Пояснити способи розділення рідких гетерогенних систем (відстоювання, фільтрування, центрифугування) та принцип роботи обладнання для кожного способу розділення

Відстоювання. Відстоювання рідких гетерогенних систем - розділення під дією сил тяжіння. Процес простий у виконанні, не вимагає складної апаратури і великих енергетичних витрат.

Рушійною силою процесу є різниця густин твердої фази і дисперсійного середовища. Частинки з великим діаметром осідають швидше. Розділення цим способом залежить від характеру руху твердих частинок в ламинарном або турбулентному режимі. Збільшення в'язкості і некуляста форма частинок знижують швидкість відстоювання. В суспензіях з великою концентрацією твердої фази слід враховувати фізіко-хімічні взаємодії між частинками фази одна з одною і з дисперсійним середовищем, які можуть привести до укрупнення частинок або до утворення у них однойменних зарядів, що викликає в першому випадку прискорення процесу, а в другому - може сформуватися седіментаційно стійкі системи, що важко розділити.

Відстоювання проводять у відстійниках або седиментаторах періодичної, напівбезперервної або безперервної дії.

Відстійники періодичної дії - це ємкості, що мають крани для зливу освітленої рідини на різній висоті. Після відстоювання відкривають крани, починаючи з верхнього, і зливають прозору рідину. Відстоювання можна проводити і в звичайних місткостях без крана, в цьому випадку використовується сифон або відсмоктування за допомогою шланга, який з’єднаний із монтежю.

У відстійниках напівбезперервної дії бесперервно подається суспензія і зливається освітлена рідина, а осад віддаляється періодично. За рахунок збільшення діаметра розтруба швидкість руху рідини в ньому зменшується і частинки за інерцією осідають на дні. Рідина у вигляді ламинарного потоку із швидкістю меншою, ніж швидкість осідання частинок, підіймається вгору, не захоплюючи їх за собою.

У відстійниках безперервної дії суспензія подається в центральну частину апарату безперервно, осад за допомогою скребка виводиться через штуцер в нижній частині відстійника. Освітлена рідина через кільцеподібний жолоб, розташований у верхній частині апарату, постійно зливається. Підвищення продуктивності в основному достягається за рахунок збільшення площі відстоювання. Недоліками процесу є мала продуктивність і тривалість. Повнота розділення не досягається і осад звичайно містить до 40-70% рідини.

Фільтрування - це процес розділення неоднорідних систем: суспензій і аерозолів за допомогою пористих перегородок (фільтрів).Закономірності процесу розглянемо на прикладі розділення суспензій. Рідина контактує з поверхнею фільтру і під дією різних сил середовище проходить через пори і збирається у вигляді фільтрату, а тверді частинки затримуються.

Фільтруючі перегородки повинні відповідати наступним вимогам: затримувати частинки певних розмірів; володіти хімічною стійкістю; мати достатню механічну міцність; забезпечувати мінімальний гідродинамічний опір; не змінювати фізико-хімічних властивостей фільтрату; забезпечувати можливість регенерації; бути доступними і дешевими.

Залежно від властивостей перегородки і суспензій розрізняють затримання частинок в глибині або на поверхні фільтруючого матеріалу.

Процес затримання частинок в глибині супроводжується механічним затриманням твердих частинок суспензії в товщі капілярно-пористого матеріалу перегородки, а також за рахунок адсорбції і электро-кінетичної взаємодії, що поступово веде до закупорення пор. Цей спосіб доцільно застосовувати для малоконцентрованих суспензій.

Затримання частинок на поверхні - процес відбувається з утворенням осаду на поверхні перегородки, який є додатковим фільтруючим шаром і поступово збільшує загальний гідравличний опір просуванню рідини. Роль перегородки в цьому випадку полягає в механічному затриманні частинок. Використовується для фільтрування суспензій із вмістом твердої фази більше 1%.

По структурі фільтруючі перегородки ділять на дві групи:

1) перегородки, що стискаються і гнучкі, пори яких можуть змінювати розміри і форму. Це в основному мембранні фільтри. Для зменшення деформації їх звичайно укладають на міцні перегородки, використовуючи декілька шарів предфильтров. На деформацію пор і капілярів суттєвий вплив надають пульсація тиску, створювана насосами, або товщина шару фільтрованої рідини, яка змінюється. Тому в умовах з фільтрами, що стискаються прагнуть зменшити пульсації ресівером;

2) перегородки, що не стискаються, виготовляють у вигляді плит, дисків, пластин, патронів, циліндрових пучків трубок. Одержують їх методом спікання або відпалу однорідних зерен силікатної суміші скляних, фарфорових порошків з добавками зв'язуючих речовин і пластификаторів. В цю групу входять металокерамічні і керамічні фільтри, фільтри з пористої неіржавіючої сталі.

Залежно від структури і властивостей матеріали, з яких роблять фільтри, ділять на наступні групи:

- тканини з натурального бавовняного волокна, саржа, марля і ін. Вони стійкі до нейтральних, слабокислих (до 1,5% розчинів кис­лот) і слаболужних розчинів (до 10% розчинів лугів), витримують температуру до 100 °С, утворюють фільтри з розмірами пор від 2,9 до 55 мкм.

- синтетичні тканини з поліхлорвінилового, поліамідного, лавсанового і тефлоного волокон.

- тканини з неорганічного волокна - скло­волокно, просочене смолами або клеями, азбестові і металеві. - нетканинні фільтри - фільтрувальний папір з порами від 8 до 12 мкм, від 5 до 7 мкм, від 5 до 10 мкм. Вони витримують температуру до 150 °С До цієї групи входять також фільтри з перхлорвінила, з волокон, що містять фтор, фільтри з пористої неіржавіючої сталі з порами від 7 до 13 мкм, 3-8 мкм

Фільтруючі матеріали перед вживанням необхідно обов'язково промити для повного видалення розчинних речовин, твердих частинок або волокон.

Фільтри, що працюють під вакуумом - нутч-фільтри, складаються з товстостінної циліндрової судини з фаянсу або кераміки, внутрішня частина якого розділена перфорованою перегородкою з укріпленою на ній декількома шарами фільтрувального паперу і бельтинга. У верхню частину фільтру заливається суспензія, фільтрат збирається на дні нижньої частини. Вакуум створюється під перегородкою, за рахунок вакуумної лінії, сполученої через ресівер з вакуумним насосом. Призначення ресивера- згладжувати пульсації насоса і попереджати перекидання в нього краплинної фази.

Фільтри, що працюють під тиском - друк-фільтри представляють циліндрову місткість з перфорованою перегородкою в нижній частині {з укріпленим на ній фільтруючим матеріалом), на яку подається суспензія під тиском зверху за допомогою стислого повітря або інертного газу. Для подачі рідини на фільтр використовується монтежю. Це вертикальний резервуар з хімічно стійкого матеріалу, тут значно вище, ніж на нутч-фільтрах і може складати від 2 до 12 атм. Фільтри прості по пристрою, мають високу продуктивність, дозволяють фільтрувати в'язкі, легколеткі і з великим питомим опіром осідання рідини. Недоліком є те, що для вивантаження осаду необхідно знімати верхню частину фільтру і збирати його вручну.

Центрифугування - розділення гетерогенних систем під дією сил відцентрового поля. Відцентрове поле створюється в центрифугах за рахунок обертання рідини, що розділяється, в роторі, який кріпиться на горизонтальному або вертикальному валу і приводиться в обертання електродвигуном за допомогою передавального механізму. За принципом дії розрізняють центрифуги фільтруючі і відстійні. Останні мають суцільний ротор, відцентровее поле якого прискорює процес відстоювання суспензії на його внутрішніх стінках. Швидкість вістоювання при центрифугуванні значно вище швидкості відстоювання під дією сили тяжіння. У фильтруючих центрифугах ротор перфорований, усередині нього укладається фільтруючий матеріал і під дією відцентрової сили відбувається фільтрування.

Важливою характеристикою роботи центрифуг є фактор розділення. Це безрозмірна величина, що позначає відношення швидкостей руху твердих тіл в рідині у відцентровому і гравітаційному полях.

По величині фактору розділення центрифуги ділять на дві групи:

I) нормальні, де фактор розділення Fr < 3500 (ротор має діаметр більше 200 мм і швидкість обертання складає 700- 1500 об/мин);

2) надцентрифуги Fr >> 3500 (вузький трубчастий ротор діаметром 40- 200 мм, швидкість обертання від 5000 до 45000 об/мин).

За способом вивантаження розрізняють центрифуги з ручним видаленням осаду, за допомогою ножів, шнеків і виштовхуючих або пульсуючих поршнів. В цент­рифугах періодичної дії у міру накопичення осаду ротор зупиняють для вивантаження осаду або припиняють подачу розчину, зменшують швидкість обертання ротора і за допомогою ножів знімають осад і знов включають на задану швидкість ротора, продовжуючи процес розділення.

В центрифугах бесперервної дії постійно здійснюються подача розчину і вивантаження розділених продуктів.

Центрифугування відрізняється від інших способів розділення тим, що після формування осаду, останній можна промити і під дією відцентрового віджимання видалити з нього значну частину рідини. Після розділення в осаді залишається мінімальна (від I до 50 %) кількість утримуваної рідини. У фільтруючих центрифугах, окрім віджиму, відбувається і деяке висушування осаду циркулюючим в роторі повітрям.