Separarea substanțelor disperse bifazice în hidrocicloane

Apa şi aerul constituie elementele de bază ale vieţii. Captările şi alimentările de apă au constituit primele semne de civilizaţie ale comunităţii organizate. De asemenea, din timpuri preistorice omul a folosit capacitatea de transport a unui curs de apă pentru asanarea mlaştinilor, construirea canalurilor şi a digurilor, astuparea depresiunilor.

Poluarea unui fluid constă în introducerea, în acesta, a unor substanţe, sau forme de energie care îi modifică sensibil caracteristicile naturale făcându-l inapt unor folosinţe. Pe masură ce activitatea umană s-a dezvoltat şi diversificat, raportul între poluarea artificială şi naturală s-a modificat continuu. În prezent, poluarea industrială, urbană şi agricolă a devenit un fenomen îngrijorător care ameninţă nu numai dezvoltarea ulterioară a industriei, dar pune în pericol însăşi flora şi fauna planetei.

În natură şi industrie, fluidele omogene sunt rar întâlnite. De cele mai multe ori, apa este în amestec cu particule solide şi bule de gaz. De asemenea, aerul conţine particule solide, vapori, gaze, picături fine de lichid etc. Prin urmare, fluidele din natură constituie amestecuri eterogene, cu compoziţie şi concentraţie variabile, funcţie de condiţiile de curgere. Modelând acest sistem, corect şi eficient, omul a imaginat diverse aplicaţii tehnice ale procedeelor de separare din suspensie ale diferitelor faze (solid, lichid sau gaz) din mediul de bază (lichid, gaz).

Fluidul bifazic, sau mediul bifazic, constituie un amestec de două faze în care fiecare dintre acestea îşi păstreaza caracteristicile constitutive de bază.

Fluidul bifazic are o serie de proprietăţi fizice care depind de natura şi caracteristicile celor doi componenţi. Dintre acestea unele au o semnificaţie fizică, iar altele, numite aparente, se definesc prin analogie cu caracteristicile fluidului omogen. În acest fel multe dintre legile şi relaţiile mecanicii fluidelor omogene se pot extrapola sau corecta pentru calculul parametrilor regimului de curgere ai fluidului bifazic.

Fluidele bifazice, în repaus sau în mişcare, pot fi clasificate după diferite criterii. După natura fazelor constituente se deosebesc: fluide bifazice de tip lichid-solid, lichid-gaz, gaz-solid.

După modul de amestec al fazelor se deosebesc: fluide bifazice omogene, dacă o fază se dizolvă complet în cealaltă (de exemplu cazul soluţiilor de săruri dizolvate integral) şi fluide bifazice neomogene, dacă fazele constituiente coexistă (de exemplu torenţii care transportă nisip, nămol, pietriş). Fluidele bifazice neomogene pot fi dispersate (uniform sau neuniform), stratificate (cu suprafaţă de separaţie) sau în macroamestec (de exemplu capsule solide în lichid sau gaz).

După criteriul mărimii vitezei relative vr (viteza relativă se defineşte ca diferenţa dintre viteza fluidului purtător şi viteza celeilalte faze cu greutate specifică, în general mai mare) se deosebesc fluide bifazice omogene dacă vr=0, pseudoomogene, dacă vr≈0 (cazul sistemelor dispersate cu particule coloidale) şi eterogene, dacă vr≠0 (cazul sistemelor dispersate, stratificate sau şi în macroamestec).

Mişcările fluidelor bifazice pot fi clasificate după mai multe criterii:

După regimul de mişcare al fluidului purtător mişcarea fluidului bifazic poate fi laminară sau turbulentă, după cum numărul Reynolds (Re) ataşat curgerii este mai mic sau mai mare decât numărul Reynolds critic Recr (în cazul curgerii prin conducte, Re = vD/ v , unde v este viteza medie, D este diamterul conductei, iar v este vâscozitatea cinematică a fluidului purtător, cu Recr=2300).

Tabelul 1.1 Clasificarea fluidelor şi curenţilor bifazici neomogeni

Nr.

crt. Mediul bifazic

Amestec

faze

Lichid + solid

Gaz + solid

Lichid + gaz

1

Dispersate

Curenţi lichizi cu suspensii

1. Curenţi de gaz cu suspensii (concentraţie redusă)

2. Fluidizare (curenţi de gaz cu suspensii în concentraţie mare) 1. Curenţi lichizi cu bule de gaz

2. Curenţi de lichid sub formă de spumă

3. Curenţi de gaz cu picături de lichid

4. Curenţi de gaz cu picături micronice de lichid (ceaţa)

2

Stratificate

Curenţi în pat mobil (namol)

Curenţi de gaz cu suspensii târâte pe fundul rigolei pneumatice

Curgere inelară pe verticală sau orizontală

3

Macroamestec

Curenţi lichizi cu capsule

Curenţi de gaz cu capsule (poşta pneumatică)

Curenţi de dopuri de gaz în lichid sau curgeri de tip piston lichid în gaze

După criteriul variaţiei în timp a parametrilor mişcării, mişcările fluidelor bifazice pot fi permanente (staţionare) şi nepermanente (nestaţionare); în primul caz după mărimea şi direcţia vitezei, valoarea presiunii şi eventual densitatea fluidului sunt constante în timp, iar in ultimul sunt funcţii de timp.

După natura conturului tubului de curent al fluidului bifazic în curgere (suprafaţa tubulară formată de liniile de curent care trec, la un moment dat, prin toate punctele unei curbe închise simple), se deosebesc curenţi cu suprafaţă liberă, caracterizaţi prin faptul ca o parte a secţiunii transversale este în contact cu atmosfera, cureţti sub presiune, la care întregul contur al secţiunii este mărginit de pereţi solizi şi jeturi sau vâne de fluid, unde de-a lungul curentului, pe întregul contur al secţiunii transversale, acesta este în contact cu un alt fluid (lichid sau gaz)

După criteriul modului de desfăşurare a mişcării în lungul curentului se disting mişcări uniforme, caracterizate prin linii de curent rectilinii şi paralele în lungul cărora vitezele sunt constante (de exemplu curgerile prin conducte cu diametrul constant) şi mişcări neuniforme, cu linii de curent de o formă oarecare de-a lungul cărora vitezele variază ca direcţie şi mărime (de exemplu, curgerile prin conducte cu diametre variabile, prin albii naturale, prin canale cu secţiune variabilă etc.).

Proprietăţile specifice fluidelor bifazice

Concentraţia. Concentraţia particulelor solide într-un volum de fluid este o mărime scalară care reprezintă raportul dintre cantitatea totală de material transportat în stare uscată şi cantitatea de fluid prezentă într-un anumit volum determinat. În calcule concentraţia se exprimă sub forma unui raport de greutăţi (de exemplu kg de material/kg fluid), notată cu C, sub forma unui raport de volume (m3 material/m3 fluid), notată cu Cv, sau în procente.

Concentraţia este o mărime care intervine în calculele generale ale transportului, în exploatarea agregatelor de pompare etc. Concentraţia exprimată în greutăţi C se calculează în funcţie de densitatea apei ρ , a materialului solid ρ_S şi a fluidului bifazic ρ_am prin relaţia:

C=(ρ_am- ρ)/(ρ_S-ρ_am ) ρ_S/ρ

Se mai introduc următoarele noţiuni :

- concentraţia medie într-un punct al curentului, definită ca limită a raportului dintre volumul de material solid ∆V_s aflat într-un element de volum din jurul punctului considerat şi volumul ∆V al elementului când acesta tinde către zero.

C_v=lim┬(∆V→0)⁡〖(∆V_s)/∆V〗=(dV_s)/dV

- concentratia instantanee într-un punct al curentului, care are valoarea 1 dacă punctul respectiv, la un moment dat, se află o particulă solidă sau zero dacă în acel punct se află fluid ;

- concentraţia instantanee într-un spaţiu delimitat, definită ca raport al volumului de material solid aflat la un moment dat în acest spaţiu şi al volumului total al spaţiului ;

- concentraţia medie într-un spaţiu delimitat ocupat de ametec, definită ca medie aritmetică a concentraţiilor insantanee din acel spaţiu în timpul dat.