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

Основная движущая сила Неоднородная система Сила тяжести Газ–твердое Жидкость-твердое Отстаивание Пылеосадитель- ная камера. Отстойник Разность давлений Жидкость-твердое Газ-твёрдое Фильтрование Центробежная сила Газ-твердое Жидкость-твердое Осаждение или фильтрование Циклон. Гидроциклон. Фильтрующая центрифуга. Осадительная центрифуга Сила электрического поля Газ-твердое Осаждение Электрофильтр

Таблица 1.2

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.

Рис. 2.15. Открытый нутч-фильтр, работающий под вакуумом: 1 - корпус; 2 - суспензия; 3 - фильтровальная перегородка; 4 – пористая подложка; 5 - штуцер для выхода фильтрата, соединенный с вакуум-насосом

Рис. 2.16. Закрытый нутч–фильтр: 1 - корпус; 2 - обогревающая рубашка; 3 - кольцевая перегородка; 4-откидывающееся дно; 5 - фильтровальная перегородка; 6 - опорная решетка; 7 - сетка; 8 - съемная крышка; 9 - предохранительный клапан.

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).

Рис. 2.18. Плита (а), рама (б) и сборка (в) рамного фильтр-пресса: 1 - отверстия в плитах и рамах, образующие при сборке канал для подачи суспензии; 2 - отверстия в плитах и рамах, образующие канал для подачи промывной жидкости; 3 - отводы для прохода суспензии внутрь рам; 4 - внутренние пространства рам; 5 - фильтровальные перегородки; 6 - рифления плит; 7 - каналы в плитах для выхода фильтрата на стадии фильтрования или промывной жидкости - на стадии промывки осадка; 8 - центральные каналы в плитах для сбора фильтрата или промывной жидкости; 9 - краны на линиях вывода фильтрата или промывной жидкости

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.

Рис. 2.19. Схема барабанного вакуум-фильтра: 1 - перфорированный барабан; 2 - волнистая сетка; 3 - фильтрованная перегородка; 4 - осадок; 5 - нож для съема осадка; 6 - корыто для суспензии; 7 - качающаяся мешалка; 8 - устройство для подвода промывной жидкости; 9 - камеры (ячейки) барабана; 10 - соединительные трубки; 11 - вращающаяся часть распределительной головки; 12 - неподвижная часть распределительной головки; I - зона фильтрования и отсоса фильтрата; II - зона промывки осадка и отсоса промывных вод; III - зона съема осадка; IV - зона очистки фильтровальной ткани

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.

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

Отношение скорости стесненного осаждения капель максимального размера к скоростям осаждения капель меньшего размера при следующей общей обводненности эмульсий

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

Диаметр капель, мкм	Доля объема эмульгированной в виде капель воды в эмульсии в местах отбора проб, %
у скважины	перед сепаратором	после сепаратора	после дожимного
Средневзвешенный радиус капель, мкм

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.

Осаждение - это процесс разделения жидких или газовых неоднородных систем, при котором взвешенные в жидкости или газе твердые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под действием силы тяжести, сил инерции (в том числе центробежных) или электростатических сил.

Осаждение, происходящее под действием силы тяжести, называется отстаиванием. В основное отстаивание применяется для предварительного, грубого разделения неоднородных систем.

Основной характеристикой рассматриваемого процесса разделения суспензий и газовзвесей является скорость осаждения, т.е. скорость относительного движения твердых частиц. При определении этой скорости необходимо различать свободное и стесненное осаждение. Свободное осаждение, наблюдающееся в разбавленных суспензиях и газовзвесях, характеризуется отсутствием взаимного влияния частиц дисперсной фазы, т.е. каждая из них ведет себя как одиночная частица в окружающей сплошной среде.

С ростом концентрации твердой фазы, благодаря взаимному влиянию пограничных слоев и столкновения соседних твердых частиц, осаждение становится стесненным, сопротивление частиц потоку возрастает и скорость их движения падает.

Рассмотрим прямолинейное равномерное движение

частицы, подчиняющееся закону Ньютона. При движении

частица встречает сопротивление среды, которое может

быть определено

где S ч - проекция поперечного сечения частицы на

направление ее движения, м 2 ; р 0 - плотность среды, кг/м 3 ;

w ч - скорость частицы, м/с; ς ч - аэродинамический

коэффициент сопротивления частицы. Коэффициент сопротивления частицы ς ч зависит от числа Рейнольдса Re v . Для шаровой частицы

здесь μ 0 - динамическая вязкость воздуха (газа), Па-с; d ч, -диаметр частицы, м.

Эта формула выражает закон Стокса: сила сопротивления, испытываемая твердым шаровым телом при медленном движении в неограниченной вязкой среде, прямо пропорциональна скорости поступательного движения, диаметру тела и вязкости среды.

Закон Стокса применим при ламинарном движении частиц, когда Re ч <2. Область применения закона Стокса практически - определяется размерами частиц и требуемой точностью: при 16·10 -4 < d ч < 30·10 -4 см, неточность составляет 1 %; при 1,6·10-4 < d ч <70·10 -4 см - 10 %. Если допустима большая неточность, можно распространить формулу на область 10 -5

Для точных вычислений в закон Стокса вводится поправка Кенингема С к для частиц размером 0,2-2,0 мкм:

Пылевые частицы малых размеров участвуют в броуновском движении - беспорядочном хаотическом перемещении частиц под действием ударов молекул. Чем меньше размер частицы, тем большую роль в ее перемещении играет броуновское движение.

Скорость осаждения и величина броуновского смещения соизмеримы для частиц, начиная примерно с 0,5 мкм. С уменьшением размера частиц скорость осаждения резко снижается и возрастает броуновское смещение. Для частиц размером 0,05...0,02 мкм оно уже на два - три порядка превышает путь частицы при свободном падении. Поэтому высокодисперсные аэрозольные частицы практически не осаждаются, а благодаря броуновскому движению перемещаются в любом направлении.

Если рассматривается движение нешарообразной частицы, в расчетных формулах значение ς ч умножается на динамический коэффициент формы z вместо d ч вводят

эквивалентный диаметр: z=d э 3 /d ч 3

где d э - эквивалентный диаметр частицы, равный диаметру шара, объем которого равен объему данной частицы, м.

В движении частицы, осаждающейся под действием силы тяжести в неподвижной среде, можно различить три стадии: начальной момент падения; движение с увеличением скорости до того момента, пока силы сопротивления и силы тяжести не уравновесятся; равномерное движение с постоянной скоростью. Первые две стадии имеют малую продолжительность.

Методы разделения гетерогенных систем: осаждение, фильтрование, центрифугирование, мокрое разделение.

Осаждение представляет собой процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости или газе твёрдые и жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под действием силы тяжести, центробежной силы, сил инерции, и электрических сил.

Фильтрование – процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость или газ, но задерживать

взвешенные частицы. Движущей силой процесса является разность давлений.

Мокрая очистка газов – процесс улавливания взвешенных в газе частиц какой-либо жидкостью, под действием сил тяжести или сил инерции и применяется для очистки газов и разделения суспензий.

ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ – разделение в поле центробежных сил жидких дисперсных систем с частицами размером более 100 нм. Используют для выделения составляющих фаз (жидкая - фугат или фильтрат, твердая - осадок) из двухкомпонентных (суспензии, эмульсии) и трехкомпонентных (эмульсии, содержащие твердую фазу) систем.

В практике центрифугирования применяются два способа разделения жидких неоднородных систем: центробежное фильтрование и центробежное осаждение. В первом случае центрифуги изготовляются с перфорированным ротором, на внутренней стенке (обечайке) которого уложена фильтровальная перегородка - фильтрующие центрифуги, во втором - с отстойным ротором, имеющим сплошную обечайку - отстойные центрифуги. Изготовляются также комбинированные отстойно-фильтрующие центрифуги, в которых совмещаются оба принципа разделения.

2. 2. Факторы, влияющие на величину скорости осаждения частицы.

Скорость ОСАЖДЕНИЯ зависит от физических свойств дисперсной и дисперсионной фаз, концентрации дисперсной фазы, температуры. Скорость ОСАЖДЕНИЕ отдельной сферич. частицы описывается уравением Стокса:

Woc = /18μc ;

где Woc – ск-ть свободн.осаждения тв.частицы шарообразн.формы, м/с;

d – диаметр частицы, м; ρт – плотность твёрдой частицы, кг/м3;

ρс – плотность среды, кг/м3; μс – динамическая вязкость среды, Па.с.

Уравнение Стокса применимо лишь к строго ламинарному режиму движения частицы, когда число Рейнольдса Re < 1,6, и не учитывает ортокинетич, коагуляцию, поверхностные явления, влияние изменения концентрации твердой фазы, роль стенок сосуда и др. факторы.

Для частиц неправильной формы скорость осаждения меньше, и потому скорость, рассчитанную для шарообразной частицы, необходимо умножить на поправочный коэффициент φ, называемый коэффициентом (или фактором) формы.

W = φ*W oc шар.

где W – скорость осаждения твердых частиц произвольной формы, м/с;

φ – коэффициент формы.

Коэффициенты формы частиц:

Кубическая, φ = 0,806;

Продолговатая, φ = 0,58;- круглая, φ = 0,69;

Пластинчатая, φ = 0,43;- угловатая, φ = 0,66;

3. 3. Процессы флотации.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для удаления растворимых веществ (например, ПАВ).

Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод:

С выделением воздуха из растворов;

С механическим диспергированием воздуха;

С подачей воздуха через пористые материалы;

Электрофлотация;

Химическая флотация.

Флотацию с выделением воздуха из растворов применяют для очистки сточных вод, которые содержат очень мелкие частицы загрязнений. Сущность способа заключается в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. При уменьшении давления из раствора выделяется пузырьки воздуха, которые флотируют загрязнение.

В зависимости от способа создания пересыщенного раствора воздуха в

воде различают: - вакуумную; - напорную; - эрлифтную флотацию.

При вакуумной флотации сточную воду предварительно насыщают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом поддерживается разряжение 30 – 40 кПа. Выделившиеся в камере мельчайшие пузырьки выносят часть загрязнений. Процесс флотации длится около 20 минут.

Достоинствами этого способа являются:

Образование пузырьков газа и их слипание с частицами, происходящие в спокойной среде;

Затраты энергии на процесс минимальны.

Недостатки:

Незначительная степень насыщения стоков пузырьками газов, поэтому этот способ нельзя применять при высоких концентрациях взвеси частиц, не больше 250 – 300 мг/л);

Необходимость сооружать герметично закрытые флотаторы и размещать в них скребковые механизмы.

Напорные установки имеют большее распространение, чем вакуумные, они просты и надежны в эксплуатации. Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до – 5 г/л. Для увеличения степени очистки в воду иногда добавляют коагулянты.

Процесс осуществляется в две стадии:

1) насыщение воды воздухом под давлением;

2) выделение растворенного газа под атмосферным давлением.

Механическое диспергирование воздуха во флотационных установках обеспечивается турбинками насосного типа – импеллерами, которые представляют собой диск с обращенными вверх лопатками. Такие установки широко используют для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешенных частиц (более 2 г/л). При вращении импеллера в жидкости возникает большое число мелких вихревых потоков, которые разбиваются на пузырьки определенной величины. Степень измельчения и эффективность очистки зависит от скорости вращения импеллера: чем больше скорость, тем меньше пузырек и тем больше эффективность процесса.

5. 4.Ионный обмен

основан на процессе обмена межу ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита. Этими методами удается извлекать и утилизироватьценные примеси: соединения мышьяка и фосфора, хром, цинк, свинец, медь, ртуть и другие металлы, а также поверхностно-активные и радиоактивные вещества. Иониты разделяют на катиониты и аниониты. На катионитах происходит обмен катионами, а на анионитах – анионами. Этот обмен можно представить в виде следующей схемы. Катионит: Me+ + H[K] → Me[K] + H+.

Анионит: SO – 24 + 2[A]OH → [A]2SO4 + 2OH- Особенностью ионитов является обратимый характер ионообменных реакций. Поэтому можно «посаженные» на ионит ионы «снять» обратной реакцией. Для этого катионит промывают раствором кислоты, а анионит – раствором щелочи. Таким способом осуществляют регенерацию ионитов.

Для ионообменной очистки сточных вод применяют фильтры периодического и непрерывного действия. Фильтр периодического действия представляет собой закрытый цилиндрический резервуар с расположенным у днища щелевым дренажным устройством, обеспечивающим равномерное отведение воды по всему сечению фильтра.

Высота слоя загрузки ионита 1,5 – 2,5 м. Фильтр может работать по параллельной и по противоточной схеме. В первом случае и сточная вода, и регенерирующий раствор подаются сверху, во втором – сточная вода подается снизу, а регенерирующий раствор – сверху.

На работу ионообменного фильтра большое влияние оказывает содержание взвешенных частиц в подаваемой сточной воде. Поэтому перед подачей в фильтр воду подвергают механической очистке.

Разновидностью ионообменного метода очистки сточных вод является электродиализ – это метод разделения ионов под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей его мембраны. Процесс разделения проводят в электродиализаторе. Под действием постоянного электрического тока катионы, двигаясь к катоду, проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода, проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми.

В результате этого из одного ряда камер ионы выводятся в смежный ряд камер. Очищенная от солей вода выпускается по одному коллектору, а концентрированный раствор – по другому.

Электродиализаторы применяют для удаления растворенных в сточной воде солей. Оптимальная концентрация солей 3 – 8 г/л. Во всех электродиализаторах применяют электроды, изготовленные преимущественно из платинированного титана.

14. 5. Коагуляция, флокуляция. Область применения.

Коагуляция – это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод коагуляцию применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Она наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т.е. частиц размером 1-100 мкм. В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Т.к. коллоидная частица имеет слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов – слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение. В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, железа или их смесь. Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств, концентрации примесей в воде и от рН солевого состава воды. В качестве коагулянтов используют сульфат алюминия, гидрохлорид алюминия. Из солей железа в качестве коагулянта используются сульфат железа и хлорид железа, а иногда их смеси.

Флокуляция – это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений – флокулянтов. В отличие от коагулянтов, при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул, адсорбированных на частицах коагулянта. Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образовавшихся хлопьев. Для очистки сточных вод используют как природные, так и синтетические флокулянты. К природным относятся крахмал, эфиры, целлюлоза и др. Наиболее активным флокулянтом является диоксид кремния. Из синтетических органических флокулянтов наибольшее применение в нашей стране получил полиакриламид. Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях: адсорбция молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц, образование сетчатой структуры молекул флокулянта, слипание коллоидных частиц за счёт сил Ван-дер-Ваальса. При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трёхмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению от жидкой фазы. Причиной возникновения таких структур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков. Коллоидные частицы заряжены отрицательно, что способствует процессу взаимной коагуляции с гидроксидом алюминия или железа.

24. 6.Адсорбция. Определение. Область применения

Адсорбция – процесс избирательного поглощения одного или нескольких компонентов из газовой или жидкой смеси поверхностью твердого поглотителя. Газовую или жидкую фазу, в которой находится компонент, подлежащий удалению, называют носителем (газ-носитель или жидкость- носитель). Поглощаемое вещество – адсорбтивом, поглощенное вещество – адсорбатом, а твердое тело (поглотитель) – адсорбентом.

Адсорбционные методы широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильно токсичными. Применение локальных установок целесообразно, если вещество хорошо адсорбируется при небольшом удельном расходе адсорбента.

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей и т.д.

Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперация этих веществ.

26. 7.АБсорбция. Определение. Область применения

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями. Этот процесс является избирательным и обратимым.

В абсорбционных процессах участвуют две фазы – газовая и жидкая . Газовая фаза состоит из непоглощаемого газа - носителя и одного или нескольких абсорбируемых компонентов. Жидкая фаза представляет собой раствор абсорбируемого (целевого) компонента в жидком поглотителе. При физической абсорбции газ – носитель и жидкий поглотитель инертны по отношению к переходящему компоненту и один по отношению друг к другу.

Для очистки отходящих газов от диоксида серы предложено много методов, однако на практике нашли применение только некоторые из них. Это связано с тем, что объемы отходящих газов велики, а концентрация в них SO2 мала, газы характеризуются высокой температурой и значительным содержанием пыли. Для абсорбции могут быть использованы вода, водные растворы и суспензии солей щелочных и щелочноземельных металлов.

В зависимости от особенностей взаимодействия поглотителя и извлекаемого из газовой смеси компонента абсорбционные методы подразделяются на методы, базирующиеся на закономерностях физической абсорбции, и методы абсорбции, сопровождаемой химической реакцией в жидкой фазе (хемосорбция).

36. 8.Физическая и химическая абсорбция.

При физической абсорбции растворение газа не сопровождается химической реакцией (или, по крайней мере, эта реакция не оказывает заметного влияния на процесс). В данном случае над раствором существует более или менее значительное равновесное давление компонента и поглощение последнего происходит лишь до тех пор, пока его парциальное давление в газовой фазе выше равновесного давления над раствором. Полное извлечение компонента из газа при этом возможно только при противотоке и подаче в абсорбер чистого поглотителя, не содержащего компонента. При физической абсорбции энергия взаимодействия молекул газа и абсорбента в растворе не превышает 20 кДж/моль.

При хемосорбции (абсорбция, сопровождаемая химической реакцией) абсорбируемый компонент связывается в жидкой фазе в виде химического соединения. При необратимой реакции равновесное давление компонента над раствором ничтожно мало и возможно полное его поглощение. При обратимой реакции над раствором существует заметное давление компонента, хотя и меньшее, чем при физической абсорбции. Молекулы растворенного газа реагируют с активным компонентом абсорбента-хемосорбентом (энергия взаимодействия молекул более 25 кДж/моль) либо в растворе происходит диссоциация или ассоциация молекул газа. Промежуточные варианты абсорбции характеризуются энергией взаимодействия молекул 20-30 кДж/моль. К таким процессам относится растворение с образованием водородной связи, в частности абсорбция ацетилена диметилформамидом.

38. 9.Очистка сточных вод экстракцией.

Жидкостную экстракцию применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, ионы металлов и др.

Целесообразность использования экстракции для очистки сточных вод определяется концентрацией органических примесей в них.

Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий.

1стадия – интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). В условиях развитой поверхности контакта между жидкостями образуются две жидкие фазы. Одна фаза – экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент, другая – рафинат – сточную воду и экстрагент.

2 с – разделение экстракта и рафината; 3- регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Чтобы снизить содержание растворенных примесей до концентраций, ниже предельно допустимых, необходимо правильно выбрать экстрагент и скорость его подачи в сточную воду. При выборе растворителя следует учитывать его селективность, физ-хим свойства, стоимость и возможные способы регенерации.

Необходимость извлечения экстрагента из экстракта связана с тем, что его надо вновь вернуть в процесс экстракции. Регенерация может быть проведена с применением вторичной экстракции с другим растворителем, а также выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением. Не проводить регенерацию экстрагента в случае, если нет необходимости возвращать его в цикл.

39. 10. Процессы электрохимического окисления и восстановления.

Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей применяют процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки, без использования химических реагентов. Основным недостатком этих методов является большой расход электроэнергии.

Очистку сточных вод электрохимическими методами можно проводить периодически или непрерывно.

41. 11.Процессы электрокоагуляции, электрофлотации, электродиализа

Электрокоагуляция. При прохождении сточной воды через межэлектродное пространство электролизера происходит электролиз поды, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом. При использовании нерастворимых электродов коагуляция может происходить в результате электрофоретических явлений и разряда заряженных частиц на электродах, образования в растворе веществ (хлор, кислород), разрушающих сольватные соли па поверхности частиц. Такой процесс можно использовать для очистки вод при невысоком содержании коллоидных частиц и низкой устойчивости загрязнений. Для очистки промышленных сточных вод, содержащих высоко устойчивые загрязнения, проводят электролиз с использованием растворимых стальных или алюминиевых анодов. Под действием тока происходит растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, которые, встречаясь с гидроксидными группами, образуют гидроксиды металлов в виде хлопьев. Наступает интенсивная коагуляция.

Достоинства метода электрокоагуляции: компактность установок и простота управления, отсутствие потребности в реагентах, малая чувствительность к изменениям условий проведения процесса очистки (температура, рН среды, присутствие токсичных веществ), получение шлама с хорошими структурно-механическими свойствами. Недостатком метода является повышенный расход металла и электроэнергии. Электрокоагуляция находит применение в пищевой, химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Электрофлотация. В этом процессе очистка сточных вод от взвешенных частиц происходит при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На аноде возникают пузырьки кислорода, а на катоде – водорода. Поднимаясь в сточной воде, эти пузырьки флотируют взвешенные частицы. При использовании растворимых электродов происходит образование хлопьев коагулянтов и пузырьков газа, что способствует более эффективной флотации.

Электродиализ – это метод разделения ионов под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей его мембраны. Процесс разделения проводят в электродиализаторе. Под действием постоянного электрического тока катионы, двигаясь к катоду, проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода, проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер ионы выводятся в смежный ряд камер.

43. 12.Мембранные процессы

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отдельных частиц d ч на порядок больше.

Обратный осмос, схема которого приведена на широко используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, кинескопов, медикаментов и др.); в последние годы начинает применяться для очистки некоторых промышленных и городских сточных вод.

Простейшая установка обратного осмоса состоит из насоса высокого давления и модуля (мембранного элемента), соединенных последовательно.

Эффективность процесса зависит от свойств применяемых мембран. Они должны обладать следующими достоинствами: высокой разделяющей способностью (селективностью), большой удельной производительностью (проницаемостью), устойчивостью к действию среды, неизменностью характеристик в процессе эксплуатации, достаточной механической прочностью, низкой стоимостью.

Для ультрафильтрации предложен другой механизм разделения. Растворенные вещества задерживаются на мембране потому, что размер молекул их больше, чем размер пор, или вследствие трения молекул о стенки пор мембраны. В действительности в процессе обратного осмоса и ультрафильтрации имеют место более сложные явления.

Процесс мембранного разделения зависит от давления, гидродинамических условий и конструкции аппарата, природы и концентрации сточных вод, содержания в них примесей, а также от температуры. Увеличение концентрации раствора приводит к росту осмотического давления растворителя, повышению вязкости раствора и росту концентрационной поляризации, то есть к снижению проницаемости и селективности. Природа растворенного вещества оказывает влияние на селективность. При одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задерживаются на мембране лучше, чем органические.

45. 13.Рассеивание вредных веществ в атмосфере.

Для того чтобы концентрация вредного вещества в приземном слое атмосферы не превышала предельно допустимую максимальную разовую концентрацию, пылегазовые выбросы подвергаются рассеиванию в атмосфере через высотные трубы. Распространение в атмосфере выбрасываемых из труб промышленных выбросов подчиняется законам турбулентной диффузии. На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий, характер местности, физические свойства выбросов, высота трубы, диаметр устья и др. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное - распределением температур в вертикальном направлении.

По мере удаления от трубы в направлении распространения промышленных выбросов концентрация вредностей в приземном слое атмосферы сначала нарастает, достигает максимума и затем медленно убывает, что позволяет говорить о наличии трех зон неодинакового загрязнения атмосферы: зона переброса факела выбросов, характеризующаяся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы; зона задымления - зона максимального содержания вредных веществ и зона постепенного снижения уровня загрязнения.

Согласно действующей методике минимальная высота Н min одноствольной трубы для рассеивания газовоздушных выбросов, имеющих температуру выше температуры окружающего воздуха, определяется по формуле

H min =√AMk F mn/ПДК 3 √1/QΔT,

где А - коэффициент, зависящий от температурного градиента атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредностей. В зависимости от метеорологических условий для субтропической зоны Средней Азии A=240; для Казахстана, Нижнего Поволжья, Кавказа, Молдавии, Сибири, Дальнего Востока и остальных районов Средней Азии - 200; Севера и Северо-Запада европейской территории СССР, Среднего Поволжья, Урала и Украины - 160; Центральной части европейской территории СССР - 120;

М - количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с;

Q - объемный расход газовоздушной смеси, выбрасываемой из всех труб, м 3 /с;

k F - коэффициент, учитывающий скорость оседания взвешенных частиц выброса в атмосфере. Для газов k F =1, для пыли при эффективности очистки газоочистной установки более 0,90-2,5 и менее 0,75-3;

ΔT - разность температур выбрасываемой газовоздушной смеси и окружающего атмосферного воздуха. Температуру окружающего воздуха принимают по средней температуре самого жаркого месяца в 13 часов;

m и п - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса.

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.

"