Материал: Аппаратура процессов разделения гомогенных и гетерогенных систем

2. АППАРАТУРА РАЗДЕЛЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ

Неоднородными, или гетерогенными, называют системы, состоящие, по меньшей мере, из двух фаз. При этом одна из фаз является сплошной, а другая

– дисперсной, распределённой в первой в раздробленном состоянии: в виде капель, пузырей, мелких твёрдых частиц и т.д. Сплошную фазу часто называют дисперсиóнной средой. В зависимости от физического состояния фаз различают следующие бинарные гетерогенные системы (рис. 46): суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.

Гетерогенные (неоднородные) системы

Рис. 46. Виды гетерогенных систем

Суспéнзия – гетерогенная бинарная система, состоящая из жидкости и взвешенных в ней твёрдых частиц. В зависимости от размеров частиц суспензии условно подразделяют на грубые (с частицами размером более 100 мкм), тонкие (с частицами размером 0,1–100 мкм) и коллоидные растворы (с частицами менее 0,1 мкм).

Эму́льсия – гетерогенная бинарная система, состоящая из жидкости и взвешенных в ней капель другой жидкости, не растворяющейся в первой.

Пена – гетерогенная бинарная система, состоящая из жидкости и распределённых в ней пузырьков газа.

Пыль – гетерогенная бинарная система, состоящая из газа и распределённых в нём твёрдых частиц размером 5–100 мкм. В процессах химической технологии пыль образуется преимущественно при дроблении, смешивании и транспортировке твёрдых материалов.

66

Дым – гетерогенная бинарная система, состоящая из газа и распределённых в нём твёрдых частиц размером менее 5 мкм; образуется при горении.

Туман – гетерогенная бинарная система, состоящая из газа и распределённых в нём капель жидкости размером менее 3–5 мкм.

Суспензии, эмульсии и пены представляют собой гидродисперсные системы и носят общее название – лиозóли. Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы и носят общее название – аэрозóли.

Гетерогенные системы характеризуются концентрацией дисперсной фазы и размерами образующих её частиц. Для эмульсий и пен при определённых концентрациях дисперсной фазы возможен её переход в сплошную; при этом фаза, бывшая сплошной, становится дисперсной. Этот переход называют ин-

версией фаз.

В большинстве случаев дисперсные системы содержат частицы, различающиеся по размеру, такие системы называют полидисперсными. Они характеризуются фракционным (дисперсным) составом, т.е. долей частиц определённого размера. Иногда встречаются системы, в которых все частицы имеют практически одинаковый размер, их называют монодисперсными.

Большинство дисперсных систем имеют тенденцию к укрупнению частиц путём их слипания или слияния. Слияние капель и пузырей называют коалесценцией, а слипание твёрдых частиц – коагуляцией.

Процессы разделения гетерогенных систем играют большую роль в химической технологии при подготовке сырья и очистке готовых продуктов, при очистке сточных вод и газовых выбросов, а также при выделении из них ценных компонентов.

Для разделения гетерогенных систем в химической технологии применяют в основном процессы осаждения и фильтрования (рис. 47). Кроме того, для разделения газовых гетерогенных систем применяют так называемую мокрую очистку газов.

Осаждение – процесс разделения гетерогенных систем, в котором взвешенные в жидкости или газе твёрдые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под действием сил тяжести, инерции, центробежных или электростатических сил.

Фильтрование – процесс разделения гетерогенных систем с помощью пористой перегородки или пористого слоя, способных пропускать жидкость

67

или газ, но задерживать взвешенные частицы. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений, которая создаётся избыточным давлением перед фильтром или вакуумом после фильтра, а также может возникнуть под действием силы тяжести или центробежной силы.

Основные методы разделения гетерогенных систем

Рис. 47. Перечень методов разделения гетерогенных систем

Мокрая очистка газов – процесс разделения газовых гетерогенных систем, основанный на улавливании взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание частиц осуществляется, как правило, под действием сил инерции.

Выбор метода разделения зависит от концентрации дисперсных частиц, их размера, требований к качеству разделения, а также от разницы плотностей дисперсной и сплошной фазы и вязкости сплошной фазы.

2.1. Разделение жидких гетерогенных систем

Наиболее распространёнными процессами разделения гетерогенных систем являются процессы разделения суспензий, образующихся в ходе химических реакций с выпадением осадка, в процессе кристаллизации твёрдых веществ из их насыщенных растворов, в результате мокрой очистки газов и во многих других процессах.

Грубые суспензии с невысокой долей твёрдой фазы, имеющие сравнительно крупные частицы, плотность которых заметно выше плотности жидкости, способны разделяться под действием силы тяжести – седиментировать. Эти системы разделяют обычно отстаиванием в таких аппаратах, как одноярусные и многоярусные отстойники непрерывного действия. Пульпы и шламы, имеющие

68

высокую долю твёрдой фазы и часто являющиеся продуктом процесса отстаивания грубых суспензий – осадком, разделяют обычно фильтрованием на ваку- ум-фильтрах (открытом нутч-фильтре, карусельном или ленточном фильтре).

Взвеси являются трудноразделяемыми суспензиями, они характеризуются невысоким содержанием твёрдой фазы и довольно устойчивы либо из-за небольших размеров частиц, либо из-за небольшого различия плотностей твёрдой и жидкой фазы. К взвесям можно отнести образующуюся в ходе отстаивания грубой полидисперсной суспензии осветлённую жидкость, в которой остались лишь самые мелкие, не осевшие частицы. Для разделения взвесей силы тяжести уже недостаточно, их разделение проводят под действием центробежной силы на гидроциклонах и осадительных центрифугах. Разделение взвесей со сравнительно крупными частицами осуществляют также фильтрованием (на открытом нутч-фильтре, барабанном фильтре, дисковом фильтре). Для отделения мелких частиц требуется фильтровальная перегородка с мелкими порами. Гидравлическое сопротивление такой перегородки и образующегося на ней осадка иногда велики настолько, что использование вакуум-фильтров неэффективно, требуется фильтрование под избыточным давлением на рамных пресс-фильтрах и закрытых нутч-фильтрах.

Разделение коллоидных растворов обычными гидромеханическими методами невозможно без добавления коагулянтов. Для их разделения часто используют методы, аналогичные массообменным, обычно мембранные.

Разделение эмульсий встречается в химической технологии гораздо реже разделения суспензий и производится, как правило, отстаиванием.

Одноярусный отстойник непрерывного действия

Отстаивание суспензий проводят в аппаратах, называемых отстойниками. Отстойники для сгущения суспензий называют сгустителями, а для классификации твёрдых частиц на фракции – классификаторами. Широко распространены отстойники непрерывного действия с гребковой мешалкой (рис. 48, 49). Они представляют собой цилиндрический резервуар с коническим днищем. В резервуаре расположена мешалка, снабжённая гребками, которые непрерывно перемещают осадок к центральному разгрузочному штуцеру. Кроме того, гребки мешалки разрушают слой осадка, способствуя удалению из него макрообъёмов жидкости, то есть способствуют обезвоживанию осадка.

69