Неоднорідні системи і методи їх розділення

Неоднорідними, чи гетерогенними, системами називають системи, які складаються з двох або декількох фаз. Фази, які складають систему, можуть бути в принципі, механічно відділені одна від одної.

Будь-яка неоднорідна бінарна система складається з дисперсної (внутрішньої) фази і дисперсного середовища, чи суцільної (зовнішньої) фази, в якій розподілені частинки дисперсної фази.

У залежності від фізичного стану фаз розрізняють: суспензії, емульсії, піни, дими і тумани.

Суспензії – це неоднорідні системи, які складаються з рідини та зважених у ній твердих частинок. У залежності від розмірів твердих частинок (у мкм) суспензії умовно поділяють на грубі (більше 100), тонкі (0,5-100) і муті (каламуті) (0,1-0,5).

Перехідну область між суспензіями і істинними розчинами (гомогенні системи) займають колоїдні розчини, в яких розміри частинок, які знаходяться в рідині, є середніми між розмірами молекул і частинками зважок. Межа між суспензіями і колоїдними розчинами може бути в першому наближенні охарактеризована появою броунівського руху твердих частинок, із виникненням якого ці частинки не можуть осаджуватися під дією сили тяжіння.

Емульсії – це системи, які складаються з рідини і розміщених у ній крапель іншої рідини, яка не змішується з першою. Розмір частинок дисперсної фази може коливатися в широких межах. Під дією сили тяжіння емульсії розслоюються, проте при незначних розмірах крапель (менше 0,4-0,5 мкм) або під час додавання стабілізаторів емульсії стають стійкими і не розслоюються протягом тривалого часу. Зі збільшенням концентрації дисперсної фази з’являється можливість перетворення (інверсії) фаз. У результаті зливання (коалесценції) крапель дисперсна фаза стає суцільною; у ній виявляються зваженими частинки фази, яка була до цього внутрішньою.

Фізичні властивості (щільність, в’язкість) суспензій і емульсій визначаються об’ємним співвідношенням фаз, складаючих систему, і їх фізичними властивостями. Середня щільність суспензій і емульсій r_см (кг/м³) розраховується за рівнянням:

 

,

 

де r_д, r_с – щільність дисперсної та суцільної фаз, кг/м³,

j - об’ємна частка дисперсної фази.

В’язкість суспензії m_см (Н×сек/м²) залежить від концентрації твердої фази, проте не залежить від розміру твердих частинок. В’язкість суспензій визначається таким чином:

1. при об’ємній концентрації твердої фази не більше 10%:

 

,

 

2. при об’ємній концентрації твердої фази більше 10%:

 

,

де - в’язкість суцільної фази, н×сек/м².

В’язкість емульсій m_ем (Н×сек/м²) знаходиться за рівняннями:

1. при об’ємній концентрації дисперсної фази не більше 50%:

 

2. при об’ємній концентрації дисперсної фази більше 50%:

 

,

де m_с, m_д – в’язкість суцільної і дисперсної фаз, Н×сек/м².

Піни – це системи, які складаються з рідини і розміщених у ній пухирців газу. Ці газорідинні системи за своїми властивостями близькі до емульсій.

Пили і дими – це системи, які складаються з газу і розміщених у ній частинок твердої речовини. Пили утворюються зазвичай під час механічного розподілу частинок у газі (під час подрібнення, змішування і транспортування твердих матеріалів та ін.). Розміри твердих частинок пилу складають приблизно 3-70 мкм. Дими утворюються в процесах конденсації парів (газів) під час переходу їх у рідкий чи твердий стан, при цьому утворюються тверді зважені в газі частинки розмірами 0,3-5 мкм. Під час утворення дисперсної фази з частинок рідини приблизно таких самих розмірів (0,3-5 мкм) виникають системи, які мають назву туманів. Пили, дими і тумани являють собою аеродисперсні системи, чи аерозолі.

Вказані системи можуть утворюватися також під час хімічної взаємодії газів, протікаючих з утворенням твердої чи рідкої фаз. При цьому дисперсність системи буде визначатися швидкістю утворення центрів (ядер) конденсації і швидкістю їх росту.

У хімічній технології широко розповсюджені процеси, пов’язані з розділенням рідких і газових неоднорідних систем. Вибір методу їх розділення обумовлюється, головним чином, розмірами зважених частинок, різницею щільностей дисперсної та суцільної фаз, а також в’язкістю суцільної фази. Застосовують такі основні методи розділення:

1. осадження,

2. фільтрування,

3. центрифугування,

4. мокре розділення.

Ці методи лежать у основі гідромеханічних процесів розділення неоднорідних систем.

Осадження являє собою процес розділення, при якому зважені в рідині чи газі тверді чи рідкі частинки відділяються від суцільної фази під дією сили тяжіння, сил інерції (у тому числі відцентрових) або електростатичних сил. Осадження, яке відбувається під дією сили тяжіння, називається відстоюванням. В основному відстоювання застосовується для попереднього, грубого розділення неоднорідних систем.

Фільтрування – це процес розділення за допомогою пористої перегородки, спроможної пропускати рідину чи газ, але затримувати зважені в середовищі тверді частинки. Це здійснюється під дією сил тиску чи відцентрових сил і застосовується для більш тонкого розділення суспензій і пилу, ніж шляхом осадження.

Центрифугування – це процес розділення суспензій і емульсій в полі відцентрових сил. Під дією цих сил осадження поєднується з ущільненням утворюючого осаду, а фільтрування – з ущільненням і механічним сушінням осаду.

Мокре розділення – процес вловлювання зважених у газі частинок будь-якою рідиною. Воно відбувається під дією сил тяжіння чи сил інерції і застосовується для очищення газів і розділення суспензій. Під час обробки суспензій мокре розділення застосовують в комбінації з іншими способами розділення (промивання осадів у процесах відстоювання і фільтрування).

Не дивлячись на спільність принципів розділення рідких і газових неоднорідних систем деякі методи їх розділення, а також застосовуюче обладнання в ряді випадків мають специфічні особливості.