4. Інтенсифікація процесу відстоювання

Під час створення нової відстійної апаратури необхідно враховувати, що можливості для інтенсифікації процесу обмежені. Єдиним способом інтенси­фікації є збільшення площі осадження, яке досягається розміщенням в апаратах значної кількості поличок, або використанням багатоярусних відстійників. У цей самий час пришвидшення процесу відстоювання можна досягнути зміною технологічних параметрів процесу.

З рівняння (1.15) випливає, що швидкість стислого осадження зростає із збільшенням розмірів частинок та їхньої питомої ваги, зменшенням питомої ваги середовища і його в’язкості, із збільшенням ступеня розбавлення суспен­зії. Із перерахованих параметрів у промислових умовах можна змінювати, прак­тично, тільки в’язкість, використовуючи хімічні реагенти, нагріваючи суспен­зію. Але ці методи значно збільшують витрати на проведення процесу розді­лення. Тому для пришвидшення процесу відстоювання здебільшого в суспен­зію додають спе­ціальні речовини – коагулянти, які спричиняють злипання дріб­них частинок під час їхнього стикання в процесі теплового (броунівського) руху або під час пе­ремішування. Внаслідок коагуляції утворюються агрегати – більші (вторинні) частинки, які складаються із скупчення дрібніших (первин­них). Первинні час­тинки у таких нагромадженнях з’єднані силами міжмолеку­лярної взаємодії безпосередньо або через прошарок дисперсійного середовища. Коагуляція – спонтанний процес, якій відповідно до законів термодинаміки є наслідком прагнення системи перейти у стан із нижчою вільною енергією. Однак такий перехід ускладнений, а іноді практично неможливий, якщо сис­тема агрегатив­но стійка, тобто здатна протистояти збільшенню частинок.

До ефективних коагулянтів для суспензій із водним дисперсійним сере­довищем належать солі полівалентних металів (алюмінію, заліза тощо). Як коагу­лянт використовують також водорозчинні органічні високомолекулярні з’єднання (полімери), особливо поліелектроліти. На відміну від неорганічних коагулянтів, їх іноді називають флокулянтами. У промисловості поширено використовують полікремнієву кислоту, поліакриламід тощо. Дія флокулянтів полягає в адсорб­ції їхніх молекул частинками, внаслідок чого вони об’єдну­ються у більші агрегати (флокули), що призводить до збільшення швидкості осадження.

4. Розрахунок відстійників

Припустимо, що за проміжок часу τ (с) суспензія розділяється на шар проясненої рідини h₁ і шар згущеної суспензії h₂ (рис. 1.8).

Якщо поверхня осадження F, м², а об’єм отриманої проясненої рідини становить , м³, то об’єм проясненої рідини за одиницю часу

. (1.22)

Рис. 1.8. Схема одноярусного відстійника з гребковою мішалкою

За час τ (с) тверді частинки проходять шлях w_стτ. У той самий час цей шлях дорівнює h₁, м. Отже,

.

Підставимо це значення h₁ у рівняння (1.22) і отримаємо:

, м³/с. (1.23)

З рівняння (1.23) бачимо, що продуктивність відстійника пропорційна до поверхні осадження і формально не залежить від його висоти.

З цього рівняння знаходимо необхідну поверхню відстоювання:

, м². (1.24)

Швидкість стислого осадження w_ст розраховують за залежністю (1.15), або (1.18), (1.19), (1.20).

Враховуючи, що V_пр = і, беручи до уваги (1.10), надамо рівнянню (1.24) інший вигляд:

, м². (1.25)

У залежностях (1.24) і (1.25) швидкість стислого осадження w_ст розрахо­вують для найдрібніших частинок, умови осадження яких задають.

Після розрахунку за рівнянням (1.25) площі осадження (площі попереч­ного перерізу відстійника) розраховують діаметр апарата:

, м . (1.26)

Для того, щоб запобігти перемішуванню рідини біля вільної поверхні, висоту зони вільного осадження відстійника приймають такою, що дорів- нює h₁ = 0,45 – 0,75 м. Верхні граничні значення h₁ вибирають для кон­центрованіших суспензій.

Висоту зони згущування визначають так.

За заданою відносною густиною твердої фази Δ_т і середнім розбавленням суспензії у зоні згущення n = Р/Т (приймається в межах n = 1,5–3) розрахо­вують відносну густину суспензії:

(1.27)

і масову концентрацію її у зоні згущення:

, . (1.28)

Далі визначають вміст твердої фази в 1 м³ згущеної суспензії:

, кг/м³ (1.29)

і кількість твердої фази, яка осаджується на одиницю поверхні відстійника за час τ, необхідний для ущільнення суспензії в зоні згущення (залежно від густини твердої фази, розмірів частинок, в’язкості та густини рідини час ущіль­нення суспензії може досягати декількох годин):

, кг/м² . (1.30)

Враховуючи неперервність видалення осаду з апарата, висота зони згущення становить:

, м . (1.31)

Висоту зони розміщення лопатей мішалки визначають, враховуючи на­хил лопатей, який приймають таким, що дорівнює 0,146 м на 1 м довжини.

Отже,

, м . (1.32)

Тоді загальна висота відстійника дорівнюватиме

H = h₁ + h₂ + h₃, м . (1.33)