Естественное осаждение

Для разделения суспензий, содержащих сравнительно круп­ные частицы (часто — сотые доли миллиметра), в случае невы­сокой вязкости жидкости и не очень малой разности плотностей твердых частиц и жидкости применяется естественноеосажде­ние — процесс осуществляется в поле сил тяжести под действи­ем движущей силы, базирующейся на величине (р_т — p)g, т.е. на разности удельных (приходящихся на 1 м^г) сил — тяжести и выталкивающей (архимедовой). Дело в том, что такая система характеризуется большими значениями критерия Архимеда; это приводит, соответственно формуле (2.75), к достаточно высоким величинам Re_c и скоростей стесненного осаждения vv_c, значит, и к приемлемым производительностям процесса.

Сущность процесса естественного осаждения ясна из рис.5.2, а. Примем для простоты, что исходная суспензия / содержит твердые частицы одинакового размера. Первоначально (ситуация А) суспензия заполняет вертикальный сосуд. Спустя некоторый промежуток времени (ситуация Б) в результате осаж­дения твердых частиц в сосуде образуются (рассматривается наиболее часто встречающийся случай р_т > р) слой осветленной жидкости // и осадок ///, между которыми расположена зона / еще не разделившейся суспензии. Наконец, через определенное время (ситуация В) в сосуде остаются лишь две зоны — //и ///, занятые соответственно осветленной жидкостью и осадком, — процесс осаждения завершен.

На рис. показан промежуточный момент (ср. с положе­нием Б на рис. , а) при разделении суспензии, содержащей твердые частицы двух разных размеров (в общем случае — и плотности). Здесь зона неразделенной суспензии состоит из двух областей, содержащих преимущественно медленно осажда-

Puc.. Простейшие отстойники:

я — вертикальный отстойник периодического действия, б — вертикальный отстойник непрерывного действия, е — горизонтальный отстойник непрерывного действия (схемы аппарата и процесса);

/ — цилиндрический корпус отстойника, 2 — коническое днище, 3 — патрубок для от­вода осадка, 4 — транспортирующее устройство (в, с, ш — ось вала, скребки, штанга), 5 — патрубок для отвода осветленной жидкости, 6 — патрубок для подачи исходной суспензии, 7 — круговой порог, 8 — кольцевой карман, 9 — штуцер для отвода осветленной жидкости, 10 — прямоугольный корпус отстойника;

/ — исходная суспензия, // — осветленная жидкость, /// — осадок быстрее оседающие крупные (/к) части­цы. Разумеется, если разделяется полидисперсная суспензия с широким набором непрерывно изменяющихся размеров частиц, то граница между областями становится размытой или даже просто исчезает (остается плавное распределение частиц по раз­мерам в промежуточной зоне осаждения).

Осадительные аппараты — отстойники— могут работать периодически или непрерывно, причем непрерывные отстойники могут быть вертикальными и горизонтальными.

Вертикальный отстойник периодического действияпоказан на рис., а. Он представляет собой цилиндр 1, переходящий внизу в коническое днище 2 с большим углом в вершине. Устье конуса заканчивается патрубком 3 для отвода осадка. Перемещение осадка к устью конуса (к патрубку 3) осуществляется с помощью размещенного в отстойнике транспортирующего устройства 4: вал 4в со штангами 4ш (обычно числом 4-6; они расположены по хордам, несколько сме­щенным относительно диаметра отстойника). Штанги снабжены снизу скошен­ными скребками 4с. При включении это устройство медленно вращается, пере­мещая образовавшийся осадок к отводящему патрубку 3. На образующей цилинд­ра 1 по его высоте размещено несколько патрубков 5 с задвижками для вывода осветленной жидкости с требуемого уровня.

Отстойник работает циклично. В него загружается исходная суспензия /; через определенное время происходит ее разделение на слой осветленной жидкости // и осадок ///. Жидкость сливают через соответствующий патрубок 5 (ситуации на рисунке отвечает работа патрубка, выделенного жирной стрелкой). Далее вклю­чают транспортирующее устройство и выгружают из отстойника осадок. Затем останавливают это устройство, и цикл повторяется.

С рассмотренным выше сходен по устройству вертикальный отстойник не­прерывного действия,показанный на рис. 5.4, б. Только исходная суспензия / подается в отстойник непрерывно - через патрубок 6, а осветленная жидкость // переливается через кольцевой порог 7, попадает в скошенный кольцевой карман 8 и выводится (тоже непрерывно) через штуцер 9. Осадок /// может отводиться пе­риодически или непрерывно:

- при низкой концентрации ТМ в исходной суспензии осадок накапливается медленно, поэтому транспортирующее устройство 4 включается по мере накопления осадка на короткое время;

- при высокой концентрации ТМ в исходной суспензии быстрее накапливающийся осадок отводится с помощью непрерывно работающего транспортирующего устройства.

На рис.. в, г показана (в изометрии и на виде сбоку) схема работы горизонтального отстойника непрерывного действия.Исходная суспензия / поступает в прямоугольный отстойник 10 с левого (на схеме) торца В ходе ее движения вдоль от­стойника происходит постепенное выпадение твердых частиц на его дно и осветление жидкости. При достаточной продолжительности пребывания потока суспензии в от­стойнике ее разделение на осветленную жидкость // и осадок /// будет достаточно полным. Осветленная жидкость выводится из отстойника через штуцер 9 (на рис. 5.4, б - с правого торца). Осадок по мере накопления удаляется из аппарата - чаще всего с помощью специального механического устройства (на рисунке не показано).

Основныецели технологического расчета отстойниковзаключаются в выявлении связи характеристик суспензии и производи­тельности (а¹, а, V или V, либо V или V]) с его основными геометрическими размерами, а в случае периодического процесса - еще и с его продолжительностью.

Вертикальный отстойник периодического действия.В отстой­нике (рис. 5.4, а) площадью поперечного сечения 5 (ее часто называют площадью осаждения) в ходе процесса осаждения образуется свобод­ный от твердых частиц слой осветленной жидкости объемом У_ж = Vi = SH_X, где Я_ж - высота этого слоя. При порозности (объемной доле жидкости) исходной суспензии е' [определяется из (5.1) при а = а'] и ее объеме V_c очевидно: V = V_c e', так что V_c = We'. Объем твердого материала в суспензии

-2-

Кавитация и гомогенизация относятся к специальным способам перемешивания сред. Особенностью этих процессов является получение гомогенной смеси со структурой ячеек в масштабе нескольких микрометров.

Явление кавитации применяется для смешивания маловязких жидких сред за счет создания сверхтурбулентного режима течения, осуществляемого за счет установки ограничивающих движение отражателей (Рис. 1). Это позволяет получить критерий Рейнольдса порядка 10⁶ при скорости течения среды в зазоре свыше 30 м/с. Получение более высоких скоростей и значения критерия Рейнольдса достигается заменой отражателя пропеллерным или турбинным комплексом, в котором каждый из рабочих орга
нов вращается с различной скоростью в противоположные стороны.

Согласно уравнению Бернулли явление кавитации описывается изменением гидродинамического напора:

(1)

Учитывая незначительное расхождение плотностей перемешиваемых масс уравнение можно привести к следующему виду:

(2)

где u₁, u₂ – скорости исходных жидких сред;

u₃ – скорость движения смеси в зазоре.

Гомогенизация обладает более широкими возможностями и классифицируется по трем физическим явлениям:

1. Коллоидное дробление в дезинтеграторах.

2. Гидравлическое перемешивание в струйных аппаратах.

3. Распространение ультразвуковых волн в среде.

Дезинтеграторы могут быть использованы практически для всех вязко-пластичных тел с достаточной формоудерживающей способностью и низкими показателями липкости. В результате их применение распространено при производстве детского питания на мясной и мясоовощной основе.

Струйные гомогенизаторы, как и кавитационные аппараты, предназначены для получения жидких и маловязких гомогенных смесей на молочной и водо-жировой основе. В отличие от кавитационных аппаратов работа струйных гомогенизаторов, подчиняясь закону Бернулли, основана на явлении гидравлического удара, то есть мгновенном переходе кинетической энергии движущегося тела в потенциальную энергию покоя. Это означает, что смешивание компонентов системы происходит на макромолекулярном уровне раздробленных частиц.

Ультразвуковые гомогенизаторы создают местные высокочастотные колебания жидкой среды от внешних механических или электромагнитных источников. Работа данных аппаратов направлена на разрушение конгломератов частиц дисперсной фазы.

Для осаждения твердых частиц из суспензий используется оборудование седиментативного или гравитационного осаждения периодического, полунепрерывного (лоткового) и непрерывного (многоярусного) действия (Рис. 2).

Осаждение в поле центробежных сил применяют для ускорения разделения суспензий, эмульсий и дымов, что достигается превышением создаваемого ускорения над ускорением свободного падения. Это превышение характеризуется показателем, называемым фактором разделения, значение которого достигает 3000 единиц для осадительных центрифуг и нескольких десятков тысяч – для ультрацентрифуг и разделительных сепараторов.

Осадительное оборудование центробежного действия по режиму работы классифицируют на устройства периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Устройства периодического действия характеризуются однократной загрузкой продукта и сливом декантата с выгрузкой осадка после окончания работы, полунепрерывного – непрерывной загрузкой исходного продукта и выводом декантата при пульсирующей самопроизвольной выгрузке осадка. Наибольший интерес вызывают устройства непрерывного действия, позволяющие не только вести процесс выгрузки осадка непрерывно, но и регулировать этот процесс при разделении осадка на фракции. Процесс разделения осадка на фракции носит название сепарирования. Соответственно, по назначению осадительное оборудование делится на осадительное и сепарирующее.

К осадительному оборудованию относят осадительные центрифуги (Рис.3), осадительные тарелочные сепараторы и гидроциклоны (Рис. 4). К разделительному оборудованию относят ультрацентрифуги, камерные сепараторы (Рис. 5) и разделительные тарелочные сепараторы (Рис. 6).

Кинетика работы осадительного оборудования согласуется с теорией Стокса для нестационарного движения, а величина силы, воздействующей на частицу, определяется частотой вращения барабана, его радиусом и реологическими характеристиками разделяемых компонентов системы. Так при расчете осадительного оборудования основной рабочей характеристикой принимают работу, расходуемую на разгон барабана и разделение системы на компоненты:

где т – масса осаждаемой частицы;

r, r₀ – радиусы барабана и вала;

h – высота рабочей части барабана;

w – угловая скорость вращения барабана;

r – плотность исходного продукта.

При сепарировании продукта вводится поправка на разность плотностей разделяемых компонентов, выражаемая в расчете разделительных радиусов, то есть тех радиусов, при которых возможно получение фракций с заданной плотностью:

(6)

Данный расчет позволяет определить энергетические затраты на процесс, по которым можно судить о «мягкости» его режимов и, следовательно, степени воздействия на продукт.

(7)

где t, t₀ – продолжительность разгона барабана и продолжительность разделения компонентов системы;

h – коэффициент потерь энергии на создание потоков продукта в рабочей зоне.