Лекция 5. Процессы разделения неоднородных и гетерогенных систем

 Неоднородными называют системы, образованные двумя или большим числом фаз, которые взаимно нерастворимы друг в друге. Эти системы обладают различной степенью устойчивости и могут быть, как правило, разделены под воздействием механических сил. Одна из фаз, сплошная, называется дисперсионной, а другая, мелкораздробленная и распределенная в первой – дисперсной фазой. В зависимости от вида дисперсионной среды различают неоднородные смеси, жидкие и газовые (таблица 4).

Таблица 4

Классификация неоднородных и гетерогенных систем

Частицы веществ дисперсной фазы могут иметь различные размеры и форму. Раздробленность определяется размером тела по наименьшей оси (а). Она также характеризуется величиной обратной «а», называемой дисперсностью (D). Все дисперсные системы классифицируются по степени дисперсности: грубодисперсные    (а › 10^-3см), микрогетерогенные (10^-3 ≥ а › 10^-5см), коллоидные (10^-5 ≥ а ›10^{-7 см), молекулярные коллоиды (растворы высокомолекулярных соединений) с размером частиц менее 10-7 см. Частицы с размером менее 10-8 см образуют растворы.}

Дисперсные системы с частицами коллоидных размеров принято называть золями, системы с газовой дисперсионной средой независимо от природы газа называют аэрозолями, а системы с жидкой дисперсионной средой – лиозолями.

Коллоидные системы образуются двумя путями: диспергированием – дроблением грубодисперсных частиц до коллоидной дисперсности; конденсацией – соединением атомов ионов или молекул в более крупные частицы коллоидных размеров.

К микрогетерогенным системам относятся суспензии (дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой), эмульсии (системы, состоящие из двух жидкостей, в которой вещества дисперсной фазы нерастворимы в дисперсионной среде), пены (высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсионная среда – жидкость, а дисперсная фаза – газ), аэрозоли и порошки (осажденные аэрозоли с твердыми частицами).

К молекулярным коллоидам относятся белки и полисахариды.

Все процессы разделения неоднородных систем по виду движущей силы относятся к механическим и гидромеханическим. Эффект разделения – это отношение количества компонента, выделенного из дисперсионной среды (Go), к начальному количеству в смеси (Gн):

Е_р = (Go/Gн) 100%                                                                                (44)

Процессы осаждения под действием силы тяжести применяются там, где система составлена из компонентов, плотность которых существенно различна. Эти способы используются для разделения грубых дисперсий и некоторых промышленных пылей. К этим процессам относится осаждение – отстаивание в поле гравитационных сил твердых частиц в жидкой среде в отстойниках различной конструкции и пылеосаждение в пылеосадительных камерах.

Среди гравитационных отстойников, используемых в промышленности, можно выделить группу простейших устройств – аппаратов периодического действия. Как правило, это цилиндрические резервуары большого диаметра (рис. 10) Аппарат 1 объемом V периодически заполняется суспензией, которая отстаивается в течение времени τ_о. Сначала сливается чистая жидкость через патрубки 2, а затем удаляется образовавшийся концентрированный осадок через патрубок 3. Такой отстойник называется периодического действия. Он же может работать и в непрерывном режиме.           

Производительность такого отстойника не зависит от его высоты, а зависит от скорости осаждения частиц (гравитационной крупности - U), продолжительности нахождения суспензии в отстойнике (τ) и площади отстойника (S). Необходимая площадь отстойника рассчитывается по формуле:

S = Q_c /k τ U,                                                                                     (45)

где Q_c – суточная производительность отстойника, τ – суточная продолжительность работы отстойника, U – гидравлическая крупность частиц, к – коэффициент объемного использования площади отстойника.

Коэффициент объемного использования отстойника равен отношению среднего фактического времени пребывания воды в отстойнике к расчетному. Для вертикальных отстойников этот коэффициент равен 0,4-0,5, а для радиальных и горизонтальных – 0,71-0,8.

Гидравлическая крупность. Ею называется скорость оседания взвешенных частиц в поле гравитационных сил. Измеряется в мм/сек. И определяется по формуле

U = H/τ(H/h)ⁿ ,                                                                                   (46)

где Н – глубина проточной части отстойника, τ – продолжительность отстаивания частиц в цилиндре с высотой столба воды h = 500 мм при температуре 20^оС, n  - показатель степени, определяемый по специальным таблицам. Он еще называется коэффициентом гравитационной коагуляции. При обычных условиях без добавки коагулянтов он изменяется от 0,5 до 2. При использовании коагулянтов он равен 0,35-0,75.

Также осаждение производится в поле центробежных сил. Этот способ применяют для разделения тонких суспензий и мутей, содержащих мелкие частицы, а также эмульсей. Для этих целей применяют центрифуги, циклоны и гидроциклоны.

Для отделения пыли в газовых системах используют электростатическое поле, где осаждение происходит в результате взаимодействия частиц с ионизированным газом.

Фильтрование – процесс разделения неоднородных систем за счет «просеивания» их через фильтрующую перегородку. Эти процессы используются для разделения в жидких и газовых системах. В качестве движущей силы здесь может использоваться сила тяжести (нутч-фильтр) или разность давлений по разные стороны фильтрующей перегородки (фильтр-прессы). Фильтрование можно осуществлять и в центробежном поле.