3.2. Отстаивание под действием силы тяжести

3.2.1. Основные понятия. Классификация суспензий

Отстаиванием называется процесс обезвоживания, происходящий при расслоении суспензии за счет осаждения частиц материала под влиянием собственного веса. Процесс отстаивания можно разделить на сгущение и осветление. Основной целью сгущения является увеличение концентрации твердой фазы, а цель осветления - удаление вещества из относительно разбавленной пульпы (смесь мелких частиц с жидкостью, в основном с водой).

В настоящее время не существует строго количественных методов расчета этих процессов, которые бы основывались на свойствах двухфазных систем. Например, нет аналитического вида функций типа

, (3.6)

где с_тв - концентрация твердого с размером частиц r_тв и их удельной массой _тв; μ_сусп - вязкость суспензии; - скорость жидкости относительно твердого.

Большое влияние на скорость осаждения оказывает также и агрегация частиц.

Закон Стокса применим, когда с_тв не более 0,1 ÷ 1%, размер частиц r_тв не выходит из диапазона 10 ÷ 100 мкм;  = const, а не превышает ее значение для ламинарного потока. В системе не происходит также агрегирование частиц.

При осаждении вязкость суспензии изменяется, т.к. она зависит от концентрации твердого тела, по законам вида:

μ_сусп = μ₀ (1 + 2,5 ) при  < 10%, (3.7а)

μ_сусп = μ₀ (1 + 4,5 ) при  > 10%, (3.7б)

где _сусп и _о - вязкость соответственно суспензии и воды;  - объемная концентрация твердой фазы.

Эти формулы применимы для таких концентраций твердой фазы, при которых суспензия еще обладает текучестью. При большой концентрации суспензии расстояние между частицами настолько мало, что они приходят в соприкосновение. Вследствие этого, наряду с внутренним трением жидкости, возникают силы трения частиц друг о друга, и тогда гидравлическое течение переходит в пластическое, для которого формулы неприменимы.

Жидкости, в которых величина вязкости постоянная и не зависит от скорости ее течения, называются ньютоновскими, а жидкости, для которых величина вязкости изменяется, называются неньютоновскими.

В концентрированных суспензиях более мелкие частицы тормозят движение более крупных, а частицы больших размеров увлекают за собой мелкие частицы, ускоряя их движение. В результате наблюдается тенденция к сближению скоростей осаждения частиц различных размеров; возникает коллективное, или солидарное, осаждение частиц с близкими скоростями в каждом сечении аппарата, но различными скоростями по его высоте. Уменьшение скорости частиц при уплотнении суспензии объясняется не только возрастанием вязкости, но и тормозящим действием жидкости, вытесняемой осаждающимися частицами и движущейся в направлении, обратном движению частиц.

В настоящее время ряд эмпирических методов позволяет в той или иной степени оценить зависимость типа (3.6). При проведении исследований ставятся две задачи. Первая задача - определение площади, необходимой для получения чистого слива; вторая - определение объема сгустителя, необходимого для получения осадка требуемой плотности.

Типы суспензий, встречающиеся на практике, и методы расчета скорости их расслоения можно классифицировать следующим образом - табл.3.2.

Таблица 3.2.

Классификация отстаиваемых суспензий и методы испытаний

Суспензия	Описание начала процесса отстаивания	Примеры	Метод определения площади осаждения	Методы определения высоты уплотненной зоны
1	2	3	4	5
I класс - разбавленная. Независимое осаждение частиц до 5% твердого	Частицы или хлопья осаждаются независимо друг от друга. Границы осаждения нет. Скорость осаждения зависит от размеров частиц и хлопьев	Мутная вода, ил, фугаты, фильтраты, сливы - оборотная вода	Метод длинной трубки	Метод Коу и Клевенжера, метод Робертса
II класс - промежуточная. Фазовое осаждение до 15% твердого	Верхняя зона - свободное осаждение частиц. Нижняя - осаждение коагулированных частиц. Нет резкой линии раздела	Химические и металлургические пульпы, сточные воды, хлопья пыли	Метод длинной трубки, метод Клевенжера, Кинга	То же
1	2	3	4	5
III класс - концентрированная. Массовое осаждение 15-25% твердого	Заметна определенная граница осаждения. Скорость осаждения уменьшается с увеличением концентрации тв. частиц	Химические и металлургические пульпы	Метод Клевенжера и Кинга	То же
IV класс - компактная. Стесненное осаждение	Хлопья или частицы осаждаются в тесном соприкосновении друг с другом благодаря уплотнению	Все пульпы	То же	То же