ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ І КОМПЛЕКСИ
Центрифугування;
Осадження;
Контрольні запитання
1. Від чого залежить статус національних систем сертифікації?
2. Як здійснюється акредитація випробувальних лабораторій США?
3. Які категорії програм сертифікації діють у США?
4. Охарактеризуйте форми оцінки відповідності, які діють у Франції; обов'язкову та добровільну сертифікацію у Франції, її відмінності.
5. Для яких видів сертифікованих товарів застосовують NF у Франції?
6. Які системи сертифікації входять до загальнонаціональної системи сертифікації в Німеччині?
7. У чому полягають особливості сертифікації систем якості в Німеччині?
8. Які форми сертифікації діють в Японії?
9. Схарактеризуйте особливості сертифікації товарів, які поставляються в Японію.
2) фільтрування;
4) мокре розділення.
Осадження відбувається під дією сил тяжіння, сил інерції (також відцентрових ) або електростатичних сил. Осадження, яке відбувається під дією сил ваги називається відстоюванням.
Фільтрування – процес розділення під дією сил тиску або відцентрових сил з використанням пористих перегородок, що пропускають рідину або газ і затримують тверду фазу. Використовується для більш тонкого розділення суспензій і пилу, ніж шляхом осадження.
Центрифугування – розділення суспензій і емульсій у полі відцентрових сил, що виникають під час швидкого обертання ротору. Під дією означених сил осадження супроводжується ущільненням осаду.
Мокре розділення – процес вловлювання зважених у газі частинок тою чи іншою рідиною. Відбувається під дією сил тяжіння або сил інерції і використовується, головним чином, із метою очищення запилених газів .
Матеріальний баланс процесу розділення
Розглянемо матеріальний баланс процесу розділення на прикладі суспензій, як найбільш поширеного у випадку розділення неоднорідних систем.
Позначимо: Gс, Gпр, Gос – маса вихідної суспензії, проясненої рідини і твердого осаду, кг; хс, хпр, хос – вміст твердої речовини у вихідній суспензії, проясненій рідині й осаді (масові частки). Тоді рівняння матеріальних балансів будуть мати наступний вигляд:
за загальною кількості речовин:
за твердою фазою:
Спільне розв‘язок цих рівнянь дає можливість визначити кількість проясненої рідини Gпр і кількість осаду Gос:
.
де хпр, хос - відповідно масові частки твердої фази в проясненій рідині й осаді.
Вміст зважених частинок у проясненій рідині і в осаді вибирається залежно від технологічних умов виробництва
Розділення рідких систем методом відстоювання
Відстоюванням називається процес видалення зважених твердих частинок з об’єму або потоку рідини шляхом осадження під дією сили тяжіння. Процеси відстоювання поділяються на згущування й прояснювання. Метою згущування є збільшення концентрації твердої фази, а прояснювання – видалення твердої речовини з відносно розбавлених суспензій.
Швидкість стислого осадження
При вивченні зовнішньої задачі гідродинаміки були розглянуті закономірності руху твердих тіл у рідині і визначена швидкість осадження поодинокої частинки, яка залежить, у першу чергу, від сили опору середовища. Із збільшенням концентрації твердої фази частинки зазнають додаткового опору, обумовленого тертям і співударяннями частинок. Одночасно під час осадження частинки витісняють рідину, внаслідок чого виникає висхідний потік середовища, який також гальмує рух твердої фази. Таким чином цілком зрозуміло, що швидкість ускладненого (його ще називають колективним або солідарним) осадження менша від швидкості вільного осадження, і різниця у швидкостях тим більша, чим більша концентрація твердої фази у суспензії. Із збільшенням концентрації зростає і в’язкість суспензії, що призводить до зменшення швидкості осадження.
Загальна розрахункова залежність, що дозволяє визначити швидкість стислого осадження, аналогічна до залежності для визначення швидкості потоку у зваженому шарі
де ε - питомий вільний об’єм рідкої фази в суспензії.
Інтерполяційне рівняння, яке використовується для всіх областей осадження, має вигляд:
Після визначення Rест розраховують швидкість стислого осадження
.
В розрахунковій практиці швидкість стислого осадження часто визначають наступним чином: спочатку розраховують швидкість вільного осадження частинки, використовуючи залежності
потім розраховують швидкість стислого осадження
Для розділення суспензій використовуються різноманітні відстійні апарати з горизонтальним, висхідним і низхідним потоками суспензії і промивної води, що спричиняє відхилення від вертикального напряму швидкості осадження й невідповідності розрахункових і реальних значень швидкостей осадження. Вплив руху середовища та його напряму на швидкість осадження розраховується за дослідними даними.
Апаратура для розділення рідких неоднорідних систем
Відстійники для суспензій. Найпростішими апаратами для розділення суспензій є відстійники, які також називають згущувачами. Відстійники поділяються на апарати періодичної, напівнеперервної і неперервної дії. Неперервно діючі відстійники, у свою чергу, поділяються на одноярусні, двоярусні й багатоярусні.
Відстійники періодичної дії являють собою низькі резервуари без перемішуючих пристроїв. Подавання суспензії, зливання проясненої рідини й видалення осаду в цих апаратах здійснюється періодично.
Для відстоювання значної кількості рідини, наприклад для очистки стічних вод, використовують бетонні басейни великих розмірів або декілька послідовно з‘єднаних резервуарів, що працюють напівнеперервним способом: рідина поступає і видаляється неперервно, а осад вивантажується з апарату періодично.
На рис.12.1 показаний відстійник напівнеперервної дії з похилими перегородками. Вихідна суспензія подається на штуцер 1 в корпус 2 апарата, всередині якого розміщені похилі перегородки 3, що направляють потік почергово догори і донизу. Наявність перегородок збільшує час перебування рідини і поверхню осадження в апараті. Осад збирається в конічних днищах (бункерах) 4, звідки періодично видаляється, а освітлена рідина неперервно виводиться з відстійника через штуцер 5.
Рис.12.1 Відстійник з похилими перегородками:
1- штуцер для вводу вихідної суспензії; 2- корпус; 3- похилі перегородки; 4- бункери для осаду; 5- штуцер для відведення освітленої рідини
В промисловості найпоширенішими є відстійники неперервної дії (Рис.12.2)
У відстійниках неперервної дії подавання суспензії, зливання проясненої рідини й видалення осаду здійснюється безперервно.
Одноярусний відстійник ( Рис.12.2) являє собою невисокий циліндричний резервуар 1 з конічним днищем і кільцевим прямокутним жолобом 2 біля верхнього краю.
Рис.12.2. Відстійник неперервної дії:
1 – корпус; 2 – кільцевий жолоб; 3 – труба для подавання суспензії; 4 – електродвигун; 5 – патрубок для виведення проясненої рідини; 6 – лопаті з гребками; 7 – мішалка; 8 –розвантажувальний пристрій для осаду
В резервуарі вмонтована мішалка 7 із нахиленими лопатнями, на яких закріплені гребки 6 для неперервного переміщення осадженого матеріалу до розвантажувального отвору 8. Згущена суспензія (з вмістом рідини не більше 35-55%) видаляється через розвантажувальний отвір за допомогою діафрагмового насоса. Вихідна суспензія безперервно подається зверху через трубу 3, а прояснена рідина переливається у кільцевий жолоб і виводиться через штуцер 5. Вал мішалки приводиться в обертання від електродвигуна 4 через редуктор. Кількість обертів мішалки від 0,015 до 0,5 об/хв., тобто мішалка обертається настільки повільно, що не порушує процесу осадження. В той самий час, гребки мішалки, переміщуючи осад до розвантажувального отвору, дещо згущують його, і тим самим сприяють більш ефективному зневоднюванню осадженого матеріалу.
Головним недоліком одноярусних гребкових відстійників є значна громіздкість.
Значно компактнішими є двоярусні й багатоярусні відстійники, які складаються із декількох відстійників, розміщених один над одним.
У двоярусному відстійнику (рис.12.3 а). верхнє відділення 6 і нижнє відділення 5 працюють як два відокремлених відстійники. Вихідна суспензія з розподілювача 1 по трубах 2 подається одночасно в обидва відділення. Зливання проясненої рідини і вивантаження осаду здійснюється окремо з кожного ярусу в колектори 3 і 4. Відстійник має загальний привод, від якого обертається вертикальний вал із закріпленими на ньому гребковими рамами. В місцях проходження вала через днище кожного відстійника встановлені ущільнювальні сальники.
Рис.12.4. Багатоярусні відстійники закритого (а) і збалансованого (б) типів:
1 – розподілювач вихідної суспензії; 2 – труба-стакан для введення суспензії в яруси; 3 – колектор для збирання проясненої рідини; 4 – збірники осаду (шламу); 5 – нижнє відділення; 6 – верхнє відділення.
Незначно відрізняється від розглянутого відстійник збалансованого типу (рис.12.3. б). Відмінність полягає тільки в тому, що згущений продукт з верхнього відділення через стакан поступає в шар згущеного продукту нижнього відділення і далі сумарний продукт відводиться у збірник осаду 4.
У відстійниках збалансованого типу навантаження на днище сприймає тільки нижній ярус; крім цього, у цих відстійниках немає потреби у спеціальних ущільненнях в місцях проходження вала через днища ярусів.
Відстійники для емульсій за принципом дії поділяються на періодичної й неперервної дії. Прикладом апаратів неперервної дії для розділення емульсій може бути відстійник, зображений на рис.12.4. Він являє собою резервуар циліндричної форми, розміщений вертикально. Емульсія вводиться в середню частину апарата між двома перфорованими перегородками 1 і 2, які запобігають турбулізації рідини в апараті внаслідок подачі струменя вихідної суспензії. Поперечний переріз апарата повинен бути таким, щоб забезпечувався ламінарний режим руху емульсії. За цієї умови прискорюється швидкість відстоювання і покращується якість розділення. Після розшарування легка рідина відводиться з апарата через верхній патрубок, а тяжка – через нижній. Висоти (від рівня розділу фаз) патрубків для відведення легкої й тяжкої рідин h1 і h2 залежать від густин рідин ρ1 і ρ2 і відповідають співвідношенню
Рис. 12.4. Відстійник для емульсій неперервної дії:
1, 2 – перфоровані перегородки; а – а – поверхня розділу рідин
Інтенсифікація процесів відстоювання
Під час створення нової відстійної апаратури необхідно враховувати, що можливості для інтенсифікації процесу обмежені. Єдиним шляхом інтенсифікації є збільшення площі осадження, що досягається розміщенням в апаратах значної кількості поличок, або використанням багатоярусних відстійників. В той самий час, прискорення процесу відстоювання можна досягнути за рахунок зміни технологічних параметрів процесу.
Аналіз показує, що швидкість стислого осадження зростає із збільшенням розмірів частинок та їх питомої ваги, зменшенням питомої ваги середовища і його в’язкості, із збільшенням ступеня розбавлення суспензії. З перерахованих параметрів у промислових умовах можна змінювати, практично, тільки в’язкість, використовуючи хімічні реагенти або нагріваючи суспензію. Але ці методи значно збільшують витрати на проведення процесу розділення. Тому для прискорення відстоювання часто в суспензію додають спеціальні речовини - коагулянти, які спричиняють злипання дрібних частинок під час їх стикання в процесі теплового (броунівського) руху або під час перемішування. Внаслідок коагуляції утворюються агрегати – крупніші (вторинні) частинки, які складаються із скопичення дрібніших (первинних). Первинні частинки в таких накопиченнях з’єднані силами міжмолекулярної взаємодії безпосередньо або через прошарок дисперсійного середовища. До ефективних коагулянтів для суспензій з водним дисперсійним середовищем відносяться солі полівалентних металів (алюмінію, заліза тощо). В якості коагулянтів використовують також водорозчинні органічні високомолекулярні з’єднання (полімери), особливо поліелектроліти. На відміну від неорганічних коагулянтів, їх іноді називають флокулянтами. В промисловості широко використовується полікремнієва кислота, поліакриламід тощо. Дія флокулянтів полягає в адсорбції їх молекул частинками, внаслідок чого вони об’єднуються в крупні і міцні агрегати (флокули), що веде до збільшення швидкості осадження.
Розрахунок відстійників
Припустимо, що за проміжок часу τ (с) суспензія розділяється на шар проясненої рідини h1 і шар згущеної суспензії h2 Якщо поверхня осадження F м2, а об’єм отриманої проясненої рідини становить h1 F м3, то об’єм проясненої рідини за одиницю часу
Рис.12.5. Схема одноярусного відстійника з гребковою мішалкою
За час τ (с) тверді частинки проходять шлях wст·τ. В той самий час, цей шлях дорівнює h1, м. Таким чином
Підставимо це значення h1 у попереднє рівняння і отримаємо:
м3/с
З рівняння бачимо, що продуктивність відстійника пропорційна поверхні осадження і формально не залежить від його висоти.
З цього рівняння знаходимо необхідну поверхню відстоювання:
м2
Методику визначення швидкості стислого осадження wст ми розглянули вище. Враховуючи, що Vпр = 
і, приймаючи до уваги рівняння матеріального балансу розділення надамо рівнянню інший вигляд:
м2
В цих залежностях швидкість стислого осадження wст розраховується для найдрібніших частинок, осадження яких задається умовами розрахунку.
Після розрахунку площі осадження (площі поперечного перерізу відстійника) розраховується діаметр апарата:
, м
Для того, щоб запобігти перемішуванню рідини біля вільної поверхні, висоту зони вільного осадження відстійника приймають рівній h1=0,45 - 0,75 м. Верхні граничні значення h1 вибирають для більш концентрованих суспензій.
Висоту зони згущування визначають таким чином.
За заданою відносною густиною твердої фази Δт і середнім розбавленням суспензії у зоні згущення n=Р/Т (приймається в межах n=1,5÷3) розраховують відносну густину суспензії
і масову концентрацію її у зоні згущення:
Далі визначають вміст твердої фази в 1 м3 згущеної суспензії
, кг/м3
і кількість твердої фази, яка осаджується на одиницю поверхні відстійника за час τ, необхідний для ущільнення суспензії в зоні згущення (залежно від густини твердої фази, розмірів частинок, в’язкості та густини рідини час ущільнення суспензії може досягати декількох годин)
, кг/м2
Враховуючи неперервність видалення осаду з апарата, висота зони згущення
, м.
Висоту зони розміщення лопатей мішалки визначають, виходячи з нахилу лопатей, який приймається рівним 0,146 м на 1 м довжини.
Таким чином
, м
Тоді загальна висота відстійника буде дорівнювати
H = h1 + h2 + h3, м.
Література:
1. Основы метрологии и электрические измерения / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др.; Под ред. Е.М. Душина. – Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 480 с.
2. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. – К.: Выща шк., 1983. – 455 с.
3. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. – М.: Радио и связь, 1984. – 160 с.
4. Измерительные приборы со встроенными микропроцессорами/ А.М. Мелик-Шахназаров, М.Г. Маркатун, В.А. Дмитриев. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 240 с.
5. Третяк О.В., Бойко Ю.В. Засоби та системи автоматизації наукових досліджень: Підручник / За ред. О.В. Третяка. – К.: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2007. – 319 с.
6. Тесленко А.И. Стандартные интерфейсы и их применение в радиоизмерительной технике: Учеб. пособие. – К.: УМКВО, 1992. – 120 с.
7. Финогенов К.Г. Программирование измерительных систем реального времени. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 256 с.
8. РабинерЛ., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. – М.: Мир, 1978. – 848 с.
9. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2006. – 751 с.
10. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. – М.: Радио и связь, 1989. – 440 с.