Осідання в гравітаційному полі
Неоднорідні рідкі або газові системи з більш-менш грубим подрібненням дисперсної фази піддаються розділенню під дією самої тільки сили тяжіння. Якщо густина дисперсної фази більша від густини дисперсійного середовища, завислі частинки осідають на дно посудини, і, навпаки, якщо густини завислих частинок менші, то останні спливають на поверхню.
Відокремлення частинок від в'язкого середовища, в якому вони перебувають у завислому стані, під дією сили тяжіння називають відстоюванням або осіданням. Швидкість осідання завислих частинок залежить як від густини, та і від ступеня дисперсності, причому осідання відбуватиметься тим повільніше, чим меншого розміру частинки дисперсної фази і чим менша різниця між гус-тинами обох фаз. Практично методом осідання користуються, головним чином, для розподілу грубих суспензій.
Узагальнене рівняння для швидкості осідання. Розрахунковою величиною при визначенні розмірів і продуктивності відстійних апаратів є швидкість осідання. Швидкість падіння тіл у безповітряному просторі визначають за відомою формулою
(4.4)
де g — прискорення сили тяжшня, 
,
— тривалість падіння, с
За цією формулою досить точно можна визначити швидкість падіння тіл великого розміру у повітряному середовищі, оскільки опір середовища при цьому буде незначним і зменшує силу тяжіння лише на (0,05...0,1)%. Проте в разі падіння тіл дуже малої величини у більш в'язкому середовищі, наприклад у воді, картина руху частинки зовсім інша. На початку тверді частинки рухаються за законом вільного падіння тіла, потім з рівномірного прискореного руху тіло переходить у сповільнений і, нарешті, тверда частинка падає рівномірно із сталою швидкістю. Оскільки тривалість першого періоду дуже мала, то першими двома періодами звичайно нехтують і вважають, що протягом усього періоду руху тіло падає із сталою швидкістю. Швидкість такого рівномірного падіння називатимемо швидкістю осідання і позна-чимемо 
. Цю швидкість можна обчислити за загальним законом опору руху тіла у в'язкому середовищі.
Стала швидкість падіння частинок, очевидно, встановлюється тоді, коли сила тяжіння, яка діє на частику G, стає рівною силі опору в'язкого середовища R, тобто існує рівність
G=R. (4.5)
Сила тяжшня, за вирахуванням підйомної (архімедової), для частинок кулькоподібної форми, завислих в дисперсійному середовищі, дорівнює
(4.6)
Де 
— об'єм частинки, 
;
d — діаметр частинки, м;
— густини відповідно твердої частинки і середовища, 
Силу опору середовища у загальному випадку визначають за
законом Ньютона
(4.7)
Де 
— проекція поперечного перерізу кулекоподібної частинки на напрямок її руху, 
— коефіцієнт опору середовища.
Підставивши значення G і R у відповідне рівняння 
(4.5), матимемо
, (4.8)
або після скорочення на 
і на 2
(4.9)
звідки швидкість осідання
(4.10)
Цю формулу називають узагальненим рівнянням для швидкості осідання.
В умовах осідання твердих частинок у повітряному (газовому) середовищі густина дуже мала порівняно з густиною твердої частинки. Нехтуючи величиною 
у чисельнику, швидкість осідання у повітряному (газовому) середовищі можна обчислити за формулою
(4.11)
Коефіцієнт опору середовища — величина безрозмірна. Вона є функцією числа Рейнольдса і визначається дослідним шляхом. Цей коефіцієнт залежить від швидкості руху частинок в середовищі, від їх розмірів, густини і в'язкості середовища.
Експериментально встановлено, що є три режими обтікання твердого тіла, яким відповідають три граничних значення коефіцієнта : для ламінарного режиму, тобто при 0 < Re < 2
(4.12)
для перехідного режиму, тобто коли 500 > Re > 2
(4.13)
для турбулентного режиму, тобто коли 150000 > Re > 500 ко-
ефіцієнт опору сталий і дорівнює 
Розрахунок відстійника зводиться до визначення поверхні осідання і об'єму відстійника. За заданою кількістю суміші, яку треба обробити у відстійнику протягом відстоювання, і за відомими концентраціями можна визначити кількість проясненого продукту 
. Потім обчислюють об'єм осаду, його висоту і загальну висоту відстійника, як суму висот проясненого шару і осаду.
Відстійники напівбезперервної дії більш продуктивні, ніж періодично діючі апарати, завдяки розвиненій поверхні осідання при меншій висоті шламового відстою. В цих апаратах розділю-вана суміш протягом певного часу безперервно надходить, рухається у відстійнику, розділяється; прояснена рідина також безперервно відводиться, а осад видаляється періодично. Відстійники уявляють собою відкриті, вириті в землі ями завдовжки 200 м, завширшки 50 м і глибиною 2 м. Іноді такі відстійники викладають цеглою або бетонують. Водяна суспензія повільно рухається вздовж такої споруди, тверді частинки при цьому осідають на дно. Прояснена частина відводиться у водомийще, а осад видаляють з відстійників звичайно після закінчення виробництва.
За таким самим принципом працюють відстійні газоходи для вловлювання золи з димових газів котельних установок. У цьому випадку газоходи зверху закриті.
Найчастіше відстійники виготовляють у вигляді низьких циліндрів з конусним дном. Щоб зекономити площу приміщень, відстійники роблять багатоярусними.
На рис. 4.10 зображено схему п 'ятиярусного відстійника, застосо-вуємого на цукрових заводах для згущення сатураційних соків. Це закритий циліндричний резервуар 8 діаметром і висотою близько б м з конічним дном 10. Конічні перегородки 7 розділяють відстійник по висоті на яруси. В центрі апарата встановлено вал 1 з гребками 6, який повільно обертається (один оберт за 5.. .6 хе.). Скребки призначені для просування шламу до центра апарата. Вал, виготовлений за типом "труба в трубі", має вікна; частина вікон сполучає верхні горизонти ярусів з внутрішньою трубою, а інша частина — нижні горизонти з кільцевим простором вала. Суспензія надходить в апарат через трубу 21 на верхній ярус А, де відбувається часткове осідання. Потім частково прояснена суспензія надходить крізь вікна в центральний канал вала і звідси крізь вікна витікає в наступні яруси б. Згущену масу відводять трубою 9 у приймач 4.
Рис. 4.10. Схема п'ятиярусного відстійника
Фільтрування
Загальні відомості
Фільтрування — найпростіший метод розподілу неоднорідних систем з рідким і газовим дисперсійним середовищем. Фільтрування рідин і газів досягається за допомогою проникнення їх крізь шпарувату перегородку, яка затримує завислі частинки.
Перевага фільтрування перед процесом осідання полягає в тому, що рідини або гази майже цілком звільняються від завислих частинок. Широке застосування цього методу пов'язане не тільки з простотою його здійснення, а й легкою пристосованістю до різних умов.
Залежно від властивостей неоднорідної системи звичайно вдається підібрати такі умови фільтрування, за яких одержують 145
бажані результати. При цьому є велика можливість вибору тиску, швидкості фільтрування, фільтрувальної перегородки та інших умов виконання процесу. Чимале значення у цьому випадку має і конструктивне оформлення фільтрувальної установки.
У процесі розділення суспензій крізь фільтрувальні перегородки є кілька випадків фільтрування: 1) фільтрування з утворенням осаду і 2) фільтрування без утворення осаду із закупорюванням шпар (закупорювальне фільтрування).
У практиці можливий одночасний перебіг процесів фільтрування з утворенням осаду і закупорюванням шпар. Процес фільтрування з утворенням осаду у практиці зустрічається частіше, ніж фільтрування із закупорювання шпар. Фільтрування з утворенням осаду застосовують головним чином для рідин, що містять значну кількість завислих частинок. У цьому випадку частинки майже не проникають у середину фільтрувальної перегородки, а утворюють склепіння над її шпарами. Ці склепіння перешкоджають проникненню частинок осаду в шпари перегородки і утримують основний шар осаду.
Фільтрування без утворення осаду, або закупорювальне, застосовують для рідин високої в'язкості, що містять незначну кількість завислих частинок. Ці частинки проникають у шпари фільтрувальної перегородки і затримуються у звивинах шпар,
поступово закупорюючи їх. В міру забруднення шпар фільтру-
вальної перегородки і утворення шару осаду умови фільтрування поліпшуються, але продуктивність або об'ємна кількість фільтрату процесу падає.
Схему фільтрувальної камери зображено на рис. 4.11. Фільтрувальна перегородка ділить камеру фільтра на дві порожнини І і II.
У першу порожнину під тиском 
, надходить суспензія. Під дією додатної різниці тисків 
в порожнинах проходить фільтрування крізь перегородку, причому на ній утворюється осад. Чистий фільтрат стікає з порожнини II, а осад періодично видаляють з фільтра. Необхідна для процесу фільтрування додатна різниця тисків 
забезпечується різними способами, але за певних умов > 
.
Якщо тиск , більший від атмосферного і створюється насосом, то це буде фільтрування під тиском. Якщо тиск дорівнює атмосферному, а менший від атмосферного, то фільтрування відбувається під розрідженням і фільтри називають вакуум-фільтрами. Досить часто фільтрування відбувається під гідростатичним тиском стовпа рідини над фільтром.
Товщина осаду у процесі фільтрування збільшується, якщо на початку фільтрування відбувається лише крізь фільтрувальну перегородку, то з часом фільтрат повинен проходити і крізь шар осаду. Дрібні частинки твердої фази звичайно проникають крізь фільтрувальну перегородку і фільтрат спочатку виходить каламутний. У подальшому, коли на фільтрувальній перегородці наростає шар осаду, якість фільтрування залежить і від тиску. При значних тисках можливість проникнення дрібних твердих частинок крізь фільтрувальну перегородку більша, ніж при низьких. Враховуючи цю обставину, процес фільтрування починають з меншого тиску, підвищуючи його в міру зростання товщини осаду, оскільки можливість проходження твердих частинок крізь товстий шар осаду незначна. Іноді процес фільтрування проводять у дві стадії: спочатку під великим тиском для відокремлення основної маси осаду (при цьому одержують каламутний фільтрат), а потім під невеликим тиском на іншому фільтрі вже одержують з каламутного чистий фільтрат: проходячи крізь отвори в фільтрувальній перегородці і особливо крізь пори в шарі осаду, фільтрат спричиняє на гідравлічний опір, на подолання якого витрачається діюча різниця тисків. Осад в міру потовщення його шару чинить дедалі більший опір проходженню рідин, і продуктивність фільтра поступово зменшується.
Величина гідравлічних опорів залежить від ряду обставин, головними з яких є: структура осаду, в'язкість фільтрату, будова фільтрувальної перегородки.
Як фільтрувальні перегородки використовують: сітки з металевого дроту; бавовняні, синтетичні і шерстяні тканини; шпарувату кераміку; кізельгур; сипкі матеріали (пісок, дрібне вугілля, кісткова крупка). Найчастіше застосовують фільтрувальні тканини. Головною характеристикою будь-якої тканини є густість плетіння, що вимірюється кількістю ниток на сторонах квадрата розміром 100-100 лш. Так, наприклад, густість фільтрувального полотна незначна і тому його не можна застосовувати у тих випадках, коли основним затримувальним фактором частинок сус-
пензії є шар осаду. Густіша тканина дає кращі результати при фільтруванні без утворення істотного шару осаду (механічні фільтри) або коли осад безперервно видаляють (вакуум-фільтри). Швидкість фільтрування. Кількісна сторона фільтрування визначається швидкістю фільтрування, під якою розуміють об'ємну кількість фільтрату, яку одержують за одиницю часу з одного квадратного метра фільтрувальної перегородки. Якщо позначити через Q кількість фільтрату в кубічних метрах, яку одержують під час фільтрування крізь площу F протягом часу , то швидкість фільтрування буде
(4.14)
Розмір швидкості фільтрування, м/с, відповідає розміру швидкості руху.
Режим фільтрування. Процес фільтрування може відбуватися в таких варіантах змін тиску і швидкості:
при сталій швидкості і змінному тиску;
при сталому тиску і змінній швидкості;
при змінних тиску і швидкості.
Якщо фільтрування відбувається під сталим тиском, то з часом, в міру нагромадження осаду на фільтрувальній перегородці, швидкість фільтрування зменшиться. Якщо фільтрування відбувається з сталою швидкістю, то з часом, в міру нашарування осаду, треба для підтримання однакової швидкості підвищувати тиск. Отже, у цьому випадку тиск з часом зростає. Залежність між тиском і часом зображується графічно прямою лінією, нахил якої до горизонту залежить (за інших однакових умов) від величини швидкості. В обох випадках потрібне очищення фільтра через певні проміжки часу: у першому випадку, щоб уникнути зниження пропускної спроможності фільтра, а у другому — щоб запобігти підвищенню тиску понад встановлену межу.
Класифікація фільтрів. За технологічною ознакою розрізняють фільтри газові і рідинні. Залежно від режиму роботи промислові фільтри поділяють на фільтри періодичної і безперервної дії. Залежно від способу створення перепаду тиску розрізняють фільтри, що працюють під тиском, розрідженням і під дією гідростатичного тиску стовпа поділямої суспензії.
Залежно від характеру фільтрувальної перегородки розрізняють фільтри: з незв'язаною зернистою перегородкою, з ткани-
ною і нерухомою жорсткою. За конструктивними особливостями розрізняють: рамні, камерні фільтрпреси, мішкові, барабанні, дискові, стрічкові фільтри, патронні та ін.
Піщаний фільтр. Належить до групи фільтрів з зернистим шаром, що працюють під тиском стовпа рідин, яку фільтрують. Піщаний фільтр застосовують у промисловості для фільтрування води та інших рідин коли вміст твердої фази в рідині відносно незначний.
Піщаний фільтр (рис. 4.12) має циліндричний корпус 1, всередині якого є знімні ґратчасті диски 5, які розділяють фільтр на три частини: верхню приймальну, середню фільтрувальну і нижню збірну. Зернистим матеріалом служить кварцовий пісок. Між нижнім і верхнім дисками вкладають шар дрібного і шар крупного піску 6, розділений тканиною 4. Нижні і верхні грати накривають фільтрувальною тканиною 4, а на верхні грати кладуть ще шар вати 3. Рідина, яку фільтрують, надходить у фільтр через трубу 2 і відводиться через трубу 7. До патрубка прикріплюють повітряний краник. Фільтрують рідину під тиском (0,02...0,03) МПа. Перші порції фільтрату каламутні і їх повертають на повторне фільтрування. В міру забруднення фільтра швидкість фільтрування зменшується, а коли вона вже дуже зменшиться, фільтр перезаряджають: виймають фільтрувальні матеріали і забруднений пісок, промивають їх і знову вкладають у фільтр.
Перевага такого фільтра — простота конструкції, висока якість фільтрування. Але продуктивність його низька внаслідок малої швидкості фільтрування (0,00007...0,0002) 
пов'язаний із значними витратами праці і часу на його перезарядження.
Патронний фільтр (рис. 4.13) належить до фільтрів періодичної дії, що працюють під тиском; швидкість фільтрування (0,16... 1,7) .Він складається з циліндричного корпуса З (з конічним дном), трубних ґрат 2, в яких закріплено патрони 1 з дротяною, керамічною або тканинною фільтрувальною поверхнею. Принцип дії всіх фільтрів однаковий. У простір між патронами нагнітають суспензію, яка проходить крізь фільтрувальні елементи (патрони). З верхньої частини фільтра по трубі 5 відводять фільтрат і промивні води. Промитий осад видаляють через патрубок 4. Ці фільтри застосовують у цукровому виробництві для контрольного фільтрування. У патронних фільтрах значна фільтрувальна площа на одиницю об'єму апарата і незначний гідравлічний опір.
Мішковий фільтр застосовують для фільтрування рідини, що містить тонку каламуть. Фільтрування відбувається при незначному напорі, створюваному стовпом рідини (2...3) м над фільтром. Фільтрувальна поверхня цих апаратів складається з рамок, на які надівають мішки з полотна.
Рамний фільтрпрес (рис. 4.14) працює під надлишковим тиском (0,3...0,4) МПа. Його станина складається з двох стояків 1 і 5, між якими закріплені гайками дві округлі балки 4. На цих балках почергово вкладені рами 2 і плити 3, між якими знаходиться фільтрувальна тканина. Рами і плати можуть бути квадратної, прямокутної або круглої форми. Для стиснення рам і плит застосовують затискачі 6: ручний (гвинтовий), електричний і гідравлічний. З боків рам і плит є ручки, а внизу з одного боку — приливок 2 з круглим наскрізним отвором 3. Цей отвір крізь щілину 4 в стінці сполучений з внутрішньою порожниною рами. У плиті з другого боку внизу є косий приливок 5, крізь який проходить наскрізна щілина всереди-
Рис. 4.14. Рамний фільтрпрес:
а — загальний вигляд; б — рама і плита;
в — схема фільтрування; г — схема промивання
ну плити 6. Внутрішня поверхня плити рифлена. Передки преса також рифлені і виконують роль крайніх плит.
У складеному і стиснутому пресі в нижніх приливках утворюється суцільний канал, в який під тиском подають суспензію. З цього каналу крізь отвори вона потрапляє всередину рам, фільтрується крізь полотно, стікає по рифленій поверхні плит вниз і виходить крізь отвір у косому приливку в приймач. Зменшення швидкості витікання фільтрату є ознакою заповнення рам осадом. Після закінчення процесу фільтрування осад промивають. Промивна вода входить у канал, з якого крізь похилі отвори в плитах потрапляє у простір між плитою і фільтрувальною тканиною. Проходить крізь шар осаду і виливається через краники.
У рамних фільтрах високорозвинена поверхня фільтрування, досить високий тиск цього процесу, вони прості конструктивно і надійні в роботі. їх недолік — значна витрата фільтрувальної тканини. Процес фільтрування на фільтрпресах пов'язаний із значними витратами праці і часу (до 30%) на допоміжні операції.
Фільтри з дисковими фільтрувальними елементами, з яких осад навантажується під дією відцентрової сили, поширились недавно.
В СРСР створена конструкція автоматичного камерного фільтрпреса ФПАКМ (рис. 4.15), який працює під тиском 0,6 МПа. Цей фільтр призначений для фільтрування тонкодисперс-них суспензій при температурі (5... 80) °С. ФПАКМ складається з горизонтально розміщених одна над одною на відстані 25 мм фільтрувальних плит 2. Верхня частина плит вкрита перфорованим листом і фільтрувальною тканиною 3, виконано у вигляді нескінченної стрічки, переміщуваною системою роликів. У нижній частині кожної плити є конічне дно для фільтрату. Для ущільнення зазорів між плитами служать гумові шланги 1. Коли в них подають під тиском (8... 10) атм воду, шланги роздувають і утворюють камери, куди подають суспензію. Після закінчення фільтрування і віджимання осаду зменшують тиск у шлангу. При цьому утворюється щілина для виходу тканини з осадом завтовшки (5... 20) мм. Осад знімають з тканини ножами 4, а інші ножі 5 підчищають тканину від залишків осаду. Тканину промивають водою в камері регенерації 6.
Робочий процес фільтра складається з таких операцій: стиснення плит, фільтрування, промивання осаду, його сушіння, розсування плит, зняття осаду з фільтрувальної тканини. Усі ці опе-
Рис. 4.15. Схема автоматичного камерного фільтрпреса
рації автоматизовані, завдяки чому продуктивність ФПАКМ в (6...20) разів вища порівняно з іншими фільтрами. У них розвинена фільтрувальна поверхня (відносно одиниці площі).
Перевагою фільтрів безперервної дії, крім полегшення їх обслуговування і економії робочої сили, є: автоматизація всього робочого циклу при одночасному значному підвищенні продуктивності.
Відцентрові методи розділення полягають у тому, що неоднорідні системи піддають дії поля відцентрових сил, використовуючи при цьому суцільні і проникні для рідини перегородки. Для створення поля відцентрових сил у техніці використовують два прийоми: забезпечують обертальний рух потоку рідини (газу) в нерухомому робочому органі апарата (циклони, гідроциклони); потік оброблюваного матеріалу спрямовують в робочий орган, що обертається, в якому відбувається їх спільне обертання (центрифуги, надцентрифуги, сепаратори).