Розділення неоднорідних систем

 Розділення неоднорідних систем.

§ 1. Класифікація і характеристика неоднорідних систем

      Будь-яка  неоднорідна система складається  із двох чи більшої кількості фаз. Одна з них—дисперсна, або внутрішня  фаза характеризується дуже подрібненим станом, інша ж, дисперсійна, або зовнішня, фаза оточує частинки першої і є середовищем, в якому розподілені частинки дисперсної фази. Дисперсна фаза і дисперсійне середовище неоднорідної системи можуть перебувати у будь-якому агрегатному стані: твердому, рідкому або газоподібному.

      Газові  неоднорідні (гетерогенні) системи являють собою газоподібне дисперсійне середовище із завислими твердими або рідкими частинками. Ці системи поділяють на дві групи: механічні і конденсовані системи, що відрізняються одна від одної способом утворення і розміром частинок.

      Механічні газові системи утворюються під час дробіння або стирання твердих тіл, під час розпилювання рідин; такі дисперговані в газі частинки називають пилом. Розміри твердих частинок пилу коливаються в межах від 5 до 50 мкм.

      Конденсовані газові системи утворюються в процесі конденсації частинок з газу (пари) або внаслідок взаємодії двох газів, в результаті чого частинки газу (пари) переходять в рідкий або твердий етан. У першому випадку утворюється туман, у другому — дим. Розміри частинок у конденсованих газових системах коливаються в межах 0,3...0,001 мкм.                             

      Рідкі неоднорідні системи поділяють на три класи: суспензії, емульсії і піни.

      Суспензії — системи, що складаються з рідкого дисперсійного середовища завислих у ньому твердих частинок.

      Емульсії—системи, в яких рідке дисперсійне середовище і завислі в ньому частинки однієї чи кількох інших рідин.

      Піни  — системи, що складаються з рідкого дисперсійного середовища і завислих у ньому частинок газу.               

      З усіх трьох класів рідких неоднорідних систем у техніці найчастіше зустрічаються суспензії. За ступенем подрібненості твердої дисперсної фази умовно розрізняють:

      а)грубі  суспензії, в яких розмір завислих частинок більший за 100 мкм;

      б) тонкі суспензії з частинками твердої фази від 100 до 0,5 мкм;

      в) каламуті, в яких розмір завислих частинок не перевищує 100 мкм; в каламутях завислі частинки інтенсивно рухаються (броунівський рух) і не осідають під дією сили тяжіння;

      г) колоїдальні розчини — з частинками у межах від 100 мкм.        

      Важливою  характеристикою суспензій є  їх концентрація. Підвищення вмісту твердої речовини збільшує в'язкість суспензії і при певній концентрації в'язкість може бути настільки значною, що суспензія втрачає .властивості текучості і практично перестає бути рідиною. З достатньою для розрахунків точністю в'язкість суспензії можна визначити за емпіричною формулою А. І. Бачинського

m = m₀ (1 + 4,5j),  н • с/м² ,                          (1)

де m₀ —в'язкість чистої рідини, яка е дисперсійним середовищем, н • с/м²;

j—вміст твердої фази в суспензії, який виражають відношенням об'єму твердої фази до загального об'єму всієї суспензії.

      Характерні  особливості мають І емульсії. Вони мало стійкі і при певних розмірах завислих частинок швидко розшаровуються. Емульсії істотно відрізняються від суспензій здатністю перетворення фаз. При підвищенні концентрації дисперсної фази, коли з'являється можливість безпосереднього стикання окремих краплинок, останні .зливаються в одну загальну систему, в якій завислими частинками будуть вже частинки первісного дисперсійного середовища. Таким чином, підвищення концентрації емульсії призводить до обміну фаз: дисперсійне середовище перетворюється в дисперсну фазу, а та -  в дисперсійне середовище.

      В'язкість  емульсій, так само як і суспензій, змінюється залежно від концентрації, причому максимальна в'язкість відповідатиме такій концентрації, при якій відбувається перетворення фаз.

      У харчовій промисловості у процесі  обробки різних продуктів і матеріалів утворюються найрізноманітніші неоднорідні системи.

      Під час дробіння вугілля перед спалюванням  його в топках парових котлів, дробіння цукру-рафінаду на рафінадних заводах, подрібнення зерна на борошномельних заводах і в дробильних цехах спиртових та пивоварних заводів утворюється вугільний, цукровий, борошняний пил. Пил утворюється також під час просіювання різних сипких матеріалів: зерна, борошна, цукрового піску та інших продуктів.

      Процеси висушування і транспортування  сипких матеріалів здебільшого супроводжуються пилоутворенням. Газові неоднорідні системи утворюються під час сушіння жому, барди, цукру-піску, солоду, під час транспортування борошна тощо. Прикладом утворення рідких неоднорідних систем може бути обробка соку цукрових буряків вапняним молоком, а потім вуглекислим газом. У результаті цього одержують суспензію—сатураційний сік, що складається з цукрового розчину і твердих частинок карбонату кальцію. При кристалізації цукру на заводах, під час кристалізації глюкози в крохмале-патоковому виробництві одержують суміші кристалів цукру, або глюкози з міжкристальним, розчином (утфелі). До рідких неоднорідних систем відносять також суміш кристалів крохмалю і маточного розчину з водою при виробництві сухого крохмалю тощо.

      У теплових процесах прикладом утворення  гетерогенної системи є туман, що виникає при конденсації водної пари внаслідок охолодження повітря. Такі системи утворюються під час випарювання цукрових розчинів, барди, молока, а також в перегінних апаратах спиртових заводів.

§ 2. Методи розділення неоднорідних систем

      У виробничій практиці неоднорідні системи  часто доводиться розділяти на їх складові частини. У цукробуряковому  виробництві суспензію, одержану в  сатураційних апаратах, розділяють для  одержання чистого цукрового розчину вільного від твердих частинок; утфель розділяють, щоб дістати кристалічний цукор; у пивних заторах відокремлюють сусло від шротини; з повітря і газів після сушіння виділяють тверді частинки з метою очищення цих газів (димових) або для збереження цінного продукту, (цукровий, борошняний пил).

      Метод для розділення вибирають залежно  від характеру складових частин системи і стану фаз. При цьому треба також враховувати фізико-хімічні властивості середовища: в'язкість, густину, розмір частинок та їх щільність тощо. Часто для розділення неоднорідних систем можна застосувати кілька різних методів. Наприклад, газ від пилу можна очистити фільтруванням Крізь тканину або у відцентрових і електричних осаджувачах.

      У практиці для розділення неоднорідних систем застосовують такі методи: осідання, або відстоювання і фільтрування.

      Осідання, або відстоювання,  в свою чергу можна здійснити у полях: а) гравітаційному; б) відцентровому; в) електричному.

      Фільтрування   здійснюють  звичайно  у полях:   а)  гравітаційному;  б) відцентровому; в) поверхневих сил.

§ 3. Осідання в гравітаційному полі

      Неоднорідні рідкі або газові системи з  більш-менш грубий подрібненням дисперсної фази піддаються розділенню під дією самої тільки сили тяжіння. Якщо густина дисперсної фази більша від густини дисперсійного середовища, завислі частинки осідають на дно посудини, і, навпаки, якщо Густина дисперсійного середовища більша від густини завислих частинок, останні спливають на поверхню.

      Відокремлення частинок від в'язкого середовища, в якому вони перебувають у завислому стані, під дією сили тяжіння називають відстоюванням або осіданням. Швидкість осідання завислих частинок залежить як від густини, так і від ступеня дисперсності, причому осідання відбуватиметься тим повільніше, чим меншого розміру частинки дисперсної фази і чим менша різниця між густинами обох фаз. Практично методом осідання користуються, головним чином, для розділення грубих суспензій.

      Узагальнене рівняння для швидкості  осідання. Розрахунковою величиною при визначенні розмірів і продуктивності відстійних апаратів є швидкість осідання. Швидкість падіння тіл у безповітряному просторі визначають за відомою формулою

w = qt , м/с,                                                 (2)

де  q —прискорення сили тяжіння, м/с²; t—тривалість падіння, с.

      За  цією формулою досить точно можна  визначити швидкість падіння  тіл великого розміру у повітряному  середовищі, оскільки опір середовища при цьому буде незначним і  зменшить силу тяжіння лише на 0,05...0,1%. Проте в разі падіння тіл дуже малої величини у більш в'язкому середовищі, наприклад у воді, картина руху частинки зовсім інша. На початку тверді частинки рухаються за законом вільного падіння тіла (формула 2), потім з рівномірного прискореного руху тіло переходить у сповільнений і, нарешті, тверда частинка падає рівномірно із сталою швидкістю. Оскільки тривалість першого і другого періодів дуже незначні і пройдені відстані шляху при цьому дуже малі, то першими двома періодами звичайно нехтують і вважають, що протягом усього періоду руху тіло падає із сталою швидкістю. Швидкість такого рівномірного падіння називатимемо швидкістю осідання і позначатимемо w_о. Цю швидкість можна обчислити за загальним законом опору руху тіла у в'язкому середовищі.

      Стала швидкість падіння частинок, очевидно, встановлюється тоді, коли сила тяжіння, яка діє на частинку G, стає рівною силі опору в'язкого середовища R, тобто існує рівність         

G = R, н.                                                  (З)

      Сила  тяжіння, за вирахуванням підйомної (архімедової), для частинок кулькоподібної форми, завислих в дисперсійному середовищі, дорівнює

G = V(r₁ - r₂)q = pd³/6 (r₁ - r₂)q , H,                           (4)

де  V =pd³/6 — об'єм частинки, м³; d — діаметр частинки, м; r₁, r₂ - густини відповідно твердої частинки і середовища, кг/м³.

      Силу  опору середовища у загальному випадку  визначають за законом Ньютона

R =xF(w_о²r₂ )/2 = (x pd²/4) (w_о²r₂ )/2, H,                     (5)

де  F = pd²/4—проекція поперечного перерізу кулькоподібної частинки на напрям її руху, м² ; x —коефіцієнт опору середовища.

      Підставивши значення G і R у рівняння (3), матимемо

pd³ (r₁ - r₂)q/6 = x pd²w_о²r₂/4^.2 ,                               (6)