книги / Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 1

микрометром для определения диаметров шариков, секундомером для замера времени осаждения шариков по пути между метками на сосуде. Плотность жидкости в сосудах определена ориометром и указана у каждого сосуда.

Методика проведения опытов

1.Микрометром замеряют диаметры шариков, выданных преподавателем.

2.Каждый шарик опускают на поверхность исследуемой жидкости ближе к центру цилиндра и по секундомеру определяют время τ движения шарика на расстояние h = 1,0 м.

3.Определяют опытную скорость осаждения самого маленького шарика, м/с:

Wос.оп h .

4. Определяют вязкость исследуемой жидкости, полагая, что осаждение самого маленького шарика подчиняется закону Стокса. В этом случае

Wос.оп d 2 ( ч ср)g .

18

Отсюда находят вязкость жидкости, Н·с/м2:

d 2 ( ч ср )g .

18 Wос.оп

Проверяют допустимость применения закона Стокса, вычислив число Рейнольдса по формуле

Re Wос.оп d ср .

Оно должно быть меньше единицы.

5. Данные наблюдений и вычислений записывают в табл. 4.1.

41

Таблица 4 . 1

Обработка результатов опытов

1. Опытную скорость (м/с) осаждения всех шариков вычисляют так же, как и скорость осаждения самого маленького шарика:

Wос.оп h .

2. Для определения теоретической скорости осаждения шариков пользуются критериальным уравнением осаждения под действием сил тяжести. Вычисляют величину критерия Архимеда:

Ar d 3 ср g 2( ч ср ) .

3.По численному значению критерия Архимеда определяют область чисел критерия Рейнольдса, в которой проходит осаждение частиц.

По одному из уравнений, применяемых для данного режима осаждения, рассчитывают величину критерия Re.

4.Вычисляют теоретическую скорость осаждения (м/с) по формуле:

Wос.теор Re .

d ср

5. Результаты вычислений записывают в табл. 4.2.

42

Отчет включает в себя цели работы, схему установки, расчеты определяемых величин, табл. 4.1, 4.2, анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1.Порядок выполнения работы.

2.Основные закономерности осаждения частиц.

3.Критериальное уравнение и порядок определения теоретической скорости осаждения частиц.

4.Закон сопротивления среды движению в ней частицы. Коэффициент сопротивления среды.

5.Влияние концентрации частиц на скорость их осаждения

иотстаивания.

6.Конструкции отстойников.

43

Лабораторная работа № 5 ФИЛЬТРОВАНИЕ.

ИСПЫТАНИЕ ВАКУУМНОГО НУТЧ-ФИЛЬТРА

Цели работы:

–экспериментальное изучение процесса фильтрования суспензии;

–определение сопротивления фильтровальной перегородки

иудельного сопротивления осадка.

Сведения из теории

Фильтрование – процесс разделения суспензий на твердую и жидкую фазы с использованием пористых перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих твердые частицы. Разделение суспензии на осадок и фильтрат происходит под действием разности давлений, которая создается различными способами:

–массой столба самой суспензии;

–нагнетанием жидкостными насосами;

–вакуумированием пространства под фильтровальной перегородкой;

–подачей сжатого газа в пространство над суспензией;

–при помощи центробежной силы (в фильтрующих центрифугах).

Большую роль в процессе фильтрования играют природа и структура осадка и фильтровальной перегородки. При фильтровании с образованием осадка размер пор перегородки меньше размера задерживаемых твердых частиц и наблюдается образование сводов над входом в поры, что способствует накоплению осадка на фильтре. Возможен и другой режим фильтрования – с закупориванием пор, когда все частицы задерживаются в порах и на поверхности фильтра осадок отсутствует.

Осадки, получаемые на фильтровальной перегородке при разделении суспензии, подразделяют на несжимаемые и сжимаемые.

44

Пористость несжимаемых осадков не изменяется под действием перепада давлений. К ним относятся осадки, состоящие из механически прочных частиц размером более 100 мкм, например из частиц песка, мела, соды, минеральных солей и др. Пористость сжимаемых осадков уменьшается в процессе фильтрования, что приводит к возрастанию гидравлического сопротивления потоку жидкой фазы. Сжимаемые осадки состоят из легко деформируемых частиц достаточно малых размеров. Это, например, осадки гидроокиси металлов, пастообразные аморфные осадки и др.

Скоростью процесса фильтрования W (м3/(м2·с)) называется объем фильтрата dV, протекающего за время d через единицу фильтровальной поверхности:

где F – площадь поверхности фильтра, м2.

Скорость фильтрования пропорциональна движущей силе процесса (разности давлений Р) и обратно пропорциональна сопротивлению:

где P – разность давлений, Н/м2; – вязкость жидкости, кг/(м с); Rос – сопротивление слоя осадка, м–1; Rф – сопротивление фильтрующей перегородки, м–1.

На практике встречаются три основных режима фильтрова-

ния:

–при постоянном перепаде давлений;

–при постоянной скорости фильтрования;

–при одновременном изменении перепада давлений и скорости фильтрования.

Первый режим осуществляется в вакуум-фильтрах, а также при создании избыточного постоянного давления над фильтровальной перегородкой с помощью сжатого газа. При этом по мере

45

накопления осадка и возрастания сопротивления слоя происходит непрерывное уменьшение скорости фильтрования.

Постоянство скорости фильтрования может быть обеспечено лишь при непрерывном увеличении разности давлений, что осуществляется при нагнетании суспензии поршневым насосом.

Третий режим достигается при подаче суспензии центробежным насосом, когда в пределах его характеристики (напора) с увеличением слоя осадка происходит увеличение перепада давлений и уменьшение объемного расхода фильтрата.

В лабораторной установке осуществляется фильтрование с образованием несжимаемого осадка при постоянном перепаде давлений. В этом случае сопротивление фильтровальной перегородки Rф можно считать постоянным, а величина Rос с возрастанием толщины слоя осадка изменяется от нуля в начале фильтрования до максимального значения в конце процесса. Ввиду небольшого размера пор и малой скорости движения жидкой фазы в порах режим движения фильтрата является ламинарным. Поэтому сопротивление (м–1) слоя осадка пропорционально его толщине:

где hос – толщина слоя осадка, м; rос – удельное сопротивление осадка, м–2.

Толщину (м) слояосадкаможно выразить следующимобразом:

где V – объем фильтрата, м3; xо – отношение объема осадка Vос к объему фильтрата V (объемная относительная концентрация твердой фазы в разделяемой суспензии),

o V

Основное уравнение процесса фильтрования (5.2) преобразуем к следующему виду, подставляя в него выражение для Rос:

46

В этом уравнении применительно к условиям лабораторной работы значения P, F, rос, xо, Rф и (при неизменной температуре жидкости) являются постоянными. Разделяя в уравнении (5.6) переменные и интегрируя в пределах от 0 до V и от 0 до , получим:

Это уравнение используется для нахождения удельного сопротивления осадка rос и сопротивления фильтровальной перегородки Rф, для чего оно преобразуется к виду:

Уравнение (5.8) в координатах V V является уравнением прямой линии (рис. 5.1) вида:

где а – отрезок, отсекаемый от оси ординат, а PRFф ; b – тангенс

угла наклона прямой, b roc хо . 2 PF 2

Рис. 5.1

47

Зная величины а и b (см. рис. 5.1), можно определить значения Rф и rос. Поскольку удельное сопротивление осадка и сопротивление фильтровальной перегородки зависят от их структуры, формы, природы и размеров частиц и т.д., определение Rф и rос производится опытным путем.

Описание установки

Внешнийвид вакуумного нутч-фильтра представлен нарис. 5.2.

Рис. 5.2

Экспериментальная установка (рис. 5.3) содержит сосуд для суспензии 1 с мешалкой 3, привод 4 которой состоит из электромотора и редуктора и включается тумблером. Фильтровальная ткань закреплена в воронке 2 (диаметр воронки 50 мм). Фильтрат из воронки поступает в мерный цилиндр 7. Для сглаживания пуль-

48

саций в вакуумной линии установлен ресивер 8. Разрежение в установке замеряется вакуумметром 9. Кран 6 предназначен для отключения фильтра, а вентиль 5 – для отключения всей установки от вакуумной линии.

Рис. 5.3

Методика проведения опытов

Приступить к выполнению лабораторной работы можно только после детального ознакомления с установкой. Для проведения работы необходимы секундомер и металлическая линейка.

Пуск установки производится с разрешения преподавателя

вследующем порядке:

1.Подготовив к промывке фильтровальную ткань, собирают фильтровальный элемент, не допуская перекоса ткани.

2.Подготавливают к работе мерный цилиндр 7, сливая из него жидкостьиобеспечиваягерметичность, закрываютвентиль5 икран6.

3.Включают мешалку.

4.Открыв вентиль 5, устанавливают на вакуумметре заданное преподавателем разрежение и поддерживают его в течение всего опыта постоянным.

5.Опускают воронку с фильтром в сосуд с суспензией и открывают кран 6.

49

6.С появлением первых капель фильтрата включают секундомер и замеряют время заполнения мерного цилиндра. Замер времени производят по мере заполнения каждых 100 мл, не останавливая секундомера.

7.Закончив заполнение цилиндра до указанного уровня, поднимают фильтр, перекрывают кран и замеряют толщину осадка.

8.По окончании работы перекрывают вентиль, сливают воду из мерного цилиндра, промывают фильтровальную ткань.

9.Измеренные величины заносят в табл. 5.1.

Таблица 5 . 1

Обработка результатов опытов

1. По данным опыта, переведенным в СИ, строят график

V = f(V).

2.По графику определяют значения a и b. Альтернативно значения a и b можно вычислить, используя встроенные аппроксимирующие функции в MathCAD (рис. 5.4).

3.Записывают уравнение (5.9) в виде V a bV .

4.Определяют площадь поверхности фильтра F (м2) и объем образовавшегося осадка Vос (м3):

50