Методы повышения эффективности разделения неоднородных систем
Производительность аппаратов по разделению НС зависит
от скорости осаждения частицы, а скорость осаждения – от её диаметра.
Увеличение скорости осаждения может быть частично достигнуто
с уменьшением вязкости дисперсионной среды. Нагрев среды с этой целью экономически невыгоден, добавка химреактивов вызывает дополнительные трудности. Укрупнение частиц может быть достигнуто коагуляцией.
Коагуляция – процесс слипания частиц НС. Процесс реализуется при добавлении в НС коагулянтов, перемешиванием НС и другими способами.
Коагуляция особенно желательна в тех случаях, когда НС необходимо отделить от устойчивой взвеси весьма мелких или коллоидных систем.
Флокуляция. Разновидностью коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии
в НС, образуют рыхлые хлопьевидные агрегаты – флокулы.
Классификация – разделение полидисперсных твердых частиц на отдельные фракции. Разделение частиц одной фракции НС можно организовать легче и дешевле.
Магнитная обработка ЖНС – перспективный метод разделения. Вода, обработанная в магнитном поле, в течение длительного времени сохраняет измененные свойства, например, пониженную смачиваемую способность. Уменьшение сил поверхностного натяжения приводит
к улучшению процесса разделения твердой частицы.
Флотация. Разделение ЖНС можно выполнить флотацией. Флотация – процесс прилипания пузырьков воздуха к плохо смачиваемым (гидрофобным) частицам. Пузырьки (пена) с частицами удаляются
с поверхности жидкой фазы. При этом плохо смачиваемые (гидрофобные) частицы разделяются от хорошо смачиваемых (гидрофильных), которые оседают на дно аппарата.
Контрольные вопросы
1. Перечислите признаки, по которым различают НС.
2. Какие движущие силы используют при разделении ЖНС и ГНС?
3. Где движущая сила процесса больше: при осаждении твердой частицы в жидкости или в воздухе?
4. Под действием каких сил может проводиться осаждение?
5. В каких случаях используют мокрое осаждение ГНС?
6. Почему очень мелкие частицы нельзя отделить осаждением?
7. Чем отличается центробежное осаждение от гравитационного?
8. Опишите особенности инерционного осаждения.
9. Как определить скорость осаждения твердых частиц и капель жидкости, есть ли разница в гидродинамике их обтекания, если есть,
то какая?
10. В каких случаях вместо одного циклона применяют батарейные циклоны?
11. В каких случаях применяют сверхцентрифуги?
12. В каких случаях применяют осадительные центрифуги?
13. Как устроены скрубберы и какова их эффективность?
14. Перечислите основные факторы, которые следует учитывать
при выборе аппарата для разделения НС.
15. Почему рукавные фильтры непригодны для очистки влажных ГНС?
16. В каких случаях применяют электроочистку газов?
17. Особенности процесса фильтрования, основные характеристики этого процесса.
18. Как организуются технологические процессы фильтрования
при 
и 
?
19. Как сказывается сжимаемость осадка при выборе рабочего давления при фильтровании?
20. В чем заключается технологический расчет фильтрующих центрифуг?
21. Каковы основные достоинства нутч-фильтров, работающих
при 
и вакууме?
22. Опишите устройство и принцип работы пресс-фильтра.
23. Приведите примеры фильтрующих центрифуг периодического действия и опишите принцип их работы.
24. Приведите примеры фильтрующих центрифуг непрерывного действия и опишите принцип их работы.
25. Опишите методы повышения эффективности разделения НС.
ПЕРЕМЕШИВАНИЕ
Перемешиванием называется процесс непрерывного обновления поверхностей взаимного соприкосновения материальных частиц.
В зависимости от агрегатного состояния и физических свойств фаз, участвующих в процессе перемешивания, различают:
– перемешивание в жидкой среде;
– перемешивание сыпучих тел;
– перемешивание пластических (пастообразных) тел;
– перемешивание газов (паров) и жидкостей.
Перемешивание сыпучих и пластических тел иногда называют смешением.
Цели процесса перемешивания:
– получение однородных гомогенных или гетерогенных систем – растворов, суспензий, эмульсий;
– интенсификация тепло- и массообменных процессов в гомогенных и гетерогенных системах;
– интенсификация химических реакций.
Процесс перемешивания характеризуется интенсивностью
и эффективностью, а также расходом энергии на его проведение.
Интенсивность перемешивания.Интенсивность перемешивания определяется количеством энергии, подводимой к единице объема (массы) перемешиваемой среды за единицу времени. Интенсивность перемешивания обусловлена характером движения среды в аппарате. Повышение интенсивности перемешивания всегда связано с увеличением энергозатрат, а технологический эффект от перемешивания имеет определенные пределы. Поэтому интенсивность перемешивания следует определять исходя из условий достижения максимального технологического эффекта при минимальных энергозатратах.
Эффективность перемешивания – это технологический эффект процесса перемешивания, характеризующий качество проведения процесса. В зависимости от назначения перемешивания эту характеристику выражают различным образом. При использовании перемешивания для интенсификации тепло-, массообменных и химических процессов его эффективность можно выражать соотношением кинетических коэффициентов при перемешивании и без него.
При получении однородных гомогенных и гетерогенных систем эффективность характеризуется равномерностью распределения (степени однородности) фаз в этих системах. Перемешивание резко увеличивает коэффициент тепло- и массоотдачи дисперсионной среды.
Оценим степень однородности системы. Пусть степень однородности системы характеризуется некоторым параметром x (например, температура или концентрация). При достижении полностью однородной массы этот параметр во всех точках объема был бы одинаковым, равным 
.
В действительности пробы, взятые в разных точках объема, могут иметь различные значения 
. Тогда в качестве характеристики неоднородности можно принять относительное значение среднеквадратичного отношения параметра x от в пределах взятых проб.
(5.1)
Для вполне однородной массы 
.
В промышленности наибольшее распространение получил процесс перемешивания в жидкой среде.
Источник
Экология СПРАВОЧНИК
Информация
Осаждение частиц свободное
При свободном осаждении частиц скорость седиментации зависит от вязкости воды и индивидуальных свойств каждой частицы. В случае осветления во взвешенном слое имеет место стесненное осаждение хлопьев, скорость которого меньше скорости свободного осаждения и зависит от объемной концентрации взвеси. Благодаря этой зависимости достигается стабильное положение уровня взвеси в довольно широком диапазоне скоростей восходящего потока воды.[ . ]
Если частица движется в жидкости свободно, при отсутствии вращения, — только под действием силы тяжести, то скорость ее всплывания или осаждения будет постоянна, если сопротивление движению со стороны жидкости равно весу частицы в жидкости, т. е. если сопротивление Р движению частицы в жидкостной фазе равно эффективному весу № частицы при достижении ею предельной скорости, т. е, когда ускорение от силы тяжести равняется нулю.[ . ]
Кинетика осаждения полидисперсной взвеси представлена на рис. 15. Если в прозрачный цилиндр налить полидисперсную взвесь, то процесс ее осаждения будет происходить следующим образом. Через некоторый промежуток времени в верхней части сосуда появится граница между осветленной водой и взвесью. Наряду с осветленной водой I и свободным осаждением II на дне сосуда образуется осадок IV, в котором идет медленное уплотнение частиц. Над осадком возникает слой сгущенной суспензии, в которой твердые частицы расположены настолько тесно, что дальнейшее уплотнение возможно только путем вытеснения жидкости из пространства между частицами. Это и есть стесненное осаждение III. Процесс отстаивания заканчивается, когда исчезают свободное II и стесненное III осаждения.[ . ]
О размерах частиц, встречающихся в природных водах, и скорости их осаждения можно судить на основании данных, приведенных в табл. 9 [14]. Для взвешенных веществ, в том числе и частиц нешарообразной формы, скорость их осаждения (мм/сек) используют в качестве критерия, характеризующего размер частиц, и обозначают термином — «гидравлическая крупность частиц». Из последней колонки таблицы видно, что уже глинистые частицы без нарушения их агрегативной устойчивости не могут быть задержаны в технологических сооружениях, предусматривающих осаждение частиц в свободном объеме, так как необходимое для этого время значительно превышает время пребывания воды на станциях обработки.[ . ]
Закономерности свободного осаждения частиц практически сохраняются при объемной концентрации осаждающихся частиц до 1%.[ . ]
Поскольку скорости свободного и стесненного осаждения частиц растут пропорционально разнице объемных весов хлопьев и воды [уравнение (VI.33 )], даже незначительное повышение рч приводит к заметному увеличению и и i>: например, при увеличении рч от 1,002 до 1,006 г/см3 скорость и возрастает в 3 раза. При используемых на практике скоростях восходящего потока воды (0,7—1,4 мм/сек) объемная концентрация взвеси в контактной среде находится в пределах 0,05—0,10, а весовая концентрация при обработке маломутной воды составляет 0,2—0,5 г/л, при обработке мутной — 0,5—6 г/л.[ . ]
Если твердая или жидкая частица, находящаяся под действием сил земного тяготения, свободно движется в жидкости, то скорость ее подъема или осаждения, зависящая от размера частицы, плотности и свойств ее и среды, становится постоянной. При этом сила сопротивления движению уравновешивается силой, сообщающей движение частице. Другими словами, сопротивление движению частицы в жидкой среде равно эффективному весу частицы в момент достижения постоянной скорости.[ . ]
Формула Стокса выведена в предположении свободного осаждения в ламинарном потоке жидкости частиц диаметром менее 1 мм, не взаимодействующих друг с другом. Условия свободного осаждения частиц практически сохраняются при их объемной концентрации до 1%, что соответствует массовой концентрации 12-26 г/л при плотности 1,2-2,6 г/см3, характерной для фракций земли, глины, песка. При этом отстаиваться могут как неслипающиеся частицы, сохранившие свои формы и размеры, так и частицы, склонные к флокуляции и коалесценции. Мешают отстаиванию факторы, нарушающие ламинар-ность движения жидкости и свободный характер отстаивания частиц. К ним относятся, например, перепад температур, неравномерность распределения воды в отстойнике, степень турбулизации потока.[ . ]
Расчет по формуле Стокса показывает, что частицы ПАУ с ¿экв менее 10 мкм, гидравлической крупностью до 0,014 мм/с и через 2 ч отстаивания пребывают во взвешенном состоянии. Учитывая малые размеры частиц ПАУ и сравнительно низкие его концентрации (1—50 г/дм3), скорости их стесненного осаждения и свободного падения близки. Экспериментальные данные (рис.[ . ]
Одним из таких способов разделения является осаждение частиц из жидкости под действием силы тяжести. Поскольку частицы отличаются по размеру и плотности, они осаждаются с разной скоростью. Осаждение эффективно при условии, что частицы нерастворимы, свободно движутся в среде, в которой они находятся во взвешенном состоянии, и довольно быстро осаждаются.[ . ]
Влияние концентрации взвешенных веществ на их осаждение. При относительно высоких концентрациях взвешенных веществ в суспензиях их разделение существенно замедляется по сравнению со свободным осаждением одиночной частицы. Увеличение концентрации взвешенных веществ приводит к уменьшению расстояния между частицами. Уплотнение концентрированной суспензии обусловлено течением жидкой фазы по каналам между частицами.[ . ]
При отстаивании взвесей наблюдаются случаи как свободного, так и сопряженного осаждения. Учитывая, что концентрация взвеси в воде, даже в случае коагулирования, мала, в верхних слоях наблюдается режим свободного осаждения . В нижних слоях концентрация взвеси увеличивается за счет частиц, оседающих из верхних слоев, происходит сопряженное осаждение. В образующемся «облаке» хлопьев размеры частиц колеблются в больших пределах (от очень крупных до чрезвычайно мелких). При достаточном сгущении такое «облако» действует почти как фильтр, захватывая самые мельчайшие частицы.[ . ]
Имеется много объяснений причин слипания коллоидных частиц до образования смолы. Наиболее распространено мнение, что причиной осаждения являются частицы грязи в суспензии, а также то, что первой ступенью является реакция свободных жирных кислот [53] с металлическими частичками аппарата, дающая легкоплавкие клейкие соли, которые вызывают дальнейшее слипание, поскольку они адсорбируются на волокнах слабее, чем натровые соли жирных и смоляных кислот.[ . ]
Интенсивнее отделение взвеси от очищаемой воды происходит в центрифугах, где скорость движения частиц во много раз больше скорости свободного их осаждения. Из-за сложности конструкции и обслуживания они нашли пока ограниченное применение.[ . ]
Закономерности движения тел в жидкости под действием сил тяжести позволяют определить скорость свободного осаждения частиц монодисперсной взвеси при условии, что частицы в процессе осаждения не слипаются и не изменяют своей формы и размеров. Свободное осаждение частиц, а точнее, слабо стесненное осаждение, проявляется на первых этапах процесса отстаивания, а по мере увеличения концентрации частиц все большее значение приобретает стесненное осаждение частиц и даже коллективное осаждение при значительном сгущении.[ . ]
Возрастание средней кинетической энергии системы приводит к кинетической устойчивости (устойчивость против осаждения частиц). Возрастание свободной поверхностной энергии, приходящееся на одну частицу дисперсной фазы, снижает агрегативную устойчивость (устойчивость против слипания частиц).[ . ]
Сточные воды представляют собой полидисперсные агрега-тивно-неустойчивые системы, в которых наблюдается стесненное осаждение, сопровождающееся столкновением частиц, трением между ними, изменением их формы, плотности и других физических свойств. Скорость стесненного осаждения меньше скорости свободного осаждения вследствие возникновения восходящего потока жидкости и большей вязкости среды.[ . ]
Рассмотренные выше закономерности отмечаются, если содержание дисперсной фазы не превышает примерно 2—3 объемных процентов. Такое осаждение называется свободным. При большей-рбъемной концентрации дисперсной фазы влияние близко расположенных частиц мешает осаждению и скорость его замедляется. Такое осаждение называется стесненным. Стесненное осаждение происходит при уплотнении осадка в отстойниках, осветлении во взвешенном слое и при отделении твердой фазы от жидкости путем центрифугирования.[ . ]
Для осадков природных и сточных вод характерна высокая объемная концентрация дисперсной фазы. Вследствие этого происходит стесненное осаждение, которое значительно медленнее свободного. Осаждение в центробежном поле сопровождается образованием и разрушением агрегатов частиц, что также оказывает влияние на процесс осаждения.[ . ]
Для очистки воды от взвешенных примесей используются магнитные фильтры производительностью до 120 м3/ч при начальной концентрации взвешенных частиц 600—800 мг/л, обеспечивающие очистку на 85—90 %. Магнитная обработка растворов способствует увеличению степени гидролиза солей, препятствует образованию накипи на стенках теплообменной аппаратуры. Под действием магнитного поля возрастает поверхностная активность реагентов и увеличивается их растворимость в воде. Обработка реагентов в магнитном поле позволяет увеличить степень извлечения продуктов при флотационном обогащении руд на 1,5—16 %. Обработка растворов в магнитном поле увеличивает эффективность шламо-улавливания на 3—4 %. В то же время после магнитной обработки стоков размеры кристаллизующихся примесей уменьшаются и одновременно снижается скорость их осаждения, что усложняет проблему выделения шлама. Эффект обработки зависит не только от напряженности магнитного поля и времени контакта жидкости с магнитами, но и от химического состава обрабатываемой жидкости. Так, например, при концентрации свободной углекислоты в стоке более равновесной (Лсо2 > 0) КР > 1, при концентрации равной равновесной (Дсо2 = 0)КР— 1 магнитная обработка неэффективна. Повышение температуры стока делает обработку ее магнитным полем более эффективной. Использование метода магнитной обработки не вносит дополнительных соединений в стоки и газы, а его применение, как показывают технико-экономические расчеты, позволяет значительно сократить затраты на установки для переработки газообразных и жидких выбросов.[ . ]
Сепарирование, как и центрифугирование, основано на разделении суспензии на осадок и иловую воду под действием центробежной силы при вращении. Однако осаждение осадка происходит не в свободном пространстве, а в тонком слое, что способствует выделению более мелких частиц, чем на центрифугах. В сепараторах вращающийся ротор заполняется коническими тарелками, между которыми предусмотрены прозоры в несколько миллиметров.[ . ]
По скорости расслаивания осадки подразделяются на расслаивающиеся очень быстро, быстро и медленно. При выборе обезвоживающего оборудования, как правило, учитывается скорость осаждения частиц осадков. Так, при высокой скорости осаждения всей твердой фазы или наиболее грубых ее частиц не рекомендуется использовать ряд конструкций аппаратов с направлением движущей силы процесса обратно или перпендикулярно направлению свободного падения (барабанный, листовой, патронный фильтры и др.). Кроме того, высокая скорость осаждения твердой фазы позволяет использовать для обезвоживания процесс осаждения вместо процесса фильтрования. Если же достаточно полного обезвоживания при этом не происходит, то путем предварительного сгущения осадка достигается интенсификация последующих процессов фильтрования. Обзор литературных данных и результаты проведенных исследований пока эывают, что отмечается симбатная взаимосвязь между скоростью осаждения частиц суспензии, скоростью ее фильтрования, удельным сопротивлением.[ . ]
Обычно промышленные жидкости представляют собой малоконцентрированные суспензии, в которых механические загрязнения содержатся сравнительно в небольших количествах, поэтому оседание отдельных частиц не сопровождается их взаимодействием между собой — наблюдается так называемое свободное осаждение. При движении, частицы вертикально вниз под действием разности гравитационной и выталкивающей сил на эту частицу действует сила сопротивления жидкой среды, препятствующая движению частицы, т. е. направленная вертикально вверх.[ . ]
Каждому значению скорости восходящего потока воды соответствует определенная концентрация взвешенного слоя: чем больше скорость, тем меньше концентрация. Когда скорость потока приближается к скорости свободного осаждения частиц, находящихся во взвешенном слое, слой, расплывается, происходит вынос частиц с потоком.[ . ]
Тонкослойные отстойники. Наиболее распространенными и простыми установками предварительной очистки суспензий являются отстойники, где основная масса взвешенных веществ выделяется из воды гравитационным осаждением. Расчет отстойников в основном состоит в определении скорости свободного падения частиц и скорости движения потока жидкости в отстойнике. В практике проектирования расчет отстойников заключается в определении их размеров при заданном эффекте осветления. В соответствии с рекомендациями СНиП высоту отстойника обычно принимают равной 3—5 м.[ . ]
Преобразовав выражение (VII.10), получим а — —f(l, g, v, а). Так как коэффициент теплоотдачи не зависит от геометрических размеров объекта, следовательно, процесс автомоделей по отношению к этому показателю, и при изучении осаждения твердых частиц в жидкости необходимо знать происхождение и характер конвективных токов, препятствующих этому процессу. При свободной конвекции движение происходит под влиянием сил, обусловленных изменением плотности жидкости. Свободная (естественная) конвекция возникает только тогда, когда изменение плотности происходит в поле тяжести и когда градиент плотности направлен нормально к полю тяжести, причем так, что плотность возрастает снизу вверх.[ . ]
Перемешивание производится стержневыми мешалками или вертикальными решетками, укрепляемыми на илоскребе в радиальных уплотнителях. Форма стержней круглая или полукруглая, расстояние между ними принимается 0,3 м, частота вращения — 2—4 об/ч. При перемешивании происходит укрупнение частиц осадка, что способствует более быстрому их осаждению и образованию свободных зон — каналов, по которым поднимается выделяющаяся при уплотнении вода.[ . ]
Введение ПАА в воду, коагулированную сернокислым алюминием, приводит к значительному увеличению массовой и объемной концентрации твердой фазы во взвешенном слое при равных скоростях потока воды (рис. Ш.8). Это связано с изменением структуры взвешенного слоя, а также с увеличением концентрации частиц в единице объема хлопьев, плотности хлопьев рх и скорости свободного осаждения (табл. 1И.4).[ . ]
Системы, образованные примесями первой группы, кинетически неустойчивы. Нерастворимые вещества удерживаются во взвешенном состоянии динамическими силами потока воды и попадают в водоемы в результате размывания окружающих пород и смыва почв. В состоянии покоя для таких систем характерна седиментация взвешенных частиц. Она может протекать без слипания частиц или с их агрегацией в процессе осаждения. Кроме того, различают свободное осаждение частиц системы, когда взвешенные вещества не оказывают взаимного влияния друг на друга и сопряженное или стесненное осаждение в случае концентрированных суспензий.[ . ]
Изотопы редких газов радона, торона и актинона выделяются в атмосферу из твердых материалов. Они не улавливаются фильтрами, однако продукты их распада хорошо задерживаются, так как образующиеся атомы полония, висмута, свинца и таллия легко адсорбируются на поверхностях фильтрующих элементов. После поглощения таких атомов ядрами конденсации или другими пылевыми частицами в воздухе эффективность их осаждения фильтрами остается той же самой, что и самих исходных частиц, но может быть меньше эффективности осаждения свободных атомов; накопление и соответствующий распад активности происходят в соответствии с периодами полураспада дочерних изотопов. Обычно концентрация радона в воздухе вдали от городов и промышленных районов составляет 5 10 14 кюри!л, однако это значение изменяется в широких пределах в зависимости от места расположения и условий погоды. Например, дождь снижает выделение радона из почвы; на урановых рудниках концентрация может достигать 10-9 кюри/л (например, в Шнееберге и Иохимстале).[ . ]
Источник
