Глава 7. 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.

В зависимости от агрегатного состояния сплошной или дисперсной фаз и размера частиц дисперсной фазы 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). Переходную область между суспензиями и истинными растворами занимают коллоидные растворы (размеры частиц являются средними между размерами молекул и частиц взвесей);

б) дисперсной фазой является жидкость (капли), которая не растворима в сплошной фазе – эмульсии. С увеличением концентрации дисперсной фазы появляется возможность обращения (инверсии) фаз. В результате слияния (коалесценции) капель дисперсная фаза становится сплошной, а бывшая сплошная фаза становится дисперсной;

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 дисперсной фазы и физических свойств самой системы (плотностей обеих фаз, их 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).

В химической технологии широко используются процессы разделения неоднородных систем. Выбор метода разделения обусловливается, главным образом, размерами частиц дисперсной фазы, разностью плотностей фаз, вязкостью сплошной фазы, требованиями к качеству разделения.

На практике применяются следующие методы разделения: осаждение, фильтрование и мокрая очистка газов.

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).

Фильтрование – это процесс разделения при помощи пористой перегородки, способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные в них твердые частицы. Движущей силой является разность давлений. Если разность давления создается под действием центробежной силы, процесс называют центробежным фильтрованием.

Мокрая очистка газов – это процесс улавливания взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание осуществляется как под действием сил инерции, так и под действием сил тяжести.

Материальный баланс процессов разделения. Для составления материального баланса введем обозначения , , _{– массовые расходы исходной смеси,
очищенной (осветленной) сплошной фазы,
осадка (сгущенной дисперсной фазы),
кг/с;} _{– массовые доли дисперсной фазы в
исходной смеси, в очищенной сплошной
фазе и в осадке.}