4.9.2 Гидродинамические процессы

Любая неоднородная масса состоит из двух фаз. Одна из них – дисперсная, или внутренняя фаза, которая характеризуется очень измельченным состоянием. Другая фаза – дисперсионная, внешняя. Она окружает частицы первой фазы и является средой, в которой распределены частицы дисперсной фазы. Дисперсная фаза и дисперсионная среда могут находиться в любом агрегатном состоянии – твердом, жидком или газообразном.

Газовые неоднородные системы представляют собой газоподобную дисперсионную среду с зависшими твердыми или жидкими частицами. Эти системы делятся на две группы: механические и конденсированные. Механические газовые системы образуются во время измельчения или стирания твердых тел, а также при распылении жидкостей. Дисперсированные в газе частицы называют пылью, их размеры колеблются в пределах 5 – 50 мк. Конденсированные газовые системы образуются в процессе конденсации частиц газа (пара) или вследствие взаимодействия двух газов, в результате чего частицы газа (пара) переходят в жидкое или твердое состояние. В первом случае образуется туман, во втором – дым. Размеры частиц в конденсированных газовых системах колеблются в пределах 0,01 – 0,3мк.

Жидкие неоднородные системы делятся на три класса: суспензии, эмульсии и пены. Суспензии состоят из жидкой дисперсионной среды и зависших в ней твердых частиц. Эмульсии – это системы, в которых присутствует жидкая дисперсионная среда и зависшие в ней частицы другой (других) жидкости (жидкостей). Пены – это системы, которые состоят из жидкой дисперсионной среды и зависших в ней частиц газа.

В производственных процессах, связанных с обработкой разных продуктов и материалов, образуются разные неоднородные системы. В хлебопекарном производстве изготовляется тесто – грубая суспензия, в фармацевтическом производстве изготовляются жидкие лекарства – эмульсии. На тепловых электростанциях при дроблении угля образуется пыль (механическая газовая система), а при горении угля в топке котла образуется дым. При нагревании воды в паровом котле образуется пар. При конденсации водяного пара вследствие охлаждения воздуха образуется туман. Туманы и пары образуются во время выпаривания сахарных растворов, барды, молока, а также в перегонных аппаратах спиртовых заводов.

В промышленных технологиях часто приходится разделять неоднородные системы на их составляющие. Для этого используют разные методы, в зависимости от характера составляющих частей системы и состояния их фаз. Например, газ от пыли можно очистить фильтрованием сквозь ткань или в центробежных и электростатических осадителях. Наиболее часто для разделения неоднородных систем применяют методы осаждения (или отстаивания) и фильтрации. Осаждение осуществляется в гравитационном, центробежном и электрическом полях. Фильтрацию осуществляют в гравитационном и центробежном полях и в поле поверхностных сил.

Неоднородные жидкие или газовые системы с грубым дроблением дисперсной фазы подвергаются разделению под действием силы тяготения, методом осаждения (отстаивания). Этот метод реализуется в отстойных аппаратах и открытых отстойниках непрерывного или периодического действия. В технологических установках непрерывного действия разделяемая смесь непрерывно поступает, движется в отстойнике, разделяется в гравитационном поле. Просветленная жидкость непрерывно выводится, а осадок удаляется периодически. Отстойники представляют собой открытые, вырытые в земле ямы, иногда выложенные кирпичом или бетоном. Водная суспензия медленно движется вдоль такого сооружения, твердые частицы оседают на дно. Просветленная жидкость выводится в водохранилище, а осадок удаляют обычно после окончания производства.

По такому же принципу работают отстойные газоходы для вылавливания золы из дымовых газов котельных установок. Только газоходы сверху закрыты.

Чаще всего отстойники изготовляют в виде низких цилиндров с конусным дном. Чтобы сэкономить площадь помещения, их делают многоярусными.

Простейшим методом разделения неоднородных систем с жидкой и газовой дисперсионной средой является фильтрация. Сущность фильтрации состоит в проникновении жидкости или газа сквозь пористую перегородку, которая задерживает зависшие частицы. Эффект разделения при фильтрации выше, чем при о тстаивании.

Конструктивные варианты фильтровальных установок разнообразны. Чаще всего в них осуществляется фильтрация с образованием осадка. Такой процесс осуществляется, например, в фильтровальных камерах (рис. 4.5). Фильтровальная перегородка делит камеру фильтра на две полости. В первую полость под давлением Р₁ поступает суспензия. Под действием положительной разности давлений Р₁ – Р₂ происходит фильтрование суспензии сквозь перегородку. Чистый фильтрат стекает из второй полости, а осадок периодически удаляют.

Центробежные методы разделения состоят в том, что неоднородная система подвергается действию центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок. Для создания поля центробежных сил обеспечивают вращательное движение потока жидкости (газа) в неподвижном рабочем органе аппарата (циклона, гидроциклона), или поток жидкости направляют в рабочий орган, который вращается (центрифуги, сепараторы). В первом случае происходит циклонный процесс, а во втором – центробежное осаждение или центробежное фильтрованиение.