стабільні та не розшаро­вуються під дією сили тяжіння. Стійкими емульсії стають тоді, коли до них додають спеціальні речовини – стабілізатори. Із збільшенням концентрації емульсованої речовини в емульсіях стає можливою інверсія фаз: краплинки дисперсної фази зливаються одна з одною та утворюють суцільну фазу, в якій розподілені краплинки рідини, що була раніше дисперсійним середовищем.

Піни – це системи, які складаються з рідини і розподілених у ній бульбашок газу. За своїми властивостями піни близькі до емульсій.

Пили й дими – системи, які складаються з газу й розподілених у ньому частинок твердої речовини. Вони відрізняються розмірами зважених частинок: пили мають частинки розмірами 5–100 мкм, дими – 0,3–5 мкм.

Неоднорідні системи утворюються в природі, техніці й побуті.

Суспензії отримують диспергуванням твердих тіл у рідкому середо- вищі, змішуванням сухих порошків із рідинами, укрупненням колоїдних частинок внаслідок коагуляції. Суспензії утворюються і під час розчинення у рідинах твердих речовин, які містять нерозчинні окремі компоненти, під час про­мивання подріб­нених матеріалів, у процесах збагачення корисних копалин, у виробництві кераміки, пластичних мас, лакофарбових матеріалів, паперових виробів тощо.

Пили утворюються під час подрібнення, змішування, транспортування й переробки твердих матеріалів, спалювання зольного палива тощо; дими й тумани – у процесах конденсації парів (газів), коли вони переходять у твердий або рідкий стан. Пили, дими й тумани являють собою аеродисперсні системи, або аерозолі.

У хімічній технології неоднорідні системи утворюються в багатьох процесах і надалі потребують розділення. Розділення здійснюють з різною метою, а саме – очищення газової або рідкої фази від зважених у ній забрудню­ючих частинок, або виділення цінних продуктів. Вибір методу розділення залежить від розмірів зважених частинок, різниці густин дисперсної та суціль­ної фаз, в’язкості суцільної фази.

Використовують такі основні методи розділення неоднорідних систем:

1) осадження;

2) фільтрування;

3) центрифугування;

4) мокре розділення.

Осадження відбувається під дією сил тяжіння, сил інерції (також від­центрових ) або електростатичних сил.

Фільтрування – процес розділення під дією сил тиску або відцентрових сил. Використовують для тоншого розділення суспензій і пилу, ніж осадженням.

Центрифугування – процес розділення суспензій і емульсій у полі від­центрових сил. Під дією означених сил осадження супроводжується ущіль­ненням осаду.

Мокре розділення – процес вловлювання зважених у газі частинок тією чи іншою рідиною. Відбувається під дією сил тяжіння або сил інерції та використо­вується, переважно, для очищення запилених газів і розділення суспензій.