1.2. Основные процессы разделения гетерогенных

и гомогенных систем

Осаждение от слова осадок. Осадок – образующая при очистке твердая или относительно высокой плотности жидкая компонента, включающая минеральные и органические вещества. Осаждение представляет собой процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости или газе твердые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под действием сил тяжести (отстаивание), центробежной силы (циклонный процесс, центрифугирование), сил инерции, электростатических сил (очистка газов в электрическом поле). Соответствующие аппараты и устройства: пылеосадительные камеры, отстойники, циклоны, гидроциклоны, центрифуги, электрофильтры.

Мокрая очистка газов – процесс разделения, основанный на улавливании взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание обусловлено, как правило, силами инерции.

Фильтрование – это процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные частицы. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений . В случаях, когда разность давлений создается центробежными силами процесс называют центробежным фильтрованием. Аппараты: фильтры.

Абсорбция – процесс поглощения газов или паров из газовых (парогазовых) смесей жидким поглотителем – абсорбентом. Абсорбция – поглощение объемом. Если поглощаемый газ – абсорбтив химически не взаимодействует с абсорбентом, то такую абсорбцию называют физической (непоглащаемую составную часть газовой смеси называют инертом или инертным газом). Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то такой процесс называют хемосорбцией. Часто имеет место сочетание обоих видов абсорбции. Физическая абсорбция (или просто абсорбция) обычно обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из раствора – десорбция. Десорбцию газа проводят отгонкой его в токе инертного газа или водяного пара в условиях подогрева абсорбента или снижения давления над абсорбентом. Отработанные после хемосорбции абсорбенты обычно регенерируют химическими методами и нагреванием. Сочетание абсорбции и десорбции позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный газ в чистом виде. Абсорбцию применяют для очистки газовых выбросов от таких вредных примесей как SO₂ (топочные газы), соединения фтора (при производстве минеральных удобрений) от H₂S, NH_3, CO₂, CO. Эти извлекаемые компоненты обычно используют в химическом производстве. Аппараты в которых проводят процессы абсорбции называют абсорберами.

Адсорбция – процесс поглощения вещества из смеси газов, паров или растворов поверхностью или объемом пор твердого тела – адсорбента.

Поглощаемое вещество, находящееся в объемной фазе (газе, паре или жидкости) называют адсорбтивом, а поглощенное - адсорбатом. Адсорбацию подразделяют на два вида: физическую и химическую. Физическая адсорбция в основном обусловлена поверхностными вандервальсовыми силами, которые проявляются на расстояниях, значительно превышающих размеры адсорбируемых молекул, поэтому на поверхности адсорбента обычно удерживаются несколько слоев молекул адсорбата. При химической адсорбции поглощаемое вещество вступает в химическое взаимодействие с адсорбентом с образованием на его поверхности обычных химических соединений. Силы притяжения возникают на поверхности адсорбента благодаря тому что силовое поле поверхностных атомов и молекул не уравновешено силами взаимодействия соседних частиц.

По физической природе силы взаимодействия молекул поглощаемого вещества и адсорбента относятся в основном к дисперсионным, возникающим благодаря перемещению электронов в сближающихся молекулах. В ряде случаев адсорбции большое значение имеют электростатические и индукционные силы, а также водородные связи. Аппараты в которых проводят процессы адсорбции называют адсорберами.

Ионный обмен имеет место между твердым ионообменным сорбентом (ионитом) и раствором электролита – частый случай хемосорбции. Кинетика, аппаратурное оформление ионнобменных процессов близки к адсорбционным.

Процессы адсорбции избирательные и обратимы. Процесс обратный адсорбции, называют десорбцией, которую используют для выделения поглощенных веществ и регенерации адсорбента.

Жидкостная экстракция – процесс перехода одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкой фазы в другую, практически не растворимую или частично растворимую в первой, но растворяющую эти вещества. Процесс протекает при непосредственном контакте двух жидких фаз. Экстракцию из твердых веществ жидкостью (растворителем) часто называют экстрагированием. Если в этом процессе в качестве растворителя используют воду, то такую экстракцию называют выщелачиванием.

Раствор извлеченных веществ в экстрагенте (раствора теле) называют экстрактом, а раствор из которого удалены экстрагируемые вещества – рафинатом. Соответствующие аппараты – экстракторы.

Мембранные процессы – осуществляют с использованием перегородок – мембран. Эти перегородки способны пропускать определенные компоненты жидких и газовых смесей.

Обратный осмос – фильтрование растворов под давлением, превышающем осмотическое; через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель, но задерживающее молекулы, (либо ионы растворенных веществ).

При разработке природоохранной системы следует учитывать много факторов. Прежде всего следует иметь в виду требования, предъявляемые к качеству разделения. Необходимо учитывать концентрацию (удельное содержание) компонента, распределение частиц по размерам, разность плотностей дисперсной и сплошной фаз, вязкость среды, химические особенности, технико-экономические показатели.

Движущую силу конкретного процесса описывает определенная формула, что представлено в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Аналитическая характеристика движущей силы

процессов разделения

Процесс	Движущая сила, пояснения
Отстаивание	Д вижущая сила: - сила тяжести, ; - масса частицы, кг; ускорение свободного падения. Частицы компонента загрязнителя оседают в вертикальном направлении. 1- зона свободного осаждения; 2 – осветленная среда; 3 – зона сгущенной суспензии; 4 – слой осадка (шлама) или слой концентрированной пыли. Зона 1 – частицы оседают независимо друг от друга под действием собственного веса ; зона 3 – осаждение частиц взаимосвязано, имеет место стесненное осаждение, сопровождающееся трением между частицами и их взаимными столкновениями.
Циклонный процесс, центрифугирование	Движущая сила: - центробежная сила действующая на частицу, ; возникает в результате вращательного или спиралеобразного движения потока; - масса частицы, кг; - окружная скорость вращения частицы, м/с, вместе с потоком на радиусе (м). Фактор разделения - отношение: или отношение ускорения центробежной силы ( ) к ускорению свободного падения ( ): где ; - частота вращения частицы с потоком, с-1. Для циклонов . Для центрифуг ~ .

Продолжение таблицы 1.2

Фильтрование

Движущая сила: - разность давлений - давление перед фильтрованной перегородкой; Па, - давление после фильтровальной перегородки -Стрелки указывают движение фильтрата 1 – фильтровальная перегородка; 2 – фильтрат, т.е. очищенная среда; 3 – суспензия (очищаемая среда); 4 – осадок. В целях ускорения процесса следует понижать, - повышать. Рис. а - наиболее распространенный способ фильтрования; рис. б – фильтрование в комбинации с другими способами разделения, например в фильтрующей центрифуге, где давление на фильтровальную ткань или решетку обуславливает центробежная сила.

Электрофильтрование

Д вижущая сила: 1. 2. где - сила инерции ; - сила Кулоновского (электромагнитного взаимодействия, ; - масса частицы, кг; - ускорение приобретаемое частицей в результате движения потока, а также в результате взаимодействия заряженных тел, м/с2; n – число зарядов полученных частей; - величина элементарного заряда - напряженность электрического поля, в/м; - в нашем случае сила притяжения между пылевыми частицами и конструктивным элементом аппарата, заряженных противоположно.

Окончание таблицы1.2

	При очистке газов с высокой концентрацией твердых частиц большая часть ионов осаждается на последних и количество переносимых зарядов существенно уменьшается. Скорость взвешанных в газовой фазе частиц составляет 0,3 – 0,6 м/с, тогда как скорость ионов достигает 100 м/с. Т.о., при высокой концентрации твердых частиц эффективность электроочистки низка.
Мокрая очистка газа	Движущая сила: где - сила инерции, , - масса частицы, кг; - ускорение, м/с2, приобретаемое частицей в потоке газовой фазы - капля улавливающей жидкости - улавливается частица > тогда частица «прилипнет» к капли жидкости где - сила поверхностного натяжения жидкости.
Массообменный	Движущая сила: - разность концентраций переносимого компонента в загрязненной среде и в среде поглотителя. Процесс протекает тем с большей скоростью, чем ниже концентрация компонента в среде (фазе) поглотителя. Также см. текст ниже.

К процессам массопередачи относятся: абсорбция, экстракция адсорбция и другие, которые не входят в круг нашего изучения.

Массопередача представляет собой сложный процесс, включащий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, например фазы , через поверхность раздела фаз и перенос его в пределах другой фазы - . Перенос вещества из фазы к границе фаз или в обратном направлении, т.е. в пределах одной из фаз называют массотдачей. На рис.1.1 приведена схема, поясняющая процесс массопередачи между газом и жидкостью или между двумя жидкостями.

Рис. 1.1. Схема распределения концентраций переносимого

компонента в фазах в процессе массопередачи.

Фазы и движутся с некоторой скоростью друг относительно друга и разделены подвижной поверхностью раздела. Перенос распределяемого вещества в количестве происходит путем молекулярной диффузии и конвекцией. Молекулярной диффузией называют перенос распределяемого вещества (компонента), обусловленный беспорядочным движением самих молекул. При этом молекулы компонента «стремятся» равномерно заполнить все пространство и, концентрация компонента в конечном итоге становится одинаковой во всех точках заполняемого пространства. Значительно ускоряет процесс массопередачи наличие конвективного переноса. Конвективной перенос представляет собой перенос макроскопических частей газа или жидкости в направлении основного движения среды (пропорционально скорости потока), также в этом случае возникают нерегулярные пульсации скорости, под действием которых, наряду с общим движением потока, происходит перемещение частиц во всех направлениях, том числе и в поперечном направлении. Чем больше доля поперечных пульсаций тем выше турбулентность потока, и тем эффективнее происходит перенос компонента из фазы в фазу . Наличие в потоке поперечных вихрей и есть турбулентность. Молекулярная диффузия – очень медленный процесс, особенно в жидкостях. Так коэффициенты диффузии одного газа в среду другого газа имеют значения 0,1-1,0 см²/с, а при диффузии газа в жидкость значения этих коэффициентов в 10⁴-10⁵ раз меньше и составляют ~ 1 см²/сутки. Турбулентная составляющая приводит к ускорению процесса на несколько порядков. На рис. 1 конвективную составляющую потока иллюстрируют волнообразные линии. Некоторое вещество в количестве М переходит из , где концентрация вещества (компонента) в ядре выше равновесной , в . При этом < . Знак означает пренадлежность к равновесию. Т. о., осуществляется процесс массоотдачи из основной массы фазы к поверхности раздела фаз и процесс массоотдачи от поверхности раздела к основной массе фазы . В результате этих частных процессов, а также преодоления сопротивления переносу через саму поверхность раздела фаз (если оно имеет заметную величину) происходит процесс массопередачи – переход вещества из одной фазы в другую.

Процесс массопередачи теснейшим образом связан со структурой турбулентного потока в каждой фазе. У твердой стенки образуется пограничный ламинарный (т.е. вялотекущий слоистый поток) слой. В каждой фазе различают ядро, или основную массу фазы, и пограничный слой у границы фазы. В ядре вещество переносится преимущественно турбулентными пульсациями. Концентрация распределяемого компонента в ядре практически постоянна. В пограничном слое турбулентность плавно затухает. Это выражается все более резким изменением концентрации по мере приближения к поверхности раздела фаз. Примем: - газообразная фаза; - жидкая фаза. Непосредственно у поверхности перенос сильно замедляется и его скорость уже определяется скоростью молекулярной диффузии. Разное изменение концентраций обусловлено тормозящим действием сил трения между фазами и , а также сил поверхностного натяжения на границе жидкой фазы. Т.о., при турбулентном движении в ядре потока фазы перенос к границе раздела фаз (или в противоположном направлении) осуществляется параллельно и молекулярной и турбулентной диффузией, причем основная масса вещества переносится посредством турбулентной диффузии. В пограничном же слое скорость переноса определяется скоростью молекулярной диффузии. Следовательно для интексификации массопереноса необходимо уменьшить толщину пограничного слоя, повышая степень турбулентности потока, например путем увеличения до некоторого предела скорости фазы.

Процессы массопередачи с участием твердой фазы отличаются специфическими особенностями переноса распределяемого вещества внутри твердой фазы. Поэтому при описании адсорберов отметим некоторые особенности процессов, протекающих в них.

Поясним понятие «равновесная концентрация». Некоторый компонент в виду отсутствия равновесия переходит из газовой фазы , где его концентрация равна , в жидкую фазу с начальной концентрацией в ней компонента: . В результате растворения компонента в жидкости начинается переход части его молекул в обратном направлении со скоростью, пропорциональной концентрации компонента в жидкости и на границе раздела фаз. С течением времени скорость перехода компонента в жидкость будет снижаться, а скорость обратного перехода возрастать. Такой двухсторонний переход будет продолжаться до тех пор, пока скорости переноса в обоих направлениях не станут равны друг другу. При равенстве скоростей установится динамическое равновесие, при котором не будет происходить видимого перехода вещества из фазы в фазу.

При равновесии достигается определенная зависимость между предельными, или равновесными, концентрациями вещества в фазах для данной температуры и давления, при которых осуществляется процесс массопередачи. В условиях равновесия некоторому значению отвечает строго определенная равновесная концентрация в другой фазе , которую обозначим . Соответственно концентрации отвечает равновесная концентрация . В общем виде связь между концентрациями распределяемого вещества в фазах при равновесии выражают зависимости

или

Любую из этих зависимостей можно изобразить графически линией равновесия, которая может быть либо кривой, либо прямой линией. Отношение концентраций в фазах при равновесии называют коэффициентом распределения: . Коэффициент выражает тангенс угла наклона линии равновесия. В общем случае - переменная величина.

Зная линию равновесия для конкретного процесса и рабочие неравновесные концентрации фаз в соответствующих точках пространства природоохранного аппарата, можно определить направление и движущую силу массопередачи в любой точке аппарата. На основе этих данных может быть рассчитана средняя движущая сила а по ней – скорость процесса массопередачи.

Распределяемое вещество всегда переходит из фазы, где его содержание выше равновесного, в фазу, в которой концентрация этого вещества ниже равновесной. Таким образом, процесс протекает тем эффективнее, чем ниже концентрация загрязняющего компонента (распределенного вещества) в поглотителе. Направление переноса распределяемого вещества, т.е. направление массопередачи можно определить по положению линии равновесия относительно рабочей линии (рис. 1).

а – рабочая линия ниже линии равновесия б – рабочая линия выше линии

равновесия

рис. 1. Определение направления массопередачи

по y – х – диаграмме

Линию равновесия строят по справочным таблицам. Рабочая линия в большинстве случаев представлена одним или несколькими отрезками прямой линии .

Пусть массопередача происходит между фазами и , рабочие концентрации которых и соответственно. Если рабочая линия расположена ниже линии равновесия (см. рис. 1 , а ), то для любой точки, например точки рабочей линии < и > , где и - равновесные концентрации. Следовательно, распределяемое вещество (компонент) будет переходить в этом случае из фазы в фазу .

Если рабочая линия расположена выше линии равновесия (рис. 1 б), то для произвольно выбранной на рабочей линии точки концентрация > и < . При этом распределяемый компонент будет переходить из фазы в фазу .

В соответствии с двумя возможными способами выражения движущей силы массопередачи по фазе или по фазе - уравнение массопередачи может быть написано в двух видах.

(1.1)

или

(1.2)

где - количество компонента, переходящего из одной фазы в другую; - площадь поверхности массопередачи, и - соответствующие средние для всего процесса движущие силы, , (где и - текущие концентрации компонента соответственно в и ; и - равновесные концентрации компонента в и ); - коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе ; - коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе .

Величина или связана с механизмом переноса распределяемого компонента между и , зависит от соотношения молекулярной и турбулентной диффузии. Как отмечено выше, эффективность разделения повышается с увеличением турбулентности потоков, но здесь существуют ограничения и технического и экономического характера. Из уравнения (1. ) следует, чем больше , тем большее количество загрязнителя будет поглощено. Поверхность контакта фаз увеличивают применяя поглотитель в раздробленном состоянии: в виде пузырьков, капель, гранул и т.п.

Установить явный вид уравнений связи конструктивных элементов аппаратуры и кинетики процесса удается подчас лишь эмпирическим путем, методом «проб и ошибок», получая множество числовых поправочных коэффициентов и дополнительных математических соотношений.

Вопросы для самоконтроля.

1. Что такое суспензия?

2. Что понимает под термином «аэрозоль»?

3. Под действием каких сил может происходить осаждения?

4. Что является движущей силой процесса осаждения?

5. Какие процессы применяют для удаления загрязнителей из гомогенных систем?

6. Какое физическое состояние вещества фаз участвующих в процессе адсорбции?

7. Какие виды абсорбции и адсорбции Вам известны?