Ćwiczenie 6

Rozdzielanie ciekłych mieszanin niejednorodnych z wykorzystaniem siły odśrodkowej

 

1. Podstawy teoretyczne

Mieszanina jest układem złożonym z co najmniej dwóch substancji, który spełnia następujące warunki:

- substancje składowe występują w niej w dowolnych proporcjach ilościowych,

- substancje składowe zachowują swoje właściwości choćby częściowo,

- składniki mieszaniny możemy rozdzielić metodami fizycznymi.

Mieszaniny dzielimy na jednorodne fizycznie (homogeniczne) i niejednorodne fizycznie (heterogeniczne).

Mieszaninę jednorodną fizycznie nazywamy roztworem. Każda próbka makroskopowa takiej mieszaniny, bez względu na miejsce z którego została pobrana, ma ten sam skład i te same właściwości fizyczne tj. gęstość, stan skupienia, barwę, zapach. Fazę rozpraszającą nazywa się rozpuszczalnikiem, fazę rozproszoną – substancją rozpuszczoną.

Mieszaninę niejednorodną nazywamy układem dyspersyjnym. Jest to układ fizycznie niejednorodny złożony z fazy rozpraszającej (ciągłej, dyspersyjnej) i fazy rozproszonej (zdyspergowanej). Obie fazy mogą występować w stanie stałym, ciekłym lub gazowym. Mogą one być nawet jednorodne chemicznie, np. parę wodną z kropelkami wody traktuje się jako mieszaninę niejednorodną.

Nomenklatura mieszanin niejednorodnych fazowo podana jest w tabeli 1.

 

Tabela 1. Mieszaniny niejednorodne fazowo

Faza rozproszona	Faza ciągła	Mieszanina
ciało stałe ciecz gaz ciało stałe ciecz ciecz	ciecz ciecz ciecz gaz gaz ciało stałe	zawiesina (suspensja) emulsja piana pył, dym mgła pasta

Przykładami ciekłych mieszanin, które poddaje się recyklingowi są:

- pochodzące z rynku motoryzacyjnego: oleje silnikowe i przekładniowe, płyny chłodnicze i hamulcowe,

- pochodzące z przemysłu maszynowego: oleje hydrauliczne, przekładniowe, maszynowe, sprężarkowe, transformatorowe oraz grzewcze,

- pochodzące z obróbki metali smarne środki chłodzące (emulsje olejów mineralnych, emulsje półsyntetyczne i syntetyczne).

Wszystkie te substancje albo same stanowią mieszaniny niejednorodne albo stają się nimi na skutek np. zanieczyszczenia różnego rodzaju cieczami czy ciałami stałymi (piasek, opiłki metali itp.).

W technologiach przemysłowych, również technologiach stosowanych w recyklingu, bardzo często realizowaną operacją jest rozdzielanie mieszanin. Zazwyczaj niemożliwe jest powtórne wykorzystanie czy przetworzenie zużytych materiałów bez wcześniejszego ich wydzielenia z mieszaniny bądź oczyszczenia np. z zanieczyszczeń stałych.

 

ROZDZIELANIE CIEKŁYCH MIESZANIN NIEJEDNORODNYCH

 

Ciekłe mieszaniny niejednorodne możemy rozdzielać poprzez:

1.      filtrację – oddzielanie ciał stałych od cieczy po przepuszczeniu mieszaniny przez przegrodę porowatą (filtr),

2.      wirowanie – rozdzielanie z wykorzystaniem różnicy gęstości faz i siły odśrodkowej,

3.      sedymentację – opadanie cząstek ciała stałego w cieczy pod wpływem sił ciężkości i różnicy gęstości faz,

4.      dekantację – zlewanie cieczy znad osadu który pod wpływem sił grawitacji opadł na dno,

5.      desaturację – wydzielanie gazu z cieczy pod wpływem zmian temperatury.

 

ROZDZIELANIE  EMULSJI  I  ZAWIESIN Z  WYKORZYSTANIEM SIŁY  ODŚRODKOWEJ

 

WIROWANIE

Wirowanie jest procesem rozdzielania emulsji i zawiesin w wyniku działania sił odśrodkowych, który prowadzi się w urządzeniach zwanych wirówkami. Działanie wszystkich typów wirówek oparte jest na wykorzystaniu różnicy gęstości między fazą rozproszoną a fazą ciągłą. Wirówki dzieli się na filtracyjne i sedymentacyjne.

W wirówkach filtracyjnych rozdzielanie odbywa się na przegrodzie filtracyjnej. Charakterystyczną cechą budowy tych wirówek jest perforowany bęben pokryty od wewnątrz przegrodą filtracyjną w postaci siatki metalowej i tkaniny filtracyjnej.

Rys. 1. Wirówka filtracyjna bębnowa: 1-zbierak osadu, 2-odprowadzenie cieczy klarownej,  

3-bęben perforowany z przegrodą filtracyjną.

 

W wirówkach sedymentacyjnych rozdzielanie odbywa się na zasadzie sedymentacji,   w polu działania sił odśrodkowych. W odróżnieniu od wirówki filtracyjnej, w rozpatrywanej konstrukcji powierzchnia bębna nie jest perforowana.

 

Rys. 2. Wirówka sedymentacyjna: 1-odprowadzenie klarownej cieczy, 2-osadzająe się cząstki ciała stałego.

 

W budowie wirówek można wyodrębnić trzy podstawowe podzespoły:

- element roboczy zwany bębnem lub bąkiem wprawiony w ruch obrotowy dookoła swojej osi, w którym zachodzi proces rozdziału;

- układ doprowadzający emulsję lub zawiesinę i odprowadzający rozdzielane frakcje,

- układ napędowy.

Zdolność wirówek do rozdzielania określa się tzw. współczynnikiem rozdziału (uwielokrotnienia przyspieszenia), zdefiniowanego jako stosunek siły odśrodkowej do siły ciężkości:

 

gdzie:

R - promień wirowania (bębna) [m],

g - przyspieszenie ziemskie [m/s²];

ω - prędkość kątowa bębna, [rad/s];

D - średnica bębna;

n - liczba obrotów bębna, [obr/min].

 

WIRÓWKI TALERZOWE

Wirówki talerzowe należą do grupy wirówek sedymentacyjnych. Mają bęben wypełniony stosem stożkowych talerzy, pomiędzy którymi tworzą się wąskie kanały przepływowe.

 

Rys. 3. Wirówka talerzowa.

 

Emulsja bądź zawiesina doprowadzane do przestrzeni międzytalerzowej pod wpływem siły odśrodkowej, powstającej w wirującym bąku, rozdziela się. Lżejszy składnik mieszaniny gromadzi się wokół osi obrotu bąka, skąd jest odprowadzany na zewnątrz przez odpowiedni kanał, zaś cięższy przepływa z przestrzeni międzytalerzowej do przestrzeni szlamowej, skąd po osadzeniu zanieczyszczeń mechanicznych odprowadzane jest na zewnątrz. Zanieczyszczenia mechaniczne w wyniku stosunkowo dużej ich gęstości odkładają się w przestrzeni szlamowej w postaci osadu.

Wirówki talerzowe znajdują największe zastosowanie przy rozdzielaniu emulsji. Mają one wtedy talerze z wykonanymi otworami. Zazwyczaj 3 na obwodzie rozmieszczone co 120°.

Rys. 4. Wirówka talerzowa przy rozdziale emulsji (z otworami w talerzach).

HYDROCYKLONY

Hydrocyklon to aparat, w którym wykorzystuje się działanie sił odśrodkowych do wydzielenia cząstek stałych z cieczy. Dzięki dużym przyspieszeniom odśrodkowym w hydrocyklonach możliwe jest wydzielanie cząstek w zakresie 3 ÷ 250 µm.

Rys. 5. Hydrocyklon: 1-wir pierwotny, 2-wir wtórny.

 

Hydrocyklon składa się z cylindrycznej części górnej i stożkowej dolnej oraz tzw. dysz: wlotowej, wylotowej (przelotowej) i wylewowej. Zawiesinę wprowadza się styczne do części cylindrycznej dyszą wlotową pod ciśnieniem 0,1-0,5 MPa. Powoduje to wytworzenie wewnątrz hydrocyklonu wiru, tzw. pierwotnego, który przesuwa się do wierzchołka części stożkowej, z którego z kolei następuje zasadnicze wydzielanie cząstek ciała stałego. Cząstki większych rozmiarów, o większej bezwładności, pod działaniem siły odśrodkowej skierowane zostają ku ścianie i jednocześnie poruszając się w dół opuszczają hydrocyklon dyszą wylewową jako zatężona zawiesina. Na skutek dławienia wypływu z dyszy wylewowej wir pierwotny, zmienia kierunek i w postaci wiru wtórnego przepływa ku górze do dyszy wylotowej. Drobne cząstki odrzucone z wiru wtórnego porywane są przez wir pierwotny i skierowane z powrotem do wylewu, co zwiększa efekt rozdzielania. Konstrukcja hydrocyklonu, a szczególnie wymiary zasadnicze i materiał konstrukcyjny, zależne są od jego przeznaczenia i właściwości fizykochemicznych rozdzielanej zawiesiny.

 

 

2. Cel ćwiczenia

            Poznanie metod rozdzielania ciekłych mieszanin niejednorodnych.

Ocena skuteczności rozdzielania emulsji przy pomocy wirówki talerzowej.

 

3. Stanowisko badawcze

W skład stanowiska badawczego wchodzą:

1) wirówka LWG-24,

2) waga elektroniczna,

3) naczynie do przygotowania emulsji,

4) zaczynia do odbierania rozdzielonych faz.

 

4. Przebieg ćwiczenia

W celu przeprowadzenia ćwiczenia należy przygotować emulsję wodno-olejową według zaleceń prowadzącego. Następnie przeprowadzić rozdzielanie sporządzonej emulsji przy pomocy wirówki talerzowej oraz ocenić skuteczność rozdzielania urządzenia.

 

5. Sprawozdanie

 

1.      Temat ćwiczenia

2.      Cel ćwiczenia

3.      Schemat stanowiska

4.      Przebieg ćwiczenia

5.      Tabela wyników pomiarów

6.      Obliczenia wyników

7.      Wnioski