Разделение жидких и газовых неоднородных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Разделение жидких и газовых неоднородных систем

В химических производствах многие процессы приводят к образованию неоднородных смесей, которые в дальнейшем подлежат разделению. Разделение может преследовать различные цели - очистку газовой или жидкой фазы от взвешенных веществ.

Неоднородными или гетерогенными называются системы, состоящие из двух или более фаз. Любая неоднородная бинарная система состоит из двух фаз: внутренней (дисперсной) фазы, находящейся в раздробленном состоянии в виде капель, пузырей, мелких твёрдых частиц и т.д. и внешней фазы (дисперсионной среды), окружающей частицы внутренней фазы.

1.1 Классификация неоднородных систем

В зависимости от физического состояния фаз различают: суспензии, эмульсии, пены, дымы, туманы.

Суспензии - гетерогенные системы, состоящие из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров твердых частиц, суспензии условно подразделяются на грубые (более 100 мкм ~ 0.1 мм), тонкие (0.5 - 100 мкм ~ от 0.0005 до 0.1 мм) и мути (0.1 - 0.5 мкм ~ 0.0001 - 0.0005 мм)

Переходная область между суспензиями и истинными растворами (гомогенные системы) занимают коллоидные растворы, в которых размеры частиц, находящихся в жидкости, являются средними между величинами молекул и взвесей.

Эмульсии - системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не смешивающейся с первой.

Под действием силы тяжести эмульсии расслаиваются. Однако, при незначительных размерах капель (менее 0.4 - 0.5 мкм) или при добавлении стабилизатора, эмульсии становятся устойчивыми и не расслаиваются в течение длительного времени. С увеличением концентрации дисперсной фазы появляется способность обращения (инверсии) фаз. В результате слияния (коалесценции) капель дисперсная фаза становится сплошной, т.е. в ней оказываются взвешенными частицы фазы, бывшей до этого внешней.

Пены - системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа. Эти газо-жидкостные системы по своим свойствам близки к эмульсиям.

Пыли и дымы - системы, состоящие из газа и распределенных в нем частиц твердого вещества. В пыли размер твёрдых частиц более 5 мкм, в дыме - менее 5 мкм. Пыль образуется при механическом распределении частиц в газе (при дроблении, смешивании и транспортировке твёрдых материалов и т.д.). Дым образуется при горении.

При образовании дисперсной фазы из частиц жидкости размером 0.3 - 5 мкм ( мм) возникают системы, называемые туманами.

Пыли, дымы, туманы носят общее название - аэрозоли.

В химической технологии широко распространены процессы, связанные с разделением жидких и газовых гетерогенных (неоднородных) систем. Выбор метода их разделения обусловлен размерами взвешенных частиц, разностью плотностей дисперсной и сплошной фаз, вязкостью сплошной фазы. Для разделения неоднородных систем в химической технологии используются процессы осаждения и фильтрования. Осаждение может протекать под действием силы тяжести (гравитационное осаждение) под действием центробежной силы (центробежное осаждение) и под действием сил электрического поля (электроосаждение). Центробежное осаждение делится на циклонный процесс и центрифугирование.

Дисперсную фазу принято характеризовать фракционным (дисперсным составом), т.е. процентным содержанием частиц различного размера. Фракционный состав определяют путем рассеиванием пробы на ситах, различающихся размерами отверстий.

В таблице 1 приведена классификация процессов разделения неоднородных систем по движущей силе.

Сила электриче-ского поля Газ-твердое Осаждение Электрофильтр

1.2 Осаждение

Гравитационное осаждение

Осаждением называется процесс разделения жидких и газовых неоднородных систем (суспензий, пылей) путём выделения твёрдых частиц. Осаждение под действием силы тяжести называется отстаиванием. В основном отстаивание применяется для предварительного грубого разделения неоднородных систем. Осаждение связано с движение твёрдых частиц в жидкости или газе.

Рассмотрим движение шарообразной частицы в неподвижной среде (рис. 1). При движении тела в жидкости или при обтекании его движущейся жидкостью возникают сопротивления для преодоления которых, а так же обеспечения равномерного движения тела должна быть затрачена определенная энергия. Величина возникающего сопротивления зависит от режима движения и формы обтекаемого тела.

Рис. 1 Действие сил на твердую частицу, движущуюся в неподвижной среде

Если шарообразная частица весом G будет падать под действием собственного веса, то скорость ее первоначально возрастет, однако с ростом скорости начнет увеличиваться и сопротивление движению частицы со стороны среды. Одновременно произойдет уменьшение ее ускорения и через короткий промежуток времени наступит динамическое равновесие - сила тяжести станет равна силе сопротивления среды, и частица начнет двигаться с постоянной скоростью - скоростью осаждения. Баланс сил в этом случае будет:

где - сила тяжести, равная весу частицы; - выталкивающая сила Архимеда, равная весу жидкости в объёме тела; - сила сопротивления среды.

;

;

,

где - диаметр частицы; - плотность среды; плотность твердой частицы; скорость осаждения; - коэффициент сопротивления среды (безразмерный).

В развернутом виде уравнение (2.1) примет вид:

откуда скорость осаждения будет равна:

Расчёт скорости осаждения по уравнению (2) затруднён, т.к. коэффициент сопротивления зависит от критерия Рейнольдса, в который входит неизвестная .

Критерий Рейнольдса для процесса осаждения рассчитывается по формуле: смесь суспензия гравитационный осаждение

Существуют три режима осаждения: ламинарный, переходный и турбулентный.

При ламинарном режиме осаждения (рис. 2 а) жидкость обтекает частицу плавно без образования вихрей. Скорость и размер частиц при этом небольшой, но велика вязкость среды. Энергия тратится только на преодоление сил трения. С увеличением скорости осаждения (при переходном режиме) в потоке все большую роль начинают играть силы инерции, которые приводят к отрыву пограничного слоя от поверхности тела, что способствует понижению давления за движущимся телом в непосредственной близости от него и образованию завихрений. При турбулентном режиме осаждения за частицей движется вихревой поток.

Рис. 2. Движение шарообразной частицы в жидкости.

При ламинарном режиме (область действия закона Стокса) Re<2, а . При переходном режиме , а . В случае турбулентного режима осаждения Re>500 и ).

При ламинарном режиме скорость осаждения определяют по формуле Стокса:

Значение зависит от Re, для оценки которого необходимо знать скорость осаждения.

Расчёт скорости осаждения начинают с определения критерия Архимеда при известном диаметре частиц d. В не входит скорость осаждения

Рассчитав , определяют режим осаждения. Зная зависимость между Рейнольдсом и Архимедом для данного режима находят критерий Рейнольдса и далее скорость осаждения: .

При ламинарном режиме Ar36, переходном 36Ar83000 и турбулентном - Ar>83000.

Зависимость между критериями и следующая:

Для ламинарного режима ,

Для переходного

Для турбулентного ,

где - коэффициент формы (или фактор), учитывающий отличие формы частицы от шара.

Для частиц неправильной формы скорость осаждения меньше, поэтому скорость, рассчитанную для шарообразной частицы, умножают на поправочный коэффициент ш, который < 1.

Все приведённые выше рассуждения справедливы, если осаждение не стеснённое (свободное), когда соседние частицы не оказывают влияния на движение друг друга. Свободное осаждение наблюдается в разбавленных суспензиях и газовых взвесях (при объёмной концентрации твердой фазы менее 5%) при отсутствии взаимного влияния частиц дисперсной фазы. Если концентрация частиц большая (стеснённое осаждение), то, осаждаясь, частицы соприкасаются друг с другом и сопротивление осаждению становится больше, чем для одиночной частицы. Вследствие этого скорость осаждения уменьшается. При стеснённом осаждении в рассчитанную скорость, вводят поправки, зависящие от концентрации суспензии. При ориентировочных расчётах действительную скорость осаждения принимают равной половине теоретической скорости осаждения одиночной шарообразной частицы.

Сущность отстаивания заключается в том, что пыль, суспензия пропускают через камеру, на дно которой под действием силы тяжести осаждаются взвешенные частицы.

При отстаивании должны соблюдаться два основных требования:

1. время пребывания элемента потока в аппарате должно быть больше или равно продолжительности осаждения частицы (в противном случае частицы не успевают осесть);

2. линейная скорость потока в аппарате должны быть значительно меньше скорости осаждения (в противном случае возникающие вихревые потоки поднимают осажденную частицу);

Аппараты для разделения неоднородных систем под действием силы тяжести

Осаждение твердых частиц под действием силы тяжести называется отстаиванием. Отстаивание, в основном, применяется для предварительного грубого разделения неоднородных систем.

Отстойники, применяемые в промышленности, подразделяются на три группы: для пылей, для суспензий и для эмульсий.

Простейшим отстойником для пылей (запыленных газов) является отстойный газоход.

Установка вертикальных перегородок в газоходе приводит к возникновению инерционных сил, что способствует процессу осаждения твердых частиц. Запыленный газ подается непрерывно, а пыль из бункеров выгружают периодически.

Известно, что производительность отстойников прямо пропорциональна

равномерному распределению газа между полками. Степень очистки в таких камерах невелика и составляет 30 - 40 %, причем частицы размером 5 мкм и меньше вообще не отделяются от газа.

Для разделения суспензий применяется непрерывно действующий отстойник с гребковой мешалкой 3 (рис. 5). Он представляет собой цилиндрический резервуар 1 с коническим днищем 2 и кольцевым желобом 4 вдоль верхнего края аппарата. В резервуаре установлена мешалка, снабженная гребками, которые непрерывно перемещают осадок (шлам) к центральному разгрузочному отверстию и одновременно слегка взбалтывают осадок, способствуя его обезвоживанию. Мешалка вращается медленно, не нарушая процесса осаждения. Осветленная жидкость переливается в кольцевой желоб и удаляется через штуцер. Осадок (шлам), представляющий собой сгущенную суспензию, удаляется через штуцер в днище.

На показан отстойник непрерывного действия для разделения эмульсии. Он представляет собой горизонтальный резервуар 1 с перфорированной перегородкой 2, которая предотвращает возмущение жидкости в отстойнике струей эмульсии, поступающей в аппарат, и равномерно распределяет поток по сечению отстойника. Расслоившиеся легкая и тяжелая фазы выводятся с противоположной стороны отстойника. Уровень раздела легкой и тяжелой жидкости поддерживается регулятором уровня или гидравлическим затвором 3 (сифон, «утка»).

Производительность отстойника

Рабочий объем камеры:

Vр = a·b·h = Vсек·ф0

ф0 = h / щ0

где а - длина осадительной камеры, м

b - ширина осадительной камеры, м

h - высота от точки входа до точки осаждения, м.

ф0 - длительность осаждения частицы, с

щ0 - скорость осаждения частицы, м/с

Vсек = a·b·щ0 - производительность камеры, м3/с

a·b = F - площадь осаждения

Vсек = F·щ0

Производительность отстойного аппарата равна произведению площади осаждения на скорость осаждения.

Размещено на Allbest.ru