На чем основан способ отстаивания

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Метод отстаивания широко применяется для очистки сточных вод при комплексной обработке их коагулянтом и флокулянтом. Однако экспериментальные данные, приводимые в литературе, носят разрозненный характер и не касаются очистки высококонцентрированных солевых растворов, тем более слоев большой толщины. [1]

Метод отстаивания основан на способности самопроизвольного разделения воды и нефтепродуктов. Частицы нефтепродуктов под действием сил поверхностного натяжения приобретают сферическую форму, и их размеры находятся в диапазоне от 2 до 3 102 мкм. [3]

Метод отстаивания широко применяется для очистки сточных вод при комплексной обработке их коагулянтом и флоку-лянтом. [4]

Метод отстаивания заключается в том, что выделение нефтепродуктов происходит вследствие разности плотностей частицы воды и нефтепродукта. Отстаивание нефтепродуктов производится в нефтеловушке, принципиальная схема которой показана на-рис. Сточная вода поступает в приемную камеру нефтеловушки и, пройдя под перегородкой, входит в отстойную камеру. В отстойной камере происходит разделение воды и нефтепродуктов. Очищенная вода выходит из отстойной камеры через вторую перегородку и через сливную трубу удаляется из нефтеловушки. [6]

Метод отстаивания приобрел практическое значение после того, как было установлено, что процесс ускоряется при добавлении таких веществ, как трагант, желатина, экстракт исландского мха, альгинат натрия. [7]

Метод отстаивания позволяет избавиться только от воды и крупных примесей. Более глубокая очистка достигается сепарацией масла. Для этой цели преимущественно используют аппараты барабанного типа, в которых загрязненное масло через патрубок поступает во вращающийся барабан. Под действием центробежных сил происходит разделение продуктов в соответствии с плотностью. Оседая на кожухе барабана, вода и механические примеси удаляются с него в шламосборник. Масло при необходимости подается в следующий сепаратор, чем и достигается необходимая степень очистки. Выбор оборудования определяется характером обрабатываемого материала и его количеством. [8]

Для всех методов отстаивания характерен ряд недостатков. [12]

При очистке методом отстаивания конденсат выдерживают в отстойных прудах или резервуарах, в результате чего масло, имеющее меньший удельный вес, всплывает и его время от времени сливают. [14]

Источник

Способы разделения смесей

Для получения чистых веществ используют различные способы разделения смесей.

Процессы разделения смесей основаны на различных физических свойствах компонентов, образующих смесь.

Отстаивание

Отстаивание — это разделение неоднородной жидкой смеси на компоненты, путём её расслоения с течением времени под действием силы тяжести.

Отстаиванием можно разделить смесь нерастворимых в воде веществ, имеющих разную плотность.

Пример. Смесь из железных и древесных опилок можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Железные опилки опустятся на дно сосуда, а древесные будут плавать на поверхности воды (2), и их вместе с водой можно будет слить в другой сосуд (3):

На этом же принципе основано разделение смесей малорастворимых друг в друге жидкостей.

Пример. Смеси бензина с водой, нефти с водой, растительного масла с водой быстро расслаиваются, поэтому их можно разделить с помощью делительной воронки:

Отстаиванием также можно разделить вещества, которые осаждаются в воде с различной скоростью.

Пример. Смесь из глины и песка можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Песок оседает на дно значительно быстрее глины (2):

Этот способ используется для отделения песка от глины в керамическом производстве (производство глиняной посуды, красных кирпичей и др.).

Центрифугирование

Центрифугирование — это разделение неоднородных жидких смесей путём вращения.

Пример. Если компоненты неоднородной жидкой смеси очень малы, такие смеси разделяют центрифугированием. Такие смеси помещают в пробирки и вращают с большой скоростью в специальных аппаратах — центрифугах.

Перед центрифугированием частицы смеси распределены по объёму пробирки равномерно. После центрифугирования более лёгкие частицы всплывают наверх, а тяжёлые оседают на дно пробирки.

С помощью центрифугирования, к примеру, отделяют сливки от молока.

Фильтрование

Фильтрование — это разделение жидкой неоднородной смеси на компоненты, путём пропускания смеси через пористую поверхность. В роли пористой поверхности может выступать бумажная воронка, марля, сложенная в несколько слоёв, или любой другой пористый материал, способный задержать один или несколько компонентов смеси.

Фильтрованием можно разделить неоднородную смесь, состоящую из растворимых и нерастворимых в воде веществ.

Пример. Чтобы разделить смесь, состоящую из поваренной соли и песка, её можно высыпать в сосуд с водой, взболтать и затем эту смесь пропустить через фильтровальную бумагу. Песок остаётся на фильтровальной бумаге, а прозрачный раствор поваренной соли проходит через фильтр:

При необходимости, растворённую поваренную соль из воды можно выделить выпариванием.

Действие магнитом

С помощью магнита из неоднородной смеси выделяют вещества, способные к намагничиванию.

Пример. C помощью магнита можно разделить смесь, состоящую из порошков железа и серы:

Выпаривание. Кристаллизация

Выпаривание — это способ разделения жидких смесей путём испарения одного из компонентов. Скорость испарения можно регулировать с помощью температуры, давления и площади поверхности испарения.

Пример. Чтобы растворённую в воде поваренную соль выделить из раствора, последний выпаривают:

Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаётся поваренная соль. Иногда применяют упаривание, т. е. частичное испарение воды. В результате образуется более концентрированный раствор, при охлаждении которого растворённое вещество выделяется в виде кристаллов. Этот процесс получил название кристаллизации.

Дистилляция (перегонка)

Дистилляция (перегонка) — это способ разделения жидких однородных смесей путём испарения жидкости с последующим охлаждением и конденсацией её паров. Данный способ основан на различии в температурах кипения компонентов смеси.

Пример. При нагревании жидкой однородной смеси сначала закипает вещество с наиболее низкой температурой кипения. Образующиеся пары конденсируются при охлаждении в другом сосуде. Когда этого вещества уже не останется в смеси, температура начнёт повышаться, и со временем закипает другой жидкий компонент:

Таким способом получают, к примеру, дистиллированную воду.

Источник

С пособы разделения смесей (и гетерогенных, и гомогенных) основаны на том факте, что вещества, входящие в состав смеси, сохраняют свои индивидуальные свойства. Гетерогенные смеси могут различаться по составу и фазовому состоянию, например: газ+жидкость; твердое вещество+жидкость; две несмешивающиеся жидкости и др. Основные способы разделения смесей представлены на схеме ниже. Рассмотрим каждый способ отдельно.

Разделение гетерогенных смесей

ФИЛЬТРОВАНИЕ

метод основанный на различной растворимости веществ и разных размерах частиц компонентов смеси. Фильтрование позволяет отделить твердое вещество от жидкости или газа.

Размер пор в фильтровальной бумаге таков, что позволяет молекулам воды и молекулам растворенного вещества беспрепятственно просачиваться. Частицы размером больше 0,01мм задерживаются на фильтре и не проходят сквозь него, таким образом формируется слой осадка.

Запомни! С помощью фильтрования нельзя разделить истинные растворы веществ, то есть растворы, в которых растворение произошло на уровне молекул или ионов.

Кроме фильтровальной бумаги в химических лабораториях используют специальные фильтры с

разным размером пор.

Фильтрование газовых смесей принципиально не отличается от фильтрования жидкостей. Разница заключается только в том, что при фильтровании газов от твердых взвешенных частиц (ТВЧ) используются фильтры специальных конструкций (бумажный, угольный) и насосы для принудительного прокачивания газовой смеси через фильтр, например фильтрация воздуха в салоне автомобиля или вытяжка над плитой.

Фильтрованием можно разделить:

ОТСТАИВАНИЕ

Данным методом можно разделять и несмешивающиеся жидкости. Для этого используют делительную воронку.

Отстаиванием можно разделить смеси:

МАГНИТНАЯ СЕПАРАЦИЯ

Метод основан на разных магнитных свойствах твердых компонентов смеси. Данный метод используют при наличии в смеси веществ-ферромагнетиков, то есть веществ, обладающих магнитными свойствами, например железа.

Все вещества, по отношению к магнитному полю, условно можно разделить на три большие группы:

Магнитной сепарацией можно разделить:

Разделение гомогенных смесей

Для разделения жидких гомогенных смесей (истинных растворов) используют следующие методы:

ВЫПАРИВАНИЕ. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ.

Метод основан на различных температурах кипения растворителя и растворенного вещества. Используется для выделения растворимых твердых веществ из растворов. Выпаривание обычно проводят следующим образом: раствор наливают в фарфоровую чашку и нагревают ее, постоянно перемешивая раствор. Вода постепенно испаряется и на дне чашки остается твердое вещество.

При этом испаренное вещество (воду или растворитель) можно собрать методом конденсирования на более холодной поверхности. Например, если поместить холодное предметное стекло над выпаривательной чашкой, то на его поверхности образуются капли воды. На этом же принципе основан метод дистилляции.

ДИСТИЛЛЯЦИЯ. ПЕРЕГОНКА.

В природе вода в чистом виде (без солей) не встречается. Океаническая, морская, речная, колодезная и родниковая вода – это разновидности растворов солей в воде. Однако часто людям необходима чистая вода, не содержащая солей (используется в двигателях автомобилей; в химическом производстве для получения различных растворов и веществ; при изготовлении фотографий). Такую воду называют дистиллированной, именно ее применяют в лаборатории для проведения химических опытов.

Перегонкой можно разделить:

ХРОМАТОГРАФИЯ

Можно самостоятельно получить хроматограмму и увидеть сущность метода на практике. Нужно смешать несколько чернил и каплю полученной смеси нанести на фильтровальную бумагу. Затем точно в середину цветного пятнышка начнем по каплям приливать чистую воду. Каждую каплю нужно вносить только после того, как впитается предыдущая. Вода играет роль элюэнта, переносящего исследуемое вещество по сорбенту — пористой бумаге. Вещества, входящие в состав смеси, задерживаются бумагой по-разному: одни хорошо удерживаются ею, а другие впитываются медленнее и продолжают некоторое время растекаться вместе с водой. Вскоре по листу бумаги начнет расползаться настоящая красочная хроматограмма: пятно одного цвета в центре, окруженное разноцветными концентрическими кольцами.

Особенно большое распространение получила тонкослойная хроматография, в органическом анализе. Достоинства тонкослойной хроматографии в том, что можно использовать простейший и очень чувствительный метод детектирования – визуальный контроль. Проявлять невидимые глазу пятна можно различными реактивами, а также используя ультрафиолетовый свет или авторадиографию.

В анализе органических и неорганических веществ применяют хроматографию на бумаге. Разработаны многочисленные методы разделения сложных смесей ионов, например смесей редкоземельных элементов, продуктов деления урана, элементов группы платины

СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Способы разделения смесей, используемые в промышленности немногим отличаются от лабораторных способов, описанных выше.

Для разделения нефти чаще всего используют ректификацию (перегонку). Более подробно этот процесс описан в теме «Переработка нефти».

Самыми распространенными методами очистки и разделения веществ в промышленности являются отстаивание, фильтрация, сорбция и экстракция. Методы фильтрации и отстаивания проводятся аналогично лабораторным метода, с той разницей, что используются отстойники и фильтры больших объемов. Чаще всего, эти методы используются для очистки сточных вод. Поэтому рассмотрим подробнее методы экстракции и сорбции.

Термин «экстракция» приложим к различным фазовым равновесиям (жидкость – жидкость, газ – жидкость, жидкость – твердое тело и т.д.), но чаще его применяют к системам жидкость – жидкость, поэтому чаще всего можно встретить такое определение:

Одним из несмешивающихся растворителей обычно является вода, вторым – органический растворитель, однако это не обязательно. Экстракционный метод отличается универсальностью, он пригоден для выделения почти всех элементов в различных концентрациях. Экстракция позволяет разделять сложные многокомпонентные смеси зачастую эффективнее и быстрее, чем другие методы. Выполнение экстракционного отделения или разделения не требует сложного и дорогостоящего оборудования. Процесс может быть автоматизирован, при необходимости им можно управлять на расстоянии.

Чаще всего в промышленности методы абсорбции используют для очистки газовоздушных выбросов от частиц пыли или дыма, а также токсичных газообразных веществ. В случае поглощения газообразных веществ, между сорбентом и растворенным веществом может протекать химическая реакция. Например, при поглощении газообразного аммиака NH₃ раствором азотной кислоты HNO₃ образуется нитрат аммония NH₄NO₃ (аммиачная селитра), который можно использовать в качестве высокоэффективного азотного удобрения.

Процесс, при котором происходит абсорбция растворенного вещества за счет протекания химической реакции называется хемосорбцией.

Адсорбцию также используют для очистки воды от химических растворимых примесей. Например, фильтры для питьевой воды работают на принципе адсорбции слоем активированного угля с ионами серебра. Помимо поглощения всем объемом жидкого сорбента (абсорбции), и поверхностным слоем сорбента (адсорбции), выделяют также сорбцию твердого тела или расплава (окклюзию). При сорбции паров твердыми веществами часто происходит капиллярная конденсация.

Источник

Отстаивание и осаждение

Отстаивание под действием гравитационного поля

Отстаивание — это частный случай разделения неоднородных жидких или газообразных систем в результате выделения твердых или жидких частиц под действием гравитационной силы. Применяют отстаивание при грубом разделении суспензий, эмульсий и пылей. Этот способ разделения характеризуется низкой скоростью процесса. Отстаиванием не удается полностью разделить неоднородную смесь на дисперсную и дисперсионную фазы. Однако простое аппаратурное оформление процесса и низкие энергетические затраты определили широкое применение его в пищевой и в смежных отраслях промышленности.

Отстаивание проводят в аппаратах различных конструкций, называемых отстойниками.

При отстаивании должны соблюдаться следующие условия:

1) продолжительность пребывания разделяемого потока в аппарате должна быть равна или больше времени осаждения частиц;

2) линейная скорость потока должна быть меньше скорости осаждения.

Рассмотрим работу отстойника (Рис 7.1). В прямоугольный отстойник с размерами камеры l, h, b поступает на разделение неоднородная смесь c линейной скоростью . При движении суспензии в отстойнике происходит отстаивание: твердые частицы оседают на дно, образуя слой осадка. Отстойники рассчитывают на отстаивание самых мелких частиц.

Установим связь между производительностью отстойника и его размерами.

Рабочий объем отстойника ,где — секундная производительность отстойника, м З /с; — средняя продолжительность отстаивания частиц, с. Последняя связана со средней скоростью отстаивания частиц соотношением

Удельная производительность отстойника:

(11)

т е. она равна произведению площади отстаивания () на скорость отстаивания. Скорость отстаивания определяется в зависимости от режима по формуле:

(12)

где: — число Рейнольдса, — вязкость жидкости, — плотность жидкости.

Продолжительность отстаивания можно сократить, если уменьшить высоту слоя жидкости (путь отстаивания). Это условие реализовано в конструкциях многоярусных отстойников в тарельчатых сепараторах.

Если задана производительность отстойника, то из уравнения (11) можно определить площадь поверхности отстаивания:

(13)

Эффективность работы отстойника может быть увеличена посредством уменьшения пути отстаивания частиц, т. е. высоты слоя жидкости . Это условие реализовано в многоярусных отстойниках.

Осаждение под действием центробежной силы

С целью интенсификации разделения пылей, суспензий и эмульсий процесс осаждения проводят под действием центробежной силы.

Во вращающемся потоке на взвешенную частицу действует центробежная сила, под действием которой частица движется от центра к стенке аппарата со скоростью, равной скорости осаждения.

Центробежная сила:

(14)

где — масса частицы, кг; — окружная скорость вращения, м/с; — радиус вращения, м.

Сравним эффективность разделения под действием силы тяжести и центробежной силы. В гравитационных отстойниках на частицу действует сила тяжести:

(15)

Из сопоставления уравнений (14) и (15) получим:

(16)

Эффективность разделения в поле центробежных сил повышается с увеличением частоты вращения ротора центрифуги и уменьшением его диаметра. Выразив окружную скорость вращения через частоту вращения, получим

Фактор разделения является важной характеристикой центрифуги, определяющей ее разделяющую способность.

Процесс разделения суспензий в отстойных центрифугах складывается из стадий осаждения твердых частиц на стенках барабана и уплотнения осадка.

Производительность осадительных центрифуг на практике ниже, чем полученная расчетным путем, так как, во-первых, производительность центрифуг снижается из-за отставания скорости вращения частиц жидкости от скорости вращения ротора центрифуги; во-вторых, из-за неравномерного течения жидкости вдоль ротора осадившиеся частицы смываются с его стенок; в-третьих, образующиеся вихревые потоки взмучивают частицы.

Коэффициент эффективности отстойных центрифуг учитывает снижение действительной производительности по сравнению с расчетной , где — действительная производительность; — расчетная производительность.

Коэффициент эффективности для каждой конкретной конструкции центрифуг определяется опытным путем.

Разделение газовых неоднородных систем

Очистку газов от взвешенных твердых или жидких частиц проводят в целях уменьшения загрязненности атмосферы и улавливания из отходящих газов ценных продуктов.

В промышленных условиях пыль может образовываться в результате проведения технологического процесса, например при сушке ряда пищевых продуктов, при транспортировке сыпучих материалов, в результате измельчения твердых тел дроблением истиранием, размалыванием. Пыль, как правило, содержит твердые частицы размером 3-100 мкм.

Эффективность аппаратов для очистки газов оценивается степенью очистки:

где и — объемные расходы соответственно запыленного и очищенного газа, м 3 /ч;

Для очистки газовых потоков от взвешенных частиц используют несколько способов: гравитационное осаждение, осаждение под действием инерционных и центробежных сил, фильтрование газового потока через пористую перегородку, мокрую очистку, которая осуществляется в орошаемых водой скрубберах, осаждение в электрическом поле. Первые два способа применяют для очистки газов от крупных взвешенных частиц, остальные — для тонкой очистки газов от частиц размером менее 20 мкм. Для достижения требуемой степени очистки газового потока способы часто комбинируют.

Теоретические основы процессов разделения газовых неоднородных систем изложены в разделе

Гравитационная очистка газов

Для расчета процесса отстаивания используют те же закономерности, что и для расчета осаждения твердых частиц в капельной жидкости (см. главы 5 и 6).

Для разделения пылей (грубой очистки) предназначены аппараты непрерывного и полунепрерывного действия, основным из которых является пылеосадительная камера.

1 — выходной канал; 2 — сборный канал; 3 — шиберы; 4 — горизонтальная полка; 5 — дверцы; 6 — всасывающий канал.

Пылеосадительная камера (рис. 9.1) представляет собой прямоугольный аппарат с расположенными внутри горизонтальными полками. Запыленный газ через регулируемый шибер поступает в канал пылеосадительной камеры и распределяется между горизонтальными полками. Расстояние между полками составляет от 100 до 400 мм.

Назначение полок заключается в уменьшении пути отстаивания частиц пыли. Вместе с тем расположение полок в осадительной камере значительно увеличивает площадь поверхности отстаива­ния. При прохождении потока газа между полками твердые частицы оседают на их поверхности, а осветленный газ поступает в выхлопной канал и далее в газоход. Скорость газового потока в пылеосадительной камере ограничена временем отстаивания: твердые частицы должны успеть осесть на поверхности полок за время пребывания потока в пылеосадительной камере.

Пыль, осевшая на полках, периодически удаляется скребками и смывается водой. Пылеосадительная камера разделена на два отделения, работающих попеременно: одно отделение очищается от пыли, а во втором в это же время происходит очистка газа, что обеспечивает непрерывность работы.

Площадь рабочей поверхности пылеосадительной камеры рассчитывают по формулам (9.2) и (9.3). При этом можно принять.

Пылеосадительные камеры используют для грубой предварительной очистки газов. В них отделяются частицы размером свыше 100 мкм. Степень очистки невелика — 30-40 %.

Очистка газов под действием инерционных и центробежных сил

Принцип очистки газов под действием инерционных сил заложен в конструкции отстойного газохода, очистка под действием центробежных сил осуществляется в циклонах.

Отстойный газоход с отбойными перегородками (рис. 9.2) пред назначен для разделения крупнодисперсных пылей. Перегородки служат для завихрения газового потока. Возникающие при этом инерционные силы способствуют интенсивному осаждению взвешенных твердых частиц. Осевшая пыль выгружается из сборников 2 по мере накопления с помощью шиберов. Такие отстойники часто выполняют в системе газоходов.

Инерционные пылеуловители характеризуются простотой устройства и компактностью. Степень очистки в них выше, чем в пылеосадительных камерах, и составляет примерно 60 %. В инерционных пылеуловителях улавливаются частицы размером более 25 мкм.

Рис. 9.3. Циклон конструкции НИИОГаза

Циклон, представленный на рис. 9.3, обладает небольшим гидравлическим сопротивлением и позволяет достигать относительно высокой степени очистки.

Рис. 9.2. Отстойный газоход: 1 — отбойные перегородки; 2 — сборники пыли: 3 — шиберы

Сущность циклонного процесса заключается в следующем: газовый поток со взвешенными частицами вводится в аппарат через входную трубу со скоростью 10-40 м/с. Благодаря тангенциальному вводу и наличию центральной выводной трубы поток начинает вращаться вокруг последней, совершая несколько витков при прохожде­нии через аппарат.

Под действием возникающих центробежных сил взвешенные частицы отбрасываются к периферии, оседают на внутренней поверхности корпуса, а затем соскальзывают в коническое днище и удаляются из циклона через патрубок. Освобожденный от взвешенных частиц поток выводится из циклона через выводную трубу. Точный расчет циклонов достаточно сложен, поэтому их рассчитывают упрощенно по величине гидравлического сопротивления .

Фиктивная скорость газа (в м/с) в цилиндрической части циклона может быть определена по формуле:

(9.1)

— фактор разделения; — коэффициент гидравлического сопротивления.

Диаметр циклона (в м) определяют по заданной производительности:

Определив диаметр цилиндрической части циклона D находим все остальные его размеры. На рис. 9.3 показаны размеры циклона в зависимости от диаметра его цилиндрической части.

— циклон с углом 24° (ЦН-24) обеспечивает большую производительность при малом гидравлическом сопротивлении и предназначается для улавливания крупных частиц. Коэффициент гидравлического сопротивления равен 60;

— циклон с углом 15° (ЦН-15) обеспечивает хорошую степень очистки при сравнительно невысоком гидравлическом сопротивлении (= 160);

— циклон с углом 11° (ЦН-11) обеспечивает высокую степень очистки (250).’

Батарейный циклон (рис. 9.4), состоящий из параллельно включенных циклонов малого диаметра (150-250 мм), позволяет увеличить центробежную силу и скорость осаждения частиц. Загрязненный газ через входной патрубок поступает в газораспределительную камеру и распределяется по циклонным элементам, установленным в общем корпусе. В циклонные элементы газ поступает не тангенциально, а сверху через кольцевое пространство между корпусом циклона и выхлопной трубой. Для создания вращающегося потока газа о кольцевом зазоре расположено закручивающее устройство, выполненное в виде винта. Схема циклонного элемента показана на рис. 9.5.

Пыль собирается в коническом бункере, а очищенный газ выходит из батареи через общий отводящий патрубок.

Батарейные циклоны используют при больших расходах газа, когда применение нескольких одинарных циклонов экономически нецелесообразно.

В циклонах рекомендуется улавливать твердые частицы размером не менее 10 мкм.

Циклоны получили широкое распространение в пищевых производствах для очистки газовых выбросов, улавливания из газовых потоков пищевого сырья: частиц сахара, барды, частиц сухого молока, дрожжей из отходящих газов распылительных сушилок и др.

Псевдоожижение.

Псевдоожиженным называют такое состояние двухфазной системы твердые частицы — газ (или жидкость), которое характеризуется перемещением твердых частиц относительно друг друга за счет подвода энергии от какого-либо источника. Псевдоожиженная система, возникшая под воздействием сжижающего агента, получила название псевдоожиженного или кипящего слоя, так как этому слою присущи многие свойства капельной жидкости.

Псевдоожиженный слой образуется при восходящем движении сжижающего агента через слой зернистого материала со скоростью, позволяющей поддерживать слой материала во взвешенном состоянии.

За последние десятилетия процессы в псевдоожиженном слое получили широкое распространение во многих отраслях промышленности. В псевдоожиженном слое проводятся процессы смешивания, транспортировки, классификации сыпучих материалов, теплообмена, сушки, например зерна, адсорбции и др.

Это объясняется следующими его преимуществами:

— происходит интенсивное перемешивание твердой фазы, которое приводит к выравниванию температур и концентраций в рабочем объеме аппарата, что исключает локальный перегрев твердых частиц, препятствующий оптимальному проведению процесса,

— текучесть псевдоожиженного слоя позволяет создавать аппараты непрерывного действия с непрерывным вводом и отводом отработанной твердой фазы:

— происходят резкое увеличение площади поверхности тепло- имассопередачи и снижение диффузионных сопротивлений в псевдоожиженном слое в результате использования частиц малого диаметра с большой удельной поверхностью, что позволяет увеличить производительность аппаратов при проведении ряда сорбционных тепловых и других процессов;

— коэффициенты теплоотдачи и эффективная теплопроводность от псевдоожиженного слоя к поверхностям нагрева достаточно высоки, что позволяет значительно интенсифицировать теплообменные процессы и, как следствие, уменьшить рабочие объемы теплообменных аппаратов;

— в аппаратах с Псевдоожиженным слоем гидравлическое сопротивление невелико и не зависит от скорости сжижающего агента в пределах существования псевдоожиженного слоя;

— диапазон свойств твердых частиц и сжижающих агентов (газы, пары, капельные жидкости) достаточно широк и включает в том числе пастообразные материалы и суспензии;

— аппараты для проведения процесса довольно просты, легко механизируются и автоматизируются.

Наряду с большими преимуществами методу проведения процессов в псевдоожиженном слое присущи и недостатки:

— вследствие интенсивного перемешивания твердой фазы в пределах одной секции движущая сила по сравнению с максимально возможной снижается;

— время пребывания частиц и сжижающего агента в пределах одной секции неравномерно;

— частицы в псевдоожиженном слое интенсивно истираются;

— пыль, образующаяся при истирании частиц, уносится, и рабочая скорость сжижающего агента ограничивается скоростью уноса твердых частиц из слоя.

Это вызывает необходимость в пылеулавливающих устройствах; при псевдосжижении частиц диэлектрических материалов воз­можно возникновение зарядов статического электричества, что приводит к взрывоопасности установки.

Перечисленные недостатки метода псевдоожижения не являются определяющими и могут быть частично или полностью устранены.

Физические основы псевдоожижения и расчетные формулы

Рассмотрим образование псевдоожиженного слоя. В вертикальном аппарате (рис. 10.1), снабженном поперечной перфорированной газораспределительной решеткой, помещен слой тонкодисперсного твердого материала. Сжижающий агент — газ подается в нижнюю часть аппарата под газораспределительную решетку. Перепад давления в слое измеряется дифференциальным манометром. Состояние двухфазной системы наглядно изображается в виде кривой псевдоожижения.

,

где — высота неподвижного слоя, м.

При невысоких скоростях газа слой зернистого материала на решетке остается неподвижным, происходит фильтрация газа через слой (кривая О К на рис. 10.2). С увеличением скорости газа перепад Давления в слое возрастает и в определенный момент масса зернистого материала в слое уравновешивается гидродинамическим давлением потока газа наступает гидродинамическое равновесие. В условиях гидродинамического равновесия начинается взаимное пульсационное перемещение частиц. Излом в точке К₁ соответствует переходу неподвижного слоя в псевдоожиженное состояние.

Абсцисса точки К₁ определяет скорость газа, при которой начинается псевдоожижение, а ордината — перепад давления в этой точке. Скорость газа (жидкости), при которой слой зернистого материала переходит в псевдоожиженное состояние, называется скоростью начала псевдоожижения. При дальнейшем увеличении скорости газа слой расширяется, интенсивности перемешивания частиц возрастает, но перепад давления остается постоянным.

При определенной так называемой второй критической скорости , или скорости уноса. Гидродинамическое равновесие нарушается. Эта скорость является верхним пределом существования псевдоожиженного слоя. При частицы уносятся из слоя, в результате этого снижается их массовое количество и уменьшается энергия, необходимая для поддержания твердой фазы во взвешенном состоянии.

Реальная кривая псевдоожижения несколько отличается от идеальной. Для реальной кривой характерно наличие пика давления в момент перехода в псевдоожиженное состояние, который объясняется затратой дополнительной энергии на преодоление сил сцепления между частицами. Величина пика давления зависит от формы и состояния поверхности частиц.

Реальная кривая псевдоожижения обнаруживает гистерезис — так называемые линии прямого и обратного хода, которые получают соответственно при постепенном увеличении и уменьшении скорости газа. Эти линии вблизи точки К не совпадают, причем на линии обратного хода отсутствует пик давлений и она, как правило, располагается ниже линии прямого хода. Участок кривой обратного хода левее точки К соответствует более рыхлой упаковке частиц, возможной для неподвижного слоя. Вправо от точки К эти линии совпадают. В реальных условиях перепад давления может не быть строго постоянным. Он может монотонно возрастать, а также колебаться около некоторого среднего значения.

Форма кривой псевдоожижения отражает состояние слоя.

Пределы существования псевдоожиженного слоя, таким образом, ограничены скоростью начала псевдоожижения и скоростью уноса. Резкий переход от неподвижного слоя к псевдоожиженному характерен для слоев, состоящих из частиц близкого размера. Для полидисперсных слоев существует область скоростей псевдоожижения, в которой начинается псевдоожижение полидисперсных частиц v завершается переход от неподвижного к псевдоожиженному слою.

Отношение рабочей скорости к скорости начала псевдоожижения называется числом псевдоожижения. Число псевдоожижения характеризует состояние псевдоожиженного слоя и интенсивность перемешивания частиц в нем. Характеристики псевдоожиженного слоя зависят от числа псевдоожижения.

Псевдоожижение слоя может быть однородным и неоднородным. Однородное псевдоожижение имеет место при псевдоожижении слоя капельной жидкостью. Для неоднородного псевдоожиженного слоя характерно наличие в слое газовых пузырей (рис. 10.3) При небольших числах псевдоожижения неоднородность слоя не сказывается отрицательно на его характеристиках.

Движущиеся газовые пузыри интенсифицируют перемешивание частиц в слое. Однако при увеличении числа псевдоожижения неоднородность слоя возрастает: увеличивается размер пузырей, и начинается интенсивный выброс (унос) частиц из слоя. Поперечный размер пузырей достигает размера аппарата. Возникает так называемый поршневой режим, при котором ухудшается равномерность контакта между газом и частицами материала.

При газовом псевдоожижении, особенно влажных, мелких и слипающихся частиц, может также наблюдаться каналообразование (рис. 10.4), при котором часть газа «проскакивает» через слой. Пре­дельным случаем каналообразования является образование фонтанирующего слоя. При фонтанировании поток газа (или жидкости) прорывается через слой по каналу, возникающему близ оси аппарата.

Различают псевдоожижение в плотной и разбавленной фазах.

Псевдоожижение в плотной фазе наблюдается, когда скорость газа находится в пределах между скоростью начала псевдоожижения и скоростью уноса . При происходит пневмотранспортирование частиц из слоя. В этом случае псевдоожиженный слой находится в разбавленной фазе. В пределе разбавленная фаза существует, когда хотя бы одна частица находится в газовом потоке.

Источник