К лабораторной работе по курсу

Е.А. Шестаков, Д.Ю. Демин

ОСАЖДЕНИЕ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Березники 2010

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Березниковский филиал

Кафедра технологии и механизации производств

Е.А. Шестаков, Д.Ю. Демин

ОСАЖДЕНИЕ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ПО КУРСУ

«ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ»

Березники 2010

УДК 66

ББК

Ш 51

Составители: Е. А. Шестаков, Д.Ю. Демин

Рецензент

канд. техн. наук И.Е. Тимофеев

(Березниковский филиал Пермского государственного технического университета)

Ш 51	Осаждение: Метод. указания к лабораторной работе по курсу «Гидромеханические процессы»: для студентов специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» / сост. Е.А. Шестаков, Д.Ю. Демин. – БФ Перм. гос. техн. ун-та. – Березники, 2010. – 17 с.

Изложены теоретические основы разделения неоднородных систем методом осаждения, определения силы сопротивления среды при осаждении одиночной частицы, приведена методика определения скорости осаждения твердого тела в жидкости.

Методические указания могут использоваться при выполнении лабораторных работ студентами специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» по курсу «Гидромеханические процессы, 240301 «Химическая технология неорганических веществ» по курсу «Процессы и аппараты химической технологии», и по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств» по курсу «Технологические процессы и оборудование».

УДК 66

ã ГОУ ВПО

«Пермский государственный

технический университет», 2011

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Осаждение – представляет собой гидромеханический процесс разделения неоднородных систем, при котором взвешенные в жидкости или в газе твердые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под действием сил тяжести, сил инерции или электроста­тических сил. Осаждение, проис­ходящее под действием силы тяжести, назы­вается отстаиванием. В химической промышленности отстаивание в основном применяется для предвари­тельного, грубого разделения неоднородных систем.

При движении тела в жидко­сти возникают сопротивления, для пре­одоления которых и обеспечения равномерного движения тела должна быть затрачена определен­ная энер­гия. Возникающее сопротивле­ние, зависит главным образом от режима движения и формы обте­каемого тела. При осаждении частиц малых размеров, при небольших скоростях процесса или при высокой вязкости среды, тело окружено пограничным слоем жидкости

а) б) Рис. 1

и плавно увлекается по­током, который носит строго ламинарный (рис. 1, а), слоистый характер движения. Потеря энергии в таких случаях связана в основном лишь с преодолением сопротивления сил трения между слоями среды и выражается законом Стокса. Для сферической частицы по закону Стокса сила сопротивления , определяется по формуле

, (1)

где диаметр осаждаемой частицы, м;

динамическая вязкость среды, характеризующая работу, которую необходимо совершить при перемещении тела в каком-либо объёме жидкости в единицу времени, Па×с;

скорость движения (осаждения) частицы, м/с.

Осаждение частиц при больших скоростях происходит турбулизация потока (рис. 1, б), приводящая к образованию завихрений, «брызг», и при этом все большую роль начинают играть силы инерции. Под действием этих сил пограничный слой отрывается от поверхности частицы, что приводит к понижению давления за движущимся телом, и образованию беспорядочных местных завихрений в данном пространстве. В таких случаях потеря энергии связана с преодолением силы сопротивления среды движущемуся в ней телу. Данная сила сопротивления может быть выражена уравнением закона сопротивления

, (2)

где поправочный коэффициент лобового сопротивления среды;

площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению его движения, м²;

плотность среды, в которой происходит осаждение, кг/м³.

На рис. 2представлена зависимость коэффициента сопротивления среды от критерия Рейнольдса Re при движении шарообразной частицы диаметром . В общем случае диаметр частицы является опреде­ляющим параметром в крите­рии Рейнольдса Re, который является мерой соотношения между силами вязкости и инерции в потоке. Из графика видно, что существуют три различ­ных режима осаждения частиц, каждому из которых соответствует определенный ха­рактер зависимости от Re.

- ламинарный режим Re < 1 – описывается законом Стокса ,

- переходный режим 1 < Re < 500 – описывается законом Аллена ,

- автомодельный режим Re>500 – описывается законом Ньютона .

При движении тел отличающихся по форме от шара линейным размером в расчете критерия Re служит эквивалентный диаметр частицы. Под эквивалентным диаметром частицы принято понимать диаметр шара, имеющего такой же объем, что и данная частица.

Рис. 2. Зависимость x от критерия Re при движении тел шарообразной

формы в жидкостях

При осаждении одиночной частицы массой под действием силы собственного веса, её скорость первоначально возрастает. Со временем при увеличении скорости, согласно уравнению (2), сопротивление движению увеличивается, а, следовательно, скорость осаждения начинает уменьшаться. В результате, через короткий промежуток времени наступит равновесие между силами тяжести, под действием которой частица движется и силой сопротивления среды. Начиная с этого момента, ускорение движения будет равным нулю, частица станет двигаться равномерно с постоянной скоростью. Скорость такого равномерного движения частицы в среде называется скоростью осаждения.

Скорость осаждения одиночных частиц _ос определяется из условия равенства силы, движущей частицу, и силы сопротивления среды:

- для ламинарной области ,

- для переходной области ,

- для автомодельной области ,

где плотность осаждаемой частицы,кг/м³.

Для выбора расчетного уравнения, соответствующего определенной области осаждения, необходимо предварительно определить значение критерия Рейнольдса Re, зависящего от искомой скорости осаждения W_oc, т.е. не представляется возможным. Поэтому расчет W_ос по приведенным выше уравнениям возможен только методом последовательных приближений.

Более удобно пользоваться методом, предложенным П.В. Лященко, который заключается в преобразовании уравнения скорости осаждения и получения зависимости

, (3)

где критерий Архимеда, который показывает отношение силы тяжести к подъемной силе, и определяется по формуле

. (4)

Таким образом, рассчитав критерий Архимеда Ar, с помощью графика зависимости , приведенного на рис. 3, определяют значения критерия Рейнольдса Re. Зная критерий Рейнольдса Re, определяют скорость осаждения

. (5)

Все приведенные выше выражения справедливы только для шарообразных частиц. На практике, как правило, имеет место осаждение частиц неправильной формы. В этом случае скорость осаждения является функцией не только числа Re, но и коэффициента влияния формы . Вследствие трудности учета влияния формы, расчет скорости осаждения частиц в технологических расчетах всегда является приближенным.

Рис. 3. График зависимости критерия Рейнольдса от критерия Архимеда

для шарообразной частицы

В промышленной практике содержание твердой фазы обычно таково, что свободное осаждение твердых частиц встречается редко, когда концентрация дисперсной фазы очень мала и её частицы при движении не соприкасаются одна с другой. Обычно процессы осаждения проводятся в ограниченном объеме при большой концентрации дисперсной фазы, т.е. в условиях, когда оседающие частицы влияют на движение друг друга. При этом происходят столкновения частиц, изменяющие направление и скорость их падения и зачастую приводящие к вращению частиц.

Рис. 4. Зависимость скорости отстаивания от времени

При отстаивании неоднородных систем наблюдается постепенное увеличение концентрации диспергированных частиц в аппарате по направлению сверху вниз (рис. 4 отрезок ab). Над слоем осадка образуется зона сгущенной суспензии, в которой происходит стесненное осаждение частиц, сопровождающееся трением между частицами и их взаимными столкновениями (рис. 4 отрезок bс). При этом наблюдается тенденция к сближению скоростей осаждения частиц различных размеров; возникает коллективное, осаждение частиц. Постепенное уплотнение обусловлено уменьшением скорости частиц по мере приближения к днищу аппарата (рис. 4 отрезок сd).

Замедление объясняется тормозящим действием жидкости, вытесняемой осаждающимися частицами и движущейся от неподвижного днища в направлении, обратном движению частиц.

На рис. 5представлена схема процесса осаждения, на которой явно выражены границы зон осаждения

Процесс отстаивания продолжается во времени до полного расслоения неоднородной системы на осадок и осветленную жидкость. Повысить скорость разделения суспензий можно, если увеличить размеры осаждающихся частиц, скорость и площадь осаждения, среднюю плотность суспензии.

На практике рекомендуется вести расчет, ориентируясь на мелкие и легкие частицы в исходной суспензии, т. к. эти частицы в своем движении отстают от более крупных и тяжелых частиц.

Рис. 5. Схема процесса отстаивания: 1 – слой осадка, 2 – зона сгущенной

суспензии, 3 – зона свободного осаждения, 4 – осветленная жидкость

Процесс отстаивания продолжается во времени до полного расслоения неоднородной системы на осадок и осветленную жидкость. Повысить скорость разделения суспензий можно, если увеличить размеры осаждающихся частиц, скорость и площадь осаждения, среднюю плотность суспензии.

На практике рекомендуется вести расчет, ориентируясь на мелкие и легкие частицы в исходной суспензии, так как эти частицы в своем движении отстают от более крупных и тяжелых частиц.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Цель лабораторной работы.

Определить опытным путем скорость осаждения стальных шариков различных диаметров под действием силы тяжести в жидкости и сравнить их со значениями, полученными в результате расчетов по приведенным выше уравнениям. Проанализировать получившиеся результаты, сделать выводы о режимах осаждения шариков различных диаметров.