Контрольные вопросы

1. Какие системы называются двухфазными?

2. Чем определяется поведение двухфазных систем?

3. При каких условиях двухфазная система приближается к однофазной?

4. При помощи какого процесса обезвоживают грубые суспензии с размером частиц более 10 мкм?

5. При помощи какого процесса обезвоживают суспензии с размером частиц от 10 до 2 мкм?

6. При помощи какого процесса обезвоживают суспензии с размером частиц от 2 до 0,5 мкм?

7. При помощи какого процесса обезвоживают суспензии с размером частиц от 0,5 до 0,1 мкм?

8. При помощи какого процесса обезвоживают суспензии с размером частиц менее 0,1 мкм?

9. Можно ли достичь 100 % обезвоживания с применением только одного способа? Если да, то почему? Если нет, то почему?

10. Как называют химически связанную воду?

11. Как называют координационно-химически связанную воду?

12. Как называют влагу на поверхности твердых тел?

13. Как называют воду остающуюся в осадке?

14. Чему равна энергия связи конституционной воды?

15. Чему равен тепловой эффект реакции при удалении кристаллизационной воды?

16. Чему равна дифференциальная теплота адсорбции паров и от чего она зависит?

17. Как можно оценить энергию удаления капиллярно-удерживаемой влаги?

18. Чему равна энергия удаления гравитационной влаги?

19. Как определить энергию связи воды с поверхностью твердого тела?

20. Что такое макропористые материалы?

21. Какой размер пор имеют материалы, относящиеся к переходному классу?

22. Какой размер пор имеют микропористые материалы?

23. Что определяет степень пористости материалов?

24. Что такое пористость и что такое порозность материала? В чем различия между понятиями?

25. Какие вещества называют гигроскопичными?

26. В каких порах отсутствуют явления капиллярной конденсации?

Глава 3. Отделение жидкости под действием механических методов

3.1. Обезвоживание кускового материала дренированием

3.1.1. Гидродинамика течения жидкости под влиянием собственного веса в порах осадка

Дренированием называют операцию обезвоживания за счет стекания жидкости под влиянием собственного веса по капиллярам осадка. Такой процесс проходит эффективно, когда размер частиц осадка, как правило, более 2 мм.

Количество вытекающей жидкости по капилляру определяется режимом течения. Режимы течения бывают трех типов: ламинарным, турбулентным и промежуточным.

Характер течения в капиллярах осадка можно определить по числу:

где D - диаметр капилляра, см; V - скорость течения, см/сек;  - кинематическая вязкость для воды равна 0,01 см²/сек

При Re > 20  50 ламинарный режим переходит в турбулентный.

Размер пор в осадке оценивают из диаметра частиц. Задаваясь формой и упаковкой частиц в осадке, рассчитывают радиус межзеренного пространства.

При плотной укладке шарообразных зерен эффективный радиус межзеренных каналов (R_эф) составляет

,

где - радиус зерна.

При других упаковках, которые чаще встречаются для сыпучих материалов, R_эф принимает величину

.

При этом - для кубической упаковки,- для ромбоэдрической упаковки, где- средний диаметр зерна.

Считается, что более вероятна упаковка с числом соседей, равным шести.

По данным опытов в каждом сечении осадка имеется распределение размеров каналов. При этом для осадков с полидисперсными зернами D_min близок к нулю.

Удельный расход жидкости определяется также величиной гидравлического уклона i (перепад давления по длине осадка), который является движущей силой процесса.

Величина гидравлического уклона i рассчитывается как

, (3.1)

где  - плотность жидкости; h и L - высоты, соответственно уровня воды над осадком и осадка; H=h+L.

Как видно из расчета числа Рейнольда, при дренировании чаще всего наблюдается переходный режим течения жидкости по капиллярам осадка.

Скорость вытекания жидкости для переходного режима определяется по формуле:

(3.2)

где  - пористость осадка; g - ускорение силы тяжести, 981 см/с²; d - диаметр зерна осадка, см; i - гидравлический уклон;  - кинематическая вязкость, см²/с; А и В - коэффициенты, зависящие от формы зерен и незначительно от природы материала (табл.1.1):

Таблица 3.1.

Зависимость коэффициентов А и В от формы зерна и природы материала

Форма зерна	A	B
Округлая	50	0,75
Обычная (смешанная)	75	1,05
Остроугольная	105	1,30

При ламинарном течении уравнение (3.2) переходит в закон Дарси (3.4). При этом:

, (3.3)

, т.е. , (3.4)

где К_ф - коэффициент сопротивления движению жидкости через осадок.

В условиях, когда вязкость не играет роли ( = 0), выражение (3.2) переходит в закон квадратичного сопротивления (инерционная сила больше силы вязкости):

, т.е. . (3.5)

Для того чтобы определить режим течения при дренировании по значению числа Рейнольдса, необходимо подсчитать диаметр капилляров в осадке и экспериментально определить скорость течения жидкости, в соответствии с числом Рейнольдса выбрать формулу для расчета и проверить ее соответствие экспериментальным данным.

Приведем пример расчета:

d_зер = 4 мм, d_кап = 0,4∙0,28 = 0,112 см.

Определенная экспериментально средняя скорость движения жидкости по капиллярам осадка составила:

V_ср = 1,5 см/с, тогда ,

следовательно, наиболее вероятен переходный режим движения. Поэтому расход жидкости следует рассчитывать по формуле (3.3) для переходного режима.

Режим течения можно также оценить по выражению (3.5). Обычно гидравлический уклон i при дренировании равен 23. Пористость можно оценить по удельной средней  и объемной ₀ массе:

;

.

Если i > 0,616, то режим вытекания жидкости из кускового материала со средним диаметром зерна 0,4 см можно считать переходным. Следовательно, определение режима течения по межзерновым каналам осадка по значению Re и по формуле (3.2) дают идентичные результаты.

Чтобы рассчитать значение критерия Рейнольдса, нужно знать средний диаметр каналов в осадке и скорость течения жидкости по ним, а для расчетов режима течения по формуле (3.2) нужно иметь значения среднего диаметра каналов в осадке и его пористость (или удельную и объемную массу сухого осадка).

Необходимо отметить, что турбулентный режим течения при дренировании маловероятен. Вытекание воды из осадка, состоящего из кускового материала, фактически будет происходить по двум режимам: в начале при переходном и в конце при ламинарном, так как значение гидравлического уклона по мере обезвоживания будет уменьшаться.

Поэтому на практике существует оптимальное время обезвоживания, после которого скорость дренирования резко падает.