Процессы очистки газов, жидкостей и растворов

Под неоднородной системой понимают систему, состоящую из двух или нескольких фаз, каждая из которых имеет свою поверхность раздела и может быть механически отделена от другой фазы.

Любая неоднородная бинарная система состоит из внутренней (дисперсной) фазы и внешней фазы, или дисперсионной среды, в которой находятся частицы дисперсной фазы.

Система, в которой внешней фазой является жидкость, называется жидкой неоднородной системой, а система с газовой внешней средой – газовой неоднородной системой.

В зависимости от физического состояния фаз различают следующие не однородные жидкие и газовые системы: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.

Каждая из указанных неоднородных систем характеризуется концентрацией внутренней фазы и размерами ее частиц.

Суспензия состоит из жидкости и находящихся в ней твердых частиц. В зависимости от размеров частиц различают суспензии грубые (с частицами размером более 100 мкм), тонкие (0,5–100 мкм) и мути (0,1–0,5 мкм) Промежуточное положение между суспензиями и истинными растворами занимают коллоидные растворы с размерами частиц менее 0,1 мкм.

Эмульсия состоит из двух несмешивающихся или частично смешивающихся жидкостей, а пена – из жидкости и находящихся в ней пузырьков газа.

Пыль и дым состоят из газов и находящихся в них твердых частиц размером 0,3–50 мкм, а туман – из газа и взвешенных в нем капелек жидкости.

На пищевых предприятиях может быть любая из указанных систем. Суспензиями являются, например, пивное сусло, крахмальное молоко патока с кристаллами сахара. К эмульсиям можно отнести молоко, смесь растительного масла с водой и др.

Мучная пыль образуется при дроблении зерна, просеивании и транспортировке муки, сахарная пыль – при сушке сахара–песка и др. Дым с твердыми частицами образуется при сжигании твердого топлива, а туман – при конденсации пара.

Указанные неоднородные системы разделяют осаждением, фильтрованием, промывкой, а также с помощью полупроницаемых мембран.

Процессы очистки газов

Теория процессов очистки газов описана в предыдущем пункте (п. 3.1.4).

Также газовые неоднородные системы разделяют осаждением (п. 3.2.2.1) и фильтрованием (п. 3.2.2.4).

Процессы очистки жидкостей и растворов

Отстаивание и осаждение

Осаждением называют процесс выделения твердых или жидких частиц из жидких или газовых неоднородных систем под действием силы тяжести, центробежных сил или сил электрического поля.

К процессам разделения в поле силы тяжести относятся процессы отстаивания и осаждения, которые совершенно идентичны по своей физической сути. Различие заключается лишь в том, что при отстаивании дисперсная фаза движется вверх, а при осаждении вниз.

Вне зависимости от направления движения частицы общие закономерности процесса одинаковы. Частицы могут перемещаться в жидкости при трех режимах: ламинарном, переходном, турбулентном. При ламинарном движении частицы (рис. 63, а) линии тока жидкости плавно огибают ее. При переходном (рис. 63, б) – за частицей возникает незначительное завихрение жидкости. Наконец, при турбулентном (рис. 63, в) – за частицей образуются вихревые потоки. Для процесса осаждения частиц наиболее предпочтителен ламинарный режим движения частиц.

Рис. 63. Режимы движения дисперсных частиц в жидкой среде:

а – ламинарный; б – переходный; в – турбулентный

Для определения режима движения частицы используют критерии Рейнольдса:

,

где – скорость движения частицы, м/с; – коэффициент кинематической вязкости жидкости, ; – определяющий размер частицы дисперсной фазы, м. Принято считать, что при режим движения частицы ламинарный, при – переходный, при – турбулентный.

Отстаивание применяют для разделения суспензий, эмульсий, пылей и дымов. Сущность его заключается в том, что неоднородная система, находящаяся в аппарате в состоянии покоя или движущаяся в нем смалой скоростью, разделяется на составные части под действием силы тяжести. Небольшая скорость осаждения частиц при отстаивании не обеспечивает выделения из смеси тонкодисперсных частиц, поэтому отстаивание, как правило, применяют для грубого разделения неоднородных систем. Основными показателями, характеризующими процесс отстаивания, являются скорость осаждения частиц, линейная скорость потока, время пребывания потока в аппарате и качество получаемых фракций.

Для определения скорости осаждения рассмотрим осаждение обособленной твердой шарообразной частицы в жидкости (рис. 64). На частицу диаметром действуют сила тяжести , подъемная сила и сила сопротивления среды.

Рис. 64. Силы, действующие на твердую частицу при осаждении

Сила тяжести частицы в объеме шара:

.

Подъемная сила среды:

,

где и – плотность частицы и среды, .

Движущая сила , под воздействием которой частица осаждается:

.

Сила сопротивления среды направлена в сторону, обратную движению частицы, и состоит из сил трения и сил инерции. Силы трения преобладают при небольших скоростях осаждения, малых размерах частиц и высокой вязкости среды, т. е. при ламинарном движении, когда поток плавно обтекает частицу и не образует за ней завихренных потоков; при этом .

При турбулентном осаждении, когда , за частицей с большой массой образуются завихренные потоки, а вместе с ними и некоторое разрежение; это приводит к увеличению сопротивления среды и кзамедлению скорости осаждения частицы.

Независимо от режима осаждения частицы сила сопротивления среды по Ньютону (в Н):

,

где – коэффициент сопротивления среды ( при ; при ; при ); – площадь проекции частицы на плоскость, перпендикулярную направлению ее движения, ; – скорость осаждения частицы, .

Оседающая частица, двигаясь вначале ускоренно, через некоторое время, когда сила станет равной силе , получив постоянную скорость, начинает осаждаться равномерно. Эта постоянная скорость, соответствующая равенству , называется скоростью осаждения.

Подставляя в равенство их значения, получим:

,

откуда скорость осаждения (в ):

.

Эта формула в зависимости от значений справедлива для любого из трех указанных выше режимов осаждения. Подставляя в нее значение , соответствующее ламинарному осаждению, получим формулу Стокса, справедливую для ,

.

Таким образом, скорость ламинарного осаждения частиц прямо пропорциональна квадрату их диаметров, разности плотностей частиц и среды и обратно пропорциональна вязкости среды.

Если оседающая частица не шарообразная, то ее эквивалентный диаметр (в м) находят по объему или массе частицы, пользуясь зависимостью:

.

Определение по формуле связано с некоторыми затруднениями в связи с тем, что входящий в уравнение коэффициент , а для определения числа нужно знать . В связи с этим для расчета удобней пользоваться методом предложенным П. В. Лященко.

Решая уравнение относительно , получим:

.

Умножив обе части этого уравнения на , после упрощения получим:

.

Правая часть полученного уравнения является критерием Архимеда, а следовательно,

.

Подставив в эту зависимость значения для соответствующих режимов осаждения, находят граничные значения критерия .

Для ламинарного режима после подстановки значения в уравнение получают:

.

В связи с этим при верхнее предельное значение критерия . Следовательно, ламинарный режим осаждения соответствует условию . Аналогично находят граничные значения и для других режимов осаждения.

Таким образом, рассчитав величину критерия (в который искомая скорость осаждения не входит), находят по кривым (рис. 65) соответствующее ему значение , а по нему – скорость осаждения (в ).

.

Аналогично по известному значению критерия скорость осаждения можно найти, пользуясь критерием Лященко ( ) по кривой 1 (рис. 65):

,

откуда:

.

Так как вязкость жидкости уменьшается с повышением ее температуры, то для интенсификации процесса осаждения в соответствии с уравнениями , и суспензии часто нагревают до температур, допустимых технологическими условиями.

Кроме того, для ускорения отстаивания часто пользуются коагуляцией частиц, т. е. укрупнением их с помощью вводимых в суспензию коагулянтов, в результате чего под действием молекулярных сил сцепления происходит слипание мелких частиц в крупные конгломераты (хлопья, флокулы).

Рис. 65. Зависимость критериев Рейнольдса и Лященко от критерия Архимеда:

Механизм процесса коагуляции в самом общем виде представляется так. Каждая частица суспензии несет определенный заряд, а иногда имеет и защитную водную или белковую оболочку. Так как все частицы заряжены одинаково, они не могут соединиться между собой. Вводимый в суспензию коагулянт (электролит) разрушает защитные оболочки частиц и, гидролизуясь, распадается на ионы и образует хлопьевидные осадки, которые в процессе своего образования и последующего осаждения притягивают и обволакивают взвешенные в суспензии частицы с отрицательным зарядом и образуют при этом агрегаты с большей массой и поверхностной энергией. Этому в значительной степени способствует умеренное перемешивание среды. Дальнейшее осаждение полученных крупных частиц сопровождается захватом и других мелких частиц, в результате чего скорость осаждения частиц значительно возрастает, а продолжительность осветления сокращается.

Уравнения , и справедливы только для шарообразных частиц, поэтому полученные по ним значения нужно умножить на коэффициент формы ( = 0,77 – для частиц округлой формы, = 0,66 – для угловатых, = 0,58 – для продолговатых и = 0,43 – для пластинчатых). При выводе указанных выше формул предполагалось также свободное осаждение обособленной частицы, оседающей независимо от других частиц. В реальных же условиях отстаивания, происходящего в ограниченном объеме и при значительных концентрациях твердых частиц, наблюдается так называемое стесненное осаждение. При этом сопротивление движению твердых частиц складывается из сопротивления среды и сопротивления, обусловленного трением и соударением между частицами, а поэтому скорость стесненного осаждения частиц всегда меньше скорости их свободного осаждения. Скорость стесненного осаждения частиц определяют по графику (рис. 66), изображающему зависимость от объемной доли твердой фазы в суспензии.

Рис. 66. График определения скорости стесненного осаждения частиц

Для того чтобы частицы в отстойнике успевали осесть и не уносились потоком суспензии, необходимо, чтобы скорость движения суспензии была меньше скорости осаждения частиц и время пребывания элемента потока в отстойнике превышало продолжительность осаждения частиц.