1 Сепарационные процессы инженерной экологии Технологии дисперсных сред

1 Сепарационные процессы инженерной экологии Технологии дисперсных сред в инженерной экологии ......................... Powder Technology in environmental science Separation proceses in the environmental techniс ......................... Fest-Flüssig Trennprozesse in der Umweltverfahrenstechnik Mechanische Umweltverfahrenstecnik .....................................

2 Значение сепарационных процессов природозащитной технике Три природные среды: Воздух – Пылеотделение Вода – Отделение твердой фазы (частички минералов и других примесей) из воды Почвы – Фракционирование, Отделение твердофазных фракций Определение и характеристики результативного разделения Исходный материал, который представляет собой смесь компонентов или фаз, разделяется по меньшей мере на два продукта. При этом применяется один или несколько сепарационных процессов, на основе характерного признака или свойства дисперсного материала Эти продукты отличаются друг от друга относительно компонентного или фазового состава.

3 Порошковая технология может быть описана, как воздействие на диспергированный материал в сплошной среде Примеры: пески, измельченные руды и минералы, капли воды в воздухе, капли нефти в воде, туманы, ил, бактерии.... All sizes in microns (1µm=10-6 m) Fine sand (мелкий песок): 20 to 200 Hair diameter (волос): 100 Clouds / fog: (туман) 30 Red blood cells: (кр. кровяные тельца) 8 Silt (ил): 2 to 20 Clays (глина): <2 Tobacco smoke: <1 Bacteria: 0.2 to 40 Viruses: <0.5

4 5 базовых технологий

5 Различные типы сепарационных процессов

6

7 Материалы порошковой технологии – это дисперсные материалы: порошки насыпью, капли или пузырьки. Важнейшие характеристики таких материалов являются размер зерна или распределение этих размеров, если материалы полидисперсны, и форма. Если форма частиц не имеет какой либо строго определенной геометрической формы (например шар или куб) то уже дефиниция (определение) размера и формы затруднительно. Что такое частица? Что такое ее размер? Как можно (математически) охарактеризовать форму частицы?

8

9 Форму частиц обычно характеризуют степенью отличия ее от эквивалентного шара, т.е. шара, имеющего одинаковый с частицей объем. Обозначим площадь такого эквивалентного шара Se, а реальную площадь частицы Sr, Тогда форма частицы может быть охарактеризована, как Сферичность по Веделлю (Wadell’s sphericity). Примеры. Типичные значения сферичности:

10 Под размерам частицы мы понимаем масштаб длины, соразмерный частице. Геометрические размеры частиц Шар. Куб. Даже для проблемных по форме частиц можно для характеристики размера частиц использовать такие величины, как объем частицы V и площадь ее поверхности S. Например, отношение V/S имеет размерность длины.

11 Можно рассмотреть частицу или спроецировать ее на плоскость и проанализировать изображение (image analysis).

12 Feret diameter xFe - наибольшая протяженностьперпендикулярно направлению проектирования (это конечно не диаметр) Martin diameter xMa - длина секущей в направлении проекции, которая делит площадь проекции пополам. xCmax - наиболее длинная секущая в направлении проектирования Можно, естественно, предложить и другие определения для размера частицы. Изучая такое изображение, можно дать различные определения размеров частиц.

13 На практике, даже для частиц правильной шарообразной формы, размеры будут меняться в зависимости от положения частицы на подложке. В связи с этим говорят о распределении размера частицы в некоторой области разбросов. Для частиц неправильной формы пользуются понятием эквивалентной сферы. Объем, площадь поверхности проекции, ее периметр – это геометрические характеристики. Все они могут быть определены через диаметр эквивалентной сферы. .

14 Физические размеры частиц Любое физическое свойство, которое определяется размером частицы может быть использовано для определения ее эквивалентного диаметра. Для этого нужно знать связь указанного свойства и размера. Наибольшую важность имеют следующие размеры (диаметры): Рассеяный свет это только частный случай такого физического явления, как нарушения поля. Частицы различной формы и размера вызывают нарушения в магнитных, электрических или оптических полях которые можно воспринимать как изменение электрических свойств,например, емкости, проводимости или свойств рассеяния (преломление, отклонения, адсорпции, отражения), которые однозначнотзависят от размера частиц.

15 Относительная поверхность Различают площадь поверхности S, отнесенную к объему частицы V: (Размерность [m-1] Размерность [m2 /kg]. Между объемной специфической поверхностью и массовой специфической поверхностью имеется соотношение где - плотность материала частицы. И массовую относительную поверхность:

16 Распределение частиц по размерам Общее представление Пусть имеется коллектив частиц, который характеризуется набором размеров частиц и соответствующих долей какого-нибудь количественного фактора (например объема). Выберем абсциссу в системе координат для обозначения размеров частиц х. В качестве х может выступать размер ячейки сита, или эквивалентный диаметр. Назовем фракцией размером xi частицы, размеры которых лежат между xi и xi-1 . Соответствующий i-тый интервал Dxi= xi – xi-1 .

17 К определению класса крупности i Или ? . Средний размер частиц в интервале i можно определить как среднеарифметическое Или как средне геометрическое (реже):

18 Нанесем на оси ординат количественные доли (например, объемные доли), всех частиц до . Пример: просев на определенном размере ячейки. Это будет доля выбранной величины (например, объема) всех частиц в интервале от xmin до xi . - это будет доля частиц в выбранном интервале xi-1 до xi . Эта величина уже мало зависит от ширины интервала фракции. Индекс "r" означает здесь род распределенного количества (например, количество частиц, объем частиц ит.д.). Такая функция называется Суммарная Функция Распределения (Distribution) Можно ввести разность Наконец, можно ввести функцию Плотности Распределения

19 Представление плавных распределений Суммарного распределения (a) и Плотности распределения (b)

20 Из данных определений для вытекают важные свойства: справедливо справедливо: Между xmin и xmax функция Qr (x) монотонно растет с ростом x или остается константой. . можно определить Плотность Распределения как: Соответственно Для Для Исходя из определения : есть доля распределенной величины в интервале х до х+dx.

21 Очевидно, что: Отсюда следует Условие нормирования:

22 Вместо непрерывного представления функций, можно использовать (как это случается на практике) разностную форму в виде Гистограммы. Представление в виде гистограммы

23 .

24 Тогда Если есть общее число интервалов, то тогда Это и есть условие нормировки для гистограммы.

25 Распределенные величины в гранулометри Метод измерения часто и определяет вид распределенной величины В области ситовой техники применяются термины для ситового прохода (мелкое зерно) для ситового остатка (грубое зерно) Систематика индексов для различных распределенных величин

26 Средние значения, характерные размеры зерен в распределениях На практике часто пользуются специальными терминами для обозначения характерных размеров Медианное значение Медианное значение соответствует размеру частиц, при котором Модальное значение, соответствует размеру частицы, при котором q3(x) максимально Иногда по виду плотности распределения выделяют бимодальные и даже мультимодальные распределения. Мономодальное распределение с модальным значением xh,r b) Бимодальное распределение Dichteverteilung Средний размер зерна(в зависимости от пределения),

27 При непрерывном распределении: Например, если распределенная величина число частиц, то говорят о средне-арифметическом размере частиц: Аналогично можно определить среднюю поверхность частиц: И средний объем:

28 Относительная площадь поверхности SV имеет большое значение, т.к. многие (химические) процессы протекают на поверхности частиц. Ее можно вычислить так: Или так: Саутеров диаметр d32 определен так: Такое определение справедливо и для отдельной частицы и для коллектива частиц.

29 Специальные формы распределений Обычно измеряемые Распределения имеют S- образную форму. Эти измеренные в экспериментах функции пытаются апроксимировать некоторыми подходящими функциями. Из данных определений для вытекают важные свойства: справедливо справедливо: Между xmin и xmax функция Qr (x) монотонно растет с ростом x или остается константой. Для Для

30

31 Partikelgrößenverteilungen Spezielle Verteilungen Potenzfunktion (GGS) Lineare Transformation: q(x) = ?

32

33 Логнормальное распределение частиц по размерам

34 Partikelgrößenverteilungen Spezielle Verteilungen Logarithmische Normalverteilungsfunktion (LNV) Q(x) q(x) Q(x) = ?

35 .

36 Partikelgrößenverteilungen Пример Измеренные значения Transformation Сравнение измеренных и апроксимированных данных

37 Как измерить размер частицы? 1. Сита 2. Седиментация 3. Счетные методы Оптические методы Оптические методы это такие. При которых или размер или форма частиц или оба свойства вместе могут быть регистрированы и измерены с помощью оптических методов. Их можно разделить на Методы анализа изображений и на Методы светорассеяния.

38 Методы анализа изображений Схема автоматической обработки изображений Проба (Оптический прибор, например, световой микроскоп) Оптическое изображение (Детектор) Электрический аналог (Числовая обработка) Электрическое дигитальное изображение «Идеальное» дигитальное изображение Измерения (Таблицы значений)

39 Такие методы анализа изображений часто применяются в биологии для частиц не мельче чем 2 мкм. Недостаток заключается в повышенных требованиях к имеющемуся изображению Должно быть проанализировано достаточно большое количество частиц (много картинок) Частицы должны быть на изображени отчетливо разделены друг от друга. Повышенные требования к контрастности изображений Трудности с характеризованием формы частиц

40 Методы светорассеяния В этих методах используются такие явления, как абсорбция и рассеяние света на отдельных частицах и на коллективе частиц. На основании параметров рассеяния можно сделать выводы о размере частиц и их концентрации. Рассеяние на отдельной частице Если световая волна (длина волны l встретит на своем пути частицу (сферу с диаметром d), то произойдет частичное рассеяние волны (т.е частичное отклонение луча от прямолинейного движения. Физическими феноменами выступают дифракция, преломление, отражение.

41 Рассеяние света на частице Отношение интенсивности рассеянного света I к интенсивности падающего света I0 зависит от угла рассеяния q, поляризационного угла f, индекса преломления n, длины волны l и размера частицы d. где Г. Мие вычислил это распределение интенсивности (Теория Мие). В общем виде это дает очень сложные выражения.

42 Пример распределения рассеянного света по теории Мие. Пример распределения рассеянного света по теории Мие. Более простые выражения получаются при a<<1 и при a>>1. Область Релея a<0,1 Область Мие 0,1< a << 10. Эта область длин волн пригодна для измерения частиц размером 0,02 mm и 2 mm. Область Фраунгофера Fraunhofer-range: a>10. Для частиц размером больше 2 mm.

43 Метод рассеяния света для коллектива частиц Если пучок лазерных лучей встречает коллектив частиц, то каждая фракция частиц размером xi генерирует на детекторе характерное распределение рассеянного света I(xi,r) С помощью линзы это распределение можно сфокусировать. Принцип рассеяния света на коллективе частиц. Спектр интенсивности независим от скорости частиц в пучке света и от положения частицы в измерительной ячейке.

44

45 Уравнение является интегральным уравнением Фредгольма. Искомым здесь является функция q0 В современных оптических приборах ее ищут с помощью Компьютерных программ. С помощью таких методов современными приборами можно измерить размеры частиц от 0.1 мкм до 3 мм. Анализ данных занимает несколько секунд, так что возможны измерения On-line.

46 Расположение детекторов в дифракторе

47 Схема прибора для измерения размеров частиц

48 Пример

49 Пример RRSB- Distribution D - Distribution

50 Заключение Для характеристики дисперсной системы применяют функции распределения частиц по размерам. Важнейшие термины здесь следующие: 1. Фракция частиц или класс частиц определенного размера. 2. Функция распределения частиц по размерам 3. Плотность распределения частиц по размерам. 4. Доля частиц в некоторой фракции 5. Вид распределенной величины Характеристические величины для коллектива частиц являются: Медианное значение Модальное значение Средний размер частиц Саутеров диаметр И др. Функция распределения частиц по размерам часто может быть приближенно описана одной из математических формул. Обычно для этого используют функции, которые содержат две константы (параметра). Например, такой функцией является РРСБ-функция (RRSB- Funсtion).

51 Сonclusion To characterize the function of the dispersed system the particle size distribution is used. Key terms are as follows: 1. The fraction of particles or particles of a certain size class. 2. The distribution function of particle size 3. The density of particle size distribution. 4. Fraction of particles in a fraction 5. Kind of a distributed quantity Characteristic values ​​for the group of particles are: 1. Median value 2. Modal value 3. Average particle size 4. Sauter diameter a.s.o Function of particle size distribution can often be approximately described by a mathematical formula. Usually is used a function, which contain two constants (parameters). For example, this function is a function RRSB.

52 Zusammenfassung Trennprozesse spielen in der Umweltverfahrenstechnik eine große Rolle. Sie umfassen alle drei Umweltmedien in der sie als fest / fest (Klassieren, Sortieren), fest/flüssig (Filtrieren, Sedimentieren, Staubabscheiden) Trennprozesse vorkommen. Die feste Phase liegt in der Verfahrenstechnik in Form eines dispersen Systems vor. Für die Charakterisierung des dispersen Systems wird unter anderem eine Darstellung in Form einer Partikelgrößenverteilung vorgenommen. Die wichtigsten Begriffe hierbei sind: Korngrößenklasse, Verteilungssumme, Verteilungsdichte, Mengenanteil in einer Korngrößenklasse. Als die kennzeichnenden Größen einer Korngrößenverteilung können auch einzelne Werte benutzt werden: Medianwert, Modalwert, Mittlere Partikelgröße, Sauter Durchmesser u.a. Eine Partikelgrößenverteilung kann häufig mit einer mathematischen Formel angenähert werden, die normalerweise zwei Konstanten (Parameter) beinhaltet (z. B. RRSB- Funktion).