Пример расчета скорости осаждения по формуле стокса. Схемы процесса отстаивания. Свободное и стесненное осаждение. Расчет скорости этих процессов. под действием силы тяжести

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

осаждение

твердых частиц

под действием силы тяжести

Методические указания

по курсам «Процессы и аппараты пищевых производств»

и «Процессы и аппараты химических производств»

для студентов специальностей

дневной и заочной форм обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2006

Цель работы : ознакомится с методами расчета скорости осаждения под действием силы тяжести и экспериментально проверить результаты расчета.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Проведение ряда процессов химической технологии связано с движением твердых тел в капельных жидкостях и газах. К таким процессам относятся осаждение частиц из суспензий и пылей под действием инерционных или центробежных сил, механическое перемешивание в жидких средах и другие. Изучение закономерностей этих процессов составляет внешнюю задачу гидродинамики.

На твердую частицу, осаждающуюся под действием силы тяжести, действуют следующие силы: сила тяжести, выталкивающая архимедова сила и сила сопротивления среды. Основная трудность расчета скорости осаждения заключается в том, что сила сопротивления среды зависит от режима движения частицы, а следовательно, и от скорости осаждения:

где F - площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направле-

нию его движения, м2;

ρ- плотность среды, кг/м3;

ω- скорость осаждения, м/с;

φ- коэффициент сопротивления среды, зависящий от режима движе -

При ламинарном движении, наблюдающемся при небольших скоростях и малых размерах тел или при высокой вязкости среды, тело окружено пограничным слоем жидкости и плавно обтекается потоком. Сопротивление среды в таких условиях обусловлено преодолением лишь сил внутреннего трения и описывается законом Стокса:

С развитием турбулентности потока (например, с увеличением скорости движения тела и его размеров) все большую роль начинают играть силы инерции. Под действием этих сил пограничный слой отрывается от поверхности тела, что приводит к образованию зоны беспорядочных завихрений за движущимся телом и понижению давления в этой зоне. При этом разность давлений в лобовой и корковой частях обтекаемого тела резко возрастает. При Re>500 роль лобового сопротивления становится преобладающей, а сопротивлением трения можно практически пренебречь. Режим осаждения становится автомодельным по отношению к критерию Рейнольдса, т. е. коэффициент сопротивления среды φ не зависит от критерия Re. При 500 < Re < 2·105 сопротивлений среды описывается квадратичным законом сопротивление Ньютона:

φ = 0.44 = const. (3)

При переходном режиме осаждения, когда 2 ≤ Re ≤ 500, силы трения и силы инерции соизмеримы и ни одной из них пренебрегать нельзя. В этой области сопротивление среды описывается промежуточным законом:

При движении тела в жидкости его скорость будет возрастать до тех пор, пока сила сопротивления среды не уравновесит тела за вычетом выталкивающей силы. Далее движение частицы происходит по инерции с постоянной скоростью, которая называется скоростью осаждения.

1 . Из уравнения баланса сил действующих на осажденную частицу, получим выражение для расчета скорости осаждения:

, (5)

где ρч - плотность твердой частицы, кг/м3;

g - ускорение силы тяжести, м/с2.

Подробно вывод уравнения (5) изучить по .

При расчете скорости осаждения по уравнению (5) пользуются методом последовательных приближений, и расчеты выполняются в следующей последовательности:

1) задаются произвольным значением критерия Re;

2) по одному из уравнений (3)-(4) рассчитывают коэффициент со-

противления среды φ;

3) по уравнению (5) определяют скорость осаждения;

4) определяют величину критерия Re:

;

5) определяют погрешность:

Δ = (Re зад - Re выч)/ Re зад;

6) если Δ > 0.03, то задаются новым значением критерия

Re зад= Re зад ·(1-Δ) и весь расчет повторяется заново;

7) расчеты проводятся до тех пор, пока Δ ≤ 0.03.

Уравнение (5) является наиболее точным, но неудобно для практического пользования.

2. Вследствие трудоемкости метода последовательных приближений более удобно для определения скорости осаждения пользоваться методом, предложенным. Этот метод основан на преобразовании уравнения (5) к критериальному виду: Re= f(Ar). Подробно вывод критериальных уравнений вида Re= f(Ar) можно изучить по .

В результате преобразования уравнения (5) получены следующие расчетные зависимости:

для ламинарного режима осаждения при Аr ≤ 36:

для переходного режима осаждения при 36 < Ar ≤ 83000:

; (7)

для турбулентного режима осаждения при Ar > 83000:

; (8)

где Аr - критерий Архимеда .

Расчеты выполняются в следующей последовательности:

1) определяется величина критерия Архимеда;

2) по найденному значению критерия Архимеда определяется режим осаждения;

3) по одному из уравнений (6)-(8) определяется величина критерия Рейнольдса;

4) рассчитывается скорость осаждения:

https://pandia.ru/text/79/041/images/image010_11.gif" width="168" height="49"> . (9)

4 . Для расчета скорости осаждения используется обобщенный графоаналитический метод, пригодный при любом режиме осаждения. При этом используется критериальная зависимость вида: Ly = f(Ar),

где Ly - критерий Лященко . (10)

Определение скорости осаждения производят следующим образом:

1) определяют критерий Архимеда;

2) по найденному значению критерия Ar, по рис. 1 определяют величину критерия Lу;

3) вычисляют скорость осаждения:

. (11)

Рис.1 Зависимость критериев Лященко и Рейнольдса от критерия Архимеда

для осаждения одиночной частицы в неподвижной среде:

1-шарообразные частицы; 2-округленные;

3- угловатые; 4-продолговатые; 5- пластинчатые.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальная установка состоит из трех вертикальных цилиндров 1 (рис.2), в которых находятся жидкости с различными физическими свойствами.

Цилиндры закреплены между нижним 9 и верхним 10 основаниями. В верхнем основании имеется паз, в котором перемещается подвижная пластина 3. Сверху подвижная пластина накрыта неподвижной пластиной 2. Подвижная пластина совершает возвратно поступательное движение под действием втягивающего реле 4, которое включается при нажатии кнопки 7 и возвращается в исходное положение при ее отпускании. Кнопка 7 одновременно служит для управления электросекундометром 5. При нажа­тии кнопки секундомер включается, а при её отпускании останавливается. Сброс показаний секундомера осуществляется рукояткой 6.

Испытуемая частица 8 помещается в одно из отверстий неподвижной пластины 2.

Путь пройденный частицей измеряется линейкой 11 с точностью ±0.5 мм, время осаждения измеряется секундомером 5 с точность до ±0.5 с. Скорость осаждения рассчитывается по формуле:

Для исключения систематической ошибки измерений при измерении времени осаждения глаз наблюдателя должен находиться на уровне нижнего основания.

Эквивалентный диаметр частиц неправильной формы определяется

по формуле:

где М - масса частицы, кг.

Масса частицы определяется путем пятикратного взвешивания

10-20 г на аналитических весах.

Рис.2. Схема экспериментальной установки:

1- цилиндр с жидкостью, 2 – неподвижная пластина,

3 – подвижная пластина, 4 – втягивающее реле,

5 – электросекундомер, 6 – рукоятка сброса,

7 – кнопка, 8 – испытуемая частица,

9 – нижнее основание, 10 – верхнее основание,

11 – линейка, 12 - термометр

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Производят подготовку установки к выполнению опыта. При необходимости в цилиндры доливают соответствующие жидкости так, чтобы их уровень достигал верхнего основания.

2. Получают у преподавателя или лаборанта испытуемые частицы и определяют их эквивалентный диаметр.

3. Испытуемая частица помещается в одно из отверстий верхней неподвижной пластины.

4. Нажимают кнопку 7 (рис. 2). При этом включается втягивающее реле, подвижная пластина перемещается, отверстия в неподвижной и подвижной пластинах и верхнем основании совпадают, и испытуемая частица проваливается в цилиндр с жидкостью и начинает осаждаться. Одновременно включается электоросекундомер 5.

5. Кнопку 7 держат нажатой до тех пор, пока частица не достигнет дна сосуда. В момент касания частицей дна кнопку отпускают. При этом секундомер останавливается.

6. Время осаждения и путь, пройденный частицей, заносят в журнал наблюдений.

7. Каждый опыт повторяют 5-6 раз.

8. Результаты измерений заносят в табл. 1.

Таблица 1

9. Производят расчет скорости осаждения:

а) по уравнению (5);

б) по методу, по уравнениям (;

в) по интерполяционному уравнению (9);

г) графоаналитическим методом.

10. Сравнивают результаты расчета с данными эксперимента и делают выводы о точности и трудоемкости каждого метода расчета.

11. Результаты расчета сводят в табл. 2.

Таблица 2

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для повышения надежности экспериментальных данных и оценки погрешности измерений экспериментальное определение скорости осаждения необходимо повторить 5-7 раз одной и той же частицей.

Предварительные эксперименты показали, что при достаточно большом числе измерений экспериментальное значение скорости осаждения подчиняется нормальному закону распределения. Поэтому оценку точности произведем путем определения оценок и доверительных границ для параметров нормативного распределения по ГОСТ.11.004-94.

Несмещенной для генерального среднего нормального распределения является выборочное среднее (среднеарифметическое), определяемое по формуле:

https://pandia.ru/text/79/041/images/image018_8.gif" width="100" height="53">, (12)

где Хi - совокупность наблюдаемых значений случайной величины (ско

рость осаждения);

n - обьем выборки (число измерений).

Среднеквадратичная погрешность измерения:

https://pandia.ru/text/79/041/images/image021_7.gif" width="87" height="25">. (14)

Значение коэффициента Мк определяется по табл. 3 в зависимости от числа измерений К=n-1.

Таблица 3

Несмещенная оценка для дисперсии нормального распределения:

Верхняя доверительная граница для генерального среднего:

где tγ - квантиль распределения Стьюдента для доверительной вероятно-

сти (определяется по табл. 4).

Отчет о работе оформляется в тетради. Он должен содержать:

1) название лабораторной работы;

2) формулировку цели работы;

3) основные понятия, определения и расчетные формулы;

4) схему установки;

5) результаты наблюдений, сведенные в таблицу;

6) все промежуточные расчеты;

7) структурную схему расчета скорости осаждения;

8) распечатку расчета скорости осаждения на ЭВМ;

9) таблицу сравнения расчетных и экспериментальных данных;

10) анализ полученных результатов и выводы.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется скоростью осаждения?

2. Дайте качественное и количественное описание режимов осаждения?

3. Какие силы определяют сопротивление среды при ламинарном режиме осаждения?

4. Какие силы определяют сопротивление среды при турбулентном режиме осаждения?

5. Опишите кинетику осаждения частицы под действием силы тяжести. Составте уравнение баланса под действием сил действующих на частицу.

Литература

1. , Попов и аппараты пищевых производств. – М: Агропромиздат, 1985.-503с.

2. С и др. Процессы и аппараты пищевых производств:
Учебник для вузов. - М.: Колос,1999 г.504с

3. , Королев и аппараты пищевых
производств: Учебник для вузов.- М.: Агропромиздат, 1991.-
432 с.

4. «Основные процессы и аппараты химической
технологии». Изд. 6-е М.: Госхимиздат, 1975.-756 с.

5. Лабораторный практикум по курсу «Процессы и аппараты
пищевых производств»/Под ред. .- Изд.2-е, доп.-
М.: Пищ. пр-ть, 1976.-270с.

6.Лабораторный практикум по процессам и аппаратам пищевых
производств /Под ред. СМ. Гребенюка.- М.:Легкая и пищевая
промышленность, 1981.-152 с

7.Руководство к практическим занятиям в лаборатории
процессов и аппаратов химической технологии./ Под

Редакцией, из-е 4-е., Л.; 1975.-255с.

осаждение твердых частиц

под действием силы тяжести

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

Составили:

Рецензент

Редактор

Лицензия ИД № 000 от 14.11.01

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Бум. тип. Усл. печ. л. Уч.-изд. л.

Тираж экз. Заказ Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в РИЦ СГТУ. Саратов, Политехническая ул., 77

В таблице 1.2 приведена классификация процессов разделения неоднородных систем по движущей силе.

Таблица 1.3

2.2. Осаждение

Гравитационное осаждение

Осаждением называется процесс разделения жидких и газовых неоднородных систем (суспензий, пылей) путём выделения твёрдых частиц. Осаждение под действием силы тяжести называется отстаиванием. В основном отстаивание применяется для предварительного грубого разделения неоднородных систем. Осаждение связано с движение твёрдых частиц в жидкости или газе.

Рассмотрим движение шарообразной частицы в неподвижной среде (рис. 2.1). При движении тела в жидкости или при обтекании его движущейся жидкостью возникают сопротивления для преодоления которых, а так же обеспечения равномерного движения тела должна быть затрачена определенная энергия. Величина возникающего сопротивления зависит от режима движения и формы обтекаемого тела.

631 " style="width:473.55pt;border-collapse:collapse">

,

где https://pandia.ru/text/79/143/images/image216_0.gif" width="32" height="32">.gif" width="261" height="66">; ;

, где - диаметр частицы; - плотность среды; плотность твердой частицы; скорость осаждения; - коэффициент сопротивления среды (безразмерный).

В развернутом виде уравнение (2.1) примет вид:

откуда скорость осаждения будет равна:

Существуют три режима осаждения: ламинарный, переходный и турбулентный.

При ламинарном режиме осаждения (рис. 2.2 а ) жидкость обтекает частицу плавно без образования вихрей . Скорость и размер частиц при этом небольшой, но велика вязкость среды. Энергия тратится только на преодоление сил трения. С увеличением скорости осаждения (при переходном режиме) в потоке все большую роль начинают играть силы инерции, которые приводят к отрыву пограничного слоя от поверхности тела, что способствует понижению давления за движущимся телом в непосредственной близости от него и образованию завихрений (рис.2.2 б ). При турбулентном режиме осаждения за частицей движется вихревой поток (рис.2.2 в ).

https://pandia.ru/text/79/143/images/image232_0.gif" width="106" height="29">. При переходном режиме , а https://pandia.ru/text/79/143/images/image235_0.gif" width="88 height=31" height="31">).

При ламинарном режиме скорость осаждения определяют по формуле Стокса:

Рассчитав , определяют режим осаждения. Зная зависимость между Рейнольдсом и Архимедом для данного режима (стр. 36), находят критерий Рейнольдса и далее скорость осаждения: .

При ламинарном режиме Ar36, переходном 36https://pandia.ru/text/79/143/images/image242_0.gif" width="13" height="16">83000 и турбулентном - Ar>83000.

Зависимость между критериями и следующая:

Для ламинарного режима , переходного и турбулентного , где - коэффициент формы (или фактор), учитывающий отличие формы частицы от шара. Для частиц неправильной формы скорость осаждения меньше, поэтому скорость, рассчитанную для шарообразной частицы, умножают на поправочный коэффициент ψ , который < 1.

Все приведённые выше рассуждения справедливы, если осаждение не стеснённое (свободное), когда соседние частицы не оказывают влияния на движение друг друга. Свободное осаждение наблюдается в разбавленных суспензиях и газовых взвесях (при объёмной концентрации твердой фазы менее 5%) при отсутствии взаимного влияния частиц дисперсной фазы. Если концентрация частиц большая (стеснённое осаждение), то, осаждаясь, частицы соприкасаются друг с другом и сопротивление осаждению становится больше, чем для одиночной частицы. Вследствие этого скорость осаждения уменьшается. При стеснённом осаждении в рассчитанную скорость, вводят поправки, зависящие от концентрации суспензии. При ориентировочных расчётах действительную скорость осаждения принимают равной половине теоретической скорости осаждения одиночной шарообразной частицы.

Аппараты для разделения неоднородных систем под действием силы тяжести

Осаждение твердых частиц под действием силы тяжести называется отстаиванием. Отстаивание, в основном, применяется для предварительного грубого разделения неоднородных систем. Простейшим отстойником для пылей (запыленных газов) является отстойный газоход (рис. 2.3).

Установка вертикальных перегородок в газоходе приводит к возникновению инерционных сил, что способствует процессу осаждения твердых частиц. Запыленный газ подается непрерывно, а пыль из бункеров выгружают периодически.

Известно, что производительность отстойников прямо пропорциональна поверхности осаждения. Поэтому установка горизонтальных полок 2 в пылеосадительной камере (рис. 2.4) резко увеличивает производительность аппарата. Вертикальная отражательная перегородка 3 обеспечивает равномерное распределение газа между полками. Степень очистки в таких камерах невелика и составляет 30 – 40 %, причем частицы размером 5 мкм и меньше вообще не отделяются от газа.

Для разделения суспензий применяется непрерывно действующий отстойник с гребковой мешалкой 3 (рис. 2.5). Он представляет собой цилиндрический резервуар 1 с коническим днищем 2 и кольцевым желобом 4 вдоль верхнего края аппарата. В резервуаре установлена мешалка, снабженная гребками, которые непрерывно перемещают осадок (шлам) к центральному разгрузочному отверстию и одновременно https://pandia.ru/text/79/143/images/image251_0.gif" align="left" width="446" height="254">На рис. 2.6 показан отстойник непрерывного действия для разделения эмульсии . Он представляет собой горизонтальный резервуар 1 с перфорированной перегородкой 2, которая предотвращает возмущение жидкости в отстойнике струей эмульсии, поступающей в аппарат, и равномерно распределяет поток по сечению отстойника. Расслоившиеся легкая и тяжелая фазы выводятся с противоположной стороны отстойника. Уровень раздела легкой и тяжелой жидкости поддерживается регулятором уровня или гидравлическим затвором 3 (сифон, «утка»).

Аппараты для разделения неоднородных систем под действием центробежной силы

Скорость осаждения под действием силы тяжести мала и для ее увеличения проводят процессы осаждения в поле центробежных сил. Для создания поля центробежных сил обычно используют один из двух способов: либо обеспечивают вращательное движение потока в неподвижном аппарате, либо поток направляют во вращающийся аппарат. В первом случае процесс проводят в циклонах, во втором – в отстойных (осадительных) центрифугах . Центробежные силы в циклоне (рис. 2.7) создаются за счет тангенциального подвода газа к цилиндрическому корпусу аппарата 1. Благодаря такому вводу газа, он приобретает вращательное движение вокруг трубы, расположенной по оси аппарата и предназначенной для вывода очищенного газа. Частицы пыли под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам корпуса 1 и поступают в разгрузочный бункер 3. Чем меньше радиус циклона, тем больше ускорение центробежной силы и выше факторы разделения. Однако уменьшение радиуса циклона ведет к росту скорости потока и возрастанию гидравлического сопротивления.

Поэтому при больших расходах запыленного газа вместо одного циклона большого диаметра устанавливают несколько циклонных элементов меньшего размера, объединенных в одном корпусе и работающих параллельно. Такие аппараты называют батарейными циклонами (рис. 2.8).

https://pandia.ru/text/79/143/images/image255_0.gif" align="left" width="280" height="342">Так как обеспечить тангенциальный подвод запыленного газа к каждому элементу циклона трудно, используется другой принцип создания закрученных потоков – установка неподвижных лопастей на внутренних трубках циклонов.

Для осаждения твердых частиц из жидкости в поле центробежных сил применяют гидроциклоны , которые отличаются от обычных циклонов пропорциями отдельных частей и деталей.

Большие центробежные силы и высокие факторы разделения можно достичь в осадительных центрифугах . На рис. 2.9 показана схема отстойной центрифуги периодического действия . Основной частью центрифуги является сплошной барабан 2, насаженный на вращающийся вал 1. Под действием центробежной силы твердые частицы из суспензии отбрасываются к стенкам барабана, образуя слой осадка. Осветленная жидкость (фугат) переливается в неподвижный корпус 3 (кожух) и удаляется через патрубок в его нижней части. По окончании отстаивания центрифугу останавливают и выгружают осадок вручную.

На рис. 2.10 показана отстойная центрифуга непрерывного действия с горизонтальным валом и шнековой выгрузкой осадка . Суспензия поступает по трубе во внутренний барабан и через окна выбрасывается во вращающийся отстойный барабан конической формы, где под действием центробежной силы происходит ее разделение.

Осветленная жидкость (фугат) устремляется в широкую часть барабана, перетекает в неподвижный кожух и удаляется из него через патрубок. Осадок осаждается на стенках барабана и перемещается с помощью шнека, благодаря небольшому различию частот вращения барабана и шнека.

Отстойные центрифуги для разделения эмульсий часто называют сепараторами . Широко распространены тарельчатые сепараторы непрерывного действия (рис. 2.11). Эмульсия по центральной трубе попадает в нижнюю часть вращающегося барабана (ротора), снабженного пакетом конических перегородок – тарелок с отверстиями. Проходя через отверстие, эмульсия распределяется тонкими слоями между тарелками. При разделении более тяжелая жидкость отбрасывается центробежной силой к стенке барабана, движется вдоль нее и удаляется через отверстие.

Более легкая жидкость перемещается к центру барабана и удаляется через кольцевой канал. Путь движения жидкостей показан стрелками. Скорость вращения барабана составляет 5000 – 7000 об/мин.

Если разделяется мелкодисперсная суспензия, то используются сепараторы с тарелками без отверстий. Твердая дисперсная фаза суспензии осаждается на поверхности каждой тарелки (кроме верхней), соскальзывает с них и скапливается возле стенки барабана. Осветленная жидкость движется к центру барабана, поднимается вверх и выходит из него.

Выгрузка осадка осуществляется вручную или автоматически. Тарельчатые сепараторы характеризуются высокой производительностью и высоким качеством разделения.

Центрифуги с очень большим числом оборотов (до 60 тыс. об/мин) и большими факторами разделения (свыше 3500) называются ультрацентрифугами или сверхцентрифугами. Возникающие в них огромные центробежные силы используются для разделения тонкодисперсных суспензий и эмульсий. С целью достижения больших факторов разделения сверхцентрифуги имеют малый радиус. В трубчатой сверхцентрифуге периодического действия (рис. 2.12) суспензия поступает по трубе внутрь быстро вращающегося барабана 1, заключенного в кожух 2. Внутри трубчатого барабана (ротора) со сплошными стенками имеются радиальные лопасти 3, препятствующие отставанию жидкости от стенок барабана при его вращении. Твердые частицы суспензии оседают на стенках барабана, а осветленная жидкость выбрасывается из него через отверстия вверху 8 и удаляется из верхней части кожуха. Осадок удаляют вручную периодически после остановки центрифуги и разборки барабана.

Подобные центрифуги применяют только для разделения суспензии с небольшим содержанием твердой фазы (не более 1 %).

Для разделения эмульсии применяют трубчатые сверхцентрифуги непрерывного действия, отличающиеся более сложным устройством в верхней части ротора, позволяющим раздельно отводить расслоившиеся жидкости.

Осаждение под действием сил электрического поля

Осаждение дисперсных твердых и жидких частиц в электрическом поле (электроосаждение) позволяет эффективно очистить газ от очень мелких частиц. Оно основано на ионизации молекул газа электрическим разрядом.

Для осаждения частиц в поле электрических сил применяют электрофильтры, которые по форме электродов делятся на трубчатые и пластинчатые, а в зависимости от вида удаляемых из газа частиц – на сухие (улавливается сухая пыль) и мокрые (удаляется влажная пыль). Трубчатый электрофильтр (рис. 2.13) питается постоянным током высокого напряжения (порядка 60тыс. вольт) и представляет собой аппарат, в котором расположены осадительные электроды 2, выполненные в виде труб диаметром 0,15 - 0,3 м и длиной 3 - 4 м. По оси труб проходят коронирующие электроды 1 из проволоки диаметром 1,5 - 2 мм, которые подвешены к раме 3, опирающейся на изоляторы 5. Запыленный газ входит в аппарат через нижний штуцер и далее двигается внутри труб 2. Так как поверхности электродов различны, то у отрицательно заряженного электрода, выполненного в виде проволоки, образуется высокая напряженность электрического поля и возникает коронирующий разряд. Внешним признаком ионизации является свечение слоя газа или образование «короны» у катода. Отрицательно заряженные ионы устремляются к положительному электроду (аноду) в виде труб. На своем пути они «бомбардируют» частицы пыли, адсорбируются и сообщают им отрицательный заряд. Отрицательно заряженные частицы пыли устремляются к положительному электроду, разряжаются и оседают на его поверхности, а очищенный газ выходит из аппарата через верхний штуцер.

В сухих электрофильтрах пыль удаляется периодически путем встряхивания электродов с помощью специального устройства 4. В мокрых электрофильтрах осевшие частицы пыли удаляются промывкой внутренней поверхности электродов водой. Степень очистки составляет 95 – 99 %.

2.3 Фильтрование

Фильтрование – процесс разделения суспензий и запылённых газов с использованием пористых перегородок, которые задерживают твердую фазу и пропускают жидкую (рис. 2.14). Движущая сила фильтрования – разность давлений в исходной суспензии и за фильтрующей перегородкой.

631 " style="width:473.55pt;border-collapse:collapse">

.

где V - объем фильтрата; F - поверхность фильтрования; - продолжительность фильтрования; Ro с - сопротивление слоя осадка; R - сопротивление фильтровальной перегородки.

Основные конструкции фильтров

По способу действия фильтры делятся на аппараты периодического и непрерывного действия; по назначению – фильтры для разделения суспензий и фильтры для очистки воздуха и промышленных газов. В качестве фильтровальной перегородки применяют: ткань, песок; уголь (зернистая перегородка); металлическую сетку; пористую керамику (жесткая перегородка) и др. Самые простые и широко используемые в промышленности нутч или друк – фильтры (аппараты периодического действия), а также дисковые, песочные, патронные, рамные, камерные фильтры. К фильтрам непрерывного действия относятся: вакуумные, барабанные, ленточные, карусельные и др.

Нутч – фильтры работают под вакуумом или под избыточным давлением.

При работе вакуумного нутч – фильтра (рис. 2.15) фильтрация осуществляется путем создания пониженного давления под фильтровальной перегородкой. Осадок удаляется сверху вручную.

Нутч, работающий при избыточном давлении сжатого воздуха (рис. 2.16) имеет более удобное приспособление для удаления осадка, который снимается вручную с фильтровальной перегородки при опускании и повороте дна фильтра. Громоздкость и ручная выгрузка осадка не позволяют использовать эти аппараты очень широко.

Распространенным фильтром периодического действия, работающим под избыточным давлением, является рамный фильтр–пресс (рис. 2.17). Фильтр состоит из чередующихся плит и рам, между которыми зажимается фильтровальная ткань. Плиты имеют по краям гладкую поверхность, а в середине – рифленую (рис. 2.18).

Полая рама фильтр–пресса помещается между двумя плитами, образуя камеру 4 для осадка. Отверстия 1 и 2 в плитах и рамах совпадают, образуя каналы для прохода соответственно суспензии и промывной воды. Между плитами и рамами помещают фильтровальные перегородки («салфетки»), отверстия в которых совпадают с отверстиями в плитах и рамах. Сжатие плит и рам производится посредством винтового или гидравлического зажимов. Суспензия под давлением нагнетается по каналу 1 и отводам 3 в полое пространство (камеру) внутри рам. Жидкая фаза суспензии проходит через фильтровальные перегородки 5, по желобкам рифлений 6 движется к каналам 7 и далее в каналы 8, которые открыты на стадии фильтрования у всех плит. Когда пространство (камера) 4 заполнится осадком, подачу суспензии прекращают, и начинается промывка осадка. В стадии промывки по боковым каналам 2 подают промывную жидкость, которая омывает осадок и фильтровальные перегородки и выводится через краны 9. По окончании промывки осадок продувают сжатым воздухом и затем раздвигают плиты и рамы. Осадок частично падает в сборник, установленный под фильтром, а оставшаяся часть осадка выгружается вручную. Салфетки при необходимости заменяют.

Среди фильтров непрерывного действия наиболее распространены барабанные вакуум–фильтры (рис. 2.19). Фильтр имеет вращающийся цилиндрический перфорированный барабан 1, покрытый металлической волнистой сеткой 2, на которой располагается фильтровальная ткань. Барабан на% погружен в суспензию и разделен радиальными перегородками на ряд камер 9. Каждая камера соединяется трубой 10 с различными полостями неподвижной части 12 распределительной головки. Трубы объединяются во вращающуюся часть 11 распределительной головки. Благодаря этому при вращении барабана 1 камеры 9 в определенной последовательности присоединяются к источникам вакуума и сжатого воздуха. При полном обороте барабана каждая камера проходит несколько зон.

Зона I – фильтрования и отсоса фильтрата соприкасается с суспензией и соединена с источником вакуума. Под действием вакуума фильтрат проходит внутрь камеры и через трубу выводится из аппарата, а на фильтровальной ткани остается осадок 4.

Зона II – промывки осадка и отсоса промывных вод также сообщается с вакуумом, а на осадок с помощью устройства 8 подается промывная жидкость. Она проходит через осадок и по трубе выводится из аппарата.

Зона III – съема осадка. Здесь осадок сначала подсушивается за счет вакуума, а затем камера соединяется с источником сжатого воздуха, который сушит и разрыхляет осадок. При подходе камеры с просушенным осадком к ножу 5 подача сжатого воздуха прекращается и осадок падает с поверхности ткани.

Характерным общим свойством суспензий, порошков, эмульсий и аэрозолей, особенно если они разбавлены, являетсц склонность к оседанию или всплыванию частиц дисперсной фазы. Оседание частиц дисперсной фазы называется седиментацаей, а всплывание частиц - обратной седиментацией.

На каждую частицу в системе действует сила тяжести (гравитационная сила) и подъемная сила Архимеда:

Эти силы постоянны и направлены в разные стороны, равнодействующая сила, вызывающая седиментацию, равна:

Так как седиментация протекает в определенной среде, то при ламинарном движении частицы возникает сопротивление - сила трения, пропорциональная скорости движения частнцы:

Таким образом, сила, действующая на частицу, во время движения, равна:

C ростом скорости при достаточно большом коэффициенте трения наступает момент, когда сила трения достигает силы, вызывающей седиментацию, и таким образом движущая сила F оказывается равной нулю.

Выражение для силы трения, возникающей при движении сферических частиц, можно представить в виде закона Стокса: .

Подставляя ее в полученное уравнение и выражая объем частицы через ее радиус, получим:

1) Закон Стокса справедлив, если частицы дисперсной фазы осаждаются независимо друг от дpyra, что может быть только в разбавленных системах.

2) Обычно частицы в дисперсных системах и твердой дисперсной фазой имеют неправильную форму. При свободном оседании частица несферической формы ориентируется в направлении движения таким образом, чтобы создавалось максимальное сопротивление движению, что уменьшает скорость осаждения.

3) Закон Стокса может не соблюдаться и при турбулентном режиме осаждения частиц.

4) Закон Стокса предполагает наличие внутреннего трения, или вязкого трения, когда граница (поверхность) движения частицы относительно среды находится внутри дисперсионной среды, вязкость которой определяет коэффициент трения. Если межфазное взаимодействие мало, граница (поверхность) движения частицы относительно среды может совпадать с поверхностью раздела фаз и трение оказывается внешним. Это приводит к возникновению скольжения, ускоряющему движение частицы.

5) Применимость закона Стокса ограничивается также дисперсностью частиц. Большие частицы (>100 мкм) могут двигаться ускоренно, очень малые частицы - ультрамикрпгетерогенные (<0,1 мкм) осаждаются настолько медленно, что следить за такой седиментацией практически невозможно.

Принцип седиментационного метода анализа дисперсности состоит в измерении скорости осаждения частиц, обычно в жидкой среде. По скорости осаждения с помощью соответствующих уравнений рассчитывают размеры частиц. Метод позволяет определить распределение частиц по размерам и соответственно подсчитать их удельную поверхность.

При седиментационном анализе дисперсности полидисперсных систем определяют время осаждения частиц отдельных фракций, рассчитывают скорости их осаждения и соответствующие им размеры частиц. Для этого сначала измеряют зависимость массы осевшего осадка от времени, строят график этой зависимости, называемой кривой седиментации, по которому затем определяют все необходимые характеристики дисперсной системы.

Имеются графические и аналитические методы расчета кривой седиментации.

Реальная кривая седиментации полидисперсной системы обычно получается плавной и ей отвечает множество бесконечно малых участков, касательные в каждой точке этой кривой отражают седиментацию данной бесконечно малой фракции.

Результаты седиментациоиного анализа дисперсности полиднсперсных систем представляют также в виде кривых распределения частиц по размерам, характеризующих степень полиднсперсности системы.

Кривая распределения является наглядной и удобной характеристикой полидисперсности системы, по которой легко определить содержание различных фракций. Ее строят подобно кривой распределения пор по размерам. Обычно сначала получают интегральную кривую распределения, проводят ее выравнивание с учетом точности получаемых средних значений радиусов частиц фракций и затем по ней строят дифференциальную кривую распределения. Иногда дифференциальную кривую строят сразу. На оси абсцисс откладывают значения радиусов; на ось ординат наносят отношение приращения массовых долей к разности радиусов частиц соседних фракций Δx/Δr i . Построив на графике отдельные прямоугольники для каждой фракции (гистограмму) и соединив плавной кривой середины их верхних сторон, получают дифференциальную кривую распределения частиц полидисперсной системы по размерам.

Используя уравнение Эйнштейна, рассчитайте вязкость золя AgC l , имеющего концентрацию 10% массовых и содержащего сферические частицы. Плотность AgC l : 5,56·10 3 кг\м 3 ; вязкость и плотность дисперсионной среды составляют 1·10 -3 Па·с и 1000 кг/м 3 соответственно.

Экзаменационный билет № 6

Влияние дисперсности на термодинамическую реакционную способность. Вывод уравнения капиллярной конденсации Кельвина. Влияние дисперсности на растворимость, константу равновесия химической реакции и температуру фазового перехода.

Термодинамическая реакционная способность характеризует способность вещества переходить в какое-либо иное состояние, например переходить в другую фазу, вступать в химическую реакцию. Она указывает на удаленность данного состояния вешества или системы компонентов от равновесного состояния при определенных условиях. Термодинамическая реакционная способность определяется химическим сродством, которое можно выразить изменением энергии Гиббса или разностью химических потенциалов.

Реакционная способность зависит от степени дисперсности вещества, изменение которой может приводить к сдвигу фазового или химического равновесия.

Соответствующее приращение энергии Гиббса dG д (благодаря изменению дисперсности) можно представить в виде объединенного уравнения первого и второго начал термодинамики:

Для индивидуального вещества V=V м и при Т=const имеем:

Подставляя в это уравнение соотношение Лапласа, получим:

для сферической кривизны:

Если рассматривается переход вещества из конденсированной фазы в газообразную, то энергию Гиббса можно выразить через давление пара, приняв его за идеальный. Дополнительное изменение энергии Гиббса, связанное с изменением дисперсности, составляет:

Подставляя данное выражение, получим:

Полученное соотношение называется уравнением Кельвина (уравнение капиллярной конденсации).

Для неэлектролитов его можно записать следующим образом:

Из этого уравнения видно, что с увеличением дисперсности растворимость растет, или химический потенциал частиц дисперсной системы больше, чем у крупной частицы, на величину 2σV/r.

Степень дисперсности может влиять также на равновесие химической реакции:

С увеличением дисперсности повышается активность компонентов, а в соответствии с этим изменяется константа химического равновесия в ту или другую сторону, в зависимости от степени дисперсности исходных веществ и продуктов реакции.

С изменением дисперсности веществ изменяется температура фазового перехода.

Количественная взаимосвязь между температурой фазового перехода и дисперсностью вытекает из термодинамических соотношений.

Для фазового перехода:,

Для сферических частиц:

Видно, что с уменьшением размера частиц г температуры плавления и испарения вещества уменьшаются (H ф.п. >0).

Природа броуновского движения. Понятие и определение среднеквадратичного сдвига по выбранному направлению. Взаимосвязь между среднеквадратичным сдвигом и коэффициентом диффузии (ввод уравнения Эйнштейна-Смолуховского).

Основой доказательства теплового молекулярного движения в телах явилось обнаруженное английским ботаником Робертом Броуном в 1827 г. с помощью микроскопа непрерывное движете очень мелких частичек - спор папоротника (цветочной пыльцы), взвешенных в воде. Более крупные частицы находились в состоянии постоянного колебания около положения равновесия. Колебания и перемещения частиц ускорялись с уменьшением их размера и повышением температуры и не были связаны с какими-либо внешними механическими воздействиями.

Теоретически обоснованная интерпретация броуновского движения - участие частиц дисперсной фазы ультрамикрогетерогенных систем в тепловом движении - была дана независимо друг от друга Эйнштейнии (1905 г.) и Смолуховским (1906 г.).

Проведенными исследованиями была окончательно доказана природа броуновского движения. Молекулы среды (жидкости или газа) сталкиваются с частицей дисперсной фазы, в результате чего она получает огромное число ударов со всех сторон.

Эйнштейн и Смолуховский для количественного выражения броуновского движения частиц ввели представление о среднем сдвиге частицы. Если при наблюдении движения частицы золя под микроскопом через определенные равные промежутки времени отмечать ее местонахождение, то можно получить ее траекторию движения. Так как движение происходит в трехмерном пространстве, то квадрат среднего расстояния, проходимого частицей за любой промежуток времени, равен.

Под микроскопам наблюдают проекцию смещения частицы на плоскость за какое-то время, поэтому .

При равновероятных отклонениях частицы ее направление будет находиться между направлениями x и у, т. е. под углом 45° к каждой координате. Отсюда или .

Из-за равновероятных отклонений среднеарифметическое значение сдвигов равно нулю. Поэтому используются среднеквадратичные расстояния, проходимые частицей:

Эйнштейн и Смолуховский, постулируя единство природы броуновского движения и теплового движения, установили количественную связь между средним сдвигом частицы (называемым иногда амплитудой смещения) и коэффициентом диффузии D.

Если броуновское движение является следствием теплового движения молекул среды, то можно говорить о тепловом движении частиц дисперсной фазы. Это означает, что дисперсная фаза, представляющая собой совокупность числа частиц, должна подчиняться тем же статистическим законам молекулярно-кинетической теории, приложимым к газам или растворам.

Для установления связи между средним сдвигом (смещением) частицы и коэффициентом диффузии представим себе трубку с поперечным сечениемS, наполненную золем, концентрация частиц которого уменьшается слева направо. В этом же направлении протекает и диффузия частиц золя (на рисуике отмечено стрелкой). Выделим по обе стороны от линии MN два малых участка 1 и 2, размеры которых в направлении диффузии равны Δ - среднему квадратичному сдвигу за время τ. Обозначим частичную концентрацию золя в объемах этих участков соответственно через ν 1 и ν 2 (ν 1 >ν 2). Хаотичность теплового движения приводит к равной вероятности переноса дисперсной фазы из обоих объемов вправо и влево от линии MN: половина частиц переместится вправо, а другая половина - влево. Количество дисперсной фазы за время τ переместится из объема 1 вправо: ,а из объема 2 влево (в обратном направлении):.

Так как |Q 1 | > |Q 2 | (ν 1 >ν 2), то суммарное количество перенесенного вещества через плоскость MN вправо определится соотношением .

Градиент концентрации по расстоянию в направлении диффузии можно выразить так:

Подставляя, получим:

Сравнивая это соотношение с первым законом диффузии Фика: ,окончательно имеем:

Это уравнение выражает закон Эйнштейна - Смолуховского, в соответствии с которым квадрат среднего сдвига пропорционален коэффициенту диффузии н времени.

Для отрицательно заряженного гидрозоля A l 2 S 3 , порог коагуляции при добавленном КС l равен 49 ммоль/л. Используя закон Дерягина, рассчитайте пороги коагуляции для таких электролитов как Na 2 S O 4 , MgC l 2 и A l C l 3 .

Экзаменационный билет № 7

Методы получения дисперсных систем: диспергирование и конденсация. Уравнение Ребиндера для работы диспергирования. Адсорбционное понижение прочности (эффект Ребиндера). Конденсация физическая и химическая. Энергия Гиббса образования зародыша новой фазы при гомогенной конденсации; роль пересыщения.

Диспергирование и конденсация - методы получения свободно-дисперсных систем: порошков, суспензий, золей, в том числе аэрозолей, эмульсий и т. д. Под диспергированием понимают дробление и измельчение вещества, под конденсацией - образование гетерогенной дисперсной системы из гомогенной в результате ассоциации молекул, атомов или ионов в агрегаты.

Работа упругого и пластического деформирования пропорциональна объему тела:

Работа образования новой поверхности при диспергировании пропорциональна приращению поверхности:

Полная работа, затрачиваемая на диспергирование, выражается уравнением Ребиндера:

Разрушение материалов может быть облегчено при использовании эффекта Ребиндера - адсорбционного понижения прочности твердых тел. Этот эффект заключается в уменьшении поверхностной энергии с помощью поверхностно-активных веществ, в результате чего облегчается деформирование и разрушение твердого тела.

Процесс конденсации предполагает образование новой фазы на уже имеющихся поверхностях (стенках сосуда, частицах посторонних веществ - ядрах конденсации) или на поверхности зародышей, возникающих самопроизвольно в результате флуктуации плотности и концентраций вещества в системе. В первом случае конденсация называется гетерогенной, во втором - гомогенной.

Чтобы сконденсированное вещество не возвращалось в первоначальную фазу и конденсация продолжалась, исходная система должна быть пересыщенной. В противном случае конденсация не может происходить, исчезают и зародыши конденсации (путем их испарения, растворения, плавления).

При гомогенной конденсации происходит самопроизвольное образование зародышей; энергия поверхности выступает в качестве потенциального барьера конденсации. Энергию Гиббса образования зародышей выражают (в соответствии с объединенным уравнением первого и второго начал термодинамики) в виде четырех составляющих: энтропийной, механической, поверхностной и химической.

Для жидких и газообразных фаз можно ограничиться двумя первыми составляющими энергии Гиббса образования зародышей.

Если степень пересыщения меньше критической, то возникающие зародыши самопроизвольно испаряются (растворяются). Их размеры меньше критического, поэтому энергия Гиббса понижается с уменьшением размера зародыша. Пересыщенный раствор или пар в этих условиях иногда удобно представить как гетерогенно-дисперсную систему, в которой присутствует множество постоянно образующихся и исчезающих зародышей новой фазы. В критической точке неустойчивость равновесия проявляется в том, что существует равная вероятность возникновения и исчезновения зародышей конденсации.

Если степень пересыщения больше критической величины, то возникающие зародыши будут самопроизвольно расти.

Критическая энергия Гиббса образования зародышей конденсации соответствует критической точке - максимуму функции ΔG = f(r):

Таким образом, энергия Гиббса образования зародышей при гомогенной конденсации равна одной трети поверхностной энергии зародыша. Если найти радиус зародыша в критической точке, приравняв к нулю первую производную от энергии Гиббса и подставить его в данное выражение, то получим:

Из этого соотношения следует, что энергия образования зародыша конденсации зависит от степени пересыщения, от нее же зависит и размер критического радиуса зародыша. Чем выше степень пересыщения, тем ниже энергия Гиббса образования зародышей и тем меньше размеры образующихся зародышей, способных к дальнейшему росту.

Область ламинарного режима осаждения характеризуется следующими значениями параметра Рейнольдса:

Соответственно коэффициент гидравлического сопротивления среды движению капли при этом режиме равен

Из (3.4), с учетом (3.24), следует

Используя граничные значения критерия Рейнольдса, из (3.23) по (3.25) легко рассчитать граничные значения критерия Архимеда в области ламинарного режима осаждения капель

В области переходного режима осаждения

а коэффициент гидравлического сопротивления среды осаждению капли определяют по формуле Аллена

Из (3.4), с учетом (3.28), для критерия Рейнольдса получается

По аналогии с выводом (3.26) из (3.29), с учетом граничных значений критерия Re (3.27), следует, что соответствующие граничные значения критерия Архимеда в области переходного режима осаждения капель будут

т. к. критерий Рейнольдса

при известном диаметре частицы и значении Re (3.31)

Таким образом, в области ламинарного режима скорость осаждения частицы равна

в области переходного режима осаждения -

Итак, для расчета скорости свободного осаждения капель при известном их диаметре вначале рассчитывают критерий Архимеда

Решение. Пусть капля воды диаметром 20 мкм. По (3.35) определяют критерий Архимеда

Так как, то по (3.33) рассчитывают скорость свободного осаждения капель воды диаметром 20 мкм нефти

Варианты заданий и результаты аналогичных расчетов для других размеров капель воды, осаждающихся в нефти, даны в Прил. 25.

Решение. Исследованиями установлено, что при объемном содержании дисперсной фазы более 5 % необходимо учитывать стесненность осаждения (всплытия) капель.

По (3.20) для условий примеров 3.2 и 3.3 получим

Значения берут из решения примера 3.2, а комплекса - из примера 3.1. Например, пусть диаметр капли воды равен 50 мкм, скорость ее свободного осаждения равна 45,9 см/ч, а параметр равен при 50 %-й обводненности 0,0385, следовательно

т. е. скорость стесненного осаждения при 50 %-й обводненности эмульсии в 26 раз меньше скорости свободного осаждения капель.

Скорости стесненного осаждения капель воды для других размеров капель и ряда обводненности даны в Прил. 26.

Пример 3.4. Рассчитать динамику обводненности полидисперсной эмульсии по высоте отстойника периодического действия, если в ней содержатся капли воды следующих размеров: 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 200 мкм с относительным числом их в эмульсии соответственно 5, 15, 20, 18, 15, 8, 5, 3, 3, 2, 2, 4.

Решение. Допустим, что распределение капель воды в нефти после заполнения отстойника равномерно. Следовательно, обводненность эмульсии в любом сечении ее одинакова и равна исходной обводненности В. Относительная скорость стесненного осаждения частиц воды диаметром в соответствии с (3.20) равна

Зависимость суммарного объема от относительного размера капель воды в эмульсии хорошо аппроксимируется уравнением

где dmax - максимальный размер капли.

В выделенном объеме эмульсии содержание воды составляет

где n - число капель воды в эмульсии (для нашей задачи n=100);

Vв - объем воды в эмульсии.

Аналогично

где - объем воды во всех тех, каплях, размеры которых меньше или равны, т. е.

По определению обводненность эмульсии есть отношение

Аналогично для обводненности в слое эмульсии

Подставляя (3.42) и (3.43) в (3.37), с учетом (3.38) и (3.39), получают следующее равенство:

Подставляя (3.45) в (3.36) и преобразовывая, имеют

Таким образом, по (3.46), в отличие от (3.36), определяют относительную скорость осаждения капель воды в слое эмульсии с обводненностью, которая меньше начальной обводненности эмульсии вследствие опережающего движения капель размером больше. Следовательно, по (3.46) можно рассчитать спектр скоростей стесненного осаждения капель воды с учетом изменения обводненности эмульсии по высоте отстойника.

На момент времени после начала гравитационного расслоения эмульсии нижняя граница слоя эмульсии, содержащей капли размером и меньше, может быть найдена по формуле

Если общая высота эмульсии в емкости h, то относительная высота очищенного слоя эмульсии, содержащего капли размером и меньше, будет равна

Динамику послойной обводненности эмульсии в результате гравитационного разделения рассчитывают по (3.45).

При В=0,2; =20 мкм и

т. е. обводненность слоя эмульсии, в котором остались только капли диаметром 20 мкм и меньше, равна 0,13 %.

Для диаметров капель воды 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 200 мкм в результате аналогичных расчетов для обводненности соответствующих слоев эмульсии получаются следующими: 0,03; 0,13; 0,28; 0,50; 0,79; 1,14; 2,04; 3,24; 20 %.

Пример 3.5. Исследовать влияние обводненности эмульсии на относительную скорость стесненного осаждения капель воды.

Решение. Формула (3.46) выведена из условия опережающего движения капель воды по отношению к каплям меньшего диаметра. Соответственно капли меньшего диаметра оседают в слое эмульсии меньшей обводненности и, как следствие, увеличивают скорость осаждения. Формула (3.46) учитывает послойное изменение обводненности эмульсии вследствие опережающего движения крупных капель, если зависимость суммарного объема капель воды от их относительного размера аппроксимируется уравнением (3.37).

Допускают, что (3.37) справедливо. Тогда отношение к равно

если скорость свободного осаждения капли определяют по формуле Стокса.

Как следует из табл. 3.2, при определенном сочетании общей обводненности эмульсии и диаметров капель, опережающего движения более крупных капель не происходит. Например, для эмульсии обводненностью В=0,7 скорость осаждения капли диаметром 200 мкм всего в 15,5 раза больше скорости осаждения капли диаметром в 3 мкм, т. е. эмульсия не должна расслаиваться до коагуляции капель. Для эмульсии обводненностью B=0,1 опережающее движение более крупных капель происходит практически во всем диапазоне их размеров.

Таблица 3.2 - Относительные скорости стесненного осаждения капель

Таким образом, из данных табл. 3.2 и кинетики расслоения водонефтяных эмульсий видно, что решающим фактором в механизме расслоения эмульсии при большой обводненности является коагуляция преимущественно наиболее крупных капель и последующее быстрое выпадение их в осадок. В результате обводненность эмульсии уменьшается, вероятность столкновения крупных капель воды снижается и начинает преобладать механизм безкоагуляционного осаждения капель с возможным захватом более мелких частиц. При обводненности эмульсии более 10 % возникают благоприятные условия (увеличение концентрации относительно крупных капель) для коагуляции капель, т. е. уменьшение дисперсности эмульсии в локальном слое. Коагуляция капель облегчается при использовании поверхностно-активных веществ для уменьшения прочности «брони» на каплях и при уменьшении вязкости нефти.

Следовательно, разделение эмульсии можно представить идущим одновременно как бы в двух направлениях:

• - опережающем оседании крупных капель, переходе их в водную фазу, т. е. уменьшении обводненности верхних слоев эмульсии по отношению к исходной;
• - увеличении относительных размеров остающихся капель на фоне общего уменьшения их абсолютных размеров.

Таким образом, при расчете гравитационных отстойников разделяемые эмульсии можно классифицировать следующим образом:

• 1) разбавленная с обводненностью 5 % и меньше, т. е. стесненностью осаждения капель можно пренебрегать;
• 2) двухслойная, содержащая в верхнем слое разбавленную эмульсию, в нижнем - более концентрированную, характеризующуюся стесненным осаждением;
• 3) концентрированная, т. е. осаждение капель происходит в стесненных условиях;
• 4) с изменяющейся дисперсностью, т. е. преобладает коагуляция или диспергирование капель.

Пример 3.6. Исследовать характер зависимости суммарного объема капель воды от их относительного размера, используя экспериментальные данные, представленные в работе (табл. 3.3).

Решение. Для установления возможной корреляционной связи между относительным диаметром капель и суммарным их вкладом в общий объем дисперсной фазы представляют данные табл. 3.3 в виде табл. 3.4. Максимальный диаметр частиц в эмульсиях у скважины и перед газонефтяным сепаратором равен 200 мкм, а после сепаратора и после дожимного насоса - 15 мкм. Нормирование диаметров во всех эмульсиях произведено по максимальному диаметру в эмульсии.

Таким образом, относительный диаметр капель воды в водной эмульсии в промысловой системе сбора равен

Таблица 3.3 - Экспериментальные данные распределения дисперсной фазы водонефтяной эмульсии

Таблица 3.4 - Связь относительных диаметров капель с их суммарным вкладом в общий дисперсный объем дисперсной фазы

Суммарный относительный объем капель воды (%) в дисперсной фазе определяется по выражению

где Nj - число капель диаметром dj;

n - общее число капель в эмульсии;

Ni - суммарное число капель диаметром di и меньше.

Пример 3.7. Рассчитать необходимую длину зоны отстоя при непрерывной подаче эмульсии в отстойник, если ее обводненность В=0,2, распределение частиц по размерам представлено в примере 3.4, высота слоя эмульсии на выходе - 1,75 м, горизонтальная составляющая скорости эмульсии на входе, вязкость нефти 3мПа с, плотность нефти - 820 кг/м3, плотность воды - 1100 кг/м3.

Решение. Необходимую длину зоны отстоя эмульсии определяют остаточной водонасыщенностью, горизонтальной составляющей скорости движения эмульсии и скоростью расслоения эмульсии.

где - длина зоны отстоя эмульсии, м;

Горизонтальная скорость движения эмульсии на выходе в отстойник, м/с;

Время пребывания эмульсии в отстойнике, с.

Время пребывания эмульсии в отстойнике может быть определено как отношение

где h - высота слоя водонефтяной эмульсии на выходе в отстойник;

Скорость стесненного оседания капель воды диаметром;

Время оседания частиц диаметром, т. е. время прохождения их через слой эмульсии высотой h.

Подставляя (3.53) в (3.52), с учетом (3.46), получают

где - вязкость среды;

Максимальный диаметр капель воды, которые могут содержаться в эмульсии на выходе из отстойника,

Плотность воды и нефти соответственно, кг/м3;

Максимальный диаметр капель воды в эмульсии на выходе в отстойник, м;

Длина зоны отстоя капель воды диаметром более, м.

Пусть =100 мкм, тогда

Если зона отстоя эмульсии - 11,2 м, то осаждаются все капли воды в эмульсии диаметром 100 мкм и более. Следовательно, в эмульсии на выходе могут содержаться только капли воды диаметром меньше 100 мкм. В соответствии с заданным распределением капель воды в эмульсии по размерам на выходе из отстойника с длиной зоны отстоя 11,2 м содержатся капли воды диаметром 100 мкм и меньше.

Обводненность эмульсии на выходе из отстойника может быть рассчитана по (3.45), принимая размеры капель воды, покидающих отстойник в составе эмульсии, 80 мкм и меньше:

Результаты расчетов и Вi-1 для осаждения различных диаметров приведены в Прил. 27.

Формула скорости оседания частицы в жидкости: где v - скорость оседания, g - ускорение силы тяжести, r - радиус частицы, ρ" - плотность вещества частицы, ρ - плотность жидкости, μ - коэф. вязкости жидкости. Коэф. К зависит от формы частицы и приблизительно равен 0,222 для шаров, 0,143 для дисков и 0,040 для чешуек.

• - , закон, определяющий силу сопротивления F, испытываемую тв. шаром при его медленном поступат. движении в неогранич. вязкой жидкости: F=6pmirv, где m - коэфф. динамич...

  Физическая энциклопедия

• - параметры, используемые для описания состоянияполяризации эл.-магн. волн. Введены Дж. Г. Стоксом в 1852. Идеальная плоская монохроматич. волна в общем случае поляризована эллиптически...

  Физическая энциклопедия

• - связывающая скорость падения в жидкости твердой сферической частицы с ее размерами, ее плотностью. а также плотностью и вязкостью жидкости: ...

  Толковый словарь по почвоведению

• - в механике текучих сред - формула, задающая предельную скорость, с которой твердые частицы осаждаются в текучей среде...

  Научно-технический энциклопедический словарь

• - I Сто́кса воротни́к отек шеи, а нередко также головы и верхних конечностей, возникающий в результате сдавления верхней полой вены. Если сдавлена только правая или левая плечеголовная вена, то отек выражен...

  Медицинская энциклопедия

• - отек шеи, а иногда и лица, рук, верхней части груди и области лопаток, сопровождающийся набуханием кожных вен...

  Большой медицинский словарь

• - полная атриовентрикулярная сердечная блокада - ред.; приступы временной потери сознания, развивающиеся в результате прекращения кровотока во время желудочковой фибрилляции или асистолы...

  Медицинские термины

• - Stokes, 1851, - определяющий силу сопротивления, испытываемую твердым шаром при медленном движении в неограниченно вязкой жидкости: ||F = 6p m ru , где F - сила сопротивления, m...

  Геологическая энциклопедия

• - см. Закон Стокса...

  Геологическая энциклопедия

• - формула, имеющая вид: где a1, А2,..., Ап - несовместимые события, Общая схема применения Ф. в. г.: если событие В может происходить в разл. условиях, относительно которых сделано п гипотез А1, А2, .....

  Геологическая энциклопедия

• - формула скорости оседания частицы в жидкости: где v - скорость оседания, g - ускорение силы тяжести, r - радиус частицы, ρ" - плотность вещества частицы, ρ - плотность жидкости, μ...

  Геологическая энциклопедия

• - закон гидродинамики, определяющий силу сопротивления, к-рая действует на твёрдый шар при его медленном постулат, движении в неогранич. вязкой жидкости. Согласно С. з. сила сопротивления F =6ПИnrv, где n - динамич...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - закон, определяющий силу сопротивления F, испытываемую твёрдым шаром при его медленном поступательном движении в неограниченной вязкой жидкости: , где μ - коэффициент вязкости жидкости, r - радиус шара и υ -...
• - формула преобразования криволинейного интеграла по замкнутому контуру L в поверхностный интеграл по поверхности Σ, ограниченной контуром L. С. ф. имеет вид: , причём...

  Большая Советская энциклопедия

• - : сила сопротивления - испытываемая твердым шаром при его медленном поступательном движении в неограниченно вязкой жидкости, F=6pmru, где r - радиус шара, m - коэффициент вязкости жидкости, u - скорость движения шара....
• - СТОКСА формула - формула, связывающая криволинейный интеграл по замкнутому контуру с поверхностным интегралом по поверхности, ограниченной этим контуром. Предложена Дж. Г. Стоксом в 1854...

  Большой энциклопедический словарь

"ФОРМУЛА СТОКСА" в книгах

ДЫХАНИЕ ЧЕЙН-СТОКСА