SEPARAREA USCATĂSeparea uscată a amestecurilor eterogene G-S cuprinde următoarele procedee:

1. Separarea în câmp gravitaţional:- prin sedimentare;- prin inerţie;- prin inerţie şi impact;2. Separarea în câmp centrifugal:- în separatoare statice; - în separatoare cu rotor.3. Separarea prin reţinerea fazei disperse pe materiale filtrante:- cu funcţionare la presiune hidrostatică;- cu funcţionare sub vid;- cu funcţionare sub presiune.

3.4.1.1. SEPARAREA PRIN SEDIMENTARELa amestecurile eterogene gazoase cu fază solidă dispersată, de obicei, faza gazoasă este aerul, iar

faza solidă este constituită din particule solide de diferite dimensiuni. Separarea acestor amestecuri în câmp gravitaţional prin sedimentare se realizează în camere de desprăfuire (camere de sedimentare), care pot fi: simple, cu şicane, cu rafturi, cu lanţuri etc.

Bazele de calcul. Pentru descrierea sub formă criterială a procesului de sedimentare a particulelor solide într-un mediu nelimitat, în repaus, se pot folosi criteriile de similitudine Arhimede (Ar), Liascenco (Li) şi Reynolds (Re).

Relaţia criterială cea mai convenabilă este:Li = f(Ar) (3.1)

Particulele solide dispersate în mediul de dispersie gazos au diferite forme (sferice, plate, alungite etc.) şi densităţi foarte diferite. Pentru simplificarea calculelor se consideră particula de formă sferică aflată într-un regim de sedimentare laminar, caracterizat prin Re < 0,2; Ar < 3,6; Li < 0,002.

Stokes a obţinut teoretic relaţia de calcul a vitezei de sedimentare (vsed) a particulei de formă sferică, neglijând densitatea gazului ( =0) ca fiind mult mai mică decât densitatea particulei:

vsed=d2 g/18 g (m/s) (3.2)în care:d este diametrul particulei sferice, (m); - densitatea particulei, (kg/m3); g - acceleraţia gravitaţională, (m/s2); g - vâscozitate gazului, (kg/ms).

Pentru cazul când densitatea gazului (pg) nu poate fi neglijată, relaţia 3.2 devine:- pentru Re < 1:

vsed=d2 ( - g) g/18 g (m/s) (3.3)- pentru 1 < Re < 100:

vsed= 0,152 d1,14 0,72 g0,72 / g0,29 g 0,43 (m/s) (3.4)

pentru Re > 1000:vsed= 1,74 (d g / g)0,5 (m/s)

în care g reprezintă densitatea gazului, (kg/m3).Pentru particule dc formă neregulată se introduce în relaţia vitezei de sedimentare dech în Ioc de d.Diametrul echivalent al particulei se determină cu relaţia:

dech= (m) (3.6)

în care:

V este debitul volumic al gazului care trece prin camera de sedimentare paralel cu suprafaţa de sedimentare, (m3/ s); M - masa particulei, (kg).

Diametrul minim al particulelor care se depun se determină cu relaţia:

dmin= (m) (3.7)

în care v este viteza amestecului eterogen.O cameră de sedimentare are în general o formă paralelipipedică de lungime L, lăţime l şi

înălţime H.

Fig. 3.5. Secţiune longitudinală printr-o cameră de sedimentare paralelipipedică.

Suprafaţa de sedimentare a unei camere se poate determina din relaţia vitezei reale de sedimentare (vr

sed), definită ca fiind raportul dintre debitul volumic al gazului şi aria secţiunii transversale (Ssed = lL);

vrsed= V/Ssed (m/s) (3.8)

de unde rezultă:Ssed=V/ vr

sed (m) (3.9)Viteza reală de sedimentare (vr

sed) depinde de forma particulei, mişcarea mediului gazos etc. În calcule se consideră jumătate din viteza teoretică de sedimentare:

vrsed = 0,5v5ed (m/s) (3.10)

Între viteza de sedimentare, viteza v a amestecului eterogen G-S la intrarea în camera de desprăfuire şi elementele geometrice ale camerei de desprăfuire, există următoarea relaţie de legătură:

(3.11)

Dacă se consideră durata de sedimentare t egală cu durata de parcurgere a camerei de sedimentare

de către amestec, rezultă:

t= (3.12)

Debitul de gaz din camera de desprăfuire este dat de relaţia:

V = v l H = vsedlL (m3/s) (3.13)

Camera simplă de desprăfuire (fig. 3.6) este o încăpere de lungime mare şi înălţime mică, astfel încât să asigure depunerea tuturor particulelor din aer. Alimentarea amestecului G-S se realizează printr-o conductă plasată la o înălţime destul de mică, pentru ca viteza amestecului în cameră să fie mică (0,2-0,4 m/s). Evacuarea aerului curat se face pe la partea superioară, iar particulele solide se colectează la partea inferioară a camerei, de unde sunt evacuate periodic.

Fig.3.6. Cameră simplă de desprăfuireCamera de desprăfuire cu şicane (fig. 3.7) realizează reducerea vitezei amestecului prin montarea

în încăperea 1 a unor pereţi-sicane 2 sau a unor şicane suplimentare 3, care, prin schimbarea sensului de circulaţie a amestecului, duc la reducerea presiunii acestuia.

Fig. 3.7. Camere de desprăfuire cu şicane.Camera de desprăfuire cu lanţuri (fig. 3.8) este formată din încăperea 1, prevăzută cu

racordurile de alimentare a amestecului şi de evacuare a aerului curat. în interiorul camerei se montează lanţurile 2 (sau şicane verticale), de care se lovesc particulele solide, care pierd din energie şi se depun.

Camera de desprăfuire cu rafturi (fig. 3.9) este folosită pentru îmbunătăţirea gradului de separare şi evitarea apariţiei turbioanelor. Rafturile 1 sunt aşezate în interiorul camerei 2. Alimentarea amestecului G-S se face prin robinetul 3 în canalul de distribuţie 4. Particulele solide se depun pe rafturile 1, iar aerul curat este colectat în canalul 5 şi evacuat prin canalul 6 şi robinetul 7. Distanţa între rafturi este h0.

Pentru calculul numărului Reynolds se foloseşte relaţia:Re=v dech/ < 1400

Fig. 3.8. Cameră de desprăfuire cu lanţuri.În cazul folosirii a n rafturi, lungimea totală a camerei de desprăfuire:

Lt = (n+1)L (m) (3.15)Înălţimea de sedimentare se reduce cu valoarea n+1. În acest caz diametrul minim al particulelor se

va calcula cu relaţia:

Dmin= (m) (3.17)

Fig. 3.9. Cameră de desprăfuire cu rafturi orizontale.În practică h0 are valori între 40-100 mm, iar rafturile pot fi înclinate sub diferite unghiuri, folosind

în acest scop diferite dispozitive (fig. 3.10).

Fig. 3.10. Dispozitiv cu scripeţi pentru înclinarea rafturilor: l-camera de desprăfuire, 2-rafturi cu înclinare reglabilă, 3-dispozitiv cu scripeţi, 4-greutate reglabilă.

Camerele de desprăfuire sunt utilizate pentru separarea particulelor solide mari, cu diametrul d>0,2 mm şi au eficienţa de separare cuprinsă între 40-70%, dar prezintă următoarele dezavantaje: ocupă un

volum mare (de la 1 m3 până la 20-30 m3), iar evacuarea fazei solide (depuse) se face manual şi discontinuu.

3.4.1.2. SEPARAREA PRIN INERŢIESe realizează prin schimbarea bruscă a direcţiei amestecului eterogen G-S (la 180°). În acest caz

particulele solide, având o inerţie mai mare ca cea a aerului (gazului) îşi urmează traiectoria, viteza se reduce şi se depun la partea inferioară a separatorului.

Aceste separatoare (fig. 3.11) sunt folosite la separarea fazelor unui amestec G-S în cazul instalaţiilor pneumatice de transport.

3.4.1.3. SEPARAREA PRIN INERŢIE SI IMPACTSe realizează prin schimbarea bruscă a direcţiei amestecului G-S prin amplasarea în cale a unui

ostacol. Aerul (gazul) ocoleşte obstacolul, pe când particulele solide, care au densitate mai mare şi implicit inerţie mai mare, se ciocnesc de obstacol şi ricoşează după o direcţie care face cu normala în punctul de impact un unghi egal cu cel de incidenţă (fig. 3.12).

Pentru mărirea randamentului de separare, şicanele pot fi acoperite cu diferite materiale adezive (în figura 3.7 sunt prezentate camere de sedimentare cu şicane drepte sau înclinate).

Separatoarele cu orificii sunt formate din plăci perforate care sunt montate cu orificiile decalate. Viteza gazului prin orificii este de 15-45 m/s.

Separatoarele cu jaluzele (fig. 3.13) funcţionează pe principiul inerţiei si socului. Particulele se lovesc de jaluzelele dispuse oblic, ricoşează spre partea inferioară a separatorului de unde sunt evacuate de curentul inferior de gaz.

Randamentul separatorului cu jaluzele depinde de distanţa dintre jaluzele şi de înălţimea de amplasare a acestora.

Jaluzelele sunt curăţate periodic de depunerile care reduc eficienţa separatorului..

Fig. 3.13. Schema separatoului cu jaluzele (a): l-conductă de alimentare a amestecului G-S; 2-conductă de evacuare a depunerilor solide într-un curent de aer inferior; 3-coş de evacuare a aerului purificat; b-procesul de separare pe

jaluzele.

Separatoarele conice (fig. 3.14) lucrează atât pe principiul separării multiple prin şoc şi inerţie, cât şi pe principiul separării în câmp centrifugal pe dispozitive statice

Fig. 3.14. Schema separatorului conic: l-camera separatorului; 2-trunchiuri de con montate descrescător; 3-conductă de evacuare a aerului (gazului) epurat; 4-ciclon pentru separarea suplimentară; 5-ecluză de evacuare a particulelor solide; 6-conductă pentru evacuarea aerului epurat în ciclon; 7-conductâ de alimentare a ciclonului.

Trunchiurile de con sunt construite din tablă cu grosimea de 0,75 mm. Gura de alimentare a separatorului este de 600 mm pentru un debit de alimentare de 25000 m3/h.

Randamentul de separare este în funcţie de viteza amestecului şi diametrul echivalent al particulelor (tab. 3.8).

Tabelul 3.8. Randamentul de separare ( ) în funcţie de viteza amestecului (v) şi diametrul particulelor (d).Nr. crt Specificaţie Simbol U.M Valori

1 Randamentul separării % 25 47 63 76 80 86 92 96

2 Viteza amestecului v m/s - - - - 15 20 29

3 Diametral particulei d 5 10 15 20 - 25 30 50

Avantajele acestui tip de separator sunt: grad mare de separare şi gabarite mici, iar dezavantajul constă în pierderi mari de presiune (25-30) 104 bar.

3.4.1.4. SEPARAREA ÎN CÂMP CENTRIFUGAL

Operaţia de separare a unui amestec eterogen sub influenţa forţei centrifuge se numeşte centrifugare, iar utilajele care realizează separarea se numesc centrifuge.

Centrifugarea se produce în câmpul forţelor centrifuge care este mult mai puternic decât câmpul gravitaţional (sedimentarea) sau decât câmpul de presiune (filtrarea).

Forţa centrifugă, în cazul deplasării unei particule de masă m pe o traiectorie circulară de rază r, cu viteza unghiulară şi acceleraţia câmpului centrifugal ac = r , este:

Fc = mr (N) (3-18)Câmpul de forţe centrifugale este variabil pe direcţia radială (direcţia forţei centrifuge), crescând

cu raza traiectoriei circulare. Factorul de separare sau de eficacitate, care arată de câte ori este mai mică intensitatea câmpului gravitaţional faţă de cea a câmpului centrifugal, se defineşte ca raportul dintre acceleraţia câmpului centrifugal şi acceleraţia câmpului gravitaţional.

=ac/g= r /g (3.19)Centrifugele se pot clasifica în funcţie de factorul de separare astfel:

1. Centrifuge normale, < 3000:centrifuge de unică eficacitate, < 30;centrifuge pentru cristale, = 100 ... 450;centrifuge pentru zahăr, = 450 ... 650;2. Supracentrifuge, > 3000;3. Ultracentrifuge, = 100000 .. . 100000000.

Prin centrifugare se poate realiza: accelerarea sedimentării şi a filtrării, desecarea materialelor solide (uscarea prin eliminarea înaintată a lichidului, limpezirea lichidelor cu procent mic de fază solidă .

Centrifugarea are avantajul că realizează separarea amestecurilor eterogene cu diferenţă mică între densităţile fazelor, până la 3% şi chiar sub 1%. dacă se fac următoarele modificări în construcţia centrifugei:

- montarea unei plăci în interiorul centrifugei pentru micşorarea vârtejului (cavitaţiei) amestecului;

- divizarea lamelară a amestecului în centrifugă folosind discuri, conuri etc;- alimentarea amestecului pentru separare chiar în zona de separare a celor două faze.Partea principală a unei centrifuge o constituie tamburul, care poate avea formă: cilindrică,

tronconică, cilindro-conică, în interiorul căruia se introduce amestecul pentru separare.Centrifugele pot avea tamburul antrenat în mişcare de rotaţie sau poate fi fix, când amestecul este

alimentat tangenţial cu viteză mare.Centrifugele cu tambur antrenat realizează separarea amestecurilor după principiul sedimentării,

când tamburul nu este perforat şi pe principiul filtrării când tamburul este perforat (fig. 3.15).

Fig. 3.15. Schema separării unui amestec eterogen prin centrifugare:a) pe principiul sedimentării: 1- tambur cu perete neperforat, 2 – faza grea, 3 - faza uşoară;b) pe principiul filtrării: 1 - tambur perforat, 2 - precipitat, 3 – amestec pentru filtrare, 4 - filtrat.Tipurile de separări centrifugale, în funcţie de mărimea particulelor şi domeniile de aplicare, sunt

prezentate în figura 3.16.

Asupra amestecului aflat în tamburul centrifugei acţionează următoarele forţe: greutatea, G = mg; forţa centrifugă, Fc = mr .

Rezultanta acestor forţe este perpendiculară pe suprafaţa amestecului formată în interiorul tamburului centrifugei.

Fig. 3.16. Procedee de centrifugare şi domeniile de aplicare.

În practică, în ambele cazuri, se consideră că suprafaţa amestecului aflat în tamburul centrifugei în mişcare de rotaţie este de formă cilindrică.

În principiu, o centrifugă este formată (fig. 3.18) dintr-un tambur 1, montat pe arborele 2, sprijinit pe caseta cu rulmenţi 3. Arborele primeşte mişcarea de rotaţie de la un electromotor 7, prin intermediul unei transmisii cu curele (4, 5 - roţi de curea, 6 - curea de transmisie). întreg ansamblu este cuprins într-o carcasă 8 închisă de capacul 11, montată pe batiul 9 şi placa de bază 10.

Fig. 3.17. Forma suprafeţei amestecului în interiorul centrifugei: a) aşezare verticală a tamburului; b) aşezare orizontală a tamburului

Centrifugele fără elemente în mişcare realizează separarea fazelor amestecului, alimentând amestecul cu viteză mare, tangenţial într-o cameră de separare. Aceste aparate poartă denumirea de cicloane pentru separarea amestecurilor cu mediu de dispersie gazos.

Ciclonul (fig. 3.19) funcţionează pe baza câmpului de forţe centrifuge creat datorită energiei cinetice a mediului de dispersie gazos. în câmpul de forţe centrifuge din ciclon separarea este mai mare de 5 . . . 2500 ori faţă de separarea în câmp gravitaţional.

Fig. 3.19. Scheme tehnologice de cicloane: a) ciclon cu intrare tangenţială; b) ciclon cu intrare axială; 1 - racord de intrare a amestecului G - S ; 2 - manta cilindrică; 3 - manta conică ; 4 - ecluză pentru evacuarea fazei solide; 5 - tub central pentru ieşirea gazului purificat; 6 - piesă profilată pentru producerea mişcării elicoidale a amestecului.

Un ciclon este format dintr-o manta cilindrică verticală, continuată în partea inferioară cu o manta conică. Amestecul este alimentat cu o viteză mare (10-70 m/s) pe la partea superioară a ciclonului, printr-un racord de intrare amplasat tangenţial sau axial, astfel profilat încât să imprime amestecului o mişcare de rotaţie elicoidală descendentă, către partea conică a aparatului.

Particulele solide, datorită greutăţii lor, se depun, iar gazul purificat urcă în tubul central de avacuare.

Separarea amestecurilor se bazează pe mărimea acceleraţiei centrifuge a particulelor solide dirijate (prin construcţia specială a gurii de alimentare) spre partea de jos a ciclonului. în zona în care tubul central 5 se termină, datorită creşterii bruşte a secţiunii, viteza amestecului scade foarte mult. Particulele solide fiind grele cad şi alunecă pe peretele conic spre ecluză, iar gazul se ridică prin tub, părăsind ciclonul.

În ciclon curentul de gaz care se roteşte se comportă ca o sită cu ochiuri de o anumită dimensiune.Această sită imaginară lasă să treacă particulele care au viteza de sedimentare (v sed) mai mare decât

viteza limită (v,) corespunzătoare egalităţii între forţa centrifugă (Fc) şi forţa de rezistenţă la înaintare (Fg).

vsed > vl, pentru Fc = FR (3.23)

Viteza limită a particulei este dată de relaţia:

Vl= V

în care:V este debitul volumic al gazului la alimentare, (m3/s);

g - masa specifică a gazului, (kg/m3);- coeficient care ţine seama de elementele geometrice ale ciclonului, ( = 130 . . . 300);

h - înălţimea mantalei cilindrice a ciclonului, (m); Dp - pierderea totală de presiune în ciclon, (bar);

Elementele constructive ale unui ciclon în funcţie de diametrul mantalei cilindrice (D) sunt prezentate în figura 3.20.

Diametrul minim al particulelor care se pot separa în ciclon se poate determina cu relaţia (Smuhin şi Kouzov):

dmin=1,197 104(D-d1) v / Nr (m) (3.25)

în care:

este masa specifică a particulelor, (kg/m3); N, - numărul de rotaţii efectuate de gaz în ciclon (N= 1,5); v - viteza amestecului eterogen, (m/s); D - diametrul mantalei cilindrice, (m); d, - diametrul conductei de alimentare a amestecului, (m);

Fig. 3.20. Elementele constructive ale unui ciclon cu alimentare tangenţială.

Căderea de presiune în ciclon se poate determina cu relaţia:

(bar) (3.26)

în care

v1=V/S (m/s) (3.27)

V este debitul volumic al gazului, (mVs); S - aria secţiunii frontale a separatorului, (m2).

Lungimea mantalei cilindrice trebuie să satisfacă relaţia:

h (m) (3.28)

în care:A este o constantă care depinde de natura şi dimensiunile particulelor, (A = 0,27 . . . 3,9);n - exponent dependent de natura materialului, (n = 0,8 . . . 1,6);

ps - depresiunea în conducta de evacuare a aerului curat, (bar).

În tabelul 3.9 sunt prezentate dimensiunile elementelor constructive ale ciclonului în funcţie de debitul volumic al gazului la alimentare, iar în tabelul 3.10. randamnetul separării în funcţie de diametrul particulelor.

Randamentul separării amestecurilor G-S în câmp centrifugal în dispozitive statice (cicloane) poate fi mărit prin: folosirea mai multor cicloane cu diamètre mai mici, D=150-299 cm, montate în baterii numite multicicloane (fig. 3.21.); folosirea unor spirale pentru mărirea câmpului centrifugal (fig. 3.22), sau a unor rozete (fig. 3.23.).