Методы разделения неоднородных систем

Классификация и основные характеристики неоднородных систем

Неоднородными, или гетерогенными, называют системы, состоящие, по меньшей  мере, из двух фаз. При этом одна из фаз  является сплошной, а другая - дисперсной, распределенной в первой в раздробленном  состоянии: в виде капель, пузырей, мелких твердых частиц и т. д. Сплошную фазу часто называют дисперсионной средой.

В зависимости от физического состояния  фаз различают следующие бинарные гетерогенные системы: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.

Суспензия-система, состоящая из жидкости и взвешенных в ней твердых  частиц. В зависимости от размеров частиц суспензии условно подразделяют на грубые (с частицами размером более 100 мкм), тонкие (содержащие частицы  размером 0,1-100 мкм) и коллоидные растворы (с частицами менее 0,1 мкм).

Эмульсия-система, состоящая из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не растворяющейся в  первой.

Пена - система, состоящая из жидкости и распределенных в ней пузырьков  газа.

Пыль - система, состоящая из газа и  распределенных в нем твердых  частиц размером более 5 мкм. В процессах  химической технологии пыль образуется преимущественно при дроблении, смешивании и транспортировании  твердых материалов.

Дым-система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размером менее 5 мкм; образуется при горении.

Туман-система, состоящая из газа и  распределенных в нем капель жидкости размером менее 5 мкм.

Пыли, дымы и туманы представляют собой  аэродисперсные системы и носят  общее название - аэрозоли.

Неоднородные системы характеризуются  концентрацией дисперсной фазы и  размерами образующих ее частиц. Для  эмульсий и пен при определенных концентрациях дисперсной фазы возможен ее переход в сплошную; при этом фаза, бывшая сплошной, становится дисперсной. Этот переход называют инверсией фаз.

В большинстве случаев дисперсные системы содержат частицы, различающиеся  по размеру. Такие системы называют полидисперсными. Они характеризуются  фракционным, или дисперсным, составом, т. е. долей частиц определенного  размера от общего содержания дисперсной фазы. Иногда встречаются системы, в  которых все частицы близки по размерам. Их называют монодисперсными.

Большинство дисперсных систем неустойчиво, т.е. имеет тенденцию к укрупнению частиц. Укрупнение капель или пузырей  путем их слияния называют коалесценцией, а укрупнение твердых частиц вследствие их слипания - коагуляцией.

 

Таблица 1. Классификация неоднородных и гетерогенных систем

 

 

Среда		Неоднородная система  и пример
Дисперсионная	Дисперсная
Твердая	Твердая	Твердые гетерогенные системы: шоколад
Твердая	Жидкая	Капиллярные системы (жидкость в пористых телах)
Твердая	Газообразная	Пористые тела, твердые  пены
Жидкая	Твердая	Суспензии: грубые, тонкие, мути, коллоидные растворы: взвеси, пасты
Жидкая	Жидкая	Эмульсии: кремы
Жидкая	Газообразная	Газовые эмульсии и пены:
Газообразная	Твердое тело	Аэрозоли (пыли, дымы), порошки
Газообразная	Жидкость	Аэрозоли: туманы, в том  числе и промышленные
Газообразная	Газообразная	Коллоидная система не образуется

Методы разделения неоднородных систем

Процессы, связанные с разделением  неоднородных систем, играют большую  роль в химической технологии при  подготовке сырья и очистке готовых  продуктов, при очистке сточных  вод и отходящих газов, а также  при выделении из них ценных компонентов.

Применяют следующие основные методы разделения: осаждение, фильтрование и  мокрую очистку газов.

Осаждение - процесс разделения, при  котором взвешенные в жидкости или  газе твердые или жидкие частицы  отделяются от сплошной фазы под действием  сил тяжести (отстаивание), центробежной силы (циклонный процесс и центрифугирование), сил инерции, электростатических сил (очистка газов в электрическом  поле).

Фильтрование - процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость или  газ, но задерживать взвешенные частицы. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений. В случаях, когда разность давлений создается  центробежными силами, процесс называют центробежным фильтрованием.

Мокрая очистка газов - процесс  разделения, основанный на улавливании  взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание осуществляется, как  правило, под действием сил инерции.

Выбор метода разделения зависит от концентрации дисперсных частиц, их размера, требований к качеству разделения, а также от разницы плотностей дисперсной и сплошной фаз и вязкости последней.

 

 

Таблица 2. Классификация процессов разделения неоднородных систем по движущей силе

 

 

Основная движущая сила	Неоднородная система	Процесс	Аппарат
Сила тяжести	Газ-твердое Жидкость-твердое	Отстаивание	Пылеосадительная камера
Разность давлений	Жидкость-твердое Газ-твердое	Фильтрование	Фильтры
Центробежная сила	Газ-твердое Жидкость-твердое	Осаждение или фильтрование	Циклон. Гидроциклон.   Фильтрующая центрифуга.   Осадительная центрифуга.
Сила электрического поля	Газ-твердое	Осаждение	Электрофильтр

 

 

Осаждение неоднородных систем под действием центробежных сил

 

Осаждение неоднородных систем под действием центробежных сил  называется центрифугированием. Центробежное поле создается двумя способами: вращением потока при неподвижном  корпусе аппарата (циклонный процесс); вращением потока вместе с вращением  корпуса аппарата (центрифугирование). По первому способу осаждение  жидкости происходит в гидроциклонах.

Несмотря на более простое  устройство, скорость осаждения в  них невелика, а гидравлическое сопротивление  более высокое. По указанным причинам степень очистки в гидроциклонах  небольшая и они в промышленности используются ограниченно. В данном учебном пособии этот способ не рассматривается.

По второму способу  осаждение жидких неоднородных систем происходит под действием центробежных сил в осадительных центрифугах. Осадительные центрифуги применяются  для разделения суспензий с концентрацией  твердой фазы до 40 % и диаметром частиц 0,005-10 мкм и для разделения эмульсий. После разделения суспензий образуется осадок с небольшим содержанием жидкости и фугат.

Осаждение под действием  центробежных сил проводится в барабанах, вращающихся со скоростью  и имеющих  радиус вращения r. Жидкая неоднородная система вводится в барабан снизу. Под действием центробежной силы и силы тяжести свободная поверхность жидкости принимает форму параболоида вращения. Различают центробежное осветление и центробежное отстаивание. Центробежное осветление проводится для очистки жидкостей, содержащих небольшое количество твердых частиц (тонкие суспензии, коллоидные растворы). При малой концентрации дисперсной фазы четкой границы между фугатом и осадком нет. По физической сущности центробежное осветление можно рассматривать как свободное осаждение частиц в поле центробежных сил.   

Центробежное отстаивание  проводится для разделения суспензий  и эмульсий. При повышении концентрации твердых частиц в суспензии образуется четкая граница раздела фаз. На первом этапе процесса происходит образование  осадка, на втором - его уплотнение.

Отличием процессов осаждения  под действием сил тяжести  от центробежных сил является то, что  центробежная сила не постоянна по сечению барабана: она увеличивается  с увеличением радиуса вращения.

Кроме того, в отстойниках  частицы проходят через постоянные поперечные сечения аппарата, а в  центрифугах - через возрастающие по радиусу поперечные сечения кольцевого слоя. Классификация отстойных центрифуг.

В зависимости от рабочего режима (аппараты непрерывного или  периодического действия), конструкции (вертикальные, горизонтальные, наклонные), способа выгрузки осадка (вручную  или механически), фактора разделения (нормальные с фактором разделения Кр < 3500 или сверхцентрифуги с Кр > 3500), типа неоднородных систем (суспензия или эмульсия) различают следующие виды отстойных центрифуг: 
-нормальные периодического действия - выгрузка осадка вручную с помощью ножей; 
-нормальные непрерывного действия - выгрузка осадка с помощью шнека; 
-трубчатые сверхцентрифуги периодического действия; выгрузка осадка вручную; 
-трубчатые сверхцентрифуги непрерывного действия; разделение эмульсий; 
-тарельчатые сепараторы непрерывного действия; разделение эмульсий.

Нормальная центрифуга периодического действия представляет собой вращающийся  барабан со сплошными стенками, в  который вводится разделяемая суспензия. 
           Осадок осаждается на стенках барабана и удаляется вручную. Жидкая фаза, принимая форму параболоида вращения, переливается через стенки барабана.

 

 
 
Рис.1. Зависимость  критериев Re и Ly от критерия Аr для осаждения одиночной частицы в неподвижной фазе: 1 и 6 - шарообразные частицы; 2- округленные; 3- угловатые; 4- продолговатые; 5- пластинчатые.

 

 

Разделение неоднородных систем методом фильтрования

Фильтрование (лат. filtrum – войлок) – это процесс разделения дисперсных систем на фазы при помощи пористых перегородок, которые задерживают одни фазы и пропускают другие, путем создания разницы давлений по разным сторонам перегородки. Устройства, в которых происходит фильтрование, называются фильтрами. Разницы давлений в фильтрах можно добиться, создав вакуум с одной стороны фильтровальной перегородки, либо давление газа с другой, давлением суспензии на перегородку (при ее принудительной подаче насосом), центробежными силами.

Разделение дисперсных систем при  помощи электростатических сил или  сил гравитации называется осаждением.

Фильтрование суспензий – процесс разделения суспензий на жидкую и твердую фазы путем фильтрования. При этом жидкая фаза проходит сквозь поры фильтровальной перегородки, а твердые частицы задерживаются перегородкой. Таким образом, суспензия разделяется на чистый фильтрат и влажный осадок. Полезным продуктом могут быть как обе фазы, так и одна из них. Фильтрование суспензий характеризуется скоростью процесса, то есть объемом суспензии, отфильтрованной за единицу времени, а также качеством. Под качеством фильтрования суспензии понимается количество твердых частиц в фильтрате и количество жидкости в осадке после фильтрации, то есть полнота разделения фаз.

В некоторых случаях требуется промывка осадка и (или) его сушка.

Промывка осадка осуществляется промывной жидкостью с целью удалить из осадка остатки жидкой фазы суспензии и растворенных в ней веществ. Осуществляться промывка осадка может непосредственно на фильтре, где он образовался, путем пропускания через него промывной жидкости под давлением. Другой способ промывки осуществляется путем переноса осадка в отдельный резервуар, где он перемешивается с промывной жидкостью, после чего полученная смесь снова подвергается фильтрации.

Сушка осадка осуществляется под давлением (или разрежением) воздухом или другим газом с целью добиться минимальной влажности осадка.

Фильтры для разделения суспензий

 

Устройства для разделения суспензий  подразделяются на различные группы по нескольким возможным признакам.

Например, все фильтры подразделяют на периодически действующие и непрерывно действующие. В первых, фильтровальная перегородка, как правило, неподвижна, во вторых она непрерывно движется по замкнутому пути.

Следующим основным различием фильтров является то, каким образом в них  создается перепад давления:

- созданием вакуума под  перегородкой (в области, куда  должен просачиваться фильтрат);

- созданием избыточного  давления над перегородкой (в  области, где должен оставаться  осадок);

- созданием гидравлического  давления суспензии на фильтровальную  перегородку при помощи подающего  суспензию насоса;

- центробежными силами.

Можно также привести классификацию  по взаимной направленности вынуждающей  силы движения фильтрата в фильтровальной перегородке и направленности силы тяжести, то есть когда они совпадают, противоположны или перпендикулярны. На первый взгляд такая классификация  может показаться странной, но поведение  частиц твердой фазы суспензии под  действием силы тяжести имеет  большое значение для процесса разделения.