4. Разделение неоднородных систем

В природе и ряде производств часто встречаются неоднородные (гетерогенные) системы. В химических производствах многие процессы приводят к образованию неоднородных систем. Жидкости и газы, получающиеся в результате химических реакций при обработке сырья, очень часто содержат большее или меньшее количество инородных частиц. Для дальнейшей обработки возникает необходимость их разделения. Разделение может преследовать различные цели: очистку газа или жидкости от взвешенных в ней частиц или выделение ценных продуктов, взвешенных в газе или жидкости.

4.1. Классификация неоднородных систем и методов их разделения

Любая неоднородная система (НС) состоит из двух или более фаз. В простейшем случае – двухфазных системах – одна из фаз (твердое тело, жидкость или газ), называемая дисперсной, распределена в виде мелких частиц в окружающей сплошной среде, называемой дисперсионной (газ или жидкость). Между этими фазами, в отличие от растворов, имеются поверхности раздела. В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды различают жидкие (ЖНС) и газовые неоднородные системы (ГНС).

Ниже приводится классификация жидких неоднородных систем.

Суспензия – система, состоящая из жидкости (дисперсионная среда) и взвешенных в ней твердых частиц. Суспензии различают по величине и концентрации взвешенных твердых частиц. В зависимости от размеров твердых частиц суспензии условно разделяются на 4 группы:

Системы	Размеры твердых частиц, в мкм
Грубые суспензии	100
Тонкие суспензии	0,5–100
Мути	0,1–0,5
Коллоидные растворы (золи)	0,1

В мутях и коллоидных растворах, в отличие от грубых и тонких суспензий, взвешенные частицы интенсивно движутся (броуновское движение) и не осаждаются под действием сил тяжести.

На практике при проведении технологических процессов встречаются все виды суспензий, причем в большинстве случаев взвешенные в них частицы различны по размерам.

Повышение концентрации твердой фазы приводит к изменению физико-механических свойств суспензии. При этом необходимо иметь в виду и возможности структурообразования (гелеобразное состояние).

Эмульсия – система, состоящая из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не растворяющейся в первой. Величина частиц дисперсной фазы может колебаться в широких пределах. Однако эмульсии малоустойчивы. За счет разностей плотностей жидкостей происходит их расслаивание. Если размер частицы жидкости порядка 0,5 мкм и ниже, эмульсия становится устойчивой. Повышение устойчивости эмульсии может быть достигнуто добавлением в смесь щелочных солей жирных кислот (мыла).

С увеличением концентрации дисперсной фазы возможно её обращение: капельки дисперсной фазы сливаются друг с другом и образуют сплошную, в которой распределены капельки жидкости, бывшей ранее дисперсионной средой.

Пена – система, состоящая из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа. По своим свойствам пена близка к эмульсиям.

Ниже приводится классификация газовых неоднородных систем.

Пыль – система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размерами 5–100 мкм. Пыль образуется главным образом механическим путем (дробление, помол, просеивание и смешение сыпучих материалов, транспортировка твердых материалов, распыление и сушка и т.д.).

В инженерной практике, как правило, пылью называют не только среду со взвешенными частицами – аэрозоль, но и сами пылевые частицы различного происхождения, в том числе и осевшие.

Дым – система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размерами 0,001–5 мкм, получающихся при объемной конденсации пересыщенных паров и их отвердевании. Например, при неполном сгорании органических веществ (уголь, керосин, древесина и т.д.).

Туман – система, состоящая из газа и распределенных в нем капель жидкости размерами 0,001–5 мкм, образующихся в результате конденсации (процессы перегонки, возгонки, конденсации и др.).

В конденсированных газовых системах взвешенные частицы размером 0,1 мкм и ниже находятся в броуновском движении и практически не оседают под действием силы тяжести.

Методы разделения неоднородных систем выбирают в зависимости от характеристик составных частей системы и состояния фаз (жидкой, твердой и газообразной). При выборе метода разделения следует также учитывать физические и химические свойства дисперсионной среды (вязкость, плотность, способность химического воздействия на другие тела), а также дисперсность самой фазы (размеры частицы, их плотность, агрегатное состояние и т.д.). Часто для разделения неоднородной системы используется несколько методов.

При выборе метода необходимо учесть стоимость оборудования и эксплуатационные расходы.

Разделение неоднородной системы может быть достигнуто при относительном перемещении фаз. В зависимости от того, какая фаза движется относительно другой, различают два основных способа разделения: осаждение и фильтрование. В процессе осаждения частицы (дисперсная фаза) движется относительно среды (дисперсионной среды). При фильтровании дисперсионная среда проходит сквозь концентрированную дисперсную фазу или через специально предназначенное для разделения пористое тело.

Относительное перемещение фаз происходит при воздействии какого-либо силового поля.

Ниже приводятся методы разделения ЖНС и ГНС.

Осаждение применятся в основном для разделения грубых суспензий. В тех случаях, когда при разделении суспензии или недопустима потеря жидкости с осадком, или оседание идет плохо, или же необходимо выделить твердую фазу в виде осадка, применяется фильтрование.

Мокрая очистка газа – процесс разделения ГНС, основанный на улавливании взвешенных в газе частиц жидкостью.

Одновременно могут применяться для очистки НС несколько методов.

При воздействии на ГНС высокоинтенсивных звуковых колебаний твердые частицы ударяются друг о друга и в результате укрупняются.

Диффузионные, абсорбционные и физико-химические методы применяются для разделения туманов.