Неоднорідні системи і методи їх розділення.

Лекція № 12

Неоднорідні системи і методи їх розділення.

Неоднорідними, або дисперсними, називаються системи, утворені із двох або більшої кількості фаз із розвинутою поверхнею розділу між ними.

Будь-яка неоднорідна (бінарна) система складається з дисперсної (внутрішньої) фази, розподіленої у вигляді дрібних частинок (краплинок, кристаликів, плівок, пластинок, бульбашок) у другій суцільній фазі – дисперсійному середовищі.

Залежно від фізичного стану фаз розрізняють: суспензії, емульсії, піни, пили, дими й тумани.

Суспензії – неоднорідні системи, які складаються з рідини (дисперсійне середовище) і зважених у ній твердих частинок (дисперсна фаза). Залежно від розмірів частинок твердої речовини суспензії умовно поділяють на чотири групи: грубі суспензії (>100мкм), тонкі (0,5 – 100мкм), муті (0,1 – 0,5мкм), колоїдні розчини (<0,1мкм).

Емульсії складаються з рідин, які не змішуються. Одна з них розподілена в другій у вигляді краплинок, розміри яких можуть коливатися в значних межах. Коли розміри краплинок менші ніж 0,4-0,5мкм, емульсії стабільні і не розшаровуються під дією сили тяжіння. Стійкими емульсії стають і у випадку, коли в них додають спеціальні речовини - стабілізатори. Із збільшенням концентрації емульсованої речовини в емульсіях стає можливою інверсія фаз: краплинки дисперсної фази зливаються одна з одною й утворюють суцільну фазу, в якій розподілені краплинки рідини, що була раніше дисперсійним середовищем.

Піни – це системи, які складаються з рідини і розподілених у ній бульбашок газу. За своїми властивостями піни близькі до емульсій.

Пили й дими – системи, які складаються з газу й розподілених у ньому частинок твердої речовини. Вони відрізняються розмірами зважених частинок: пили мають частинки розмірами 5-100мкм, дими – 0,3-5мкм.

Суспензії отримують диспергуванням твердих тіл у рідкому середовищі, змішуванням сухих порошків із рідинами, укрупненням колоїдних частинок внаслідок коагуляції

Пили утворюються під час подрібнення, змішування, транспортування й переробки твердих матеріалів, спалюванні зольного палива тощо; дими й тумани - у процесах конденсації парів (газів), коли вони переходять у твердий або рідкий стан. Пили, дими й тумани являють собою аеродисперсні системи, або аерозолі.

В хіміко-фармацевтичній технології неоднорідні системи утворюються в багатьох процесах і в подальшому потребують розділення. Розділення проводиться з різною метою, а саме очищення газової або рідкої фази від зважених у ній забруднюючих частинок, або виділення цінних продуктів. Вибір методу розділення залежить від розмірів зважених частинок, різниці густин дисперсної й суцільної фаз, в’язкості суцільної фази.

Використовують наступні основні методи розділення неоднорідних систем:

1) осадження;

2) фільтрування;

3) центрифугування;

4) мокре розділення.

Осадження відбувається під дією сил тяжіння, сил інерції (також відцентрових) або електростатичних сил. Осадження, яке відбувається під дією сил ваги називається відстоюванням.

Фільтрування – процес розділення під дією сил тиску або відцентрових сил з використанням пористих перегородок, що пропускають рідину або газ і затримують тверду фазу. Використовується для більш тонкого розділення суспензій і пилу, ніж шляхом осадження.

Центрифугування – розділення суспензій і емульсій у полі відцентрових сил, що виникають під час швидкого обертання ротору. Під дією означених сил осадження супроводжується ущільненням осаду.

Мокре розділення – процес вловлювання зважених у газі частинок тою чи іншою рідиною. Відбувається під дією сил тяжіння або сил інерції і використовується, головним чином, із метою очищення запилених газів.

 

Матеріальний баланс процесу розділення

Вміст зважених частинок у проясненій рідині і в осаді вибирається залежно від технологічних умов виробництва

Розділення рідких систем методом відстоювання

 

Відстоюванням називається процес видалення зважених твердих частинок з об’єму або потоку рідини шляхом осадження під дією сили тяжіння. Процеси відстоювання поділяються на згущування й прояснювання. Метою згущування є збільшення концентрації твердої фази, а прояснювання – видалення твердої речовини з відносно розбавлених суспензій.

 

Швидкість стислого осадження

При вивченні зовнішньої задачі гідродинаміки були розглянуті закономірності руху твердих тіл у рідині і визначена швидкість осадження поодинокої частинки, яка залежить, у першу чергу, від сили опору середовища. Із збільшенням концентрації твердої фази частинки зазнають додаткового опору, обумовленого тертям і співударяннями частинок. Одночасно під час осадження частинки витісняють рідину, внаслідок чого виникає висхідний потік середовища, який також гальмує рух твердої фази. Таким чином цілком зрозуміло, що швидкість ускладненого (його ще називають колективним або солідарним) осадження менша від швидкості вільного осадження, і різниця у швидкостях тим більша, чим більша концентрація твердої фази у суспензії. Із збільшенням концентрації зростає і в’язкість суспензії, що призводить до зменшення швидкості осадження.

Апаратура для розділення рідких неоднорідних систем

Відстійники для суспензій. Найпростішими апаратами для розділення суспензій є відстійники, які також називають згущувачами. Відстійники поділяються на апарати періодичної, напівнеперервної і неперервної дії. Неперервно діючі відстійники, у свою чергу, поділяються на одноярусні, двоярусні й багатоярусні.

Відстійники періодичної дії являють собою низькі резервуари без перемішуючих пристроїв. Подавання суспензії, зливання проясненої рідини й видалення осаду в цих апаратах здійснюється періодично.

Для відстоювання значної кількості рідини, наприклад для очистки стічних вод, використовують бетонні басейни великих розмірів або декілька послідовно з‘єднаних резервуарів, що працюють напівнеперервним способом: рідина поступає і видаляється неперервно, а осад вивантажується з апарату періодично.

На рис.12.1 показаний відстійник напівнеперервної дії з похилими перегородками. Вихідна суспензія подається на штуцер 1 в корпус 2 апарата, всередині якого розміщені похилі перегородки 3, що направляють потік почергово догори і донизу. Наявність перегородок збільшує час перебування рідини і поверхню осадження в апараті. Осад збирається в конічних днищах (бункерах) 4, звідки періодично видаляється, а освітлена рідина неперервно виводиться з відстійника через штуцер 5.

Рис.12.1 Відстійник з похилими перегородками:

1- штуцер для вводу вихідної суспензії; 2- корпус; 3- похилі перегородки; 4- бункери для осаду; 5- штуцер для відведення освітленої рідини

В промисловості найпоширенішими є відстійники неперервної дії (Рис.12.2)

Корпус; 2 – кільцевий жолоб; 3 – труба для подавання суспензії; 4 – електродвигун; 5 – патрубок для виведення проясненої рідини; 6 – лопаті з гребками; 7 – мішалка; 8 –розвантажувальний пристрій для осаду

В резервуарі вмонтована мішалка 7 із нахиленими лопатнями, на яких закріплені гребки 6 для неперервного переміщення осадженого матеріалу до розвантажувального отвору 8. Згущена суспензія (з вмістом рідини не більше 35-55%) видаляється через розвантажувальний отвір за допомогою діафрагмового насоса. Вихідна суспензія безперервно подається зверху через трубу 3, а прояснена рідина переливається у кільцевий жолоб і виводиться через штуцер 5. Вал мішалки приводиться в обертання від електродвигуна 4 через редуктор. Кількість обертів мішалки від 0,015 до 0,5 об/хв., тобто мішалка обертається настільки повільно, що не порушує процесу осадження. В той самий час, гребки мішалки, переміщуючи осад до розвантажувального отвору, дещо згущують його, і тим самим сприяють більш ефективному зневоднюванню осадженого матеріалу.

У відстійниках збалансованого типу навантаження на днище сприймає тільки нижній ярус; крім цього, у цих відстійниках немає потреби у спеціальних ущільненнях в місцях проходження вала через днища ярусів.

Відстійники для емульсій за принципом дії поділяються на періодичної й неперервної дії. Прикладом апаратів неперервної дії для розділення емульсій може бути відстійник, зображений на рис.12.4. Він являє собою резервуар циліндричної форми, розміщений вертикально. Емульсія вводиться в середню частину апарата між двома перфорованими перегородками 1 і 2, які запобігають турбулізації рідини в апараті внаслідок подачі струменя вихідної суспензії. Поперечний переріз апарата повинен бути таким, щоб забезпечувався ламінарний режим руху емульсії. За цієї умови прискорюється швидкість відстоювання і покращується якість розділення. Після розшарування легка рідина відводиться з апарата через верхній патрубок, а тяжка – через нижній. Висоти (від рівня розділу фаз) патрубків для відведення легкої й тяжкої рідин h₁ і h₂ залежать від густин рідин ρ₁ і ρ₂ і відповідають співвідношенню

Рис. 12.4. Відстійник для емульсій неперервної дії:

Розрахунок відстійників

Припустимо, що за проміжок часу τ (с) суспензія розділяється на шар проясненої рідини h₁ і шар згущеної суспензії h₂ Якщо поверхня осадження F м², а об’єм отриманої проясненої рідини становить h₁ F м³, то об’єм проясненої рідини за одиницю часу

Рис.12.5. Схема одноярусного відстійника з гребковою мішалкою

За час τ (с) тверді частинки проходять шлях w _ст·τ. В той самий час, цей шлях дорівнює h₁, м. Таким чином

Підставимо це значення h₁ у попереднє рівняння і отримаємо:

м³/с

З рівняння бачимо, що продуктивність відстійника пропорційна поверхні осадження і формально не залежить від його висоти.

З цього рівняння знаходимо необхідну поверхню відстоювання:

м²

Методику визначення швидкості стислого осадження w _ст ми розглянули вище. Враховуючи, що V_пр = і, приймаючи до уваги рівняння матеріального балансу розділення надамо рівнянню інший вигляд:

м²

В цих залежностях швидкість стислого осадження w _ст розраховується для найдрібніших частинок, осадження яких задається умовами розрахунку.

Після розрахунку площі осадження (площі поперечного перерізу відстійника) розраховується діаметр апарата:

, м

Для того, щоб запобігти перемішуванню рідини біля вільної поверхні, висоту зони вільного осадження відстійника приймають рівній h₁=0,45 - 0,75 м. Верхні граничні значення h₁ вибирають для більш концентрованих суспензій.

Висоту зони згущування визначають таким чином.

За заданою відносною густиною твердої фази Δ_т і середнім розбавленням суспензії у зоні згущення n=Р/Т (приймається в межах n=1,5÷3) розраховують відносну густину суспензії

і масову концентрацію її у зоні згущення:

Далі визначають вміст твердої фази в 1 м³ згущеної суспензії

, кг/м³

і кількість твердої фази, яка осаджується на одиницю поверхні відстійника за час τ, необхідний для ущільнення суспензії в зоні згущення (залежно від густини твердої фази, розмірів частинок, в’язкості та густини рідини час ущільнення суспензії може досягати декількох годин)

, кг/м²

Враховуючи неперервність видалення осаду з апарата, висота зони згущення

, м.

Висоту зони розміщення лопатей мішалки визначають, виходячи з нахилу лопатей, який приймається рівним 0,146 м на 1 м довжини.

Таким чином

, м

Тоді загальна висота відстійника буде дорівнювати

H = h₁ + h₂ + h_3, м.

 

Лекція № 12

Неоднорідні системи і методи їх розділення.

Неоднорідними, або дисперсними, називаються системи, утворені із двох або більшої кількості фаз із розвинутою поверхнею розділу між ними.

Будь-яка неоднорідна (бінарна) система складається з дисперсної (внутрішньої) фази, розподіленої у вигляді дрібних частинок (краплинок, кристаликів, плівок, пластинок, бульбашок) у другій суцільній фазі – дисперсійному середовищі.

Залежно від фізичного стану фаз розрізняють: суспензії, емульсії, піни, пили, дими й тумани.

Суспензії – неоднорідні системи, які складаються з рідини (дисперсійне середовище) і зважених у ній твердих частинок (дисперсна фаза). Залежно від розмірів частинок твердої речовини суспензії умовно поділяють на чотири групи: грубі суспензії (>100мкм), тонкі (0,5 – 100мкм), муті (0,1 – 0,5мкм), колоїдні розчини (<0,1мкм).

Емульсії складаються з рідин, які не змішуються. Одна з них розподілена в другій у вигляді краплинок, розміри яких можуть коливатися в значних межах. Коли розміри краплинок менші ніж 0,4-0,5мкм, емульсії стабільні і не розшаровуються під дією сили тяжіння. Стійкими емульсії стають і у випадку, коли в них додають спеціальні речовини - стабілізатори. Із збільшенням концентрації емульсованої речовини в емульсіях стає можливою інверсія фаз: краплинки дисперсної фази зливаються одна з одною й утворюють суцільну фазу, в якій розподілені краплинки рідини, що була раніше дисперсійним середовищем.

Піни – це системи, які складаються з рідини і розподілених у ній бульбашок газу. За своїми властивостями піни близькі до емульсій.

Пили й дими – системи, які складаються з газу й розподілених у ньому частинок твердої речовини. Вони відрізняються розмірами зважених частинок: пили мають частинки розмірами 5-100мкм, дими – 0,3-5мкм.

Суспензії отримують диспергуванням твердих тіл у рідкому середовищі, змішуванням сухих порошків із рідинами, укрупненням колоїдних частинок внаслідок коагуляції

Пили утворюються під час подрібнення, змішування, транспортування й переробки твердих матеріалів, спалюванні зольного палива тощо; дими й тумани - у процесах конденсації парів (газів), коли вони переходять у твердий або рідкий стан. Пили, дими й тумани являють собою аеродисперсні системи, або аерозолі.

В хіміко-фармацевтичній технології неоднорідні системи утворюються в багатьох процесах і в подальшому потребують розділення. Розділення проводиться з різною метою, а саме очищення газової або рідкої фази від зважених у ній забруднюючих частинок, або виділення цінних продуктів. Вибір методу розділення залежить від розмірів зважених частинок, різниці густин дисперсної й суцільної фаз, в’язкості суцільної фази.

Використовують наступні основні методи розділення неоднорідних систем:

1) осадження;

2) фільтрування;

3) центрифугування;

4) мокре розділення.

Осадження відбувається під дією сил тяжіння, сил інерції (також відцентрових) або електростатичних сил. Осадження, яке відбувається під дією сил ваги називається відстоюванням.

Фільтрування – процес розділення під дією сил тиску або відцентрових сил з використанням пористих перегородок, що пропускають рідину або газ і затримують тверду фазу. Використовується для більш тонкого розділення суспензій і пилу, ніж шляхом осадження.

Центрифугування – розділення суспензій і емульсій у полі відцентрових сил, що виникають під час швидкого обертання ротору. Під дією означених сил осадження супроводжується ущільненням осаду.

Мокре розділення – процес вловлювання зважених у газі частинок тою чи іншою рідиною. Відбувається під дією сил тяжіння або сил інерції і використовується, головним чином, із метою очищення запилених газів.