Разделение жидких систем

Материальный баланс процесса разделения

Введем обозначения:

G_см , G_осв , G_ос – количество исходной смеси, осветленной жидкости и получаемого осадка, кг;

х_см , х_осв , х_ос – содержание дисперсной фазы в исходной смеси, осветленной жидкости и осадке, массовые доли, кг а/кг (а+b).

При отсутствии потерь вещества в процессе разделения уравнения материального баланса имеют вид:

по общему количеству веществ

(1)

по дисперсной фазе

(2)

Совместное решение уравнений (1) и (2) позволяет определить:

Отстаивание

Скорость стесненного осаждения. Отстойники.

Опыт показывает, что при отстаивании наблюдается постепенное увеличение концентрации диспергированных частиц в аппарате по направлению сверху вниз.

1 – слой осадка (шлама); 2 – зона сгущенной суспензии; 3 – зона свободного осаждения (коллективное); 4 – осветленная жидкость.

В начале осаждаются более крупные частицы, вызывающие наиболее интенсивное обратное движение жидкости. Однако по мере уменьшения концентрации этих частиц тормозящее влияние обратного тока жидкости ослабевает и скорость отстаивания возрастает (аb) до момента установления динамического равновесия между действующей силой (весом) и силой сопротивления среды. В последующий период совместного осаждения частиц происходит с постоянной скоростью (bс). Завершающая и наиболее медленная стадия процесса – уплотнение осадка. Частицы располагаются настолько близко друг от друга, что вытеснение жидкости становится все более затруднительным – здесь происходит уменьшение скорости осаждения (сd).

Различают аппараты периодического, непрерывного и полунепрерывного действия.

Периодически действующие отстойники представляют собой низкие бассейны без перемешивающих устройств. После того как произойдет разделение слой осветленной жидкости декантируют, т.е. сливают через сифонную трубку или краны, расположенные выше уровня осевшего осадка. Размеры и форма аппаратов зависят от концентрации диспергированной фазы и размеров ее частиц (крупные частицы – меньше диаметр, скорость осаждения обратно пропорциональна вязкости, которая уменьшается с увеличением температуры) коническое днище.

Полунепрерывный способ – жидкость поступает и удаляется непрерывно, а осадок выгружается из аппарата периодически – бетонные бассейны.

Отстойники полунепрерывного действия с наклонными перегородками

1 – штуцер для ввода исходной суспензии; 2 – корпус; 3 – наклонные перегородки, которые увеличивают время пребывания жидкости и поверхность осаждения в аппарате; 4 – бункера для осадка; 5 – штуцер для непрерывного отвода осветленной жидкости.

Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой

1 – корпус; 2 – кольцевой желоб; 3 – мешалка; 4 – лопасти с гребками; 5 – труба для подачи исходной суспензии; 6 – штуцер для вывода осветленной жидкости; 7 – разгрузочное устройство для осадка; 8 – электродвигатель.

Мешалка делает 0,015 до 0,5 об/мин. Осадок – текучая сгущенная суспензия (с концентрацией твердой фазы 35 – 55%) удаляется с помощью диафрагмового насоса. Осадок направляется во второй отстойник для отмывки водой и последующего отстаивания. Осадок, полученный во втором аппарате, будет содержать такое же количество жидкости, что и осадок в первом отстойнике, но уже значительно разбавленный водой. При наличии нескольких последовательно соединенных отстойников можно удалить из осадка до 97 –

98 % жидкости.

Схема непрерывной противоточной отмывки осадка от жидкости

Гребковые отстойники обладают следующими достоинствами: большая производительность (иногда 3000 т/сутки осадка), равномерная плотность осадка, обеспечивается более эффективное обезвоживание осадка. К недостаткам можно отнести их громоздкость (d = от 1,8 до 30м, иногда 100м).

Многоярусные отстойники (закрытого и сбалансированного типа)

1 – распределитель исходной смеси; 2 – труба – стакан для ввода суспензии в каждый ярус; 3 – коллектор для сбора осветленной жидкости; 4 – сборник осадка.

В местах прохода вала сквозь днище каждого отстойника установлены уплотняющие сальники.

Отстойники проектируются в расчете на осаждение самых мелких частиц, находящихся в исходной смеси.

Пусть за время τ (сек) суспензия разделяется на слой сгущенной суспензии и слой осветленной жидкости высотой h (м). При поверхности осаждения F (м²) объем осветленной жидкости, получаемой в единицу времени, V_осв (м³/сек):

(1)

За то же время частицы, осаждающиеся со скоростью ω_ст , должны проходить путь h (м):

(2)

Подставив (2) в (1) получим:

Производительность отстойника зависит от скорости и поверхности осаждения.

Высота отстойника – 1,8 – 4,5 м.

Необходимую поверхность осаждения находим из выражения:

(3)

, тогда: (4)

Фильтрование

При этом суспензия разделяется на чистый фильтрат и влажный осадок.

Разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки создают разными способами, в результате чего осуществляют различные процессы фильтрования.

Если пространство над суспензией сообщают с источником сжатого газа или пространство под фильтровальной перегородкой присоединяют к источнику вакуума, то происходит процесс фильтрования при постоянной разности давлений.

Если суспензию подают на фильтр поршневым насосом, производительность которого при данном числе оборотов электродвигателя постоянная, то осуществляется процесс фильтрования при постоянной скорости.

Если суспензию транспортируют на фильтр центробежным насосом, производительность которого при данном числе оборотов электродвигателя уменьшается при возрастании сопротивления, осадка, что обуславливает повышение разности давлений, то производится процесс фильтрования при переменных разности давлений и скорости.

Процесс фильтрования может идти: с образованием осадка, с закупориванием пор, промежуточный вид.

При разделении суспензий с небольшой концентрацией тонкодисперсной твердой фазы часто применяют фильтровальные вспомогательные материалы: перлит, диатомит, асбест, целлюлозу, древесную муку (не более 50 мм).

Осадки, получаемые на фильтровальной перегородке при разделении суспензий, подразделяют на несжимаемые и сжимаемые. Под несжимаемыми понимают такие осадки, в которых пористость, т.е. отношение объема пор к объему осадка, не уменьшается при увеличении разности давлений (неорганические вещества размером более 100 мкм) (к сильно сжимаемым относятся осадки гидратов окисей металлов – алюминия, меди).

Промывка, продувка и сушка осадка.

Промывку выполняют двумя способами – вытеснения и разбавления.

Продувка. Часть жидкости из пор до достижения равновесной влажности.

Сушка – получить осадок с окончательной влажностью менее равновесной.

Уравнения фильтрования

Скорость процесса пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению. Т.к. в процессе фильтрования значения разности давлений и гидравлического сопротивления мешаются, то переменную скорость фильтрования (м/сек) выражают в дифференциальной форме:

где V – объем фильтрата, м³;

S – поверхность фильтрования, м²;

Δр – разность давлений, Н/м²;

μ – вязкость жидкой фазы суспензии, Н·сек/м².

где r₀ – удельное объемное сопротивление слоя осадка, м^-2, характеризует сопротивление, оказываемое потоку жидкой фазы равномерным слоем осадка толщиной 1м;

х₀ – отношение объема осадка и объему фильтрата.

и то, что равномерного слоя осадка по перегородке:

таким образом, удельное сопротивление осадка численно равно разности давлений, необходимой для того, чтобы жидкая фаза с вязкостью 1Н·сек/м² фильтровалась со скоростью 1м/сек сквозь слой осадка толщиной 1м.

V = 0 в начале

Уравнение фильтрования при постоянной разности давлений, Δp = сonst:

Уравнение фильтрования при постоянной скорости процесса, W = const:

Уравнение фильтрования при постоянных разности давлений и скорости:

Если чистая жидкость фильтруется через слой осадка постоянной толщины.

Определение постоянных в уравнениях фильтрования. Преобразуя уравнение фильтрования при постоянной разности давлений:

(3)

где (1)

(2)

При Δp = const и t = const все величины входящие в правые части равенства (1) и (2) постоянны.

Тогда выражение (3) является уравнением прямой линии, наклоненной к горизонтальной оси под углом, тангенс которого равен М, и отсекающей на оси ординат отрезок N.

+++++++++++++++ +++++++++++++++++++ +++++++++++

Направление фильтрования

Взаимные направления действия силы тяжести и движения фильтрата в фильтрах

а – направления совпадают; б – направления противоположны; в – направления перпендикулярны; сплошные стрелки – направление действия силы тяжести; пунктирные стрелки – направление движения фильтрата; 1 – фильтровальная перегородка; 2 – осадок; 3 – суспензия; 4 – фильтрат; 5 – чистая жидкость.

Уравнение при ΔP = const

Т_фильт = const, все величины за исключением V и τ постоянны.

Проинтегрируем:

или

Разделим обе части уравнения на

Из уравнения следует, что по мере увеличения объема фильтрата, а следовательно, и продолжительности фильтрования скорость фильтрования уменьшается.

+++++++++++++++ +++++++++++++++++++ +++++++++++