Розділення неоднорідних систем

Неоднорідними, або гетерогенними, системами називаються системи, що складаються із двох або кількох фаз. Фази, що складають систему, можуть бути, в принципі, механічно відокремлені одна від одної.

В залежності від фізичного стану фаз розрізняють: суспензії, емульсії, піни, пил, дим і туман.

Суспензії – неоднорідні системи, що складаються із рідини і завислих в ній твердих частинок.

Емульсії – системи, що складаються із рідини і розподілених в ній краплин іншої рідини, рідини при цьому не змішуються.

Піни – системи, що складаються із рідини і розподілених в ній пухирців газу.

Пил і дим – системи, що складаються із газу і розподілених в ньому частинок твердої речовини.

Тумани – системи, що складаються із газу і розподілених в ньому частинок рідини.

Пил, дим і тумани є аеродисперсними системами, або аерозолями.

Застосовують наступні основні методи розділення фаз:

Осадження – процес розділення, при якому завислі в рідині або газі тверді або рідкі частинки відокремлюються від суцільної фази під дією сил тяжіння (відстоювання), сил інерції (центрифугування) і електростатичних сил (електростатичне розділення).

Фільтрування – процес розділення за допомогою пористої перетинки, здатної пропускати рідину або газ, але затримує завислі в середовищі тверді частинки. Воно здійснюється під дією сил тиску або центробіжних сил і застосовується для більш тонкого розділення суспензій і пилу, ніж шляхом осадження.

Незважаючи на спільність принципів розділення рідких і газових неоднорідних систем деякі методи їх розділення, а також обладнання, яке для цього використовується, в ряді випадків має специфічні особливості. Тому процеси розділення рідких і газових систем розглянемо окремо.

Розділення рідких систем

Відстоювання – як було зазначено вище, це процес розділення в основі якого лежать сили тяжіння.

Досвід показує, що при відстоюванні неоднорідних систем спостерігається поступове збільшення концентрації дисперсних частинок в апараті в напрямку зверху донизу (рис. 5.9).

Рис. 5.9 Схема процесу відстоювання

Над шаром осаду (зона 1) утворюється зона згущеної суспензії (зона 2), в якій відбувається стиснене осадження частинок, що супроводжується тертям між частинками і їх взаємним зіткненням. При цьому дрібніші частинки гальмують рух більш крупних, а частинки більшого розміру захоплюють за собою дрібніші частинки, прискорюючи їх рух. В результаті виникає колективне (солідарне) осадження. Процес сповільнюється гальмуючою дією рідини, що витісняється частинками, що осаджуються і рухається від дна догори, в напрямку протилежному руху частинок, що осаджуються.

Між зоною 2, яку ще називають зоною ущільненого осадження, утворюється чітко виражена межа, яка відокремлює її від зони вільного осадження (зона 3), над якою розміщується освітлена рідина (зона 4).

При періодичному процесі відстоювання висота окремих зон змінюється в часі до моменту повного розшарування неоднорідної системи на осад і освітлену рідину. Це є наслідком зміни швидкості відстоювання ω_відст в часі τ (рис 5.10).

Рис. 5.10 Залежність швидкості відстоювання від часу

На початку відстоювання осаджуються переважно найбільш крупні частинки, це викликає найбільш інтенсивний рух рідини догори. Проте у міру зменшення концентрації цих частинок гальмуюча дія зворотного току рідини сповільнюється і швидкість відстоювання зростає (ab) до моменту настання динамічної рівноваги між вагою частинок і силою опору середовища. Далі колективне осадження частинок відбувається з постійною швидкістю (bc). Завершальна і найбільш повільна стадія процесу – ущільнення осаду протікає із зменшеною швидкістю (cd). На цьому етапі частинки розташовані близько одна до другої і процес витіснення рідини стає утрудненим.

 

Фільтрування

Як було зазначено вище, фільтрування це процес розділення за допомогою фільтрувальної перетинки, при проходженні через яку суспензія розділяється на чистий фільтрат і вологий осад. Такий процес називається фільтруванням з утворенням осаду. Іноді тверді частинки проникають у пори фільтрувальної перетинки і затримуються там, не утворюючи осаду. Такий процес називають фільтруванням із закупоркою пор. Можливий такий проміжний вид фільтрування, коли тверді частинки проникають у пори фільтрувальної перетинки і утворюють на ній шар осаду.

Процес фільтрування часто супроводжується примусовим або вільним осадженням твердих частинок суспензії під дією сил тяжіння (рис.5.11). При цьому напрямок дії сил тяжіння і руху фільтрату можуть співпадати (а), бути протилежними (б) або перпендикулярними (в) в залежності від горизонтального або вертикального положення фільтрувальної перетинки, а також знаходження суспензії над перетинкою чи під нею.

а б в

Рис. 5.11 Напрямок дії сил тяжіння і руху фільтрату в фільтрах:

а) співпадає; б) протидіє; в) перпендикулярні один до одного

Центрифугування

Під центрифугуванням розуміють процес розділення неоднорідних сумішей, зокрема емульсій і суспензій, у полі центробіжних сил з використанням суцільних і прониклих для рідини перетинок. Процеси центрифугування проводяться в машинах, які називаються центрифугами.

Центрифуга (в найпростішому вигляді) – вертикальний циліндричний ротор з суцільними або перфорованими стінками. Ротор закріпляється на вертикальному валу, який приводиться в обертовий рух електродвигуном, і поміщається в співосний циліндричний нерухомий кожух, що закріплюється кришкою, яка знімається; на внутрішній поверхні ротора з перфорованими стінками знаходиться фільтрувальна тканина або тонка металева стінка.

Під дією центробіжних сил суспензія розділяються на осад і рідку фазу, яку називають фугатом. Осад залишається в роторі, а рідка фаза видаляється з нього.

У відстойних центрифугах з суцільми стінками відбувається розділення емульсій і суспензій за принципом відстоювання, причому дія сил тяжіння заміняється дією центробіжних сил.

У фільтруючих центрифугах з проникливими стінками відбувається процес розділення суспензій за принципом фільтрування, причому замість різниці тисків використовується дія центробіжних сил.

У відстойній центрифузі суспензія або емульсія, що відокремлюються відкидаються центробіжною силою до стінок ротора, причому рідка або тверда фаза з більшою густиною розміщується ближче до його осі; осад (або фаза з більшою густиною) утворює шар, біля стінок ротора, а фугат переливається через верхній край ротора.

У фільтруючій центрифузі суспензія, що розділяється також відкидається до стінок ротора і фази відокремлюються; при цьому рідка фаза проходить через фільтрувальну перетинку в кожух і відводиться із нього, тверда фаза у вигляді осаду затримується на внутрішній стороні цієї перетинки, а потім видаляється із ротора.

Розділення емульсій у відстойних центрифугах зазвичай називають сепарацією, а пристрої в яких здійснюється цей процес – сепаратором. Прикладом такого процесу є відокремлення вершків від молока.

 

Електрична очистка газу

Електрична очистка газу базується на йонізації молекул газу електричним розрядом. Якщо підвищити різницю потенціалів між електродами до кількох тисяч вольт, то газові молекули будуть розщеплятися на позитивні йони і вільні електрони. При повній йонізації газу між електродами виникають умови для електричного розряду, за достатньої напруженості поля, між електродами виникає коронний розряд, який супроводжується блакитно-фіолетовим свіченням, характерним потріскуванням, утворенням «корони» навколо електроду, на який накладено негативний заряд. Цей електрод називають коронним електродом, він, як правило, виготовляється у вигляді дротини. Другий, позитивно заряджений електрод може бути виготовлений у вигляді труби, пластини, сотів, носить назву осадочного електрода (рис. 5.12).

При виникненні «корони» утворюються йони обох знаків і вільні електрони. Під дією електричного поля позитивні йони рухаються до коронуючого електрода і нейтралізуються на ньому, а негативні йони і вільні електрони переміщуються до осадочного електрода. Стикаючись із зустрічними пилинками і крапельками, що знаходяться в газі, вони сповіщають останнім свій заряд і захоплюють їх до осадочного електрода. В результаті частинки пилу або туману осідають на позитивному електроді. Основна маса завислих в газі частинок пилу або туману набуває негативного заряду внаслідок того, що більш рухливі негативні йони і електрони проробляють більш довгий шлях із області «корони» до осадочного електрода, ніж позитивнозаряджені йони.

Пил, що осів на осадочному електроді видаляється шляхом струшування або змивання.

Рис. 5.12 Схема пластинчатого електрофільтра.