Что такое «стеснённое осаждение»? Какие факторы и как влияют на скорость стеснённого осаждения частиц? в чём отличие «коэффициента формы» от «фактора формы» частицы?
Осаждение под действием сил тяжести (отстаивание)
При ламинарном движении тело окружено пограничным слоем жидкости, который с увеличением скорости осаждения начинает отрываться от поверхности тела. За двигающимся телом понижается давление и образуется завихрения. Таким образом, образуется разность давлений на лобовую и кормовую поверхности, и она больше, чем при ламинарном обтекании.
При дальнейшем увеличении критерия наступает область, в которой лобовое сопротивление становится преобладающим и сопротивлением трения можно пренебречь. Наступает автомодельный режим, в котором сопротивление не зависит от скорости.
При концентрации частиц в суспензии более 5% они начинают влиять друг на друга. Такое осаждение называется стесненным, при этом скорость осаждения снижается.
Если осаждается полидисперсная фаза, то скорость осаждения самых мелких частиц самая низкая. Такой слой осаждается более сложно: скорость осаждения крупных частиц замедляется; скорость осаждения самых мелких увеличивается – возникает коллективное осаждение.
На скорость осаждения влияют свойства среды: вязкость, плотность (следовательно, и температура) и свойства дисперсной фазы (плотность, дисперность).
Фактор формы отражает отклонение формы частицы от формы эквивалентного шара, количественно выражается отношением поверхности эквивалентного шара к поверхности частицы.
Коэффициент формы характеризует отклонение размеров частицы от размеров эквивалентного шара.
Какими технологическими параметрами определяется необходимая и достаточная площадь поверхности осаждения частиц из гетерогенных смесей?
Отстойники проектируются в расчете на осаждение самых мелких частиц, находящихся в исходной смеси. Поэтому время пребывания смеси, обрабатываемой в данном аппарате, должно быть больше наибольшего времени осаждения или в пределе равного времени, необходимому для стесненного осаждения частиц наименьшего размера на дно аппарата с заданной высотой.
Пусть за время
(сек) суспензия разделяется на слой
сгущенной суспензии (осадок) и слой
осветленной жидкости высотой
.
При поверхности осаждения
(м²) объем осветленной жидкости, получаемой
в единицу времени
(м³/сек), выражается уравнением:
За то же время частицы, осаждающиеся со
скоростью
,
должны проходить путь h (м). Следовательно:
Подставляя значение
из уравнения (8.1) в (8.2), получим:
Уравнение (8.3) показывает, что производительность отстойника не зависит в явном от его высоты, а зависит только от скорости и поверхности осаждения.
Поэтому отстойники имеют значительную
поверхность осаждения при небольшой
высоте, которая обычно не превышает
,
а для отстойников больших диаметров –
не более
.
Необходимую поверхность осаждения (в м²) находим из выражения:
Объем осветленной жидкости при ее
плотности
(кг/м²) составляет:
Где
– масса осветленной жидкости в кг.
Тогда:
Так как масса суспензии:
где
– концентрация дисперсной фазы в
исходной смеси,
– осветленная жидкость,
– осадок.
Подставляя массу суспензии в уравнение (8.4), определим необходимую поверхность осаждения:
При выводе уравнения (8.5) не учитывалась неравномерность движения жидкости по всей площади отстойника. Поэтому допускалось, что в аппарате отсутствуют застойные зоны и не происходит вихреобразования жидкости. Эти явления уменьшают скорость отстаивания. Кроме того, по мере движения разделяемой системы через зоны отстаивания взвешенной фазы в ней постепенно уменьшается и, следовательно, скорость отстаивания постепенно уменьшается. Учитывать количественно влияние указанных факторов на скорость отстаивания невозможно, поэтому в инженерных расчетах достаточная поверхность отстойника обычно увеличивают ориентировочно на 30–35 %.