4.7. Моделирование процесса отстаивания

В отстойных сооружениях процесс осаждения взвеси протекает в ограниченном объёме при большой концентрации дисперсной фазы в условиях, когда оседающие частицы могут влиять на движение друг друга.

Опыт показывает, что при отстаивании неоднородных систем, наблюдается постепенное увеличение концентрации диспергированных частиц в ёмкости по направлению сверху вниз. Между основными зонами в реальном процессе существуют промежуточные зоны (рис. 39).

Рис. 39. Схема процесса отстаивания	Рис. 40. График процесса осаждения

Над зоной осадка образуется зона сгущения суспензии, в которой происходит стеснённое осаждение частиц, сопровождающееся трением между частицами и их взаимными столкновениями. При этом более мелкие частицы тормозят движение более крупных. Частицы больших размеров увлекают за собой мелкие частицы, ускоряя их движение. В результате наблюдается тенденция к сближению скоростей осаждения частиц разных размеров. Возникает солидарное осаждение частиц с близкими скоростями в каждом сечении аппарата, но различными скоростями по его высоте.

Постепенное уплотнение обусловлено уменьшением скорости частиц сооружения. Замедление объясняется тормозящим действием жидкости, вытесняемой осаждающимися частицами и движущейся от неподвижной перегородки (днища) в направлении, обратном движению частиц.

В начале отстаивания осаждаются преимущественно крупные частицы, вызывающие наиболее интенсивное обратное движение жидкости (рис. 40). Однако по мере уменьшения концентрации этих частиц тормозящее влияние обратного тока жидкости ослабевает и скорость отстаивания возрастает (рис. 40, отрезок ab) до момента установления динамического равновесия между действующей силой (весом) и силой сопротивления среды. В последующий период времени совместное осаждение частиц происходит с постоянной скоростью (рис. 40, отрезок bc). Завершающая и наиболее медленная стадия процесса – уплотнение осадка: частицы осадка располагаются настолько близко друг к другу, что вытеснение жидкости становится всё более затруднительным. На этой стадии процесс отстаивания протекает с уменьшающейся скоростью (cd). Частицы испытывают не только большее сопротивление среды, но и добавочное сопротивление, обусловленное трением и соударением частиц. Увеличение сопротивления среды связано с динамическим воздействием на неё всей массы осаждающихся частиц.

С гидродинамической точки зрения стеснённое осаждение аналогично определённому состоянию взвешенного слоя твёрдых частиц.

Скорость стесненного осаждения соответствует верхнему пределу существования взвешенного слоя, когда скорость потока среды достигает величины, при которой дальнейшее её увеличение приводит к началу выноса частиц из взвешенного слоя .

Осаждающиеся частицы вытесняют вверх равный им объём жидкости. В свободном сечении слоя (относительно стенок аппарата) скорость  жидкости можно определить из условия равенства объёмных расходов потока и частиц.

Объёмная доля жидкости в неоднородной жидкой системе составляет

, (4.45)

где  – объёмный расход, приходящийся на единицу площади свободного сечения аппарата;

(1-)_тв.ф. – объёмный расход твёрдой фазы;

_тв.ф. – скорость стеснённого осаждения относительно стенок аппарата.

 = (1-)_тв.ф.. (4.46)

Скорость движения жидкости относительно частиц с учётом противотока фаз

_отн. =  - (-_тв.ф.) =  + _тв.ф.. (4.47)

Вектор скорости твёрдых частиц направлен в сторону, противоположную вектору скорости потока жидкости:  = (1-)_тв.ф./, следовательно,

_отн. =(1-)_тв.ф./ + _тв.ф =_тв.ф/.