Гидромеханические процессы.

Неоднородные системы и методы их разделения.

Неоднородная сис-ма - сис-ма, состоящая из 2х фаз. Любая неодн. сис-ма состоит более чем из двух фаз. Одна фаза - дисперсная (внутренняя) - находится в мелкодисперсном: состоянии; другая - дисперсионная (внешняя) - является сплошной и окружает отдельные частицы дисперсной фазы и представляет собой среду, в которой распределены частицы дисперсной фазы.

В зависимости от физического состояния фаз различают след, неодн. сис-мы:

неоднородная система	дисперсионная фаза	дисперсная фаза
пыль	газ	частицы 5-50 мкм
дым	газ	частицы 0,3-0,5 мкм
туман	газ	жидкость

Системы, состоящие из таких частиц или жидкостей, взвешенных в газообразной среде носят общее название аэрозоли.

неоднородная система	дисперсионная фаза	дисперсная фаза
эмульсия	жидкость	жидкость не растворяющаяся в дисперсной фазе
суспензия	жидкость	взвешенные тв. частицы
пена	жидкость	газ

Выбор метода разделения неодн. сис-мы зависит главным образом от размеров взвешенных частиц и бывают (методы):

1. осаждение

2. фильтрация

3. мокрое разделение.

Осаждение - применяют для пылей и суспензий, происходит под действием силы тяжести, инерции (центробежные), электростатических сил и звуковых волн.

Фильтрование - для разделения суспензий и тонких пылей, осуществляется под действием сил давления или центробежных (центрифугирование).

Мокрое разделение - применяется для очистки газов.

Материальный баланс разделения.

Рассмотрим материальный баланс разделения суспензий, как наиболее распространенного процесса разделения жидких неоднородных систем.

Пусть - кол-во разделяемой суспензии (кг), - весовая доля тв. фазы в суспензии. В результате разделения получаем осадок в количестве (кг) с содержанием тв. фазы х₂ и влажностью , и жидкость, кол-во которой равно (кг).

Уравнение материального баланса:

для всей системы:

(8)

для твердой фазы:

(9)

(10)

Лекция №2-2 часа

Отстаивание и осаждение

Отстаивание под действием гравитационного поля

Отстаивание — это частный случай разделения неоднородных жидких или газообразных систем в результате выделения твердых или жидких частиц под действием гравитационной силы. Применяют отстаивание при грубом разделении суспензий, эмульсий и пылей. Этот способ разделения характеризуется низкой скоростью процесса. Отстаиванием не удается полностью разделить неоднородную смесь на дисперсную и дисперсионную фазы. Однако простое аппаратурное оформление процесса и низкие энергетические затраты определили широкое применение его в пищевой и в смежных отраслях промышленности.

Отстаивание проводят в аппаратах различных конструкций, называемых отстойниками.

При отстаивании должны соблюдаться следующие условия: 1) продолжительность пребывания разделяемого потока в аппарате должна быть равна или больше времени осаждения частиц; 2) линейная скорость потока должна быть меньше скорости осаждения. При нарушении 1 условия частицы не успевают выделиться и осесть в аппарате, при нарушении 2-го - возникающие вихревые потоки взмучивают и уносят осаждающиеся частицы из отстойника.

Рассмотрим работу отстойника (Рис 7.1). В прямоугольный отстойник с размерами камеры l,h,b поступает на разделение неоднородная смесь c линейной скоростью .При движении суспензии в отстойнике происходит отстаивание: твердые частицы оседают на дно, образуя слой осадка. Отстойники рассчитывают на отстаивание самых мелких частиц.

Установим связь между производительностью отстойника и его размерами.

Рабочий объем отстойника , где — секундная производительность отстойника, м^З/с; — средняя продолжительность отстаивания частиц, с. Последняя связана со средней скоростью отстаивания частиц соотношением

Удельная производительность отстойника:

(11)

т е. она равна произведению площади отстаивания ( ) на скорость отстаивания. Скорость отстаивания определяется в зависимости от режима по формуле:

(12)

где: - число Рейнольдса, - вязкость жидкости, - плотность жидкости.

Продолжительность отстаивания можно сократить, если уменьшить высоту слоя жидкости (путь отстаивания). Это условие реализовано в конструкциях многоярусных отстойников в тарельчатых сепараторах.

Если задана производительность отстойника, то из уравнения (11) можно определить площадь поверхности отстаивания:

(13)

Эффективность работы отстойника может быть увеличена посредством уменьшения пути отстаивания частиц, т. е. высоты слоя жидкости . Это условие реализовано в многоярусных отстойниках.

Осаждение под действием центробежной силы

С целью интенсификации разделения пылей, суспензий и эмульсий процесс осаждения проводят под действием центробежной силы.

Для создания поля центробежных сил используют два технических приема: поток жидкости или газа вращается в неподвижном аппарате; поток поступает во вращающийся аппарат и вращается вместе с ним. В первом случае процесс называется циклонным, а аппарат - циклоном, во втором - отстойным центрифугированием, а аппарат - отстойной центрифугой или сепаратором.

Во вращающемся потоке на взвешенную частицу действует центробежная сила, под действием которой частица движется от центра к стенке аппарата со скоростью, равной скорости осаждения. Центробежная сила:

(14)

где — масса частицы, кг; - окружная скорость вращения, м/с; —радиус вращения, м.

Окружная скорость вращения , где — угловая скорость вращения, рад/с; — частота вращения, мин ^-1 (об/мин).

Сравним эффективность разделения под действием силы тяжести и центробежной силы. В гравитационных отстойниках на частицу действует сила тяжести:

(15)

Из сопоставления уравнений (14) и (15) получим:

(16)

Величина носит название фактора разделения.

Эффективность разделения в поле центробежных сил повышается с увеличением частоты вращения ротора центрифуги и уменьшением его диаметра. Выразив окружную скорость вращения через частоту вращения, получим

Фактор разделения является важной характеристикой центрифуги, определяющей ее разделяющую способность.

Процесс разделения суспензий в отстойных центрифугах складывается из стадий осаждения твердых частиц на стенках барабана и уплотнения осадка.

Производительность осадительных центрифуг на практике ниже, чем полученная расчетным путем, так как, во-первых, производительность центрифуг снижается из-за отставания скорости вращения частиц жидкости от скорости вращения ротора центрифуги; во-вторых, из-за неравномерного течения жидкости вдоль ротора осадившиеся частицы смываются с его стенок; в-третьих, образующиеся вихревые потоки взмучивают частицы.

Коэффициент эффективности отстойных центрифуг учитывает снижение действительной производительности по сравнению с расчетной , где — действительная производительность; —расчетная производительность.

Коэффициент эффективности для каждой конкретной конструкции центрифуг определяется опытным путем.

Оборудование для отстаивания и осаждения (самостоятельно-5 часов Г.Д Кавецкий с. 127-139)