2.3. Разделение гетерогенных жидкостных систем в поле силы тяжести и центробежных сил

Процессы разделения в поле силы тяжести. К ним относятся процессы отстаивания и осаждения, которые совершенно иден­тичны по своей физической сути. Различие заключается лишь в том, что при отстаивании дисперсная фаза движется вверх, а при осаждении вниз.

Вне зависимости от направления движения частицы общие закономерности процесса одинаковы. Частицы могут переме­щаться в жидкости при трех режи­мах: ламинарном, переходном, турбулентном. При ламинарном движении частицы (рис. 5, а) линии тока жидкости плавно огибают ее. При переходном (рис. 5, б) – за частицей возникает незначитель­ное завихрение жидкости. Наконец, при турбулентном (рис. 5, в) – за частицей образуются вихревые потоки. Для процесса осаждения частиц наиболее предпочтителен ла­минарный режим движения частиц.

Рис. 5. Режимы движения дисперсных частиц в жидкой среде:

а – ламинарный; б – переходный; в – турбулентный

Аппараты для разделения в поле силы тяжести. Процессы отстаивания и осаждения проводят в аппаратах периодического и непрерывного действия. Примером простейшего аппарата пе­риодического действия для осаждения может служить аппарат, показанный на рис. 6.

Рис. 6. Схема аппарата для осаждения (периодического действия):

1 – корпус; 2 – патрубок для входа осветленной жидкости;

3 – сборник осадка; 4 – патру­бок для выхода осадка

Простейший аппарат для осаждения (непрерывного дейст­вия) показан на рис. 7. Гетерогенная жидкость непрерывно поступает и непрерывно из него отводится.

Рис. 7. Схема аппарата для осаждения (непрерывного действия):

1 – патрубок для входа исходной жидкости; 2 – корпус;

3 – патрубок для выхода осветленной жидкости; 4 – сборник осадка;

5 – патрубок для выхода осадка

Эффективность осаждения будет достигнута в том случае, если продолжительность осаждения частицы будет равна про­должительности движения слоя движущейся жидкости.

Разделение в поле центробежных сил. К числу очень эффек­тивных процессов разделения гетерогенных систем относятся процессы центрифугирования, осуществляемые в центрифугах.

Принцип действия центрифуг в общем виде следующий (рис. 8, а). По патрубку для подачи исходной жидкости она попадает в барабан центрифуги. Здесь жидкость образует кольцо, в котором и происходит разделение. В поле центробеж­ных сил дисперсная фаза в зависимости от ее плотности или осе­дает на стенках центрифуги, или всплывает к центру жидкости. Очевидно, что если частица имеет плотность большую, чем плот­ность дисперсионной среды, то она оседает, и наоборот.

Осветленная жидкость выбрасывается из барабана центри­фуги через ее горловину.

По назначению центрифуги можно подразделить па два типа: отстойные и фильтрующие. Само название говорит за себя. В отстойных центрифугах (рис. 8, а) дисперсная фаза в виде осадка скапливается у стенок барабана или в виде легкой фрак­ции собирается в его центре. В фильтрующих центрифугах (рис. 8, б) барабан имеет сетчатые или перфорированные стенки. Внутрь его укладывается фильтрующая перегородка. Дисперсная фаза накапливается на перегородке, а очищенная жидкость через поры фильтрующей перегородки выбрасывается в приемник центрифуги, откуда она отводится для дальнейшей переработки. Процесс, происходящий в фильтрующих центри­фугах, называют центробежным фильтрованием.

Рис. 8. Схемы центрифуг:

а – отстойной; б – фильтрующей: 1 – патрубок дли подачи исходной жидкости;

2 – барабан центрифуги; 3 – перфориро­ванная стенка центрифуги;

4 – фильтрующая перегородка; 5 – осадок; 6 – приемник;

7 – отводящий патрубок; 8 – при­водной вал

Довольно широко в пищевых производствах применяется ап­парат, называемый жидкостным сепаратором. Этот тип аппа­рата относится к сверхцентрифугам и предназначен для разде­ления тонкодиспергированных гетерогенных систем. Как пра­вило, барабаны сепараторов снабжены тарельчатыми вставками. Тарелки бывают двух типов: с отверстиями и без отверстий. Тарелки без отверстий устанавливают в барабанах сепараторов (рис. 9, а), предназначенных для выделения из жидкости твердой дисперсной фазы, которая оседает на внутренней стенке барабана. Такие барабаны используют в сепараторах-осветлите­лях и сепараторах-очистителях. Осветление и очистка достига­ются за счет удаления частиц дисперсной фазы.

Тарелки с отверстиями предназначены для разделения эмуль­сий на две жидкие фракции. Они устанавливаются в бараба­нах сепараторов-разделителей (рис. 9, б).

Сепараторы-осветлители и очистители работают следующим образом. Исходная жидкость поступает во входной патрубок, из которого через тарелкодержатель она поступает в кольцевое про­странство между тарелками и корпусом барабана. Это простран­ство часто называют периферией барабана. Уже здесь начина­ется процесс выделения частиц дисперсной фазы. Основное же разделение происходит в межтарелочных пространствах, в ко­торые поступает жидкость с периферии. Осветленная или очи­щенная жидкость движется к центру барабана, поднимается вверх и через специальные каналы выбрасывается из него.

В сепараторах-разделителях исходная жидкость из входного патрубка попадает в тарелкодержатель. Далее она поднимается по каналу, образованному отверстиями в тарелках. Поднимаясь вверх, жидкость растекается по межтарелочным пространствам, в которых происходит выделение дисперсной фазы. Легкая фрак­ция оттесняется к центру, тяжелая – к периферии. Для их вы­хода вверху барабана имеются специальные каналы.

Рис. 9. Барабаны сепараторов:

а – сепаратора-осветлителя; б – сепаратора-разделителя:

1 – входной патрубок; 2 – корпус барабана; 3 – тарелки; 4 – осадок;

5 – тарелкодержатель; 6 – приводной вал

При работе центрифуг и сепараторов на стенках барабанов накапливается осадок. Слой его постепенно увеличивается. Про­странство, в котором накапливается осадок, называется шламо­вым, или грязевым, пространством.

Для удаления осадка центрифуги и сепараторы останавли­вают, разбирают барабаны и вручную выгружают осадок. За последние годы в промышленности получили и получают все более широкое распространение саморазгружающиеся центри­фуги и сепараторы, в которых осадок выгружается автомати­чески.

Для проведения процессов разделения гетерогенных жидко­стей под действием центробежной силы применяются также гид­роциклоны (рис. 10). Суспензия через патрубок для входа подается в цилиндрическую часть гидроциклона тангенциально и приобретает вращательное движение. Под действием центробеж­ной силы тяжелые частицы отбрасываются к периферии и по стенкам циклона опускаются вниз. Легкая фракция удаляется через патрубок, расположенный в перегородке, попадает в ка­меру, отделенную от циклона, и выводится через патрубок для выхода осветленной жидкости.

Эффективность работы центри­фуг и сепараторов связана с режи­мом течения жидкости в их бара­бане (роторе). Течение жидкости должно быть ламинарным. При турбулентном движении частицы под действием пульсаций жидкости приобретают хаотическое движение и их перемещение к центру или пе­риферии барабана затрудняется.

Рис. 10. Схема гидроциклона:

1 – патрубок для выхода осадка; 2 – коническая часть аппарата;

3 – входной патру­бок; 4 – камера для осветлен­ной жидкости;

5 – патрубок в перегородке; 6 – перегородка; 7 – патрубок для выхода

ос­ветленной жидкости; 8 – ци­линдрическая часть аппарата