5. Центрифугирование. Основные закономерности процесса. Центробежная сила и фактор разделения. Расчет производительности процесса центрифугирования.

Центрифугирование — разделение неоднородных систем (напр., жидкость — твердые частицы) на фракции по плотности при помощи центробежных сил. Центрифугирование осуществляется в аппаратах, называемых центрифугами. Центрифугирование применяется для отделения осадка от раствора, для отделения загрязненных жидкостей, производится также центрифугирование эмульсий (напр., сепарирование молока). Для исследования высокомолекулярных веществ, биологических систем применяют ультрацентрифуги. Центрифугирование используют в химической, атомной, пищевой, нефтяной промышленностях.

Атомная промышленность

В атомной промышленности центрифугирование используется для обогащения урана.

Центрифугирование характеризуется рядом технологических параметров, определяющих качество процесса и его кинетику. К ним относятся: фактор разделения (r_рт - максимальный внутренний радиус ротора), отражающий интенсивность центробежного поля; скорость центрифугирование - производительность центробежной машины по исходной жидкой системе или составляющим ее компонентам; унос – содержание твердой фазы в фугате (фильтрате); насыщенность осадка жидкой фазой (в том числе влажность осадка) после центрифугирование; крупность разделения - минимальный размер частиц, улавливаемых при центробежном осаждении.

Кинетика центрифугирование зависит от многих факторов, классифицируемых на две группы. Факторы первой группы определяются физико-химическими cвойствами разделяемой системы (разность плотностей фаз, гранулометрический состав твердой фазы, вязкость жидкой фазы, удельное сопротивление осадка при фильтровании). Факторы второй группы, обусловленные конструкцией и частотой вращения ротора центробежной машины (структура внутрироторного потока, его гидродинамика и поле скоростей), оказывают решающее влияние на центробежное осаждение и отчасти на центробежное фильтрование; в свою очередь гидродинамический режим зависит от производительности машины. Математическое описание потока дается уравнениями Навье - Стокса и неразрывности (см. Гидромеханические процессы), которые составляются с учетом геометрии ротора и граничных условий; решение зачастую находится методами подобия теории.

Центробежное осаждение включает осветление, сгущение, а также осадительное центрифугирование. Осветление - удаление твердой фазы из суспензий с содержанием частиц не более 5% по объему; используют для очистки, например, нефтяных масел. Сгущение - процесс, при котором частицы дисперсной фазы группируются в относительно малом объеме дисперсионной среды; позволяет осуществлять концентрирование суспензий (например, водная суспензия каолина). Осадительное центрифугирование -разделение суспензий с содержанием твердой фазы более 5-10% по объему; применяют преим. для обезвоживания твердых компонентов (например, CaSO4).

Центробежное фильтрование происходит с образованием или без образования осадка на фильтровальной перегородке, а также при одновременном протекании в ее зонах обоих процессов; наиболее эффективно для получения осадков с минимальной влажностью. Процесс принято делить на три периода: образование осадка, удаление из него избыточной жидкости и удаление жидкости, удерживаемой межмолекулярными силами (механическая сушка осадка).

6. Виды процессов массопередачи, используемых в зкобиозащитной технике.

МАССООБМEН, необратимый перенос массы компонента смеси в пределах одной или неск. фаз. Осуществляется в результате хаотич. движения молекул (мол. диффузия), макроскопич. движения всей среды (конвективный перенос), а в турбулентных потоках - также в результате хаотич. движения вихрей разл. размера. М. включает массоотдачу (перенос вещества от границы раздела в глубь фазы) и массопередачу (перенос вещества из одной фазы в другую через пов-сть раздела фаз). Различают эквимолярный М. (напр., ректификация), при котором через пов-сть раздела фаз в противоположных направлениях переносится одинаковое кол-во компонентов, и неэквимолярный (напр., абсорбция). М. лежит в основе разнообразных процессов разделения и очистки веществ, объединяемых в класс массообменных процессов (см. схему). Мн. тепловые процессы, такие, как прокаливание, конденсация, выпаривание, испарение, а также гидромех. - флотация, промывание газов, перемешивание - сопровождаются М. При проведении хим. процессов М. определяет скорость подвода веществ в зону реакции и удаления продуктов реакции. В большинстве случаев в М. участвуют две или более фаз, в которых концентрации целевого компонента при равновесии различаются. При взаимод. двух фаз в соответствии со вторым началом термодинамики их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, которое характеризуется равенством температур и давлений фаз, а также равенством хим. потенциалов каждого компонента в сосуществующих фазах. Движущая сила переноса к.-л. компонента из одной фазы в другую - разность химических потенциалов этого компонента во взаимодействующих фазах. Переход компонента происходит в направлении убывания его хим. потенциала. М. осуществляется также под действием градиентов электрич. потенциалов (при электрофорезе, в электрохим. процессах), температуры (напр., в термодиффузионной колонне для разделения изотопов) и др. Однако на практике движущую силу М. обычно выражают через градиент концентраций, что значительно упрощает связь между скоростью процесса и составом технол. потоков. В ряде случаев использование концентрац. движущей силы можно обосновать теоретически. Учет условий существования данного кол-ва фаз и законов распределения компонентов в них, определяемых фаз правилом и законами равновесия (см. Химическое равновесие), необходимо для понимания и анализа любого процесса М. Термодинамич. теория фазовых равновесий разработана достаточно хорошо, хотя для практич. расчетов, когда это возможно, в ряде случаев надежнее использовать эксперим. данные, приводимые в справочной литературе. Условия контактирования фаз в процессах М. исключительно разнообразны. Так, при дистилляции в непосредств. контакте находятся насыщ. пар и кипящая жидкость, что способствует переносу менее летучих компонентов из пара в жидкость и более летучих - из жидкости в пар. В процессах адсорбции газовая или жидкая смесь разделяется в результате предпочтительной сорбции одного из компонентов на пов-сти твердого адсорбента. Кристаллизацию используют для выделения кристаллизующейся твердой фазы из раствора путем создания условий пересыщения по нужному компоненту. Мембранные процессы разделения основаны на способности некоторых тонких пленок или пористых перегородок пропускать одни соед. и задерживать другие. Операции сушки зависят от переноса как жидкости, так и пара внутри твердого тела и затем пара в осушающий газ. Все эти процессы, а также ионный обмен, сублимация и др. объединяются общими кинетич. закономерностями, определяющими скорость межфазного переноса массы. Последняя зависит от скорости мол. диффузии в неподвижной среде (см. Диффузия) и скорости конвективной диффузии - в движущейся среде, а также от специфич. условий на границе раздела фаз.