1.2. Розділення рідких систем

1. Основні параметри суспензій і емульсій

Суспензії характеризуються масовим співвідношенням рідкої й твердої фаз, яке можна виразити через масову частку х_с твердої фази в суспензії:

. (1.1)

Позначимо через ρ_с і ρ_т густину суспензії і густину твердої фази, тоді об’ємна частка твердих частинок у суспензії становитиме

. (1.2)

Враховуючи, що питомий об’єм суспензії дорівнює сумі об’ємів твердої та рідкої фаз

,

густина суспензії

, (1.3)

де ρ_р – густина рідкої фази.

Густину суспензії можна визначити також, якщо відомий питомий вільний об’єм рідкої фази в суспензії ε:

. (1.4)

Аналогічними залежностями характеризуються й емульсії, які склада­ються з двох фаз Р₁ і Р₂.

В’язкість суспензії µ_с (Пас) залежить від концентрації твердої фази і не залежить від розмірів твердих частинок. В’язкість суспензій визначають так:

– якщо об’ємна концентрація твердої фази не більша ніж 10 %:

; (1.5)

– якщо об’ємна концентрація твердої фази більша ніж 10 %:

, (1.6)

де µ_р – в’язкість суцільної фази (рідини), Пас.

В’язкість емульсій розраховують за рівняннями:

– якщо об’ємна концентрація дисперсної фази не більша ніж 50 %:

; (1.7)

– якщо об’ємна концентрація дисперсної фази більша ніж 50 %:

; (1.8)

де µ_с і µ_д – в’язкість суцільної й дисперсної фаз, Пас.

1.2.2. Матеріальний баланс процесу розділення

Розглянемо матеріальний баланс процесу розділення суспензій, як найпо­ширенішого методу у разі розділення рідких неоднорідних систем.

Позначимо: G_с, G_пр, G_ос – маса вихідної суспензії, проясненої рідини і твердого осаду, кг; х_с, х_пр, х_ос – вміст твердої речовини у вихідній суспензії, проясненій рідині й осаді (масові частки). Тоді рівняння матеріальних балансів матимуть такий вигляд:

– за загальною кількістю речовин:

, (1.9)

– за твердою фазою:

. (1.10)

Спільний розв’язок рівнянь (1.8) і (1.9) дає можливість визначити кіль­кість проясненої рідини G_пр і кількість осаду G_ос:

; (1.11)

_.; (1.12)

де х_пр, х_ос – відповідно масові частки твердої фази в проясненій рідині та осаді.

Вміст зважених частинок у проясненій рідині та в осаді вибирають залежно від технологічних умов виробництва.

2. Розділення рідких систем методом відстоювання

1. Загальні відомості

Відстоюванням називають процес видалення зважених твердих частинок з об’єму або потоку рідини за допомогою осадження під дією сили тяжіння. Процеси відстоювання поділяють на згущування й прояснювання. Метою згущування є збільшення концентрації твердої фази, а прояснювання – видалення твердої речовини з порівняно розбавлених суспензій.

Рис. 1.1. Стадії та зони відстоювання суспензії у відстійнику періодичної дії: I, II, III – стадії процесу, зони: а – чиста вода або розчин; b – зона вільного осадження; с – зона стислого осадження; d – зона осаду

Незалежно від того, з якою метою здійснюють відстоювання, його можна розглядати як процес, що відбувається у декілька стадій. Припустимо, що відстою­вання відбувається в апараті періодичної дії (рис. 1.1). Спочатку тверді частинки рівномірно розподілені в рідині, але через деякий проміжок часу вони починають осаджуватися, і на дні апарата збираються насамперед найбільші частинки (рис. 1.1, зона d), тобто утворюється осад. Над шаром осаду (зона с) утворюється зона згущеної суспензії, в якій відбувається ускладнене осадження частинок, що супро­воджується тертям між частинками та їхнім взаємним стиканням. Крім цього, дріб­ніші частинки гальмують рух більших, а частинки більших розмірів захоплю­ють за собою дрібні частинки, пришвидшуючи їхній рух. Унаслідок такого харак­теру взаємодії частинок спостерігається вирівню­вання швидкостей осаджен­ня частинок різних розмірів, що зумовлює виник­нення колективного, або солідарно­го, осаджен­ня частинок із близькими швид­костями в кожному перерізі апарата. Вище зони ускладненого осадження роз­міщена зона вільного осадження (зона b), в якій кон­центрація твердої фази зменшується знизу догори аж до концентрації вихідної сус­пензії. Над зоною вільного осадження утворюється шар чистої або проясненої ріди­ни (зона а). Впродовж відстоювання суспензії зони а і с зростають (рис. 1.1, I, II), одно­часно відбувається ущільнення зони d. Коли зони b і с зника­ють і завершується ущільнення згущеної суспензії, відстоювання закінчується (рис. 1.1, III), що відпо­відає повному розділенню суспензії на осад і прояснену рідину.

Коли суспензії розділюють в апаратах неперервної дії, утворюються такі самі зони, але вони не змінюються за висотою.