Гидромеханические процессы Разделение жидких и газовых неоднородных

Гидромеханические процессы

Разделение жидких и газовых неоднородных систем. Классификация и основные характеристики неоднородных систем. Классификация, принципы выбора и оценка эффективности методов разделения. Pазделение в поле сил тяжести, в поле центробежных сил.

Гетерогенные (неоднородные) системы Неоднородные (гетерогенные) системы – системы, состоящие из двух или более фаз, которые в принцие могут быть разделены механически q. Неоднородная система состоит из двух фаз : Внутренняя (дисперсная) ; Внешняя (дисперсионная)

Классификация и основные характеристики неоднородных систем Эмульсии Суспензии Пены Аэрозоли (пыли, дымы, туманы)

Аэрозоли q. Системы, состоящие из твердых или жидких частиц, взвешенных в газообразной среде: Пыль – система газ-тв. частицы размером 5 -50 мкм; Дым - система газ-тв. частицы размером 0, 3 -5 мкм; Туман – система газ-капли жидкости размером 0, 3 -3 мкм

Эмульсии q. Системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости. Жидкости не растворимы друг в друге. Эмульсии устойчивы, если размеры капель 0, 4 -0, 5 мкм

Суспензии q. Системы, состоящие из тв. частиц, взвешенных в жидкой среде. Грубые – размер тв. частиц >100 мкм; Тонкие – размер тв. частиц 0, 1 -100 мкм; Коллоидные – размет тв. частиц <0, 1 мкм, тв. частицы не осаждаются под действием сил тяжести, броуновское движение частиц.

Пены q. Системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа. q. Для эмульсий и пен характерна инверсия фаз

Методы разделения гетерогенных систем Осаждение; Фильтрование; Центрифугирование; Мокрое разделение (мокрая очистка газов)

Методы разделения гетерогенных систем Осаждение – процесс при котором взвешенные в жидкости (газе) частицы отделяются от сплошной фазы под действием сил инерции (сил тяжести, центробежной силы, электростатических сил); Фильтрование – процесс разделения на пористой перегородке, способной пропускать жидкость но задерживать твердые частицы. Может осуществляться за счет сил давления или центробежных сил, обеспечивает более тонкую очистку нежели осаждение;

Методы разделения гетерогенных систем Центрифугирование – процесс разделения эмульсий или суспензий (фильтрование или осаждение) в поле центробежных сил. Мокрое разделение – процесс улавливания взвешенных в газе частиц какой-либо жидкостью. Оно происходит под действием сил тяжести или сил инерции и применяется для очистки газов и разделения суспензий. Применяется в комбинации с другими процессами (промывка осадков, отстаивание, фильтрование.

Методы разделения гетерогенных систем Выбор метода разделения определяется: - концентрацией дисперсной фазы; - размером частиц дисперсной фазы; - разницей плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды; - вязкостью дисперсионной среды; - требованиями к качеству разделения.

Материальный баланс разденения Gсм, Gосв, Gос – количество смеси, осветленной жидкости и осадка (кг/с, т/ч); xсм, xосв, xос – содержание извлекаемого компонента в смеси, осветленной жидкости и осадке (масс. доля); Баланс по общему количеству вещества: Баланс по извлекаемому компоненту (дисперсной фазе): Из этих уравнений можно определить расходы жидкости и осадка при заданных концентрациях извл. компонента в них:

Эффективность разделения Характеризуется степенью разделения

Кинетика осаждения Дифференциальное уравнение осаждения, его вывод Силы, действующие на частицу, движущуюся в жидкости – сила тяжести, Архимедова сила, сила трения. Объем частицы произвольной формы: V = c 1 l 3 (l – характеристический размер частицы, с1 – коэффициент формы. Пусть удельный вес частицы γТ, удельный вес жидкости – γж. Сила тяжести, действующая на частицу ; Архимедова сила, действующая на частицу A Под д-ем этих сил частица перемещается, и на единицу ее поверхности действует сила трения (з-н Ньютона): - градиент скорости по нормали к поверхности частицы T

Кинетика осаждения Дифференциальное уравнение осаждения, его вывод Сумма сил трения R, действующих на всю частицу с учетом ее поверхности: где с2 – коэффициент, зависящий от формы частицы. По второму закону Ньютона равнодействующая всех сил, действующих на тело равна произведению массы тела на его ускорение. Для описываемого случая: или: Это дифференциальное уравнение осаждения частицы под действием силы тяжести. Данное ур-ие не решается аналитически в общем виде, поэтому для определения скорости осаждения частиц необходимо прибегать к опытным данным и переходить к критериальному уравнению.

Кинетика осаждения Вывод критериального уравнения осаждения поделим на правую часть , перенесем все члены в левую часть. Получим: Умножим все члены уравнения на . Уравнение принимает вид: Из слагаемых данного уравнения можно получить критерии подобия для процесса осаждения частицы.

Кинетика осаждения Вывод критериального уравнения осаждения Второе слагаемое: Убираем операторы дифференцирования и направления (n ~ l) - коэффициент формы частицы. Re – критерий Рейнольдса характеризует гидродинамическое подобие при движении жидкости, в данном случае – обтекание частицы жидкостью.

Кинетика осаждения Вывод критериального уравнения осаждения Первое слагаемое: Убираем операторы дифференцирования, избавляемся от координаты времени Умножаем на Re 2, получаем критерий Архимеда Ar Ar – характеризует соотношение разности подъемной силы и силы тяжести к подьемной силе. Третье слагаемое: поскольку данный параметр входит в выражение критериальное уравнение он не включается. для Ar, в

Кинетика осаждения Критериальное уравнение осаждения Т. о. приемами подобия получено уравнение, описывающее процесс осаждения: ламинарный режим – Re ≤ 1, 85 переходный режим – 0. 2 ≤ Re ≤ 500 турбулентный режим – Re > 500: Скорость осаждения частицы под действием определяют из найденного значения Re: силы тяжести

Кинетика осаждения Частный случай - осаждение сферических частиц в ламинарном режиме: - закон Стокса. При ламинарном режиме скорость осаждения шарообразных частиц пропорциональна квадрату их диаметра, разности удельных весов частиц и среды, и обратно пропорциональна вязкости среды. Скорость осаждения частиц неправильной формы всегда меньше, чем для шарообразных частиц Фактор формы – справочная величина. Общее правило осаждения: скорость осаждения растет с увеличением размера частиц и их удельного веса и снижается с увеличением удельного веса и вязкости жидкости.

Осаждение под действием центробежной силы Осаждение под действием ц/б силы отличается большей движущей силой. Для создания центробежной силы используются приемы: 1. Обеспечивается вращательное движение потока (циклонный процесс) 2. Неподвижный поток направляется во вращающийся аппарат (отстойное центрифугирование) Центробежная сила Фактор разделения f , n – частота (Гц и об/мин) Кц циклонов – несколько сотен Кц центрифуг – до 3000. Движущая сила центрифуг и циклонов на 2 -3 порядка больше чем в отстойниках.

Осаждение под действием центробежной силы Скорость осаждения центробежной силы: взвешенной частицы под действием можно определить графически, найдя скорость осаждения в нескольких точках и определив площадь под кривой

Осаждение под действием центробежной силы Кинетика центробежного осаждения Движение частиц в вязкой жидкости под действием ЦБ силы происходит аналогично движению под действием силы тяжести. В данном случай на частицу действует центробежная сила, Архимедова сила и сила трения (сила тяжести много меньше Архимедовой и ей можно пренебречь). Аналогично выводу дифф. ур-ия отстаивания получим: преобразуя первое слагаемое получим модифицированный критерий Архимеда для осаждения в поле центробежных сил

Осаждение под действием центробежной силы Скорость центробежного осаждения (аналогично простого, но сила тяжести в Кц раз больше В ламинарном режиме скорости В случае осаждения из газа (плотностью жидкости пренебрегаем)

Осаждение под действием центробежной силы Ламинарный режим соответствует осаждению самых мелких частиц и определяет скорость центрифугирования Разделяем переменные, интегрируем для самого длинного пути

Осаждение под действием центробежной силы Время осаждения должно быть не менее времени пребывания жидкости в роторе Vp – объем рабочей части ротора V – объемный расход смеси Н – высота ротора R 0 – внутр. диаметр кольца жидкости.

Схема отстойника с гребковыми мешалками 1 - корпус; 2 -кольцевой желоб; 3 -рельсы; 4 труба для подачи суспензии; 5 электродвигатель; 6 труба; 7 -разгрузочное отверстие; 8 -мещалка с гребками

Схема отстойника для эмульсий

Циклонный процесс Скорость газов 10 -40 м/с; Скорость жидкостей 5 -25 м/с

Схема циклона Диаметр циклона – 40 -1000 мм Достоинства – простота конструкции, отсутствие движущихся частей, возможность очистки агрессивных сред, компактность, высокая степень разделения Недостатки – высокое гидравлическое сопротивление, чувствительность к колебаниям нагрузки, низкая степень извлечения частиц менее 10 мкм.

Батарейный циклон Степень разделения можно повысить увеличив скорость потока, или уменьшив радиус циклона Батарейный циклон представляет собой несколько параллельно соединенных циклонов Диаметр секции – 40 -250 мм.

Центрифугирование Вращающиеся аппараты способные создать поле центробежных силцентрифуги. Центрифуги – отстойные и фильтрующие; Периодические и непрерывные; Вертикальные, горизонтальные, наклонные; Ручная или механизированная выгрузка осадка

Отстойная центрифуга периодического действия Кожух Барабан Осадок Недостатки центрифуг периодического действия – низкая производительность, необходимость ручного труда. Производительность центрифуг непрерывного действия выше, они способны разделять более концентрированные суспензии. Для выгрузки осадка применяется шнековый механизм.

Центрифуга для эмульсий (сепаратор) Эмульсия по центральной трубе поступает в нижнюю часть вращающегося барабана, снабженного тарелками, которые делят смесь на несколько слоев. Тяжелая жидкость отбрасывается к периферии ротора, легкая – к центру. Достоинства – непрерывность действия, высокая производительность, хорошая степень разделения Недостатки – сложное устройство, много движущихся частей.

Задание для самостоятельного изучения Конструкции отстойников, отстойных центрифуг, сепараторов (Касаткин, Дытнерский, Плановский, Скобло…)