Сепарационные процессы инженерной экологии Технологии дисперсных сред в

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. . . . . 1

Значение сепарационных процессов природозащитной технике Три природные среды: 1. Воздух – 2. Вода – 3. Почвы – Пылеотделение Отделение твердой фазы (частички минералов и других примесей) из воды 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. 2

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): Hair diameter (волос): Clouds / fog: (туман) Red blood cells: (кр. кровяные тельца) Silt (ил): Clays (глина): Tobacco smoke: Bacteria: Viruses: 20 to 200 100 30 8 2 to 20 <2 <1 0. 2 to 40 <0. 5 3

5 базовых технологий Измельчение Агломерация Сепарация Смешение С изменением размера частиц Хранение, Транспортирование и Дозирование дисперсных сред Без изменения размера частиц Измерительные техники (измерение размеров частиц, анализ формы частиц) 4

Различные типы сепарационных процессов Процесс 1. Классификация Цель процесса Разделение коллективов частиц в продукты частиц различной крупности 2. Сортировка Разделение смеси частиц на части по свойствам материалов. 3. Отделение жидкости Разделение жидкой и твердой фаз 4. Осветление Полное изъятие твердой фазы из жидкости 5. Отделение пыли Разделение фаз газ-твердое 5

твердое/жидкость Твердое/газ жидкость/газ Классирование Сортирование Фильтрование или седиментирование суспензий Пылеотделение Разделение эмульсий Отделение или разбивка пены 6

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? 7

8

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: 9

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. 10

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

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

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. Например: Диаметр сферы равного размера: Диаметр сферы равной площади поверхности: Диаметр круга равного диаметра на изображении частицы, (при этом частица находится в некотором стабильном положении): Диаметр круга с площадью, равной площади проекции частицы: . 13

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): Диаметр шара с равной скоростью оседания (седиментации), что и частица. "Стоксов диаметр", т. е. скорость оседания в области вязкого движения (в Стоксовском режиме), Диаметр сферы одинаковой интенсивности рассеянного света, что и частица. 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. 14

Относительная поверхность Различают площадь поверхности S, отнесенную к объему частицы V: (Размерность [m-1] И массовую относительную поверхность: Размерность [m 2 /kg]. Между объемной специфической поверхностью и массовой специфической поверхностью имеется соотношение где - плотность материала частицы. 15

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. 16

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

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. Такая функция называется Суммарная Функция Распределения (Distribution) Можно ввести разность - это будет доля частиц в выбранном интервале xi-1 до xi. Наконец, можно ввести функцию Плотности Распределения Эта величина уже мало зависит от ширины интервала фракции. Индекс "r" означает здесь род распределенного количества (например, количество частиц, объем частиц ит. д. ). 18

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

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

Очевидно, что: Отсюда следует Условие нормирования: 21

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

Практически всегда меряется - Доля распределенной величины - Общее количество распределенной величины. в интервале между и а также ширина интервала 23

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

Распределенные величины в гранулометри Метод измерения часто и определяет вид распределенной величины Индекс Распределенная величина Распределение Примечание r=0 Число частиц q 0(x), Q 0(x) Очень часто r=1 Длина частиц q 1(x), Q 1(x) Очень редко r=2 Площадь поверхности q 2(x), Q 2(x) Часто r=0 Объем частиц q 3(x), Q 3(x) Очень часто Систематика индексов для различных распределенных величин В области ситовой техники применяются термины для ситового прохода (мелкое зерно) для ситового остатка (грубое зерно) 25

Средние значения, характерные размеры зерен в распределениях На практике часто пользуются специальными терминами для обозначения характерных размеров Медианное значение соответствует размеру частиц, при котором Модальное значение, соответствует размеру частицы, при котором q 3(x) максимально Средний размер зерна(в зависимости от пределения), Иногда по виду плотности распределения выделяют бимодальные и даже мультимодальные распределения. Мономодальное распределение с модальным значением xh, r b) Бимодальное распределение Dichteverteilung 26

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: 27

Относительная площадь поверхности SV имеет большое значение, т. к. многие (химические) процессы протекают на поверхности частиц. Ее можно вычислить так: Или так: Саутеров диаметр d 32 определен так: Такое определение справедливо и для отдельной частицы и для коллектива частиц. 28

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: Для справедливо: Между xmin и xmax функция Qr (x) монотонно растет с ростом x или остается константой. 29

30

Partikelgrößenverteilungen Spezielle Verteilungen Potenzfunktion (GGS) Q(x) m<1 m>1 xm Lg Q(x) Lineare Transformation: x 0 x m m lg xm q(x) = ? xm 31

32

Логнормальное распределение частиц по размерам 33

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

Чаще всего используют т. н. RRSB- Распределение (Rosin, Rammler, Sperling, Bennet). Это распределение имеет два параметра: - средний размер, - параметр рассеяния. Чтобы найти эти параметры проводят следующую трансформацию Это уравнение прямой линии с переменной Параметры (сначало а потом определяют, отложив измеренные как функции 35.

Partikelgrößenverteilungen Пример Измеренные значения Сравнение измеренных и апроксимированных данных Transformation 36

Как измерить размер частицы? 1. Сита 2. Седиментация 3. Счетные 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. 37

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

Такие методы анализа изображений часто применяются в биологии для частиц не мельче чем 2 мкм. Недостаток заключается в повышенных требованиях к имеющемуся изображению 1. Должно быть проанализировано достаточно большое количество частиц (много картинок) 2. Частицы должны быть на изображени отчетливо разделены друг от друга. 3. Повышенные требования к контрастности изображений 4. Трудности с характеризованием формы частиц 39

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. 40

Рассеяние света на частице Отношение интенсивности рассеянного света I к интенсивности падающего света I 0 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. 41

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. 42

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. Спектр интенсивности независим от скорости частиц в пучке света и от положения частицы в измерительной ячейке. Принцип рассеяния света на коллективе частиц. 43

Количество частиц этой фракции генерируют в раз большую интенсивность. Тогда интенсивность рассеянного света для фракции i , будет А интенсивность от всех частиц будет Например, для шара справедливо: Где f: фокусное расстояние линзы, l: длина волны света. Функция Бесселя 1. рода, 1. порядка. 44

Уравнение является интегральным уравнением Фредгольма. Искомым здесь является функция q 0 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. 45

Расположение детекторов в дифракторе 46

Схема прибора для измерения размеров частиц 47

Пример d, µm Kaolin Порошок 3, 556559 21, 781852 0, 224404 0, 02 0 0, 02244 0 0, 025179 0 0, 028251 0 0, 031698 0 0, 035566 0 0, 039905 0 0, 044774 0 0, 050238 0 0, 056368 0 0, 063246 0 0, 070963 0 0, 079621 0 0, 089337 0 0, 100237 0 0, 112468 0 0, 126191 0 0, 141589 0 0, 158866 0 0, 17825 0 0, 2 0 3, 990525 25, 855018 0 4, 477442 30, 371685 0, 282508 Q, - 0 0, 251785 Размер d, µm Q, - 0 5, 023773 35, 291736 0, 316979 0 5, 636766 40, 549459 0, 355656 0 6, 324555 46, 066561 0, 399052 0 7, 096268 51, 750728 0, 447744 0, 060773 7, 962143 57, 49667 0, 502377 0, 293333 8, 933672 63, 191502 0, 563677 0, 612917 10, 023745 68, 720861 0, 632456 1, 02219 11, 246826 73, 966231 0, 709627 1, 492252 12, 619147 78, 823695 0, 796214 1, 998273 14, 158916 83, 200026 0, 893367 2, 525488 15, 886565 87, 027464 1, 002374 3, 069507 17, 825019 90, 272825 1, 124683 3, 642398 20 92, 926421 1, 261915 4, 272654 22, 440369 95, 026964 1, 415892 5, 007446 25, 178508 96, 61901 1, 588656 5, 903563 28, 250751 97, 783377 1, 782502 7, 031666 31, 697864 98, 596421 2 8, 455977 35, 565588 99, 141516 2, 244037 10, 239232 39, 905246 99, 491774 2, 517851 12, 432176 44, 774423 99, 708739 2, 825075 15, 071422 50, 237729 99, 842418 3, 169786 18, 187563 56, 367659 99, 917167 63, 245553 99, 96877 70, 962678 99, 99878 48

Пример RRSB- Distribution D - Distribution 49

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). 50

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. 51

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). 52