Теоретичні основи процесу осадження
Загальна маса завислих в воді домішок і коагульованих пластівців видаляється відстоюванням. На швидкість руху частинок зависі, які осаджуються в нерухомої рідині під дією сили тяжіння, впливають: форма та розмір частинок, їх густина та коефіцієнт опору рідини руху частинки.
Розрізняють завись:
· монодисперсну, яка складається з частинок приблизно однакової гідравлічної крупнисті;
· полідисперсну, яка складається з частинок різного розміру, гідравлічна крупність яких змінюється в значних межах.
Для монодисперсних кулеподібних частинок діаметром сі в нерухомої рідині швидкість вільного падіння показують рівнянням:
де g — прискорення сили тяжіння; рч,рж - відповідно густини
частинки та рідини; Кш – коефіцієнт опору падаючої кулеподібної частинки;
d – діаметр кулеподібної частинки, мм.
Для дуже малих частинок, які осаджуються з невеликою швидкістю (при Re>20), коли на опір руху частинки діють тільки сили тяжіння, коефіцієнт опору дорівнює:
. |
Швидкість вільного падіння такої частинки описується рівнянням Стокса:
Рівняння Стокса має обмеження:
1) Розмір частинок d<0,1 мм;
2) 20<Re<500;
3) В процесі осадження частинка не змінює своєї форми і розмірів;
4) Частинки мають сферичну, або шароподібну форму.
Коефіцієнт опору при 20 < Re < 500 показується формулою:
Зі збільшенням швидкості осадження і розмірів частинок ( Re> 500) при обтіканні їх рідиною виникає турбулентність; на коефіцієнт опору сили в'язкості діють незначно, він становиться незалежним від числа Рейнольдса і дорівнює 0,4. Рівняння швидкості вільного падіння кулеподібної частинки в цих умовах записується так:
На швидкість осадження частинок значно впливає густина частинок твердої фази.
Швидкість осадження в воді не кулеподібних частинок в порівнянні з кулеподібними значно менше. В зв'язку з тим, що на коефіцієнт опору впливає форма частинки, в рівняння коефіцієнта опору кулеподібної частинки вводять коефіцієнт форми :
де Кн — коефіцієнт опору при осадженні не кулеподібної частинки; Кф - коефіцієнт форми.
Більшість зависей , які зустрічаються в природній воді, а також утворюються в процесі очистки, неоднорідні за формою, розміром та масою.
При здійсненні поршневого відстоювання в циліндрі, який має достатньо висоту і діаметр (посудина об’ємом не менше 1 дм3.), зазвичай спостерігається формування чотирьох зон (рисунок 4.1). В деякі моменти зони b і c зникають – це і є критична точка. Залежність висоти між фазної границі a-b від часу описується кривою Кінша [4].
а – зона освітлення, в якій рідина прозора;
b – зона однорідної суспензії, має такий же зовнішній вигляд, як і вихідна, з утворенням чіткої границі a-b;
с – перехідна зона, не завжди чітко виражена;
d – зона зниження осаду, рівень якого спочатку швидко росте, після чого починає швидко знижуватися.
Рисунок 4.1 – Відстоювання. Крива Кінша.
Фундаментальна гіпотеза Кінша (рисунок 4.2) полягає в наступному: швидкість осідання конкретної частинки залежить лише від локальної концентрації С цих частин. Між точками А і В границя поділу виражена більш чи менш чітко: це фаза поділу коалесценції флокул. В деяких випадках ця фаза відсутня. Прямолінійна ділянка між точками В і С відповідає постійній швидкості осадження V0 (нахил прямолінійної швидкості). Величина V0 залежить від вихідної концентрації і від параметрів флокуляції суспензії. При збільшенні вихідної концентрації С0 швидкість осадження V0 маси знижується. Криволінійна ділянка CD відповідає поступовому зниженню швидкості осідання верхнього шару осаду. Починаючи з точки D флокули тиснуть на нижчі шари осаду.
Рисунок 4.2 – Крива Кінша.