9

Лекция 14.

Центробежное осаждение в неоднородных жидкостных системах.

Когда естественное осаждение (под воздействием сил гравитации) не может обеспечить приемлемую чистоту очистки или производительность отстойника за счет малых размеров частиц, высокой вязкости жидкости, небольших величин (, которым соответствуют низкие значения критерия Архимеда, а с ним малые значения критерия Re и малые скорости осаждения (высокие значения площади отстойников). В этом случае можно воспользоваться осаждением в поле центробежных сил. Такой процесс осуществляется в осадительных центрифугах.

Осадительные центрифуги. Классификация центрифуг по фактору разделения, по исполнению, по способу действия.

На рисунке представлена осадительная центрифуга вертикального исполнения. Она состоит из: укрепленного на валу барабана (ротора), корпуса центрифуги.

Рис. Схема вертикальной отстойной центрифуги

Во вращающийся барабан центрифуги загружается периодически или непрерывно исходная суспензия. Суспензия вращается вместе с барабаном с угловой скоростью . Под действием сил - тяжести и центробежной - ее свободная поверхность должна принять форму параболоида вращения. Однако, в связи с высокой скоростью вращения барабана, свободная поверхность суспензии можно считать не параболической, а цилиндрической, соосной с осью барабана центрифуги.

Центрифуга периодического действия работает в две стадии. В первой стадии непрерывно подается суспензия, идет формирование осадка и непрерывно отводится фугат – осветленная жидкость. После накопления осадка необходимой толщины барабан центрифуги останавливают. Наступает вторая стадия процесса – выгрузка осадка. Далее цикл повторяется.

На частицу ТМ массой , находящейся на расстоянии r от оси вращения, действует центробежная сила, равная и сила тяжести, равная . Первая существенно больше второй за счет высокой частоты вращения барабана, . По этой причине можно считать, что направление перемещения частицы ТМ – радиальное. Отношение центробежной силы к силе тяжести носит название фактора разделения .

---

По фактору разделения центрифуги разделяют на:

нормальные, для которых

сверхцентрифуги, для которых

По исполнению: горизонтальные, вертикальные.

По способу действия: периодические, непрерывные.

Ускорение движения частицы ТМ зависит от радиуса текущего расположения этой частицы, : . Следовательно, скорость осаждения есть переменная величина и можно говорить только о мгновенном значении скорости, .

При последовательном расположении отстойника и отстойной центрифуги, в последнюю будет поступать поток осветленной жидкости, содержащий фракцию тонкодисперсных частиц. Такой поток можно считать исходной суспензией на входе в центрифугу с порозностью близкой к единице – поток разбавленной суспензии. Как определить время осаждения сферических частиц ТМ в этих условиях?

Определение времени осаждения единичной сферической частицы в осадительной центрифуге при ламинарном режиме.

За основу вывода расчетной формулы времени осаждения в поле центробежных сил рассмотрим закон Стокса, справедливый для естественного осаждения частиц ТМ.

При переходе к полю центробежных сил (параметры осаждения для этого случая снабдим индексом «ц») гравитационное ускорение следует заменить на центробежное, а скорость равномерного осаждения на мгновенную скорость. В результате приходим к модифицированному написанию закона Стокса

где d, . Таким образом, имеем

. После разделения переменных

. После интегрирования в пределах от 0 до и, соответственно, от

.

---

Предельная производительность осадительной центрифуги.

Рабочий объем барабана центрифуги равен

. Условие осаждения в центрифуге .

Время пребывания частицы суспензии в барабане , где - объемная производительность центрифуги по суспензии. Подставляя в условие осаждения, получим

, откуда , а . И окончательно, предельная производительность центрифуги по суспензии

Разделение пылей и суспензий в циклонах и гидроциклонах. Схема, принцип действия.

Исходная неоднородная система (пыль или суспензия) подводится к циклону по трубе 1 тангенциально со скоростью 10 – 40 м/с (пыль) или со скоростью 5 – 25 м/с (суспензия). Тангенциальная подача системы в циклон обеспечивает закручивание потока вокруг центральной трубы 2. Под действием возникающей центробежной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам циклона, а очищенный газ или жидкость уходит из циклона по центральной трубе. Твердые частицы под действием силы тяжести перемещаются последовательно по боковым стенка циклона и далее по коническому днищу на выход из циклона.

Степень очистки газа (жидкости) от твердых частиц в циклонах зависит от геометрических характеристик циклона, свойств твердых частиц и газа (жидкости), и скорости газа (жидкости). Для повышения степени очистки иногда устанавливают последовательно 2 – 3 циклона.

Рис. Схема циклона (гидроциклона).

Фильтрование. Фильтровальная перегородка. Осадок. Фильтрат. Схема процесса фильтрования в гравитационном поле. Различные варианты движущей силы процесса фильтрования. Друк - фильтр. Нутч – фильтр.

Осаждение очень мелких и легких частиц из загрязненных жидкостей или газов происходит крайне медленно, что ограничивает производительность процесса либо требует больших производственных площадей. Переход к осаждению в центробежном или электростатическом поле заметно удорожает процесс. Разделение жидких и газовых неоднородных смесей возможно методом фильтрования, состоящего в пропускании потока неоднородной системы через перегородку, проницаемую для дисперсионной среды, но не пропускающую твердые частицы. В результате неоднородная система разделяется на осветленную субстанцию – фильтрат (в случае суспензии), и влажный осадок твердого материала.

---

Схема фильтрования показана на рисунке.

Рис. Схема фильтрования: 1 – корпус фильтра; 2 - фильтрующая перегородка;3 - дренажная сетка; 4 – опорная решетка.

Фильтрование происходит под действием разности давлений.

Пусть давление в сечении АВ будет равно , давление в сечении СD равно .

Давление в сечении АВ по закону Паскаля равно

.

Давление в сечении СD равно давлению .

Движущая сила процесса фильтрования

.

1. Пусть , тогда .

2. Пусть , тогда Если давление - атмосферное, тогда

Фильтр, работающий в таком режиме, носит название «друк – фильтр».

3. Пусть , тогда .

Фильтр, работающий в таком режиме, носит название «нутч – фильтр».

Основное уравнение фильтрования.

Движущая сила процесса фильтрования расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений осадка и фильтрующей перегородки

.

Осадок состоит из весьма мелких частиц, а скорости движения через слой дисперсного материала (скорость фильтрации) – весьма низкие. Вот почему течение фильтрата можно считать ламинарным. Течение фильтрата в порах перегородки – тем более ламинарное, так как диаметры пор в перегородке еще меньше, чем в осадке. Связь между сопротивлением перегородки или осадка и скоростью движения фильтрата для ламинарного режима линейная (см уравнение Дарси – Вейсбаха), т.е. ; . Здесь и - факторы сопротивления осадка и перегородки, соответственно. После подстановки

---

, откуда, в самом общем случае (с учетом периодичности процесса)

. Это соотношение и носит название основного уравнения фильтрования. Здесь в качестве линейной скорости фильтрации используют расчетную мгновенную скорость, т. е. скорость, отнесенную к полному сечению фильтрующей перегородки.

Проведем преобразования фактора сопротивления осадка, представив его в виде произведения некой постоянной величины – удельного фактора сопротивления осадка и высоты слоя осадка, которая меняется в процессе фильтрования. Введем понятие условной концентрации , представляющей объем осадка, образующегося при получении 1 м³ фильтрата. Такая условная концентрация позволяет связать высоту слоя осадка с объемным количеством полученного фильтрата V. В самом деле, объем осадка V_ос =V, с другой стороны, из геометрических соображений, как ; отсюда

V_ос = V или .

Тогда .

После замещения в основном уравнении фильтрования получим

.

Условия проведения процесса фильтрования.

Процесс фильтрования может осуществляться при следующих условиях:

1. при

2. 

3. ;

4. и .

Решение основного уравнения фильтрования для первого случая при условии несжимаемости осадка и перегородки.

---

Смотрите также файлы

• Лекция 13.docx

• Лекция 12.docx

• Лекция 11.docx

• Лекция 10.docx

• Лекция 09.docx