SEDYMENTACJA

Sedymentacja, czyli osadzanie, jest procesem opadania cząstek fazy stałej pod wpływem siły ciążenia ziemskiego. Towarzyszy mu zmiana zagęszczenia cząstek fazy stałej w różnych wysokościach układu. W przypadku małych zagęszczeń cząstek rozproszonych zachodzi tzw. sedymentacja swobodna, tzn. nieskrępowane osadzanie pojedynczych cząstek, natomiast w przypadku dużych zagęszczeń - sedymentacja skrępowana.

SEDYMENTACJA SWOBODNA

Cząstki fazy stałej opadające w cieczy pod wpływem sił ciężkości, napotykają opór, na który składają się: lepkość cieczy, opór hydrodynamiczny i niektóre czynniki dodatkowe, wynikające z porywania przez cząstki granicznej warstwy wody. Wszystkie te elementy działają równocześnie, lecz występują w różnym stopniu, zależnie od prędkości poruszania się cząstki, jej wielkości i kształtu.

Najprostszym zjawiskiem jest opadanie o charakterze laminarnym cząstki kulistej. Prędkość opadania v cząstek kulistych opisana jest wzorem Stokesa

ν=

gdzie:

d - średnica cząstki

x_c - gęstość cząstki

x - gęstość cieczy

g - siła ciężkości

η - lepkość cieczy.

W celu bliższego opisania ruchu cząstki kulistej wprowadza się : liczbę Reynoldsa - Re, współczynnik oporu - λ oraz pojęcie sferyczności bryły - Ψ. Liczba Reynoldsa jest kryterium rodzaju ruchu. Dla kul ruch ma charakter laminarny w zakresie Re od 10^-4 do 0,4, tzn., że cząstka opada bez tworzenia wirów. Wtedy współczynnik oporu λ =

W przypadku opadania cząstek o kształcie niekulistym górne kryterium Re występowania ruchu laminarnego jest zależne od sferyczności, czyli stosunku powierzchni kuli o tej samej objętości co rozpatrywana cząstka do powierzchni tej cząstki. Gdy Re <0,05, ruch wszelkich cząstek jest laminarny. Gdy Re wzrasta z 10³ do 2⋅10⁵, cząstki kuliste opadają ruchem burzliwym, tzn. tworzą się za nimi zawirowania cieczy.

SEDYMENTACJA SKRĘPOWANA

W praktyce przemysłowej w zasadzie nie występuje opadanie pojedynczych cząstek, lecz opadanie skrępowane, tzn. równoczesne opadanie dużej liczby cząstek w ośrodku. Wskutek wzajemnego oddziaływania cząstek prędkość ich opadania jest o wiele mniejsza od prędkości obliczonej zgodnie z równaniami dla ruchu swobodnego. Poszczególne cząstki opadają nie w czystym ośrodku, lecz w zawiesinie. Zamiast gęstości ośrodka w równaniu Stokesa powinno się zastosować x_z - gęstość zawiesiny, obliczoną przez podzielenie masy cieczy i zawieszonej w niej materii przez objętość całej mieszaniny. Także w miejscu lepkości cieczy powinno się wstawić wartość η_p - lepkość pozorną zawiesiny. Po uwzględnieniu tych zmian równanie Stokesa przyjmuje postać :

Procesowi sedymentacji towarzyszy zjawisko zagęszczania. Końcowym efektem procesu jest całkowite przemieszczenie się cząstek fazy stałej ku dolnej części układu. Otrzymuje się wtedy fazę rozpraszającą, pozbawioną części stałych oraz osad zawierający wszystkie części stałe układu. Rozdzielenie części stałych od wody odbywa się z reguły dwustopniowo. W pierwszym etapie zwiększa się koncentrację części stałych do wartości 30 do 70%, np. na drodze sedymentacji. W drugim etapie zagęszczony osad poddaje się dalszemu odwadnianiu, np. filtracji. Efektywność urządzeń odwadniających jest w dużym stopniu zależna od koncentracji nadawy. W związku z tym dąży się do uzyskania możliwie dużego stopnia zagęszczenia osadu, do czego służą różnego rodzaju urządzenia osadzająco - zagęszczające, jak klasyczne osadniki, zagęszczacze promieniowe, specjalne kolumny sedymentacyjne, stożki zagęszczające. Parametrami charakteryzującymi proces osadzania - zagęszczania są: czas trwania procesu i koncentracja części stałych w osadzie. Oba parametry są związane z szeregiem własności cechujących cząstki fazy stałej oraz z procesem sedymentacji. Są one funkcją prędkości sedymentacji, wielkości i kształtu opadających cząstek, ich ciężaru właściwego, ciężaru nasypowego, powinowactwa z wodą. Czas zagęszczania określonej zawiesiny można skrócić na przykład przez dodanie środków flokulacyjnych, natomiast stopnia zagęszczenia, wyrażonego koncentracją części stałych, żaden dodatek nie zwiększy. Zależy on jedynie od własności cząstek stałych oraz sposobu tworzenia osadu. Osad składający się ze zróżnicowanych wielkością ziarn może w przypadku sedymentacji swobodnej tworzyć strukturę porowatą uniemożliwiającą uzyskanie wysokiego zagęszczenia cząstek stałych w jednostce objętości. Zastosowanie drgań lub delikatnego mieszania powoduje zwykle zniszczenie struktury i osiągnięcie większego stopnia zagęszczenia. Taką między innymi rolę pełni urządzenie zgarniające w zagęszczaczach promieniowych.

ZAGĘSZCZACZE PROMIENIOWE

Zagęszczacz promieniowy Dorra zbudowany jest z następujących części: obudowy zagęszczacza, grabi zgarniacza, kolektora przelewu, sita kontrolnego, kosza nadawczego, stożka produktu zagęszczonego, koryta przelewu, pompy, rząpu wody sklarowanej, pompy wody sklarowanej, zespołu napędowego i podnoszenia zgarniaczy, pomostu i kołnierza przelewowego. Schemat działania zagęszczacza promieniowego Dorra jest następujący: nadawę doprowadza się do pierścieniowej rury nadawczej zamkniętej od dołu sitem kontrolnym, które zatrzymuje przypadkowe zanieczyszczenia i uspokaja burzliwy przepływ wody. Wypływająca z rury nadawczej woda rozpływa się promieniowo od osi do obwodu zagęszczacza. Osiadające na dnie zbiornika ziarna zgarniane są zgarniaczem do wylotu stożkowego, a stamtąd transportowane pompą do dalszych procesów przeróbczych. Oczyszczona woda spływa do koryta, skąd odprowadzana jest przelewem do rząpia przelewowego, a dalej pompą przetłacza się ją do zakładu.

W zależności od wielkości zagęszczacza, zgarniacze napędzane są:

• centralnie (w zagęszczaczach o średnicy do 40 m),

• peryferyjnie (w zagęszczaczach o średnicy od 40 do 100 m).

W przypadku napędu centralnego poziomy wał urządzenia zgarniającego zawieszony na łożysku oporowym napędzany jest przekładnią ślimakową. Dla zabezpieczenia ramion przy wzroście oporów ruchu wał podnoszony jest do góry. Ślimak napędowy w swoim normalnym położeniu utrzymywany jest za pomocą sprężyny, której napięcie wstępnie równoważy przenoszony przez ślimak siły oporu występujące przy zgarnianiu normalnie zagęszczonego osadu. Przy wzroście oporu ślimak przesuwa się osiowo po wale, ściskając sprężynę. Po dojściu do krańcowego położenia (przed wyjściem z zazębienia) ślimak naciska wyłącznik elektryczny unieruchamiający ślimak napędowy, a uruchamiający mechanizm podnoszący urządzenie zgarniające. Mechanizm podnoszący składa się z napędu ślimakowego umieszczonego ponad mechanizmem obrotowym. Ślimacznica mechanizmu podnoszącego ma piastę z wewnętrznym gwintem, w którą wkręca się oś gwintowaną, połączoną uchwytem z łożyskiem stopowym, na którym zawieszony jest wał napędowy urządzenia zgarniającego. Ruch osi uchwytu powoduje podnoszenie się ramion zgarniających.

W celu zapewnienia równomiernego przepływu cieczy przez zagęszczacz stosuje się następujące rodzaje krawędzi przelewu:

• z wykładziną drewnianą, wyrównywaną do zwierciadła cieczy,

• z przesuwnymi przysłonami,

• w postaci linii łamanej.

---