Тема 2. Фізико-хімічні основи процесу відстоювання та їх апаратна реалізація

Процес відстоювання – це осадження грубодисперсних частинок під дією сили тяжіння.

Цей процес складається з 4-х стадій:

1) утворення шару осаду з найбільш великих частинок;

2) утворення шару згущеної суспензії;

3) утворення перехідного шару, густина якого зменшується знизу вверх;

4) утворення шару осаду і освітленої рідини.

а) б) в)

Рис. 18. Об’єкти управління в процесах розділення неоднорідних систем:

а – відстійник; б – фільтр; в – центрифуга

Рух частинок у рідині описується законом Стокса:

де F – сила опору, Н; μ – в’язкість рідини, Па ^. с ; θ – швидкість осадження частинки, м/с; d – діаметр частинки, м.

Закон Стокса справедливий для частинок дуже малого розміру, що осідають з невеликою швидкістю, коли на опір руху впливає тільки сила в’язкості. Коли розмір частинки збільшується, то лінійний закон порушується і тоді рух частинки описується законом Ньютона-Рейлея:

де ρ₁ – густина рідинии, кг/м³; ψ – коефіцієнт опору (залежить від числа Рейнольдса).

Швидкість осадження частинок певного виду визначається:

де ρ₂ – густина частинки, кг/м³; g = 9,81 м/с² – прискорення вільного падіння.

Для області лінійного закону можна записати (формула Стокса):

.

Формула Стокса застосовується для визначення швидкості осадження частинок малого розміру.

Швидкість осадження при температурі 10⁰С називають гідравлічною крупністю частинок. Її визначають дослідним шляхом і вона не відповідає значенню, що визначається за формулою Стокса.

Як правило, гідравлічну крупність визначають експериментальним шляхом, тобто шляхом вимірювання відносної кількості завислих частинок, що осіли за певний проміжок часу на дно циліндра, заповненого дослідною водою. При цьому, якщо завислі частинки є монодисперсними, то маса осаду, що випав за час t, дорівнює:

де m – масовий вміст завислих частинок, г; θ – швидкість осадження, м/с; С – концентрація завислих частинок; t – час осадження частинок, с; А – площа циліндра, м².

Масовий вміст завислих частинок до початку осадження визначається за формулою:

де h – висота стовпа води в циліндрі, м.

Ефект осадження Р або відносна кількість завислих частинок:

.

Звідки гідравлічна крупність:

Графік залежності відносної кількості завислих частинок, що осіли, від часу їх осадження називається кривою осадження завислих частинок.

Технологічна модель процесу осадження полягає у визначенні в лабораторних умовах розрахункових параметрів відстійників. Методика моделювання базується на подібності кривих випадань завислих частинок при різних значеннях h. Отримавши в лабораторії криву випадання завислих частинок з проби досліджуваної суспензії при висоті стовпа h₁, визначають потрібний ефект осадження. Його можна визначити за концентрацією завислих частинок:

де С₀ – концентрація завислих частинок у воді, моль/л; С – задана концентрація завислих частинок в освітленій воді, моль/л.

Рис. 19. Залежність відносної кількості завислих частинок від часу їх осадження

За допомогою кривої випадання завислих частинок визначають час осадження t, а потім знаходять розрахунковий час перебування суспензії у відстійнику за формулою:

Тут h_p, t_p відповідають висоті зони осадження і часу перебування води у відстійнику, який необхідно проектувати.