Лекция 3

 

ЛЕКЦИЯ 3

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Цель: сформировать представление о гидромеханических процессах

План

1 Классификация неоднородных систем

2 Классификация методов разделения неоднородных систем и

3 Осаждение

 

1 Классификация неоднородных систем

Неоднородной называется система, состоящая из двух или несколь­ких физико-химических неоднородных (находящихся в различных агрегатных состояниях) фаз (например, газ — жидкость, жид­кость — твердые частицы, газ — твердые частицы). Фаза, которая находится в мелкораздробленном состоянии, называется дисперс­ной (или внутренней). Фаза, представляющая собой среду, в кото­рой распределены частицы дисперсной фазы, называется диспер­сионной (или внешней). Она является сплошной фазой.

В зависимости от физического состояния фаз различают следу­ющие неоднородные (гетерогенные) системы: эмульсию, суспен­зию, пену, туман, пыль, дым, примеры которых представлены в табл. 3.3.

Для эмульсий и пен характерна возможность перехода дисперс­ной фазы в дисперсионную и, наоборот, дисперсионной в дисперсную. Этот переход возможен при определенном соотношении фаз и называется инверсией (обращением) фаз

 

Неоднородные (гетерогенные) системы в зависимости от физического

Фаза

Неоднородная

(гетерогенная)

система

Примеры неоднородных систем

дисперсионная

дисперсная

Жидкая

Жидкая

Эмульсия

Молоко

Жидкая

Твердая

Суспензия

Смесь воды с песком при мытье овощей; смесь воды и дробле­ного зерна — пивные заторы

Жидкая

Г азовая

Пена

Пивная пена, грязная пена при флотации, мокрой очистке воздуха

Г азовая

Жидкая

Туман

Взвесь капель воды и воздуха при конденса­ции вторичного пара

Газовая

Т вердая

Пыль

Мучная, сахарная пыль

Г азовая

Т вердая

Дым

Продукт сгорания

2 Классификация процессов разделения неоднородных систем.

Об­разующиеся в технологических процессах неоднородные системы подразделяют в целях:

               охраны окружающей среды, в частности для защиты атмос­ферного воздуха и водоемов от загрязнения;

               получения сока, свободного от твердых частиц в сахарном производстве в сатурационных аппаратах;

               получения кристаллического сахара из утфеля;

               освобождения пивного сусла от дробины из пивных заторов;

               сгущения молока для увеличения концентрации в нем жира и для последующей выработки масла и т.д.

Классификация процессов разделения неоднородных систем по движущей силе, к которой также относится электрические (возни­кающие под действием электрического тока), приведена в табл. 3.4.

 

Классификация процессов разделения неоднородных систем

Метод разделения

Движущая сила

Процесс

Осаждение

Сила тяжести Центробежная сила

Электрические силы

Отстаивание

Осаждение центрифугиро­ванием, сепарированием Осаждение в электрическом поле

Фильтрование

Разность давле н и й Центробежная сила Электрические силы

Фильтрование Центрифугирование Эл е ктрофил ьтрование

Флотация

Разность давлени й Электрические силы

Пневматическая, напорная, эжекторная флотации Электролитическая флотация

 

3 Осаждение

Процесс выделения твердых или жидких частиц из жидких или газовых неоднородных частиц называется осаждением.

Осаждение в гравитационном поле называется отстаиванием. Механизм отстаивания достаточно прост: неоднородная система, находящаяся в покое или перемещающаяся с малой скоростью, разделяется на составные ее части за счет их сил тяжести. Данный процесс широко применяется для грубою разделения суспензий. эмульсий, дымов и пылей, так как скорость отстаивания частиц невелика.

Основными характеристиками процесса осаждения являются:

                    скорость осаждения частиц;

                    линейная скорость потока;

                    продолжительность пребывания потока в аппарате;

                    качество получаемых фракций.

Рассмотрим движение одиночной осаждающейся частицы мас­сой т в неподвижной вязкой жидкости (рис. 3.25) и выведем урав­нения для определения скорости отстаивания.

 

vvv2.png

На шарообразную частицу диаметром d и массой т,, при осаж­дении действуют:

                    сила тяжести:

„выталкивающая сила (Архимедова сила):

                сила сопротивления среды R состоит из сил трения и инер­ции по уравнению Ньютона:

При ламинарном движении, наблюдающемся при небольших скоростях и малых размерах частиц или при высокой вязкости среды, частица окружена пограничным слоем жидкости и плавно обтекается потоком (рис. 3.26, а). Потеря энергии в таких условиях связана в основном лишь с преодолением сопротивления трения.

 

 

С развитием турбулентности потока (например, с увеличением скорости движения тела) все большую роль начинают играть силы инерции. Под действием этих сил пограничный слой отрывается от поверхности тела, что приводит к понижению давления за движущимся телом в непосредственной близости от него и к образованию беспорядочных местных завихрений в данном пространстве (рис. 3.26, б). Начиная с некоторых значений критерия Рейнольдса, при развитии турбулентности потока (рис. 3.26, в) сопротивлением трения можно пренебречь, так как преобладаю­ щей силой становится встречное сопротивление.

 

4       Фильтрование

 

Процесс разделения жидких и газовых неоднородных систем через пористую перегородку, способную задерживать взвешенные частицы и пропускать фильтрат или очищенный газ, называется фильтрацией .

Движущимися силами  процесса являются:

   перепад давления на фильтрующей перегородке (фильтрова- ние  под действием  перепада давления);

   центробежная  сила  (фильтровальное центрифугирование);

   электрическая  сила (электрофильтрование).

Процесс фильтрования получил большое распространение во всех отраслях пищевой промышленности: в свеклосахарном про­ изводстве (для отделения осадка от сатурационных соков, для очистки сиропов); в пивобезалкогольном (для  отделения дроби­ ны от сусла и осветления пива); в консервном (для осветления фруктовых соков) ; в хлебопекарном, мукомольном производстве (для  очистки воздуха).

Типы фильтрования. Процесс фильтрования может происходить тремя способами

Фильтрование с образованием осадка на поверхности фильтрующей перегородки и образованием сводов. При этом способе твердые ч:астицы в первые моменты с начала фильтрования проходят через поры фильтрующей перегородки, но вскоре накапливаются на ней, и ч:ерез фильтр начинает протекать только осветленная жидкость-фильтрат (фильтрование заторов на пивных заводах).

Фильтрование с закупориванием пор. При таком способе фильтрования твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки, что приводит к снижению производительности фильтра (фильтрование  пива).

Промежуточный вид фильтрования. При промежуточном виде фильтрования наблюдается и проникновение осадка в капилля­ ры, и их закупоривание, и образование сводов над устьями ка­ пилляров.

Тип фильтрования зависит от свойств суспензии, давления фильтрования и фильтрующей перегородки.

В зависимости от средних размеров частиц дисперсной фазы dч

различают  процессы:

   фильтрование  (dч > 100 мкм);

   микрофильтрование (100 > d,, > 0,05 мкм);

   ультрафильтрование (0,05 > dч > 10-3 мкм);

   обратный осмос (dч < 5.  10-3 мкм).

Виды фильтрующих перегородок. В качестве фильтрующих пере­ городок используют специальные ткани из волокон растительно­ го (хлопчатобумажные - бельтинг, миткаль и др.), животного (шерсть), минерального (асбест) происхождения и из синтетических волокон (капрон, нейлон и др.). В последнее время все шире стали применять пористые металлические, керамические и металлокерамические фильтрующие перегородки. В некоторых случаях используют слои песка, гравия и др.

Фильтрование под действием перепада давлений. Основной величиной при фильтровании под действием перепада давлений является скорость фильтрования в зависимости от структуры осад­ ка, толщины его слоя, характера фильтрующей перегородки, вяз­ кости жидкости, движущей силы процесса.

Фильтрование под действием центробежной силы. Разделение неоднородных систем под действием центробежной силы с помощью фильтрующей  перегородки называют центрифугированием.

Аппараты, в которых осуществляется центрифугирование, называют центрифугами. Основная часть любой центрифуги - вращающийся с высокой скоростью цилиндрический барабан - ротор (с перфорированными или сплошными стенками), внутрь которого подается суспензия. Суспензия вращается и, находясь в поле действия центробежной силы, разделяется на дисперсную и дисперсионную фазы. Дисперсная фаза (твердые частицы) стремится осесть на фильтрующей поверхности барабана с ускорением ro2R, где ro - угловая скорость вращения, R - радиус вращения. Дисперсионная фаза проходит через поры твердых частиц и через отверстия фильтрующей перегородки и удаляется из корпуса. Интенсивность разделения суспензии под действием центробежных сил определяется фактором разделения КР= ai R/g. Суспензия разделяется на осадок и осветленную жидкую фазу, называемую сливом.

 

5 Флотация

Процесс разделения жидких неоднородных систем, основанный на избирательном прилипании пузырьков газа к частицам, составляющим внутреннюю фазу системы, называется флотацией

Флотацию широко применяют для обезжиривания жидкостей и сточных вод мясо- и жиркомбинатов, выделения глютена из крахмального молока при производстве кукурузного крах­ мала, выделения кормовых дрожжей из культуральной жидкости и др.

В процессе флотации находящиеся в жидкости пузырьки газа прилипают к плохо смачиваемым водой (гидрофобным) частицам и поднимают их к поверхности жидкости, где они выщеляются вместе с образовавшейся пеной, тогда как хорошо смачиваемые водой (гидрофильные) частицы не прилипают к пузырькам газа, осаждаются на дно аппарата и удаляются.

Установлено, что чем больше число пузырьков газа в высоко­ дисперсном состоянии равномерно распределено в единице объема жидкой системы, т.е. чем выше степень аэрации ее, тем выше скорость флотации.

Флотация бывает пневматической, эжекторной, электролитической, напорной.

При пневматической флотации воздух вводят в жидкость под давлением через барботеры - трубы с отверстиями диаметром от 1 ДО   10 ММ.

При эжекторной флотации жидкость и воздух поступают в эжектор, в котором и обеспечивается хорошее смешение  их.

При электролитической флотации через разделяемую водную смесь пропускают постоянный электрический ток. Образующиеся при электролизе воды кислород и водород используются для так называемой электрофлотации.

При напорной флотации (рис. 3.42), широко применяемой Q.ЛЯ обезжиривания жидкостей, смесь разделяемой жидкости и воздуха после эжектора 1 подается насосом 2 под давлением 0,3... 0,4 МПа в ресивер 3 и выдерживается в нем 1,5... 2 мин; при этом увеличивается растворимость воздуха в жидкости и образуется пересыщенная водно-воздушная эмульсия, которая затем через барботер 8 поступает во флотационную камеру 9 флотатора 10, работающего под атмосферным давлением. Всплывший во флотационной камере 9 жир отводится через слив 4, а осветленная жидкость из зоны отстаивания 6 по трубе  7 отводится через слив 5.

 vvv3.png

 

 

Загрязняющие вещества (осадок и ил) выводятся снизу. Во избежание загрязнения окружающей среды промышленные стоки фильтруют  и вывозят на специальные полигоны (свалки).

 

Контрольные вопросы

1.         Что называется жидкостью и какими основными свойствами она характеризуется?

2.         От каких параметров зависит величина гидростатического давле­ния?

3.         Приведите примеры практического применения уравнения Бернулли.

4.         Перечислите основные характеристики насосов, компрессоров, вен­тиляторов.

5.         Объясните физический смысл обратного осмоса.

Существует ли отличие процесса фильтрования за счет перепада давления от мембранного процесса? Если существует, то в чем оно за­ключается?

 

Пилипенко, "Процессы и аппараты" стр. 50-63