Контрольные вопросы

1. Что такое процесс фильтрования?

2. На какие виды по характеру процесса можно подразделить процесс фильтрования?

3. Какие виды осадков можно наблюдать при проведении процесса фильтрования?

4. Какие материалы образуют практически несжимаемые осадки?

5. Какие материалы образуют сильно сжимаемые осадки?

6. Чему способствуют вспомогательные вещества, используемые при фильтровании?

7. Какими параметрами определяется скорость течения жидкости через пористый слой?

8. Какой режим течения жидкости обычно наблюдается при фильтровании?

9. Как можно определить коэффициент сопротивления жидкости процессу фильтрования?

10. Как меняется гидравлическое сопротивление осадка в течение процесса фильтрования?

11. При каких допущениях можно проинтегрировать дифференциальное уравнение фильтрования?

12. Из каких операций состоит цикл работы периодического действия?

13. Какими свойствами должна обладать фильтровальная перегородка?

14. Какие параметры существенны при выборе фильтра?

15. Как меняется скорость фильтрования от времени?

16. В чем заключается процесс центробежного фильтрования?

17. Какой процесс является более эффективным - просто фильтрование, или центробежное фильтрование?

18. Какие параметры служат ограничением для широкого внедрения центробежного фильтрования?

19. Как связана влажность осадка с временем фильтрования; с временем центробежного фильтрования?

20. Как влияет температура окружающей среды на скорость фильтрования? Ответ обосновать.

Глава 6. Агрегирование

6.1. Теория процесса агрегирования. Механизмы встреч частиц друг с другом. Понятие о расклинивающем давлении Теория процесса агрегации

В реальном процессе сгущения частицы менее 5 микрон частично уходят со сливом. Чистого слива практически не бывает.

Осаждение суспензий, содержащих большое количество мелких частиц, ускоряет процесс агрегирования частиц, т.е. образование агрегатов, состоящих как из мелких частиц, так и крупных. Часто процессы агрегирования называют коагуляцией и флокуляцией.

В дальнейшем этим понятиям дадим четкие определения.

Процесс образования флокул, состоит из двух последовательных стадий - соударения, или встречи частиц друг с другом, и прилипания. Не каждое соударение частиц друг с другом приводит к прилипанию.

Число соударений, или встреч, определяется гидродинамическим режимом перемещения суспензии, а доля прилипших частиц друг к другу, или эффективность встреч, - поверхностными силами.

Необходимо отметить, что такое разграничение в некоторой степени условно, так как поверхностные силы в зоне их действия способствуют соударению, а механические силы, возникающие при перемешивании, разрушают флокулы, т.е. уменьшают эффективность встреч.

Однако такое последовательное рассмотрение позволяет выявить основные закономерности агрегирования частиц.

Два механизма соударения или встречи частиц

В зависимости от гидродинамического режима течения пульпы и соотношения размеров соударяющихся частиц различают механизмы встреч: инерционный и диффузионный. Диффузионный механизм встреч, в свою очередь, делится на молекулярно- и турбулентно- диффузионные.

Чтобы четко представить различия в механизме встреч частиц друг с другом, полидисперсную суспензию условно представляют состоящей как бы из частиц только двух сортов - мелких и крупных. Мелкими частицами называют такие, которые подвержены хаотическому движению под влиянием тепловой энергии (kТ) или турбулентному перемешиванию. Такие частицы не имеют собственных траекторий движения относительно жидкости. Крупными частицами называют такие, которые имеют собственные траектории относительно жидкости за счет сил инерции.

Коллоидные частицы могут быть распределены по всему объему жидкости даже без перемешивания за счет броуновского движения или молекулярной диффузии.

Величина произвольного смещения частицы Х за время t за счет броуновского движения определяется по закону Эйнштейна-Смолуховского.

,

где - коэффициент диффузии, равный

,

где k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; r - радиус частиц; - вязкость (паузы);C - поправка Кеннигема, учитывающая повышение подвижности частиц при очень малых размерах, соизмеримых с длиной свободного пробега газовых молекул, С = (1+0,86 10^-5/r).

Для частиц менее 0,1 микрона скорость осаждения по закону Стокса составит порядка 1·10^-6 см/с, а смещение Х - 1·10^-5 см/с, т.е. броуновское движение не дает осесть частицам такого размера.

В хаотическом движении, аналогичном броуновскому, находятся мелкие частицы при турбулентном режиме перемешивания суспензии. Частицы, диаметр которых меньше внутреннего масштаба турбулентных пульсаций , полностью увлекаются турбулентными пульсациями

,

где l - диаметр камеры, в которой перемешивается суспензия; R - радиус импеллера; n - число оборотов импеллера;

,

где μ - кинематическая вязкость и ρ₀ - плотность жидкости.

Внутренний масштаб турбулентности - это средний размер объема жидкости, который совершает беспорядочное движение. Частицы диаметром , находящиеся в турбулентном потоке, так же, как и коллоидные, условно называют мелкими. Частицы больших размеров, которые имеют собственные траектории относительно жидкости, называют крупными.

Мелкие частицы могут сталкиваться друг с другом только за счет диффузионного механизма. Мелкие с крупными сталкиваются за счет инерционного и диффузионного механизмов. Крупные с крупными - только по инерционному механизму.

Относительное значение обоих механизмов при различном гидродинамическом режиме можно оценить по формуле

,

где и - средний радиус частиц и их удельная масса.

Расчеты показывают, что число соударений, обусловленных инерционным механизмом (N_инер), может быть в десятки и сотни раз больше, чем за счет диффузионного механизма (N_диф). Поэтому полидисперсные суспензии должны агрегироваться быстрее, чем суспензии, состоящие только из мелких частиц.