1. SEDYMENTACJA OKRESOWA

Transkrypt

1 SEPARACJE i OCZYSZCZANIE BIOPRODUKTÓW SEDYMENTACJA i FILTRACJA 1. SEDYMENTACJA OKRESOWA CEL ĆWICZENIA Wyznaczenie krzywej sedymentacji oraz krzywej narastania osadu dla procesu sedymentacji okresowej. Obliczenie na podstawie danych eksperymentalnych, początkowej szybkości sedymentacji (r 0 ) cząstek stałych i porównanie tej wartości z teoretycznymi przewidywaniami. Porównanie wpływu lepkości medium na szybkość sedymentacji. Określenie początkowej porowatości zawiesiny oraz porowatości powstałego osadu. Badanie procesu sedymentacji polega na obserwacji zachowania się zawiesiny umieszczonej w leju Imhoffa. Początkowa wysokość słupa zawiesiny wynosi h 0, a jej początkowe stężenie (jednakowe w każdym miejscu), równe jest C 0. Ten stan początkowy dotyczy czasu t = 0. Po zamieszaniu i odstawieniu zawiesiny rozpoczyna się jej sedymentacja. Przebieg tego procesu przedstawiono na poniższym rysunku 1

2 Krzywa h(t) nosi nazwę krzywej sedymentacji zawiesiny, natomiast krzywa l(t) nazywa się krzywą narastania osadu. Na krzywej sedymentacji można wyróżnić trzy charakterystyczne odcinki: prostoliniowy (I) i dwa krzywoliniowe (II, III), rozdzielone punktem przecięcia krzywej sedymentacji z krzywą narastania osadu. Punkt ten nosi nazwę punktu krytycznego krzywej sedymentacji, K. Prostoliniowy obszar krzywej sedymentacji odzwierciedla fakt występowania w leju strefy zawiesiny o stałym stężeniu C 0. Pierwsza część krzywoliniowa wskazuje na występowanie strefy zawiesiny o zmiennym stężeniu, a druga część krzywoliniowa przedstawia zagęszczenie osadu do stężenia C max (minimalna porowatość osadu), któremu odpowiada wysokość h min. Badanie przebiegu sedymentacji okresowej polega na określaniu w czasie wysokości warstwy klarownej cieczy oraz wysokości warstwy osadu. PRZEBIEG DOŚWIADCZENIA 1. Pomiary wysokości warstwy zawiesiny w czasie wykonać w leju Imhoffa o pojemności 1 dm Zadane naważki substancji stałej (skrobia ziemniaczana) odważyć na wadze, wprowadzić do zlewki i uzupełnić wodą lub wodnym roztworem glicerolu (stężenie% podane przez prowadzącego) do 1 dm Po dokładnym wymieszaniu układu ciecz-ciało stałe uzyskaną zawiesinę przelać do leja Imhoffa i włączyć stoper. 4. Od tego momentu w ustalonych odstępach czasu odczytywać wysokość warstwy narastania osadu oraz wysokość warstwy klarowania (pomiary co 1-2 minuty przez pierwsze 10 minut od rozpoczęcia procesu, a następnie co 5-10 minut). 5. Proces zakończyć w momencie osiągnięcia punktu krytycznego lub później. 6. Wyznaczyć objętość warstwy powstałego osadu. 7. Analogiczne eksperymenty przeprowadzić w cylindrze miarowym o pojemności 0,5 dm 3 z tą różnicą, że w tym przypadku mierzyć wyłącznie wysokość warstwy klarowania. OPRACOWANIE WYNIKÓW 1. Wyniki badań uzyskane dla jednostkowego przebiegu sedymentacji przedstawić na jednym wykresie w postaci zależności h=f(t) oraz l=f(t). Z początkowych punktów pomiarowych tworzących krzywą h=f(t) wyznaczyć szybkość procesu sedymentacji (r 0 ). 2. Początkową szybkość sedymentacji wyznaczoną doświadczalnie dla dwóch różnych mediów (woda, glicerol) porównać z wartościami teoretycznymi obliczonymi ze wzoru: 2

3 r 0 d 2 g ( ) s 18 d średnica cząstek [mm], g stała przyciągania ziemskiego [m/s 2 ], ρ gęstość (s) ciała stałego (1,532 g/cm 3 dla skrobii ziemniaczanej) i (c) cieczy [g/cm 3 ], η - lepkość dynamiczna medium [Pa s]. (wyznaczyć stosunek [r 0,woda /r 0,glicerol ] dośw = [r 0,woda /r 0,glicerol ] teoret ) 3. Obliczyć porowatość (ε) zdefiniowaną jako udział objętościowy cieczy w zawiesinie. 4. Dla uzyskanych wyników z całej grupy określić zależność między szybkością sedymentacji a stężeniem zawiesiny. 5. Określić wpływ lepkości medium na początkową szybkość sedymentacji oraz porowatość powstałego osadu. c ZAGADNIENIA DO KARTKÓWKI 1. Podstawowe pojęcia, definicje i wzory dotyczące zagadnienia sedymentacji, zawiesiny, szybkości sedymentacji zawiesin o różnej koncentracji, rodzaju cząsteczek ciała stałego. Wpływ parametrów medium na szybkość sedymentacji. 2. Sedymentacja okresowa. 3. Rodzaje odstojników w tym odstojniki o działaniu okresowym, półciągłym i ciągłym (odstojnik Dorra, dwukomorowy, klasyfikator hydrauliczny). 4. Zastosowanie procesu sedymentacji. LITERATURA A.L. Kowal, M.M. Sozański, Podstawy doświadczalne systemów oczyszczania wód: Sedymentacja, koagulacja i filtracja, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, J.R.L Allen, Fizyczne procesy sedymentacji, Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, J. Bandrowski, H. Merta, J. Zioło, Sedymentacja zawiesin : zasady i projektowanie, Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Tablica zależności lepkości roztworu gliceryny w wodzie od stężenia i temperatury roztworu (lepkość wyrażona w cp). Zródło: Ch. D. Hodgman, Handbook of Chemistry and Physics, 40th edition, Chemical Rubber Publishing Co., Cleveland, Ohio [cp] = 0,001 [Pa. s] 3

4 4

5 2. FILTRACJA CEL ĆWICZENIA monitorowanie procesu filtracji zawiesiny drożdży w filtracji próżniowej wyznaczenie czasu trwania jednego cyklu, stopnia oczyszczania zawiesiny, współczynnika ściśliwości osadu oraz oporu wytwarzanego przez placek filtracyjny. SPRZĘT STOSOWANY W ĆWICZENIU 1. Zestaw do filtracji próżniowej i przy stałym ciśnieniu hydrostatycznym 2. Bibuła filtracyjna, kalcyt 3. Spektrofotometr (pomiar stężenia zawiesiny względem wody przy długości fali 550nm) PRZEBIEG DOŚWIADCZENIA 1. Ćwiczenie należy przeprowadzić dla dwóch różnych ciśnień podanych przez prowadzącego 2. Do odfiltrowania zawiesiny drożdży należy użyć filtra próżniowego podłączonego do pompki wodnej wytwarzającej próżnię. 3. Należy wyciąć odpowiedniej wielkości filtr z bibuły filtracyjnej (zmierzyć jego średnicę) i umieścić pod warstwą kalcytu (3g), stanowiącego dodatkową przegrodę filtracyjną. 4. Przed rozpoczęciem procesu filtracji należy określić stężenie zawiesiny przy pomocy spektrofotometru przy długości fali 550 [nm] względem wody. 5. W momencie wlania zawiesiny do zbiornika nad filtrem i podłączenia próżni, należy rozpocząć pomiar czasu i monitorować zmianę objętości filtratu w czasie. 6. Po zakończeniu filtracji zmierzyć stężenie ciała stałego w filtracie oraz jego objętość całkowitą. OPRACOWANIE WYNIKÓW 1. Wyznaczenie krotności oczyszczenia zawiesiny 2. Wyznaczenie współczynnika ściśliwości w tym: Sporządzenie tabeli dla każdego z zastosowanych ciśnień t [s] V FILTRATU [L] w czasie t [ ] 5

6 Graficzne przedstawienie stałej filtracji izobarycznej w którym równanie jest zlinearyzowanym równaniem opisującym przebieg filtracji z wydzieleniem osadu ściśliwego przy założeniu iż różnica ciśnień jest stała Wyznaczenie współczynnika ściśliwości osadu ze wzoru: ( ) ( ) K - stała filtracji (odczytana z równania prostej, odpowiednio K1 przy Δp 1...) 3. Wyznaczenie przepustowości jednostkowej filtra Objętościowe natężenie przepływu filtratu wyraża się za pomocą wzoru: w którym: A powierzchnia filtracji; Δp ciśnienie podczas filtracji R opór wytwarzany przez przegrodę filtracyjną w skład której wchodzi opór samego filtra i placka filtracyjnego (zmienny w czasie) Przepustowość filtra jest odwrotnością oporu, czyli: Strumień filtratu jest jednak zmienny w czasie, tak więc zmienna jest również przepustowość. Sporządzić wykres jak zmienia się ona podczas procesu filtracji oraz wyznaczyć przepustowość całkowitą po ustaleniu czasu trwania jednego cyklu. Porównać wartości uzyskane dla dwóch różnych Δp. 4. Wyznaczanie zależności oporu placka filtracyjnego od przyłożonego ciśnienia Do obliczeń niezbędna jest zależność średniego natężenia strumienia filtratu od wytwarzanego podciśnienia, ponieważ na opór przegrody filtracyjnej składa się opór wytwarzany przez przegrodę filtracyjną i opór placka filtracyjnego. 6

7 Opór przegrody należy obliczyć wykorzystując wykres zależności strumienia od wielkości siły napędowej Rys. Zależność natężenia przepływu filtratu od zastosowanego ciśnienia, bez dodatkowej warstwy filtracyjnej i z użyciem wody. Opór placka filtracyjnego zmienia się w czasie na skutek zmiany jego grubości. Sporządzić wykres takiej zmiany w czasie dla pomiarów wykonanych w trakcie ćwiczenia (dla dwóch różnych Δp). ZAGADNIENIA DO KARTKÓWKI 1. Definicja filtracji, podział z uwagi na siłę napędową 2. Opór w procesie filtracji. Rodzaje osadów, współczynnik ściśliwości. Szybkość filtracji. 3. Filtracja powierzchniowa i wgłębna. Porowatość filtra. 4. Rodzaje filtrów i zasada ich działania (prasa filtracyjna ramowo-płytowa, filtry ciśnieniowe ramowe i tarczowe, prasa płytowa, prasa filtracyjna cylindryczna, prasa taśmowa-wyżymająca, filtr próżniowy, bębnowy ciśnieniowy, tarczowy, taśmowy, talerzowy oraz filtry dynamiczne). LITERATURA 1. Aparatura chemiczna i procesowa J. Warych 2. Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej R. Koch, A. Noworyta 3. Inżyniera procesowa i aparatura przemysłu spożywczego praca zbiorowa pod red. Prof. dr hab. Piotra Lewickiego 7