Гидромеханические процессы разделения гетерогенных и гомогенных систем

Основные методы разделения неоднородных систем в пищевой промышленности – осаждение, фильтрование и центрифугирование.

1. Осаждение (отстаивание)

Осаждение тяжелых частиц в жидкости или газе — это разделение неоднородной системы по признаку различия плотностей. Процесс заключается в опускании более плотных частиц на твердые ограничивающие поверхности или во всплывании менее плотных частиц на зеркало жидкой дисперсионной среды под действием массовых сил: тяжести или инерции. Теоретической основой процесса осаждения служат закономерности движения сферических частиц в вязкой среде.

Физическая картина осаждения твердых частиц в жидкости такова. Под действием массовых сил (тяжести или центробежных инерционных) частицы преодолевают сопротивление среды и приобретают ускорение в направлении действия этих сил. По мере увеличения скорости возрастает и сопротивление движению частиц вследствие наличия вязкости и скоростного напора обтека­ющей среды. Когда силы, вызывающие осаждение, уравновешиваются силами сопротивления, скорость движения принимает постоянное и при этом максимальное значение.

Осаждение применяется для грубого разделения суспензий, эмульсий и пыли. Этот способ разделения характеризуется низкой скоростью процесса. Осаждением не удается полностью разделить неоднородную смесь на дисперсную и дисперсионную фазы.

Отстаивание – частный случай разделения неоднородных жидких или газообразных систем в результате выделения твердых или жидких частиц под действием гравитационного поля.

Рассмотрим процесс отстаивания неоднородной системы, при котором наблюдается постепенное увеличение концентрации частиц в аппарате по направлению сверху вниз. Осаждение протекает в несколько стадий. При этом в аппарате образуются четыре зоны: зона 1 - слой осадка; зона 2 - сгущенная суспензия; зона 3 - свободного осаждения; зона 4 - осветленная жидкость

В зоне сгущенной суспензии проходит стесненное осаждение частиц, сопровождающееся трением и взаимными столкновениями. При этом мелкие частицы тормозят движение более крупных.

В начале отстаивания осаждаются преимущественно крупные частицы, вызывающие наиболее интенсивное обратное движение жидко ста Однако по мере уменьшения концентрации этих частиц тормозящее влияние обратного тока жидкости ослабевает и скорость отстаивания возрастает до момента установления динамического равновесия между действующей силой и силой сопротивления жидкости. В последующий период времени совместное осаж­дение частиц происходит с постоянной скоростью. На завершающей стадии процесса про исходит уплотнение осадка т. е. частицы располагаются близко друг к другу и вытеснение жидкости становится затруднительным. При этом процесс отстаивания протекает с уменьшающейся скоростью.

Оборудование для остаивания и осаждения

Процесс разделения гетерогенных систем можно существенно ин­тенсифицировать, проводя процесс под действием центробежных сил.

Для создания поля центробежных сил обычно используют два тех­нических приема: первый обеспечивает вращательное движение потока в неподвижном аппарате, при втором - поток направляют во вращающийся аппарат, где он начинает вращаться вместе с аппаратом. В первом случае процесс проводят в циклоне и называют циклонным; во втором - в отстойных (осадительных) центрифугах, а процесс называют отстойным (осадительным) центрифугированием.

Если в отстойной центрифуге обрабатывается малоконцентрированная суспензия, причем задачей обработки является полное удаление частиц дисперсной фазы из жидкости, т.е. осветление последней (очистка машинных масел от тонких взвесей), то такая центрифуга называется осветляющей, а процесс центрифугирования центробежным осветлением.

К отстойным центрифугам относятся тарелочные сепараторы, с помощью которых производится сепарирование эмульсий и осветление тонких суспензий.

Оборудование для отстаивания и осаждения по принципу действия делится на гравитационные отстойники, отстойные центрифуги, гидроциклоны и сепараторы.

Различают аппараты периодического, непрерывного и полунепрерывного действия, причем непрерывно действующие отстойники делятся на одноярусные, двухъярусные и многоярусные.

Периодически действующие отстойники представляют собой низкие емкости без перемешивающих устройств. Такой отстойник заполняется суспензией, которая остается в состоянии покоя в течение определенного времени, необходимого для оседания твердых частиц на дно аппарата. После этого слой осветленной жидкости сливают через сифонную трубку, расположенную выше уровня осевшего осадка. Последний, обычно пред­ставляющий собой подвижную текучую густую жидкую массу, выгружают вручную через верх аппарата или удаляют через нижний кран.

Размеры и форма аппаратов периодического действия зависят от кон­центрации диспергированной фазы и размеров ее частиц. Чем крупнее частицы и чем больше их плотность, тем меньший диаметр имеет аппарат. Скорость отстаивания зависит от температуры, с изменением которой изменяется вязкость жидкости, причем скорость осаждения обратно пропорциональна вязкости, а последняя уменьшается с увеличением температуры.

Для отстаивания небольших количеств жидкости применяют отстойники в виде цилиндрических вертикально установленных резервуаров с коническим днищем, имеющим кран или люк для разгрузки осадка и несколько кранов для слива жидкости, установленных на корпусе на разной высоте.

Отстаивание применяется для разделения пылей, суспензий и эмульсий. Этот процесс не обеспечивает извлечения тонкодисперсных частиц и характеризуется небольшой скоростью осаждения, поэтому он используется преимущественно для частичного разделения неоднородных систем.

В случае разделения разбавленных суспензий производится осаждение твердых частиц с целью сгущения твердой фазы или осветления жидкости. Причем твердую фазу из суспензии можно выделять без разделения частиц по размерам (собственно отстаивание) или разделять на несколько фракций по скорости осаждения (классификация).

Лимитирующий работу отстойника слой характеризуется минимальной скоростью прохождения через него осаждающихся твердых частиц.

В случае сгущения суспензии наблюдают два режима:

• свободное осаждение;

• стесненное осаждение.

При свободном осаждении концентрация твердой фазы одинакова по всей высоте зоны осаждения, и только у дна аппарата, на границе с уплотня­ющимся осадком, наблюдается скачкообразное увеличение концентрации.

Стесненное, или так называемое консолидированное осаждение, харак­теризуется переменной концентрацией твердой фазы в зоне осаждения с плавным увеличением у дна аппарата до концентрации зоны уплотнения.

Отстойники для сгущения суспензий называются сгустителями, а для классификации твердых частиц на фракции - классификаторами.