2.5. Процессы разделения неоднородных смесей

2.5.1. Классификация неоднородных систем и способов их разделения

Неоднородные системы – это смеси, по крайней мере, двух компонентов, находящихся в различных фазовых состояниях и разделенных четкими границами. В таких системах можно выделить две фазы вещества: непрерывно распределенный континуум фазы, называемой дисперсионной средой, и находящиеся в ней раздробленные частицы различных размеров и форм – дисперсную фазу. Частицы дисперсной фазы имеют четкие границы, отделяющие их от дисперсионной среды. Неоднородные системы называют также гетерогенными или дисперсными. Дисперсная среда неоднородных систем может находиться в трех агрегатных состояниях. В этих же состояниях может находиться и дисперсионная фаза. Теоретически возможно существование 9 неоднородных систем. Однако по этой классификации неоднородной системы газ-газ (Г-Г) не существует, так как смесь газов представляет собой систему однородную. В приведенной классификации неоднородных систем также необходимо выделить системы с твердыми фазами Т-Ж, Т-Г, Т-Т, которые не подлежат разделению и поэтому их нельзя считаться неоднородными. К таким системам относятся пластические массы и сплавы.

Таким образом, к неоднородным системам следует отнести пыли, дымы, туманы, суспензии, эмульсии и пены.

Пыль – неоднородная система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размерами 5–50 мкм. Образуется преимущественно при дроблении и транспортировании твердых материалов.

Дым – неоднородная система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размерами 0,3–5 мкм. Образуется при горении веществ.

Туман – неоднородная система, состоящая из газа и распределенных в нем капель жидкости размером 0,3–3 мкм, образующихся в результате конденсации.

Пыли, дымы, туманы носят общее название аэрозоли.

Суспензия – неоднородная система, состоящая из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров частиц различают суспензии: грубые с частицами размером более 100 мкм, тонкие с частицами размером более 0,1–100 мкм и коллоидные растворы, содержащие частицы менее 0,1 мкм.

Эмульсия – неоднородная система, состоящая из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не растворяющейся в первой. Величина размеров частиц дисперсной фазы колеблется в довольно широких пределах.

Пена – неоднородная система, состоящая из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа.

При изменении концентрации дисперсной фазы неоднородная система может изменять свою структуру. Это сопровождается так называемой инверсией фаз. При инверсии дисперсионная среда становится дисперсной фазой и наоборот. Так, с повышением концентрации твердой фазы в суспензиях может наступить момент, когда твердая фаза образует сплошной континуум – непрерывную среду, в которой распределены ограниченные объемы жидкой дисперсной фазы. В этом случае можно утверждать о переходе суспензии в пластическую массу класса Т-Ж.

Аналогичные изменения происходят с пеной, если в ней увеличивается содержание жидкости; она переходит в перенасыщенную газированную жидкость, в которой можно различить дисперсную фазу газовых пузырьков. Такая система недостаточно устойчива, хотя может пребывать в этом состоянии относительно долго.

Пыль с повышением концентрации твердой дисперсной фазы переходит в сыпучий продукт, обладающий специфическими свойствами, т.е. и твердых, и жидких сред. Такая система обладает некоторой упругостью и пластичностью (способностью сохранять форму при относительно небольших нагрузках), однако принимает форму емкости, в которую засыпана; при высыпании на плоскость образует конус с углом естественного откоса.

Для разделения неоднородных систем используются оборудование и методы, отличающиеся большим разнообразием физических явлений. Выбор оптимального оборудования определяется выбором признака, по которому дисперсионная среда и дисперсная фаза существенно различаются по своим свойствам и по которому следует производить их разделение. Такими признаками являются: плотность, прочность, магнитные и электронные свойства и т. п. Именно по использованию одного или нескольких из этих признаков и различаются способы разделения данных систем.

Признак, состоящий в различии плотностей, составляющих неоднородную систему, используется в следующих методах разделения: осаждения за счет силы тяжести, отстойного центрифугирования (сепарирования) и циклонном процессе.

В консервативных силовых полях (сил тяжести, центробежных сил, инерционных сил) частицы дисперсной фазы приобретают ускорение, которое по второму закону Ньютона пропорционально действующей силе и обратно пропорционально массе частиц. В растворе частицы начинают двигаться в дисперсионной среде в направлении вектора действующей силы. Их скорости, в конце концов, стабилизируются на уровне, соответствующем балансу вынуждающей силы и сил сопротивления среды. С данной скоростью все «тяжелые» и более плотные, чем дисперсионная среда, частицы оседают на твердых поверхностях оборудования.

Признак, состоящий в различии магнитных свойств, составляющих неоднородную систему, используется для выделения частиц металломагнитных включений из дисперсионной среды. При этом под действием магнитных сил металломагнитные частицы ускоряются в направлении их действия, а окружающая среда остается неподвижной. За счет этого происходит разделение фаз в пространстве.

Признак, основанный на различии электрических свойств, составляющих неоднородную систему, используется в электрофильтрах. Под действием высокого электрического напряжения частицы дисперсной фазы могут ионизироваться и передвигаться в пространстве к электродам фильтра.

Признак, заключающийся в задерживании частиц дисперсной фазы на твердых перегородках, используется в процессах фильтрования (за счет разности давлений и центробежного фильтрования).

Признак, связанный с объединением дисперсных частиц в более крупные комплексы, используется в процессах разделения запыленных газовых систем мокрым способом.

Возможно также комбинирование способов разделения неоднородных систем.