ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

Осаждение тяжелых частиц в жидкости или газе — это разделе­ние неоднородной системы по признаку различия плотностей. Процесс заключается в опускании более плотных частиц на твердые ограничивающие поверхности или во всплывании менее плотных частиц на зеркало жидкой дисперсионной среды под действием массовых сил: тяжести или инерции. Теоретической основой процесса осаждения служат закономерности движения сферических частиц в вязкой среде. Эти закономерности получают либо интегрированием уравнений Стокса движения вязкой несжимаемой среды, либо путем выявления критериальных зависимостей, описывающих явление, и экспериментального определения связей между входящими в них критериальными комплексами. Интегрирование уравнений Стокса для таких движений встречается с трудностями, связанными с их нелинейностью. Упрощения в виде приближенной линеаризации связаны с необходимостью последующих экспериментальных уточнений.

Физическая картина осаждения твердых частиц в жидкости такова. Под действием массовых сил (тяжести или центробежных инерционных) частицы преодолевают сопротивление среды и приобретают ускорение в направлении действия этих сил. По мере увеличения скорости возрастает и сопротивление движению частиц вследствие наличия вязкости и скоростного напора обтекающей среды. Когда силы, вызывающие осаждение, уравновешиваются силами сопротивления, скорость движения принимает постоянное и при этом максимальное значение.

В процессе осаждения на частицу сферической формы действует сила тяжести (Н)

G = m₄g,

где т_ч — масса частицы, кг; g — ускорение свободного падения; g = 9,8 м/с².

Масса частицы (кг)

m_ч = V_чр_ч,

где V, — объем частицы, м³; р_ч — плотность частицы, кг/м³.

Выражение для силы G имеет вид

D = (πD³/6)р_чg,

где D — диаметр сферической частицы.

Подъемную силу (Н), действующую на сферическую частицу, погруженную в среду (жидкость), рассчитывают аналогичным способом:

А =m_cg,

где m_с — масса вытесненной жидкости, кг;

т_с =(πD³/6)g,

где р_с — плотность среды, в которой осаждается частица, кг/м³.

Таким образом,

А = (πD³/6)р_чg

Сила Р = G — A заставляет частицу осаждаться:

Р=(πD³/6) (р_ч-р_с)g

Сила Р(Н) расходуется на преодоление силы трения R и на создание ускорения движения а:

P=R + та.

Сила R (Н) определяется по закону Ньютона:

R=ξF(ρ_cw²/2)

где ξ— коэффициент сопротивления среды; F— площадь миделевого сечения частицы, м²; w — скорость осаждения, м/с.

Приведенные выражения применяют не только для расчета скорости осаждения твердых частиц, но и для вычислений скорости движения пузырьков газа в жидкости и капель в газе.

Процесс осаждения твердых частиц используют в практических целях для разделения пылей и суспензий, а также для разделения твердых частиц по фракциям (размеру, плотности). В лабораторной практике этот процесс применяют для определения геометрических размеров осаждаемых частиц или физических констант, входящих в выражения для скорости осаждения.

Если форма осаждающихся частиц отличается от сферической, сопротивление их движению возрастает, а скорость уменьшается в' соответствии с поправочным коэффициентом ф, т. е. V₁ = φv. Значения коэффициента φ в зависимости от формы частиц приведены ниже:

Округлая 0,77

Угловатая 0,66

Продолговатая 0,58 Пластинчатая 0,43