Отстаивание

 

Отстаивание применяют в промышленности для сгущения суспензий или классификации суспензий по фракциям частиц твердой фазы, для грубой очистки газов от пылей и для разделения эмульсий. Ввиду малой движущей силы (сила тяжести) в процессе отстаивания возможно с достаточной эффективностью отделять только крупные частицы. Однако отстаивание - это наиболее простой и дешевый процесс среди гидродинамических процессов, поэтому его часто используют для первичного разделения, что удешевляет последующее окончательное разделение гетерогенной смеси более сложными способами.

Из законов движения твердых тел в жидкостях (включая капельные и упругие) и получены формулы для расчета скорости свободного осаждения частиц под действием силы тяжести. Эти же формулы могут применяться при расчете скорости осаждения мелких капель в газе. При осаждении капель жидкости в жидкой среде благодаря внутренней циркуляции в капле скорость движения капли может быть на 50% выше, чем скорость твердой сферической частицы эквивалентного диаметра. При загрязнении капель примесями или в присутствии поверхностно-активных веществ тенденция к циркуляции сильно снижается; скорость осаждения таких капель, называемых «жесткими», следует рассчитать по уравнениям, полученным для твердых частиц. В случае чистых капель скорость осаждения возрастает с увеличением размера капли только до определенного (критического) значения их эквивалентного диаметра d_kp(размер капель d выражается как диаметр сферы, объем которой равновелик объему капли). Капли с d >d_kp в процессе осаждения периодически меняют свою форму и называются, поэтому осциллирующими. Скорость осаждения осциллирующих капель с увеличением их размера немного уменьшается.

Скорость свободного осаждения мелких капель можно рассчитать по уравнению Адамара

 

(5)

где r_д и r_c- плотность жидкостей, образующих соответственно дисперсную и сплошную фазу; m_ди m_c -вязкость жидкостей, образующих соответственно дисперсную и сплошную фазу.

Расчет скоростей осаждения крупных капель проводят по эмпирическим формулам.

В промышленности отстаивание применяют чаще всего в условиях высокой концентрации дисперсной фазы, когда происходит стесненное осаждение, скорость которого может быть значительно меньше скорости свободного осаждения. При этом вследствие трения между частицами и их взаимных столкновений наблюдается тенденция к сближению скоростей осаждения частиц различных размеров, возникает коллективное, или солидарное (стесненное), осаждение частиц со скоростями, близкими в каждом сечении аппарата, но различными по его высоте: с приближением к днищу аппарата скорость осаждения все более замедляется. Это связано с возникновением восходящих потоков жидкости из-за вытеснения ее осаждающимися на дно частицами. При этом процесс осложняется тем, что крупные частицы обгоняют мелкие. В условиях стесненного осаждения концентрация диспергированных частиц сильно изменяется по высоте отстойника: в верхней части располагается слой осветленной жидкости, ниже его - зона практически свободного осаждения, затем зона стесненного осаждения и, наконец, на дне находится слой осадка.

Скорость стесненного осаждения w_ст является функцией скорости свободного осаждения и концентрации суспензии, которая в расчетных формулах выражается через объемную долю жидкости в суспензии e:

(7)

V_Ж и V_Т– объем соответственно сплошной (жидкой) и дисперсной (твердой) фазы

 

При

При (8)

Скорость стесненного осаждения можно рассчитать также, исходя из следующей зависимости для критерия Рейнольдса:

(9)

На основе уравнений (8) и (9) можно рассчитать скорость стесненного осаждения одинаковых по размеру шарообразных частиц. При осаждении частиц иной формы полученное значение w_ст следует умножить на поправочный коэффициент формы j(j< 1), значения которого определяют опытным путем. Кроме того, при расчетах скоростей осаждения не шарообразных частиц в качестве их диаметра следует использовать диаметр эквивалентного шара.

Расчет скоростей осаждения для суспензий, содержащих частицы различного диаметра, не может быть выполнен с достаточной точностью. В этих случаях необходима постановка экспериментов.