Материальный баланс процессов разделения.

Пусть разделению подвергается система, состоящая из сплошной и дисперсной фаз.

Введем следующие обозначения: Gсм, Gоч, Gос - массовый расход соответственно исходной смеси, очищенной сплошной фазы и осадка (сгущенной дисперсной фазы), кг/с; Xсм, Xоч, Xос - концентрация дисперсной фазы соответственно в исходной смеси, в очищенной сплошной фазе и в осадке, масс. доли.

При отсутствии потерь вещества в процессе разделения можно записать следующие уравнения материального баланса:

по всему веществу

Gсм = Gоч+ Gос (10.1)

По диспергированному веществу

Gсм Xсм = GОч Xоч + Gос Xос; (10.2)

Если известны расход исходной смеси и все концентрации, то решением уравнений (10.1) и (10.2) можно найти расходы Gоч И Gос.

GОч = GСм(XОс -XСм)/(XОс - XОч);

Эффективность метода разделения Можно оценивать по степени очистки η (в %) газа или жидкости следующим образом:

h= (С1 – С2) 100 /С1, (10.5)

Где С1, С2 - концентрации частиц в газе или жидкости соответственно до и после разделения.

Осадительная камера

О садительные камеры рассчитывают из условия, что время пребывания запыленного газа должно быть больше времени осаждения твердых частиц. Время пребывания зависит от скорости осаждения.

Скорость осаждения — это скорость равномерного движения частиц в неподвижной среде. Численно скорость осаждения меньше скорости витания.

Производительность камеры рассчитывается по следующей формуле:

Для расчета производительности необходимо знать скорость осаждения.

Р ис. 3. Пылеосадительная камера:

1 – корпус; 2 – полки; 3 – отражательная перегородка; 4 –люки для удаления пыли.

В камерах этого типа проводят очистку газов от пыли под действием сил тяжести. Запыленный газ поступает в корпус камеры 1, в котором установлены горизонтальные полки 2. Расстояние между полками составляет 100-300 мм. Газ проходит в каналах между полками, при этом на поверхности последних осаждается пыль. Пройдя полки, газ огибает вертикальную отражательную перегородку 3 и удаляется из камеры. Основное назначение перегородки 3 – обеспечить равномерное распределение газа между полками; кроме того, при огибании газом перегородки из него под действием сил инерции удаляется часть пыли. Осевшая на полках пыль периодически удаляется с помощью скребков через люки 4 или же смывается водой.

Хотя поверхность осаждения при большом числе полок может быть достаточно велика, степень очистки газа от пыли в этих аппаратах не превышает 30-40%, причем частицы размером 5 мкм и меньше вообще не отделяются от газа. Поэтому пылеосадительные камеры используют для предварительной грубой очистки сильно запыленных газов, содержащих частицы размером не менее нескольких десятков микрометров.

Отстойная камера

Материальный баланс по чистой жидкости:

Q₀ = Q₁ + Q₂

Количество частиц:

Баланс по твердым частицам, если считать, что Q₁ — чистая жидкость:

Q₀x₀ = Q₂x₂

Для получения более концентрированного осадка необходима бо;’льшая поверхность осаждения или бо;’льшее время осаждения.

О тстойник непрерывного действия с коническими полками (рис. 1).

Рис. 1. Отстойник непрерывного действия с коническими полками.

Поступающая в аппарат суспензия распределяется по каналам между коническими полками, на поверхности которых осаждаются твердые частицы. Осадок сползает по наклонным полкам к стенкам корпуса и затем перемещается в нижнюю часть аппарата, откуда удаляется. Осветленная жидкость поступает в центральную трубу и выводится из верхней части аппарата.

Помимо большой поверхности осаждения к достоинствам отстойников этого типа относятся отсутствие движущихся частей и простота обслуживания.

Отстойник непрерывного действия для разделения эмульсий (рис. 2).

Р ис. 2. Отстойник непрерывного действия для разделения эмульсий.

1 – корпус; 2 – перфорированная перегородка.

Он представляет собой горизонтальный резервуар с перфорированной перегородкой 2, которая предотвращает возмущение жидкости в отстойнике струей эмульсии, поступающей в аппарат. Поперечное сечение отстойника выбирают таким, чтобы скорость течения жидкости в корпусе 1 аппарата не превышала нескольких миллиметров в секунду и режим течения был ламинарным, что предупреждает смешение фаз и улучшает процесс отстаивания. Расслоившиеся легкая и тяжелая фазы выводятся с противоположной стороны отстойника. Трубопровод для вывода тяжелой фазы соединен с атмосферой для предотвращения засифонивания.

Лекция 13 Осаждение под действием центробежных сил. Фактор центробежного разделения. Конструкции и расчет циклонов. Батарейные циклоны. Процессы центрифугирования. Классификация центрифуг; конструкции.

Для создания поля центробежных сил обычно используют один из двух способов: либо обеспечивают вращательное движение потока в неподвижном аппарате, либо поток направляют во вращающийся аппарат, где он начинает вращаться вместе с аппаратом. В первом случае процесс проводят в циклонах, во втором - в отстойных (осадительных) центрифугах.

Соответственно в первом случае разделение называют ЦиклонНым процессом, Во втором - оСадительным (отстойным) центрифуГированием.

Для оценки эффективности осаждения под действием центробежной силы сравним его с осаждением под действием силы тяжести.

Центробежная сила, действующая на частицу, составляет

GЦ=M /R, (10.16)

Где Т - Масса частицы; r - радиус ее вращения; WR. - окружная скорость вращения частицы вместе с потоком на радиусе r.

Сила тяжести

GТ = Mg. (10.17)

Разделив (10.16) на (10.17), получим

GЦ/GТ= /(Gr). (10.18)

Таким образом, центробежная сила, действующая на частицу, может быть больше силы тяжести во столько раз, во сколько ускорение центробежной силы /R Больше ускорения свободного падения g. Отношение этих ускорений называют Фактором раздеЛения И обозначают KР:

KР= /(Gr). (10.19)

Учитывая, что окружная скорость Wr = 2πRn, Фактор разделения можно выразить также через П - частоту вращения частицы с потоком:

KР =(2πRn)2/(Gr)=4π2r2п2/(Gr)=4π2п2R/G (10.19а)

Значение KР для циклонов имеет порядок сотен, а для центрифуг - около 3000; в них можно эффективно отделять мелкие частицы: в центрифугах размером порядка 1 мкм, в циклонах - порядка 10 мкм.

Если гравитационное поле в отстойниках однородно, то интенсивность поля центробежных сил возрастает при движении частицы от центра к периферии пропорционально радиусу вращения. Это легко увидеть, преобразовав уравнение (10.16) с учетом того, что Wr = 2PRП:

GЦ = M(2PRП)2/R = M×4P2N2R. (10.20)

Отсюда видно, что скорость осаждения в рассматриваемом случае также непостоянна и возрастает по мере увеличения радиуса вращения частицы.

Если представить скорость осаждения как

WO = DR/Dt (10.21)

То время (продолжительность) осаждения определится интегралом

to = (dR/ Wo ) (10.22)

Где R1 и R2 -соответственно минимальный и максимальный радиусы вращения потока в аппарате.

Подставив в выражение (10.22) скорость осаждения как функ­цию, вид которой зависит от режима осаждения, можно найти время (продолжительность) осаждения частиц. В частности, для ламинарного режима (Z = 24/Re) и шарообразных частиц диаметром D Можно получить

WO = (10.23)

Подставляя (10.23) в (10.22) и интегрируя, получим

τo = Ln (10.24)

Аналогичным образом можно получить выражения для WО И tо при переходном и турбулентном режимах осаждения.

Однако на практике расчеты, выполненные по формулам (10.23) и (10.24) и аналогичным для других режимов, приводят к большим ошибкам. Это объясняется следующим: поскольку скорость осаж­дения непрерывно меняется, соответственно меняется число Рейнольдса и, следовательно, могут меняться режим осаждения и зависимость z= ¦(Re).

В циклонах и центрифугах происходит вихреобразование, нарушающее нормальное осаждение частиц. Кроме того, уже осевшие частицы могут вновь вовлекаться в поток. В центрифугах возможно отставание вращения суспензии от вращения ротора, что снижает фактор разделения.

Еще более усложняется расчет реальных систем вследствие их полидисперсности, нешарообразной формы частиц, стесненного осаждения.

Поэтому при инженерных расчетах циклонов и центрифуг довольно часто приходится основываться на экспериментальных данных.