Как происходит осаждение?

Мы знаем, что камень, брошенный в воду, утонет, а пробка всплывет на ее поверхность, потому что камень “тяжелее”, а пробка “легче” воды.

Вероятно, у некоторых вызовет затруднениевопрос о том, что случится с камнем или куском железа, если вместо воды их опустить в сосуд с ртутью. Опыт достаточно простой. Ртуть – жидкий металл, имеющий высокую плотность, поэтому и железо, и камень останутся на ее поверхности.

Плотность

Каждое вещество обладает характеристикой, называемой плотностью. Плотность является мерой тяжести вещества и может быть выражена в кг/м³. Если мы положим на весы один кубический метр железа, то они покажут 7860 кг (плотность железа 7860 кг).

Плотность воды при комнатной температуре составляет 1000 кг/м³, а камня (гранита), пробки и ртути при комнатной температуре – 2700, 180 и 13 550 кг/м³ соответственно. Когда в воду опускают какой-либо предмет, утонет он или останется на ее поверхности, зависит от того, какова его плотность по сравнению с плотностью воды.

Если плотность предмета выше плотности воды, он утонет, в противном случае предмет останется на поверхности воды.

Плотность обычно обозначается греческой буквой ρ. При плотности какой-либо частицы, равной ρp, и плотности жидкости, равной ρl, разницу в их плотности можно обозначить как (ρp – ρl). Например, разница плотностей камня и воды составляет (2700 – 1000) = 1700 кг/см³, что является положительным числом, т.к. плотность камня больше плотности воды. Поэтому, если мы опустим в воду камень, он утонет.

Что касается пробки, то здесь разность получается с отрицательным результатом, т.к. плотность пробки ниже плотности воды. Следовательно, брошенная в воду пробка не утонет, а останется на ее поверхности.

Растворенные в жидкости вещества не могут быть разделены при помощи осаждения.

Эта формула (уравнение 1) показывает, что скорость осаждения/всплытия частицы или капли:

• Возрастает пропорционально квадрату диаметра частицы; это означает, что частица диаметром 2 см будет опускаться или всплывать в четыре раза быстрее (22 = 4), чем частица диаметром 1 см

• Возрастает с увеличением разницы плотностей междуфазами

• Возрастает с уменьшением вязкости непрерывной фазы.

Скорость всплытия жирового шарика

Жировые шарики в молоке, помещенном в сосуд, поднимаются к поверхности молока. Скорость их всплытия может быть рассчитана с помощью вышеприведенной формулы. Используемые в решении нижеследующего уравнения средние показатели справедливы при температуре окружающего воздуха около 35°С:

d = 3 мкм = 3 × 10–6 м (ρp – ρl) = (980 – 1028) = –48 кг/м³

η = 1,42 cП (сантипуаз) = 1,42 x 10–3 кг/м,с

Скорость осаждения и всплытия

Твердая частичка или жидкая капелька, движущаяся под действием силы тяжести сквозь вязкую жидкость, в конечном счете приобретает постоянную скорость.

Она называется скоростью осаждения. Если плотность частицы ниже, чем плотность жидкости, она будет двигаться вверх со скоростью всплытия.

Эти скорости обозначаются буквами vg (g – сила тяжести). Величина скорости осаждения/всплытия определяется следующими физическими параметрами:

• Диаметром частицы d, м

• Плотностью частицы ρp, кг/м³

• Плотностью непрерывной фазы, ρl, кг/м³

• Вязкостью непрерывной фазы η, кг/м,с

• Ускорением силы тяжести g = 9,81 м/с2.

Если известны значения всех вышеперечисленных параметров, то можно рассчитать скорость осаждения/всплытия частицы или капли при помощи следующей формулы, выведенной из закона Стокса:

Подставляем эти значения в формулу:

Как видим из полученного результата, жировые шарики поднимаются очень медленно. Комочек диаметром в три микрона движется вверх со скоростью 0,6 мм/ч. Скорость всплытия шарика вдвое большего диаметра составит 22 × 0,6 = 2,4 мм/ч. На практике шарики жира образуют крупные скопления и их всплытие происходит гораздо быстрее.

Жировые шарики различного диаметра движутся под воздействием силы тяжести через молочную сыворотку. В момент времени 0 жировые шарики находятся на дне сосуда. По истечении t минут произошло некоторое осаждение, а через 3 t минут самый крупный жировой комочек достиг поверхности. К этому моменту жировой шарик средних размеров поднялся до средней отметки на полпути к поверхности, а самый маленький преодолел только четверть пути. Жировой шарик средних размеров достигнет поверхности через 6 t минут, а самый маленький – через 12 t минут.

Периодическое сепарирование под действием силы тяжести

В сосуде А, содержится жидкость, в которой во взвешенном состоянии находятся твердые частицы одинаковых размеров и более плотные, чем жидкость. Для того чтобы находящиеся на поверхности жидкости частицы опустились на дно, должно пройти довольно много времени. Расстояние, которое они должны преодолеть в этом случае, составляет h1 м.

1. vg = g 18 η d2 (ρp – ρl) (3 × 10–6) × 48

1. vg = 18 × 1,42 × 10–3 × 9,81 = 9 × 10–12 × 48 18 × 1,42 × 10–3 × 9,81 = 0,166 × 9,81 =

=10–6 м/с = 0,166–3 мм/с = 0,597 мм/ч

Время осаждения может быть сокращено при условии сокращения этой дистанции. Высоту сосуда (В) уменьшили, а площадь увеличили с тем, чтобы объем остался неизменным. Дистанция осаждения (h2) уменьшилась до 1/5 от первого варианта (h), и время, требуемое для полного разделения фракций, также сократилось до 1/5. Но следует помнить, что чем больше сокращается дистанция и время осаждения, тем больше становится площадь сосуда, в котором происходит осаждение.

Непрерывное сепарирование под действием силы тяжести

Простейший сосуд, в котором может осуществляться непрерывное отделение частичек разного диаметра от жидкости. Жидкость, содержащая частички в виде шлама, поступает в сосуд с одного его конца и движется в направлении выхода на другом конце под определенным напором.

При движении частички оседают с различной скоростью в зависимости от их диаметров.

Экраны увеличивают производительность

Пропускная способность разделительного сосуда повышена при увеличении его площади, но при этом сусуд станет слишком громоздким и неудобным в работе. Вместо этого можно увеличить зону под осаждения, установив в сосуде горизонтальные экраны.

Теперь имеется ряд “разделительных каналов”, в которых осаждение частиц может происходить с той же скоростью, что и в сосуде.

Общая пропускная способность сосуда умножается на число таких каналов. Общая площадь (то есть суммарная площадь всех экранов) для осаждения, помноженная на число осадительных каналов, определяет максимальную пропускную способность сосуда при сохранении качества очистки, то есть при недопущении ухода частиц ограниченного или более крупного размера вместе с очищенной жидкостью.

При непрерывном отделении взвеси от жидкости в сосуде с горизонтальными экранами осадительные каналы будут постоянно забиваться собирающимися в них частицами. В конце концов процесс остановится.

В сосуде с наклонными экранами частицы, оседающие на экранах, соскальзывают под действием силы тяжести с экранов и скапливаются на дне сосуда.

Почему частицы, оседающие на экранах, не захватываются жидкостью, текущей вверх между экранами? Когда жидкость течет между экранами, ее пограничный слой, ближайший к экранам, тормозится трением, и поэтому скорость его падает до нуля. Стационарный пограничный слой оказывает тормозящее воздействие на соседний слой, и так далее в направлении к центру канала, где скорость максимальная.

Получается профиль скоростей – ламинарный поток в канале. Частицы, осевшие в стационарной пограничной зоне, таким образом, находятся под воздействием только силы тяжести. Поверхность для осаждения, используемая при прохождении через сосуд с наклонными вставками максимального потока, должна быть предварительно рассчитана. Для полного использования пропускной способности разделительного сосуда необходимо предоставить оседающим частицам как можно большую поверхность. Расстояние, в пределах которого происходит осаждение, не оказывает непосредственноговлияния на пропускную способность сосуда, но какую-то минимальную ширину канала необходимо выдерживать, чтобы не допустить забивания каналов оседающими частицами.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: