Отстаивание под действием силы тяжести

3.2.1. Основные понятия. Классификация суспензий

Отстаиванием называется процесс обезвоживания, происходящий при расслоении суспензии за счет осаждения частиц материала под влиянием собственного веса. Процесс отстаивания можно разделить на сгущение и осветление. Основной целью сгущения является увеличение концентрации твердой фазы, а цель осветления - удаление вещества из относительно разбавленной пульпы (смесь мелких частиц с жидкостью, в основном с водой).

В настоящее время не существует строго количественных методов расчета этих процессов, которые бы основывались на свойствах двухфазных систем. Например, нет аналитического вида функций типа

, (3.6)

где с_тв - концентрация твердого с размером частиц r_тв и их удельной массой g_тв; μ _сусп - вязкость суспензии; - скорость жидкости относительно твердого.

Большое влияние на скорость осаждения оказывает также и агрегация частиц.

Закон Стокса применим, когда с_тв не более 0, 1 ÷ 1%, размер частиц r_тв не выходит из диапазона 10 ÷ 100 мкм; m = const, а не превышает ее значение для ламинарного потока. В системе не происходит также агрегирование частиц.

При осаждении вязкость суспензии изменяется, т.к. она зависит от концентрации твердого тела, по законам вида:

μ _сусп = μ ₀ (1 + 2, 5j) при j < 10%, (3.7а)

μ _сусп = μ ₀ (1 + 4, 5j) при j > 10%, (3.7б)

где m_сусп и m_о - вязкость соответственно суспензии и воды; j - объемная концентрация твердой фазы.

Эти формулы применимы для таких концентраций твердой фазы, при которых суспензия еще обладает текучестью. При большой концентрации суспензии расстояние между частицами настолько мало, что они приходят в соприкосновение. Вследствие этого, наряду с внутренним трением жидкости, возникают силы трения частиц друг о друга, и тогда гидравлическое течение переходит в пластическое, для которого формулы неприменимы.

Жидкости, в которых величина вязкости постоянная и не зависит от скорости ее течения, называются ньютоновскими, а жидкости, для которых величина вязкости изменяется, называются неньютоновскими.

В концентрированных суспензиях более мелкие частицы тормозят движение более крупных, а частицы больших размеров увлекают за собой мелкие частицы, ускоряя их движение. В результате наблюдается тенденция к сближению скоростей осаждения частиц различных размеров; возникает коллективное, или солидарное, осаждение частиц с близкими скоростями в каждом сечении аппарата, но различными скоростями по его высоте. Уменьшение скорости частиц при уплотнении суспензии объясняется не только возрастанием вязкости, но и тормозящим действием жидкости, вытесняемой осаждающимися частицами и движущейся в направлении, обратном движению частиц.

В настоящее время ряд эмпирических методов позволяет в той или иной степени оценить зависимость типа (3.6). При проведении исследований ставятся две задачи. Первая задача - определение площади, необходимой для получения чистого слива; вторая - определение объема сгустителя, необходимого для получения осадка требуемой плотности.

Типы суспензий, встречающиеся на практике, и методы расчета скорости их расслоения можно классифицировать следующим образом - табл.3.2.

Таблица 3.2.

Классификация отстаиваемых суспензий и методы испытаний

3.2.2. Способы выражения и расчета концентрации твердого в пульпе

Перед тем как приступить к описанию картины осаждения твердого материала из суспензии в сгустителе, рассмотрим основные методы определения и расчета концентрации твердого в суспензии.

На практике для определения содержания твердого в суспензии, а также отношения Т: Ж отбирают мерной кружкой определенный объем пульпы и взвешивают его. Зная вес и объем пульпы, составляют два балансных уравнения и из них рассчитывают все необходимые величины:

P _n = P _тв + P _ж, (3.8)

. (3.9)

Согласно уравнению (3.8) вес пульпы (P _n) равен сумме весов твердого (P _тв) и жидкого (P _ж), а уравнение (3.9) отражает баланс объемов: объем пульпы (V _n) равен сумме объемов твердого (V _тв) и жидкого (воды) (V _ж). Объемы V _тв и V _ж далее выражают через массу и удельную массу твердого (r_тв) и жидкого (r_ж).

Решение системы уравнений относительно массы твердого имеет вид:

обычно V _n =1000 см³, r_ж =1 г/см³;

а для веса воды:

,

отсюда Т: Ж равно:

l = (Т: Ж) = ,

а R = Ж: Т выразится обратным соотношением.

Учитывая, что

и ,

найдем их значения:

,

.

Зная вес твердого и объем жидкости, легко найти концентрацию:

[г/см³].

Для соблюдения соответствия в размерности между объемом и удельной массой, объем необходимо в формулах подставлять в (см³), удельную массу в (г/см³), вес в (г), а концентрацию в (г/см³).

Переход от концентрации с к отношению Ж: Т осуществляется по выражению:

.

Если концентрация выражена в процентах, то разжижение рассчитывают обычно как

,

где b - процент твердого в суспензии или пульпе.