- •Учебно-методические разработки для самостоятельной работы студентов по курсу «Теоретические основы защиты окружающей среды»
- •Часть I
- •Обезвоживание и методы очистки сточных вод
- •Введение
- •Глава 1. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии как функции обесценивания энергии и стремления системы к хаосу
- •1.1 Понятие «энтропия». Принцип существования и возрастания энтропии
- •1.2. Энергоэнтропийная концепция аварийности и травматизма
- •1.3. Воздействие промышленного производства на природу. Ресурсосберегающая технология. Материальный баланс производства
- •1.4. Классификация основных процессов
- •1.5. Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов
- •1.5.1. Материальный баланс
- •1.5.2. Энергетический баланс
- •1.5.3. Интенсивность процессов и аппаратов
- •1.5.4. Определение основных размеров аппаратов
- •1.5.5. Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Классификация двухфазных систем
- •2.1. Методы обезвоживания
- •2.2. Формы связи воды с твердым телом. Энергия связи различных форм воды с твердым телом
- •2.3. Влагоудерживающая способность твердых тел. Влияние основных факторов на степень обезвоживания
- •Контрольные вопросы
- •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
- •3.2. Отстаивание под действием силы тяжести
- •3.2.1. Основные понятия. Классификация суспензий
- •3.2.2. Способы выражения и расчета концентрации твердого в пульпе
- •3.2.3. Исследование скорости расслоения суспензий I-го и II-го классов методом длинной трубки
- •3.2.4. Качественное описание процесса расслоения суспензий III и IV классов
- •3.2.5. Расчет удельной поверхности сгущения по методу Коу и Клевенжера
- •3.2.6. Расчет удельной поверхности по методу Кинча
- •3.2.7. Определение высоты сгустителя
- •3.2.8. Пример расчета сгустителя по методу Кинча
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4. Применение центробежной силы при обезвоживании
- •4.1. Основные понятия
- •4.2. Особенности применения гидроциклонов для обезвоживания
- •Порядок расчета гидроциклона.
- •4.3. Особенности применения центрифуг для сгущения суспензий
- •4.4. Основные закономерности разделения суспензий в осадительных центрифугах. Индекс производительности
- •4.5. Физические основы разделения суспензий в фильтрующих центрифугах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Фильтрование
- •5.1. Основные понятия. Классификация
- •5.2. Физические основы фильтрации с образованием осадка. Гидродинамика течения жидкости через пористые и зернистые слои
- •5.3. Основное уравнение фильтрации
- •5.4. Определение оптимальных условий работы фильтров. Экономически выгодный цикл фильтрации
- •5.5. Применение уравнения фильтрации. Определение удельного сопротивления осадка и его сжимаемости
- •5.6. Фильтровальные перегородки
- •5.7. Конструкции фильтров. Периодически и непрерывно действующие. Классификация. Фильтры, работающие под давлением. Вакуум-фильтры. Способы снятия осадка
- •5.8. Выбор и расчет фильтров
- •5.9. Схемы подсоединения вакуум-фильтров
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Агрегирование
- •6.1. Теория процесса агрегирования. Механизмы встреч частиц друг с другом. Понятие о расклинивающем давлении Теория процесса агрегации
- •Два механизма соударения или встречи частиц
- •6.2. Три слагающие поверхностных сил (расклинивающего давления). Двучленный закон взаимодействия
- •6.3. Силы Ван-дер-Ваальса. Слагающие сил Ван-дер-Ваальса. Ван-дер-ваальсово взаимодействие между молекулами и конденсированными фазами Силы Ван-дер-Ваальса
- •Электромагнитная теория взаимодействия конденсированных фаз
- •6.4. Природа ионно-электростатических сил. Закономерность изменения их вглубь раствора
- •6.5. Гидратационная слагаемая поверхностных сил (расклинивающего давления)
- •6.6. Три механизма агрегирования: коагуляция, флокуляция, мостиковая флокуляция
- •6.7. Основные принципы селективной агрегации частиц
- •6.8. Характеристика применяемых высокомолекулярных синтетических флокулянтов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7. Абсорбция
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Равновесие при абсорбции
- •7.3. Материальный и тепловой балансы процесса
- •7.4. Скорость процесса
- •Контрольные вопросы
- •Глава 8. Адсорбция
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Характеристики адсорбентов и их виды
- •8.3. Равновесие при адсорбции
- •8.4. Кинетика адсорбции
- •8.5. Десорбция
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9. Флотация
- •9.1. Общие сведения
- •9.2. Теоретические основы процесса флотации
- •9.3.Флотационные реагенты и их классификация
- •9.4. Механизм действия собирателей
- •9.5. Реагенты-депрессоры
- •9.6.Реагенты-активаторы
- •9.7. Реагенты-регуляторы среды
- •9.8. Реагенты-пенообразователи
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Экстракция
- •10.1 Процессы экстракции в системах жидкость-жидкость
- •10.1.1. Общие сведения
- •10.1.2. Равновесие в системах жидкость - жидкость
- •10.1.3. Методы экстракции
- •10.2. Процессы растворения и экстракции в системах твердое тело - жидкость
- •10.2.1. Общие сведения
- •10.2.2. Равновесие и скорость выщелачивания
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11. Сушка
- •11.1. Основные понятия. Параметры, подлежащие расчету
- •11.2. Равновесное содержание влаги при сушке. Кинетика сушки. Понятие о напряжении объема сушилки
- •11.3. Основные параметры влажного воздуха
- •11.5. Изображение процессов изменения состояния воздуха на j - X на диаграмме
- •11.6. Материальный и тепловой балансы сушки
- •11.7. Расчет удельных расходов воздуха и тепла на сушку
- •11.8. Расчет сушилки в случае частичной рециркуляции обработанного воздуха
- •11.9. Сушка топочными газами
- •11.10. Конструкции сушилок
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Оглавление
- •Глава 1. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии как функции обесценивания энергии и стремления системы к хаосу 6
- •Глава 2. Классификация двухфазных систем 41
- •Глава 3. Отделение жидкости под действием механических методов 50
- •Глава 4. Применение центробежной силы при обезвоживании 75
- •Глава 5. Фильтрование 86
- •Глава 6. Агрегирование 117
- •Глава 7. Абсорбция 144
4.5. Физические основы разделения суспензий в фильтрующих центрифугах
Процесс центробежного фильтрования сложнее, чем фильтрование под влиянием силы тяжести или под давлением. В данном случае поверхность фильтрования и движущая сила процесса возрастают с увеличением радиуса слоя осадка. Существенно может измениться и удельное сопротивление осадка в зависимости от толщины слоя. Выбор центрифуг подачи всегда производится на основании предварительных лабораторных опытов.
Когда образовавшийся в центрифуге осадок затоплен жидкостью, скорость протекания через него фильтрата примерно соответствует величинам, найденным при фильтровании под соответствующим давлением.
В случае несжимаемых или почти несжимаемых осадков скорость фильтрования может быть вычислена по уравнению:
[м3/с],
где Q - объемная скорость вытекающей жидкости, м3/с; - угловая скорость вращения, рад/с; ж - удельная масса жидкости, кг/м3; r1 и r2 - радиус поверхности жидкости и внутренний радиус ротора, м; - вязкость жидкости, кг/(м·с); - удельное сопротивление осадка, м/кг; mт - масса твердого осадка в роторе, кг; Sср лог и Sср ар - среднелогарифмическое и среднеарифметическое значения площади осадка, м2; Rср - удельное сопротивление фильтра, м1; Sср - площадь фильтра, м2.
Средние площади осадка определяются из уравнений:
,
Scp.ар. = ( r2 - ri ) h ,
где h - высота осадка; ri - радиус внутренней поверхности осадка, м.
Определить заранее необходимую продолжительность центрифугирования и конечную влажность осадка в роторе центрифуги несколько сложнее, чем предсказать скорость фильтрования. Время фильтрации может колебаться от 10 ÷ 20 с до 5 ÷ 15 мин.
Влажность осадка после центрифугирования значительно меньше, чем после прессования или вакуумфильтрования, даже если в последних двух случаях осадок продут воздухом. После центрифугирования остается 40 ÷ 60 % от количества жидкости, содержащейся в осадке после фильтрования. Остается жидкость, которая удерживается исключительно капиллярными и молекулярными силами. При повышении скорости вращения ротора в некоторых случаях остаточная влажность снижается очень незначительно, а в других - на очень значительную величину.
Максимальное значение коэффициента разделения Кр ограничивается тем, что напряжение давления жидкости на стенки ротора центрифуги возрастает быстрее, чем величина центробежной силы:
P = 1,36·10-3 n2 ж (Dp2 - Dвн2), [кг.с / см2],
где P - давление жидкости на стенки ротора; n - число оборотов ротора в минуту; ж - плотность жидкости; Dр - диаметр ротора, см; Dвн - внутренний диаметр слоя жидкости, см.
Величина напряжений пропорциональна D2, а центробежная сила m∙2∙D/2 только диаметру в первой степени.
Поэтому трудно выработать конструкционный материал, который выдержал бы возрастающее давление жидкости.
Контрольные вопросы
В каких аппаратах при сгущении материала используется центробежная сила?
Почему скорость осаждения частицы под действием центробежной силы не достигает предельного значения?
Какая величина при центробежном обезвоживании выполняет роль ускорения свободного падения и какие выводы можно из данного факта сделать?
Что понимают под фактором разделения при центробежном обезвоживании?
Напишите закон Ньютона, которым определяется сила сопротивления при движении частиц в жидкости?
При центробежном фильтровании довольно часто наблюдается увеличением числа Re. Как это явление сказывается на эффективности работы центрифуги и почему?
При каком процессе (центрифугирование или отстаивание) наблюдается наиболее полное обезвоживание материала и почему?
На каком расстоянии от центра ротора центрифуги находится жидкость при центрифугировании?
Почему величину фактора разделения необходимо относить к среднему диаметру (D-h)?
Как определить граничный диаметр частиц уходящих в слив при центрифугировании?