white line white line
Заявки на оборудование просьба присылать в технический отдел на e-mail info@ence.ch, тел. +7 (495) 225 57 86
white line white line

Суспензии. Аппараты для разделения суспензий. Осаждение под действием центробежной силы

Среди неоднородных жидких смесей чаще всего встречаются суспензии. Они различаются по количеству твердой фазы, а также величине твердых частиц и их концентрации.

В том случае, если количество твердого вещества повышается, увеличивается вязкость суспензии. В некоторых случаях из-за повышенной вязкости суспензия практически полностью теряет свои свойства жидкости.

Для определения вязкости суспензии может быть использована формула:

μ = μ0 · (1+4,5φ)

Если между поверхностью жидкой дисперсной среды и взвешенными частицами возникает поверхностное взаимодействие, например, адсорбция или набухание, то по данной формуле нельзя точно определить вязкость суспензии. Данная формула может быть использована только для такой концентрации твердых веществ, при которой суспензия обладает текучими свойствами.

Если концентрация дисперсной фазы в суспензии сильно возрастает, то твердые частицы начинают соприкасаться друг с другом. Из-за этого, помимо внутреннего трения жидкости, которая заполняет промежутки между взвешенными частицами, возникает сила трения частиц друг о друга. Следовательно, гидравлическое течение переходит в пластическое, для которого данная формула не применима.

Переход между гидравлическим и пластическим течениями характеризуется определенной границей. Если говорить о гидравлическом течении, то количество жидкости, которое вытекает из трубы, пропорционально давлению при любой вязкости жидкости. Помимо этого, в случае однородной жидкости, в сообщающихся сосудах она устанавливается на одном и том же уровне. Таким образом, для того, чтобы возникло гидравлическое течение, необходимо приложить относительно малое давление.

Если рассматривать пластическое течение, то в нем, помимо сопротивления трения, действуют еще и силы межмолекулярного сцепления. В случае если приложенная к среде сила недостаточна, то действие этой силы будет вызывать только упругую деформацию. Перемещение массы при этом не возникнет. Давление, которое приложено к пластическому телу, при котором материал начинает течь, называется критической.

Пластическое течение происходит до тех пор, пока пространство, которое находится между отдельными твердыми частицами, заполнено газом или жидкостью.

Твердые дисперсные фазы можно разделить на степени раздробленности твердой фазы на грубые суспензии (мути) - в них взвешены твердые частицы, размер которых превышает 100 μ, и тонкие суспензии (коллоидные растворы) - в них взвешенные твердые частицы иметь размер более 100 μ.

Внешне суспензии выглядят однородными. Но если рассмотреть их под микроскопом, то становится видна их неоднородность. В таких суспензиях происходит броуновское движение. Это значит, что очень малые взвешенные твердые частицы из-за ударов молекул дисперсионной среды, получают скорости, направленные в разные стороны.

На практике в технологических процессах можно встретить все виды суспензий. К тому же взвешенные частицы в них, как правило, имеют различный размер.

Главным параметром, характеризующим суспензию является отношение жидкой фазы к твердой (Ж:Т). Данное соотношение может быть выражено следующим образом:

n = (Ж:Т) = (1-х)/х

Выражение объемной доли твердых частиц в суспензии:

q = (х/ρтв) / (1/ρс) = (x · ρc) / ρтв

Где ρс и ρтв плотность суспензии и содержащейся в ней твердой фазы. Показатель ρс определяют, учитывая, что удельный объем суспензии равен сумме объемов твердой и жидкой фаз.

1/ρс = 1/ρтв +(1-х)/ρж

Откуда вытекает следующее уравнение:

ρс = 1 / (1/ρтв+(1-х)/ρж)

где ρж плотность жидкой фазы.

Жидкий осадок, который получается в результате, вычисляется по формуле:

nос = (Ж:Т)ос = w/(1-w)

где w – весовая доля жидкой фазы в составе осадка.

Аппараты для разделения суспензий

Отстойники – самые простые аппараты для разделения суспензий. Для них характерны малые эксплуатационные и капитальные затраты. Однако отстойники имеют небольшую движущую силу, громоздки, а также в них не очень качественно отделяются мелкие частицы. Отстойники используются для предварительного разделения суспензий, которые содержат много твердой фазы или крупные частицы.

Центрифуги и гидроциклоны обладают гораздо большей производительностью по сравнению с отстойниками. В данных аппаратах можно отделять мелкодисперсные частицы. Недостатком таких аппаратов, особенно это касается центрифуг, является высокая стоимость эксплуатационных расходов и самого аппарата. К тому же их нельзя использовать для отделения частиц, обладающим абразивным действием.

Достаточно эффективно разделять суспензии при помощи фильтрующих центрифуг и фильтров. В таких аппаратах помимо фильтрации, происходит промывка и просушка осадка. Недостатком таких аппаратом является их дороговизна и сложность.

Скорость гравитационного разделения суспензии снижается с уменьшением размера твердых частиц, а также разности плотности обеих фаз. В случае переходного или ламинарного режим осаждения скорость разделения суспензий снижается при росте вязкости жидкой среды.

Скорость разделения может быть увеличена в поле центробежной силы. Чтобы этого достигнуть, суспензию помещают внутрь цилиндрического барабана, который вращается вокруг своей оси с большой угловой скоростью ω. При этом суспензия получает вращательное движение с такой же угловой скоростью ω. Благодаря этому твердая частица, имеющая массу т, радиус вращения r, попадает под действием гравитационной силы mg и центробежной силы mω2r. Данный процесс называется центрифугированием, а аппараты, которые используются для его осуществления – центрифугами.

На практике центрифугирование ω2r»g. Именно поэтому гравитационной силой, как правило, пренебрегают и характеризуют напряженность центробежного силового поля величиной ω2r. Следовательно, в процессе центрифугирования ускорения оседающих твердых частиц возрастает на величину ω2r/g = Ф, называемую фактором разделения. Окружная скорость равна w = ω · r, то

Ф = (ω² · r)/g = w²/(g · r) = Frц

где Frц является центробежным критерием Фруда.

Осадительные центрифуги являются аппаратами для центрифугального осаждения и используются для разделения суспензий, которые имеют объемную концентрацию твердой фазы до 40%, а также состоят из частиц, размер которых колеблется от 0,005 до 10 мм. В процессе центрифугирования образуется осадок с небольшим содержанием жидкой фазы, а также осветленная жидкость, называемая фугатом.

Центрифуги можно разделить по фактору разделения Ф на нормальные (Ф<3500) и сверхцентрифуги, а также по рабочему режиму центрифуги разделяются на непрерывного и периодического действия. Осадительные центрифуги разделяются на сепарирующие, универсальные, осветляющие и обезвоживающие. К конструктивным характеристикам центрифуг относятся расположение вала и его опор, степень герметизации, способ выгрузки и взрывобезопасность.

Обезвоживающие центрифуги используются для сильного обезвоживания суспензий высокой концентрации. Универсальные центрифуги применяются для разделения низко- и среднеконцентрированных суспензий в том случае, если имеются умеренные требования к чистоте и влажности фугата. Осветляющие центрифуги используются для выделения высокодисперской твердой фазы из суспензий, где ее концентрация невелика. Сепарирующие центрифуги применяются для разделения нестойких эмульсий.

Для того чтобы разделить суспензию, которая имеет объемную концентрацию твердой фазы ао от 5 до 30% и размеры частиц от 5 да 40 мкм, используются центрифуги периодического действия, имеющего механическую выгрузку осадка. Такая центрифуга имеет два режима питания.

По первому режиму питания подача суспензии в барабан идет до его заполнения, а после завершения процесса центрифугирования фугат удаляется по отводной трубке. Конец этой трубки постепенно приближается к поверхности слоя осадка. После этого трубка принимает свое исходное положение. А осадок, который образуется в результате центрифугирования, срезается ножом, который постепенно проникает в этот слой. После завершения нож возвращается в начальное положение, и рабочий цикл начинается заново.

По второму режиму суспензия некоторое время поступает непрерывно, а фугат переливается через борт до того момента, как накапливается осадок определенной толщины. В этот момент прекращается подача суспензии, остаток фугата отводится по трубке. Осадок же срезается ножом, как и в первом режиме.

Для того чтобы разделить тонкодисперсные суспензии, которые имеют размер частиц 0,5-1,5 мкм, а также низкоконцентрированные суспензии, используются трубчатые сверхцентрифуги. Рабочим органом таких центрифуг является вертикальный барабан. Суспензия попадает в центрифугу через дно барабана, потом огибает распределительный диск и перемещается вверх, вращаясь вместе с барабаном. В таком барабане предусмотрено 3-4 ребра, которые обеспечивают суспензии частоту вращения барабана. Благодаря хорошему фактору разделения твердая фаза оседает на стенки барабана, а фугат постоянно удаляется из отверстия, которое находится на головке центрифуги. Осадок необходимо удалят вручную после того, как центрифуга будет остановлена, а ротор – разобран.

Такие центрифуги используются также для разделения стойких эмульсий, которые расслаиваются при продвижении вверх на легкую и тяжелую фазу. Тяжелая фаза при этом удаляется через периферийные отверстия, а легкая фаза – через центральные. Для определения положения разделения обеих фаз используется сменное кольцо, диаметр которого зависит от объемного соотношения и плотности фаз.

Трубчатые центрифуги имеют большую скорость и хорошую удельную производительность при небольшом объеме барабана. Однако из-за большой скорости вращения длина и диаметр барабана ограничены, чтобы достичь максимальной прочности. Поэтому диаметр барабана не может превышать 150 мм, рабочий объем – 10 дм3, а длина 1м.

Полезные статьи по фильтрам и системам очистки:

Фильтрование. Процесс фильтрования
Материальный баланс процессов осаждения и фильтрации
Неоднородные смеси. Общие понятия и определения
Способы разделения неоднородных смесей
Процесс и скорость осаждения частиц
Классификация фильтров. Особенности фильтров. Виды и типы фильтров
Осадок. Промывка осадка в фильтрах и в системах очистки
Эмульсии. Расслоение эмульсий
Расчеты и подбор фильтров
Очистка газа. Аппараты мокрой и сухой очистки газа
Установки и фильтры для очистки газа
Волокнистые фильтры
Сравнение фильтров
Промышленные фильтр сепараторы
Ультрафильтрация
Очистка пластовой воды. Очистка воды от пластовых примесей
Методы и способы очистки воды
Электродиализ
Коалесценция. Коалесцирующие фильтры
Коагуляция

Сообщить об ошибке на сайте ENCE GmbH, Switzerland / ENCE gmbH, Schweiz / ЭНЦЕ ГмбХ, Швейцария © ENCE GmbH