Лекции ПАХТ №6.

РАЗДЕЛЕНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

Неоднородные системы и методы их разделения. Неоднородными (гетерогенными) называются системы, состоящие из двух или нескольких фаз. Фаза, которая состоит из отдельных мелких частиц, называют дисперсной (внутренней) фазой. Фаза, в которой распределены мелкие частицы (дисперсная фаза),называется сплошной фазой или дисперсионной средой.

Неоднородные системы классифицируются следующим образом:

1. сплошной фазой является жидкость:

а) дисперсной фазой являются твердые частицы - суспензии. В зависимости от размеров частиц твердой фазы суспензии подразделяются на грубые (более 100 мкм), тонкие (0,5 - 100 мкм) и мути (0,1 - 0,5 мкм).;

б) дисперсной фазой является жидкость (капли), которая не растворима в сплошной фазе - эмульсии;

в) дисперсной фазой является газ (пузырьки) - пены. Эти газо - жидкостные системы по своим свойствам близки к эмульсиям;

2. сплошной фазой является газ:

а) дисперсной фазой являются твердые частицы - газовзвеси. В зависимости от размеров частиц твердой фазы газовзвеси делятся на пыли (более 5 мкм), дымы (менее 5 мкм);

б) дисперсная фаза состоит из частиц жидкости - туманы (0.3 - 5 мкм);

Пыли, дымы и туманы носят общее название - аэрозоли. Дисперсные системы, содержащие различные по размеру частицы, называются полидисперсными, а системы, размеры частиц которых близки между собой - монодисперсными. Некоторые неоднородные системы являются относительно устойчивыми, т.е. способны существовать относительно длительное время (тонкие суспензии, дымы, туманы), другие - неустойчивы (грубые суспензии и др.). Устойчивость системы зависит от размера частиц и физических свойств обоих фаз (плотности, вязкости и т.д.). Так, например, в эмульсиях и пенах может происходить коалесценция (слияние) капель и пузырей, в суспензиях - укрупнение твердых частиц в результате их слипания (коагуляция).

Процессы разделения неоднородных систем. Выбор метода разделения обуславливается, размерами частиц дисперсной фазы, разностью плотностей фаз, вязкостью сплошной фазы, требований к качеству разделения.

Применяют следующие методы разделения: осаждение, фильтрование и мокрая очистка газов.

Осаждение

Осаждение - это процесс разделения неоднородных систем за счет различного действия сил на элементы сплошной и дисперсной фаз. В зависимости от действующих сил можно выделить виды осаждения: под действием силы тяжести (отстаивание), центробежной силы (циклонный процесс, центрифугирование), электростатических сил (очистка газов в электрическом поле).

Отстаивание

Процесс отстаивания осуществляется в наиболее простых в конструктивном отношении аппаратах - отстойниках. Движущей силой в этом случае является разность удельных весов участвующих в отстаивании фаз. Малость величины движущей силы при отстаивании ограничивает область применения отстаивания и его эффективность.

В промышленности отстаивание применяют для грубой очистки газов, для сгущения суспензий, для разделения эмульсий (в основном не стойких). Отстаивание применяют часто для предварительного разделения неоднородных сред, что удешевляет окончательное тонкое разделение более сложными способами.

Отстойники

По способу организации процесса отстойники могут быть периодического, непрерывного и полунепрерывного действия.

Наиболее широко распространены в промышленности отстойники непрерывного действия.

Рис.1. Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой.

1 - корпус; 2 - коническое днище; 3 - гребковая мешалка; 4 - кольцевой желоб; 5 - труба; 6 - разгрузочный патрубок.

В корпус отстойника 1, представляющего цилиндрический резервуар с коническим днищем 2 непрерывно подается суспензия по трубе 5. Твердые частицы под действием силы тяжести оседают на днище корпуса, образуя осадок. Гребковая мешалка перемещает осадок по направлению к разгрузочному отверстию. Мешалка вращается очень медленно и не нарушает осаждение дисперсной фазы. Осадок (сгущенная суспензия) отводится через разгрузочный патрубок 6 при помощи диафрагмового насоса. Очищенная сплошная фаза (осветленная жидкость) переливается в кольцевой желоб 4 и отводится через отводящий патрубок.

Осаждение под действием центробежных сил

Скорость разделения неоднородных систем значительно можно повысить в поле центробежных сил по сравнению с отстаиванием под действием силы тяжести. Такое повышение обуславливается увеличением движущей силы процесса разделения. Для создания поля центробежных сил используют два способа:

1. обеспечивают вращательное движение потока в неподвижном аппарате; такой процесс разделения называется циклонным, а аппарат для его осуществления - циклоном.

2. поток направляют во вращающийся аппарат, этот способ разделения называют осадительным центрифугированием (осадительными центрифугами).

Для оценки эффективности осаждения под действием центробежной силы по сравнению с разделением под действием силы тяжести вводится понятие о факторе разделения, равном их отношению

где m - масса осаждаемой частицы, а_ц - ускорение центробежной силы. Окружную скорость можно выразить через частоту вращения частицы n (c^-1) ( )

Циклоны и осадительные центрифуги

Циклоны. Процесс разделения неоднородных систем во вращающемся потоке неподвижного аппарата используется для отделения пыли от газа (аппараты называются циклонами), суспензий и нестойких эмульсий (аппараты - гидроциклоны). Циклон конструкции НИИОгаз, показанный на рис. 2, состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем 2 и крышкой 3.

Запыленный газ поступает тангенциально со значительной скоростью 20 - 30 м/с через патрубок 4 прямоугольного сечения в верхнюю часть корпуса циклона. В корпусе поток запыленного газа движется вниз по спирали вдоль внутренней поверхности стенок циклона. При таком вращательном движении частицы пыли, как более тяжелые, перемещаются в направлении действия центробежной силы быстрее, чем газ, концентрируются в слоях газа, примыкающих к стенке аппарата, и переносятся потоком в пылесборник 5. Здесь пыль оседает, а очищенный газ, продолжая вращаться по спирали, поднимается к верху и удаляется через выхлопную трубу 6.

Рис.2. Циклон конструкции НИИОгаз:

1 - корпус; 2 - днище; 3 - крышка; 4 - патрубок для входа запыленного газа; 5 - сборник для пыли; 6 - выхлопная труба.

Осадительные центрифуги. Осадительные центрифуги применяются для разделения суспензий с объемной концентрацией твердой фазы до 40%, состоящей из частиц размером более 1 мкм. В результате центрифугирования получаются осадок с некоторым содержанием жидкой фазы и осветленная жидкость (иногда с небольшим содержанием мелких твердых частиц), называемая фугатом.

Осадительные центрифуги применяют и для разделения эмульсий, при этом их называют сепараторами, а процесс разделения - сепарацией.