1.7. Классификация гетерогенных систем. Разделение неоднородных си­стем «жидкость-твердое тело». Отстаивание, центрифугирование, фильтрация.

Под неоднородной системой понимают систему, состоящую из различных фаз (жидкость – твердое тело, жидкость – газ и так далее). Любая неоднородная система состоит из двух и более фаз. Одна фаза, дисперсная, или внутренняя, находится в мелкодисперсном состоянии; другая – дисперсионная, или внешняя, является сплошной, окружает отдельные частицы дисперсной фазы и представляет собой среду, в которой распределены частицы дисперсной фазы.

В зависимости от физического состояния фаз различают следующие неоднородные системы:

  • Суспензия (дисперсная фаза: твердое ве-во, дисперсионная среда: жидкость )
  • Эмульсия (фаза: жидкость, среда: жидкость)
  • Пена (фаза: газ, среда: жидкость)
  • Пыль, дым (фаза: твердое ве-во, среда: газ)
  • Туман  (фаза: жидкость, среда: газ)

Всякая неоднородная система характеризуется концентрацией дисперсной фазы и размерами частиц. Все системы, состоящие из жидких и твердых фаз в зависимости от размеров частиц твердого вещества могут быть разделены:

Грубые суспензии >100

Тонкие суспензии 0,5 – 100

Мути 0,1 – 0,5

Коллоидные растворы <0,1

Граница между суспензиями (взвесями) и коллоидными растворами определяется появлением броуновского движения твердых частиц. С возникновением броуновского движения эти частицы не могут осадиться под действием силы тяжести.

Неоднородные системы образуются:

1) в результате механического распределения твердых частиц в газе (пыли 5-100)

 2) при конденсации паров (газов) с переходом их в жидкое или твердое состояние (туманы, дымы – конденсированные 0,3-0,5 мк (размер частиц)).

Методы разделения:

Осаждение – разделение суспензий и пылей. Происходит под действием силы тяжести, сил инерции, электростатических сил и звуковых волн.

Фильтрование – осуществляется под действием сил давления или центробежных сил.

Мокрое разделение – для очистки газов и при обработке суспензий в комбинации с другими способами (промывка осадков при отстаивании и фильтровании).

Отстаивание  - процесс осаждения под действием сил тяжести. Протекает в несколько стадий. Перемешанную суспензию помещают в цилиндр. Сначала твердые частицы равномерно распределены, но потом осаждаются на дне (слой наимболее крупных частиц). Над осадком образуется слой сгущенной суспензии. Выше переходная зона. Над ней – слой чистой жидкости. Конец – полное разделение ее на осадок и осветленную жидкость. Состояние, при котором переходная зона исчезает, носит название критической точки.

Центрифугирование – осуществляется в машинах – центрифугах. Основная часть центрифуги – барабан (корзина) со сплошными или дырчатыми стенками, вращающийся с большой скоростью на вертикальном или горизонтальной валу. Процессы: центробежное фильтрование, центробежное отстаивание, центробежное осветление.

Центрифугирование классифицируется по:

  1. по величине фактора разделения
  2. по величине индекса производительности
  3. по режиму работы (периодический или непрерывный)
  4. по способу выгрузки осадка
  5. по конструктивным признакам.

Фильтрация – разделение при помощи пористой перегородки, пропускающей жидкость (фильтрат) и задерживающей взвешенные в ней твердые частицы.

Виды:

  1. фильтрование с образованием слоя осадка на фильтрующей перегородке
  2. сгущение – отделение твердой фазы от жидкой не в виде осадка, а виде высококонцентрированной (сгущенной) суспензии
  3. осветление – фильтрование жидкостей с незначительным содержанием твердой фазы.

Получаемы осадки делят на снимаемые и неснимаемые.

Различают кристаллические, аморфные, и коллоидные осадки.

Для полного удаления из осадка маточного раствора – осадки промывают.

ХАРАКТЕРИСТИКА   НЕОДНОРОДНЫХ   СИСТЕМ

Гидромеханическими процессами называются процессы обработки жидких и газовых неоднородных систем, направленные на разделение этих систем или их получение. Разделение жидких систем может проводиться под действием силы тяжести (отстаивание), центробежной силы (отстойное центрифугирование и центробежная фильтрация) или давления (фильтрация). Кроме того, применяется отстаи­вание с предварительным укрупнением частиц электрическими силами.

Для газовых неоднородных систем применяются те же методы разделения, а также осаждение в электрическом поле (электроочистка газов) и мокрое разделение (мокрая очистка газов). Жидкие неоднородные системы получаются при перемешивании, хотя перемешивание очень часто является не самоцелью, а подсобным процессом для интенсификации теплопередачи, растворения, экстрагирования твердых тел, химических реакций.

Неоднородными системами или суспензиями называются жидкости и газы, содержащие взвешенные в них твердые частицы или капельки другой жидкости.

Жидкая суспензия именуется эмульсией, если представляет взвесь капелек жидкости в среде другой жидкости; взвесь твердых частиц п газе называется пылью или дымом, жидких мелких капелек в газе — туманом.

Неоднородные системы характеризуются концентрацией взвешенного вещества и размером частиц. От концентрации: зависят выходы продуктом при разделении суспензий. При составлении материальных балансов разделения жидких неоднородных систем обычно задают начальную концентрацию взвешенного вещества (дисперсной фазы) н суспензии, а конечная может быть принята сообразно процессу и составу дисперсной фазы; осадок же твердого вещества всегда удерживает некоторое количество жидкости, составляющем так называемую влажность осадка.

В газовых системах концентрацию пыли и тумана обычно задают в г/м3 газа и при подсчетах объема газов ее можно не учитывать. Рассчитывая же объем осажденной пыли, надо иметь в виду, что она содержит много газа и что ее объемный вес, определяемый опытом, значительно меньше (иногда в несколько раз) истинного удельного веса твердого вещества.

Размеры частиц весьма существенно влияют на процесс разделения: неоднородные системы разделяются тем труднее, чем мельче частицы. Очень мелкие частицы (менее 0,5 мк) становятся уже чувствительными к ударам молекул жидкости и газа при Броуновском движении последних; из-за этого они не могут, например, отделяться отстаиванием. Для газовых суспензий размер частиц зависит от их происхождения: пыль и брызги механического происхождения образовавшиеся, например, при дроблении, пересыпании и т. д., состоят из сравнительно крупных частиц, размерами порядка десятков микронов; дым и туман, образующиеся в результате конденсации паров каких-либо веществ (легкоплавких металлов, смол, кислот) или в результате химических реакций в газовой среде, состоят из очень мелких частиц размерами в несколько микроноа или даже долей микрона.

ОТСТАИВАНИЕ

Разделение суспензии отстаиванием происходит под действием силы земного притяжения при наличии разницы в удельных весах взвешенных частиц и жидкой с роды (в газах такая разница всегда имеется). Частицы движутся но вертикали вниз и, достигнув ограничивающей поверхности, при отсутствии чрезмерной турбулентности потока образуют слои осадка. В эмульсиях частицы распределенной жидкости тонут или всплывают в среде основной жидкости и, сливаясь, образуют сплошной слой; затем обе жидкости могут быть выведены раздельно.

ФИЛЬТРАЦИЯ

Фильтрацией называется разделение суспензий пропусканием их через пористые перегородки, задерживающие взвешенные в жидкостях или газах твердые частицы. Последние образуют па перегородке слой осадка; очищенная жидкость называется фильтратом.

Для прохода жидкости или газа через фильтрующую перегородку, а в дальнейшем через перегородку и слой осадка, представляющие сопротивление потоку, требуется перепад давления, который и является движущей силой процесса фильтрации. Перепад давления может создаваться весом столба жидкости над фильтрующей перегородкой (гидростатическая фильтрация), избыточным давлением жидкости, например при подаче ее насосом (фильтрация под давлением), или, наконец, путем создания разрежения под фильтрующей перегородкой при помощи вакуум-насоса (фильтрация под вакуумом), причем в последнем случае движущей силой процесса будет разность между давлением над перегородкой атмосферы или среды инертного газа и абсолютным давлением под перегородкой, т. е. в конечном счете величина вакуума.

Виды фильтрующих перегородок

Для фильтрации могут применяться следующие виды перегородок:

насыпные фильтры, состоящие из слоя мелкозернистых материалов (гравий, песок, кокс), хорошие в отношении полноты разделения суспензий, по с большим сопротивлением; осадок проникает внутрь фильтрующего слоя и с трудом от него отделяется; фильтр применим для суспензий с очень малой концентрацией нсутилизируемого-осадка;

набивные фильтрыиз слоя волокнистых материалов (вата хлопчатобумажная, шерстяная, шлаковая, стеклянная, асбестовое волокно и т. д.); характеристика та же, что и насыпных фильтров;

керамические фильтры — перегородки из плоских пористых кислотоупорных плиток, трубы из пористой керамики (поролитоные фильтры и др.); характеристика та же; применяются для фильтрации кислых сред;

тканевые   фильтры — с относительно малым сопротивлением и конструктивно наиболее удобные; имеют наибольшее распространение;

проволочные плетеные фильтрысетки из тонкой проволоки и.; цветных металлов и сплавов; задерживающая способность низкая, но так как через небольшое время после начала фильтрации фильтрующей перегородкой становится отложившийся осадок, сетчатые фильтры все же находят применение, причем первые порции мутного фильтрата возвращают на повторную фильтрацию.

ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ОСАЖДЕНИЕ И ЦЕНТРОБЕЖНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ

Создать   центробежную силу   практически   можно   двояко:

1) привести во вращение от механического привода сосуде заключенной в нем жидкостью, затрачивая на это механическую работу;

2) заставить  вращаться  в   аппарате  специальной  формы   поток жидкости или газа, вводимый в аппарат с большой скоростью, т. е. получить вращение за счет скоростного напора, что эквивалентно использованию перепада давления.

3)Аппараты с вращающимся сосудом (барабаном, ротором) носят название центрифуг; неподвижные аппараты с вращающимся в них  потоком газа или жидкости называются циклонами и гидроциклонами.

 

Конструктор сайтов - uCoz