(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Разделение неоднородных систем. Разделение жидких неоднородных систем. Осаждение
План
систематизация и главные свойства неоднородных систем
Способы разделения неоднородных систем
Главные характеристики процесса разделения водянистых неоднородных систем
Осаждение в поле деяния сил тяжести и под действием центробежных сил
систематизация и главные характеристики неоднородных систем
Неоднородными, либо гетерогенными, именуют системы, состоящие, по наименьшей мере, из 2-ух фаз. При всем этом одна из фаз является сплошной, а иная — дисперсной, распределенной в первой в раздробленном состоянии: в виде капель, пузырей, маленьких жестких частиц и т. д. Сплошную фазу нередко именуют дисперсионной средой.
Зависимо от физического состояния фаз различают последующие бинарные гетерогенные системы: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.
Суспензия-система, состоящая из воды и взвешенных в ней жестких частиц. Зависимо от размеров частиц суспензии условно подразделяют на грубые (с частичками размером наиболее 100 мкм), тонкие (содержащие частички размером 0,1-100 мкм) и коллоидные смеси (с частичками наименее 0,1 мкм).
Смесь-система, состоящая из воды и распределенных в ней капель иной воды, не растворяющейся в первой.
Пена — система, состоящая из воды и распределенных в ней пузырьков газа.
Пыль — система, состоящая из газа и распределенных в нем жестких частиц размером наиболее 5 мкм. В действиях хим технологии пыль появляется в большей степени при дроблении, смешивании и транспортировании жестких материалов.
Дым-система, состоящая из газа и распределенных в нем жестких частиц размером наименее 5 мкм; появляется при горении.
Туман-система, состоящая из газа и распределенных в нем капель воды размером наименее 5 мкм.
Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы и носят общее заглавие — аэрозоли.
Неоднородные системы характеризуются концентрацией дисперсной фазы и размерами образующих ее частиц. Для эмульсий и пен при определенных концентрациях дисперсной фазы вероятен ее переход в сплошную; при всем этом фаза, бывшая сплошной, становится дисперсной. Этот переход именуют инверсией фаз.
Почти всегда дисперсные системы содержат частички, различающиеся по размеру. Такие системы именуют полидисперсными. Они характеризуются фракционным, либо дисперсным, составом, т. е. толикой частиц определенного размера от общего содержания дисперсной фазы. время от времени встречаются системы, в каких все частички близки по размерам. Их именуют монодисперсными.
Большая часть дисперсных систем нестабильно, т.е. имеет тенденцию к укрупнению частиц. Укрупнение капель либо пузырей методом их слияния именуют коалесценцией, а укрупнение жестких частиц вследствие их слипания — коагуляцией.
способы разделения неоднородных систем
Процессы, связанные с разделением неоднородных систем, играют огромную роль в хим технологии при подготовке сырья и чистке готовых товаров, при чистке сточных вод и отходящих газов, также при выделении из их ценных компонент.
Используют последующие главные способы разделения: осаждение, фильтрование и влажную чистку газов.
Осаждение — процесс разделения, при котором взвешенные в воды либо газе твердые либо водянистые частички отделяются от сплошной фазы под действием сил тяжести (отстаивание), центробежной силы (циклонный процесс и центрифугирование), сил инерции, электростатических сил (чистка газов в электронном поле).
Фильтрование — процесс разделения при помощи пористой перегородки, способной пропускать жидкость либо газ, но задерживать взвешенные частички. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений. В вариантах, когда разность давлений создается центробежными силами, процесс именуют центробежным фильтрованием.
Влажная чистка газов — процесс разделения, основанный на улавливании взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание осуществляется, как правило, под действием сил инерции.
Выбор способа разделения зависит от концентрации дисперсных частиц, их размера, требований к качеству разделения, также от различия плотностей дисперсной и сплошной фаз и вязкости крайней.
Главные характеристики процесса разделения водянистых неоднородных систем
Водянистые неоднородные системы можно поделить под действием сил тяжести, центробежных сил, сил давления.
Разглядим главные характеристики процесса разделения водянистых неоднородных систем на примере суспензий.
Обозначим через тсм, то, тос массы соответственно начальной консистенции, осветленной воды и осадка. Уравнение вещественного баланса системы имеет вид
тсм = т0+тос. (1)
Так как стопроцентно поделить суспензию не удается, потому что часть воды постоянно удерживается в порах осадка капиллярными силами, вещественный баланс для жесткой фазы запишем в виде уравнения
тсмасм = т0а0 + тосаос, (2)
где асм,а0,аос — массовые толики твердого вещества соответственно в начальной консистенции, осветленной воды и осадке.
Совместное решение уравнений (4.1) и (4.2) дозволяет найти массу осадка и массу осветленной воды:
тос = [тсм(асм- а0)]/(аос- ао);
то= [тсм (аос — асм)]/(аос — а0). (3)
Для начальной суспензии величины тсм и асм обычно известны. Конечная концентрация твердого вещества в осадке аос выбирается на базе практических советов, также исходя из следующего использования осадка. Если по технологии осадок должен быть сухим, то стараются при разделении получить огромное
структура осадков, получаемых при разделении суспензий, характеризуется размерами пор, порозностью еп, удельной поверхностью f(м2/м3).
Осаждение в поле деяния сил тяжести и под действием центробежных сил
Осаждение водянистых неоднородных систем может происходить как под действием сил тяжести, так и под действием центробежных сил.
Осаждение неоднородных систем под действием сил тяжести именуется отстаиванием. Отстаивание в главном употребляется для подготовительного разделения суспензий и эмульсий.
процесс отстаивания суспензий протекает последующим образом. Суспензия заливается в аппарат (отстойник), где под действием сил тяжести наиболее большие частички начинают оседать на дно, завлекая за собой маленькие частички. Маленькие частички, в свою очередь, замедляют движение больших частиц. Взаимодействие частиц при осаждении приводит к тому, что их скорости движения сближаются и стают фактически схожими в любом сечении аппарата. Но по высоте аппарата скорости частиц различны. По мере приближения частиц к дну отстойника их движение замедляется водянистой фазой, которая вытесняется частичками и движется ввысь.
Через некое время в аппарате появляются зоны с различной скоростью движения частиц. Над слоем осадка находится зона стесненного движения частиц, выше нее — зона вольного осаждения частиц, а над ней размещается осветленная жидкость.
Таковая схема несколько упрощает действительную картину процесса, которая обычно бывает наиболее сложной. В аппаратах непрерывного деяния зоны отстаивания по высоте не меняются, в аппаратах повторяющегося деяния высота отдельных зон меняется во времени до момента полного разделения суспензии на осадок и осветленную жидкость.
Для того чтоб убыстрить отстаивание, в суспензию добавляют маленькое количество коагулянтов — веществ, содействующих слипанию маленьких частиц и превращению их в наиболее большие образования. действие этих веществ основано на нейтрализации отталкивающих электронных зарядов маленьких частиц либо на разработке связи меж частичками при помощи высокомолекулярных соединений.
Главный чертой процесса отстаивания является скорость осаждения, которая различна для легких и томных частиц, для зон стесненного и вольного осаждения.
В процессе отстаивания частички различных размеров и плотностей ведут взаимодействие друг с другом, потому скорости их движения в той либо другой мере выравниваются (в малой степени — в разбавленных суспензиях, в большей — в концентрированных).
В зоне вольного отстаивания частичка поперечником d и массой m начинает двигаться под действием силы тяжести вниз. Через маленький просвет времени сила тяжести станет равной силе сопротивления среды, в итоге что наступает равновесие. Частичка начинает двигаться умеренно, с неизменной скоростью.
Скорость такового равномерного падения частички в водянистой либо газообразной среде именуется скоростью осаждения (отстаивания) w0.
Осаждение под действием силы тяжести (пылевые камеры, отстойники).
Для описания в критериальной форме процесса осаждения шарообразной частички в недвижной неограниченной среде могут быть использованы аспекты подобия: Архимеда Аr, Лященко Ly и Рейнольдса Re.
Более комфортной формой критериальной зависимости является Ly = f(Аr).
При так именуемом ламинарном режиме осаждения, когда аспекты имеют значения Аr < 3,6; Ly < 2·10-3; Re < 0,2, Стоксом на теоретическом уровне получена последующая формула для скорости осаждения woc (в м/с) шарообразной частички:
(4)
Для осаждения частички в газовой среде формула (4) упрощается:
(5)
потому что в этом случае величиной сс можно пренебречь.
В формулах (4) и (5): d — поперечник шарообразной частички м; с— плотность частички, кг/м3; сс — плотность среды, кг/м3; мс — динамический коэффициент вязкости среды, Па·с, т.е. Н·с/м2, либо кг/(м·с).
Определение скорости осаждения шарообразной одиночной частички в недвижной неограниченной среде по обобщенному способу, подходящему при любом режиме осаждения, производят последующим образом.
Определяют аспект Архимеда;
(6)
где Ga=Re2/Fr — аспект Галилея.
Для осаждения в газовой среде
Аr = d3сссg/ мс
По отысканному значению аспекта Аr определяют аспект Re либо аспект Ly (рис.1):
(7)
или (если среда — газ)
(7а)
Дальше вычисляют скорость осаждения:
(8)
либо
(9)
Для частички неверной формы скорость осаждения определяют этим же методом из аспекта Лященко, но с подстановкой в аспект Архимеда заместо d величины dэ
Эквивалентный поперечник dэ частички неверной формы вычисляют как поперечник условного шара, размер которого V равен размеру тела неверной формы:
(10)
где М — масса частички, кг.
4. Поперечник осаждающейся шарообразной частички при известной скорости осаждении находят оборотным методом, т. е. вычисляют поначалу аспект Лященко:
и по отысканному значению Ly определяют аспект Аr (рис.1); из крайнего по формуле (6) вычисляют поперечник шарообразной частички.
В процессе осаждения под действием силы тяжести наиболее большие частички резвее осядут на дно, чем маленькие. Расчет отстойников обычно проводится по самым маленьким частичкам, находящимся в начальной консистенции. Потому длительность пребывания суспензии в аппарате обязана быть больше длительности осаждения жестких частиц либо равна ему.
Длительность пребывания суспензии в аппарате
фп=V/Vc (11)
где V— размер аппарата, м3; Vc — большой расход суспензии м3/с.
Длительность осаждения частиц
фо = h/w0, (12)
где h — высота аппарата, м; w 0 — скорость осаждения, м/с.
Разглядим процесс осаждения частиц в отстойнике длиной 1, высотой h и шириной b, м.
Допустим, что длительность пребывания суспензии в аппарате и длительность осаждения равны. Тогда получим
V/Vc= h/w0
либо
1bh /Vс = h/w0
откуда
Vс= w01b= w0S (13)
Уравнение (13) указывает, что производительность отстойника зависит не от его высоты, а от скорости w0 и площади поверхности S осаждения.
Процесс разделения неоднородных систем, а именно суспензий и эмульсий, под действием силы тяжести идет с маленький скоростью.
Обычно, этот процесс проводится перед разделением неоднородных систем центрифугированием либо фильтрованием.
Осаждение неоднородных систем под действием центробежных сил
Осаждение неоднородных систем под действием центробежных сил именуется центрифугированием.
Центробежное поле создается 2-мя методами:
вращением потока при недвижном корпусе аппарата (циклонный процесс);
вращением потока совместно с вращением корпуса аппарата (центрифугирование).
По первому способу осаждение воды происходит в гидроциклонах. Невзирая на наиболее обычное устройство, скорость осаждения в их невелика, а гидравлическое сопротивление наиболее высочайшее. По обозначенным причинам степень чистки в гидроциклонах маленькая и они в индустрии употребляются ограниченно. В данном учебном пособии этот метод не рассматривается.
По второму способу осаждение водянистых неоднородных систем происходит под действием центробежных сил в осадительных центрифугах. Осадительные центрифуги используются для разделения суспензий с концентрацией жесткой фазы до 40 % и поперечником частиц 0,005… 10 мкм и для разделения эмульсий. Опосля разделения суспензий появляется осадок с маленьким содержанием воды и фугат.
Принципиальной чертой центрифуг является отношение центробежного убыстрения и2/r к убыстрению силы тяжести g, которое равно отношению центробежной силы к силе тяжести данного тела. Это отношение именуется фактором разделения:
Кр = w2/rg = щr/g = 4р2n2r/g = 4n2r. (11)
неоднородный хим водянистый осаждение центробежный
Величина фактора разделения, характеризующего эффективность работы центрифуги, исчисляется сотками и тыщами. Если Кр> 3500, то аппараты именуются сверхцентрифугами. При таковых огромных скоростях вращения воздействием силы тяжести на движение воды можно пренебречь и учесть только воздействие центробежной силы.
Осаждение под действием центробежных сил проводится в барабанах, крутящихся со скоростью щ и имеющих радиус вращения r. Водянистая неоднородная система вводится в барабан снизу. Под действием центробежной силы и силы тяжести вольная поверхность воды воспринимает форму параболоида вращения.
Различают центробежное осветление и центробежное отстаивание.
Центробежное осветление проводится для чистки жидкостей, содержащих маленькое количество жестких частиц (тонкие суспензии, коллоидные смеси). При малой концентрации дисперсной фазы точной границы меж фугатом и осадком нет. По физической сути центробежное осветление можно разглядывать как свободное осаждение частиц в поле центробежных сил.
Центробежное отстаивание проводится для разделения суспензий и эмульсий. При повышении концентрации жестких частиц в суспензии появляется точная граница раздела фаз. На первом шаге процесса происходит образование осадка, на втором — его уплотнение.
Различием действий осаждения под действием сил тяжести от центробежных сил будет то, что центробежная сила не постоянна по сечению барабана: она возрастает с повышением радиуса вращения. Не считая того, в отстойниках частички проходят через неизменные поперечные сечения аппарата, а в центрифугах — через растущие по радиусу поперечные сечения кругового слоя.
Разглядим систематизацию отстойных центрифуг.
Зависимо от рабочего режима (аппараты непрерывного либо повторяющегося деяния), конструкции (вертикальные, горизонтальные, наклонные), метода выгрузки осадка (вручную либо механически), фактора разделения (обычные с фактором разделения Кр < 3500 либо сверхцентрифуги с Кр > 3500), типа неоднородных систем (суспензия либо смесь) различают последующие виды отстойных центрифуг:
обычные повторяющегося деяния — выгрузка осадка вручную при помощи ножей;
обычные непрерывного деяния — выгрузка осадка при помощи шнека;
трубчатые сверхцентрифуги повторяющегося деяния; выгрузка осадка вручную;
трубчатые сверхцентрифуги непрерывного деяния; разделение эмульсий;
тарельчатые сепараторы непрерывного деяния; разделение эмульсий.
Обычная центрифуга повторяющегося деяния представляет собой крутящийся барабан со сплошными стенами, в который вводится разделяемая суспензия.
Осадок осаждается на стенах барабана и удаляется вручную. Водянистая фаза, принимая форму параболоида вращения, переливается через стены барабана.
Рис.1. Зависимость критериев Re и Ly от аспекта Аr для осаждения одиночной частички в недвижной фазе: 1 и 6 — шарообразные частички; 2- округлые; 3- угловатые; 4- продолговатые; 5- пластинчатые.
]]>