Материальный баланс процесса разделения

V. РАЗДЕЛЕНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

Неоднородные системы и методы их разделения

Неоднородными, или гетерогенными, системами на­зывают системы, состоящие из двух или нескольких фаз. Фазы, состав­ляющие систему, могут быть, в принципе, механически отделены одна от другой.

Любая неоднородная бинарная система состоит из дисперсной (внутренней) фазы и дисперсионной среды, или сплошной (внешней) фазы, в которой распределены частицы дисперсной фазы.

В зависимости от физического состояния фаз различают: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.

Суспензии — неоднородные системы, состоящие из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров твердых частиц (в мкм) суспензии условно подразделяют на грубые (более 100), тонкие (0.5-100) и мути (0.1-0.5).

Переходную область между суспензиями и истинными растворами (гомогенные системы) занимают коллоидные растворы, в которых размеры частиц, находящихся в жидкости, являются средними между размерами молекул и частиц взвесей. Граница между суспензиями и коллоидными растворами может быть в первом приближении охарактеризована появ­лением броуновского движения твердых частиц, с возникновением кото­рого эти частицы не могут осаждаться под действием силы тяжести.

Эмульсии — системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не смешивающейся с первой. Размер частиц дисперсной фазы может колебаться в широких пределах. Под действием силы тяжести эмульсии расслаиваются, однако при незначи­тельных размерах капель (менее 0.4-0.5 мкм) или при добавлении ста­билизаторов эмульсии становятся устойчивыми и не расслаиваются в течение длительного времени. С увеличением концентрации дисперсной фазы появляется возможность обращения (инверсии) фаз. В резуль­тате слияния (коалесценции) капель дисперсная фаза становится сплошной; в ней оказываются взвешенными частицы фазы, бывшей до этого внешней.

Пены — системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа. Эти газо-жидкостные системы по своим свойствам близки к эмульсиям.

Пыли и дымы — системы, состоящие из газа и распределенных в нем частиц твердого вещества. Пыли образуются обычно при механиче­ском распределении частиц в газе (при дроблении, смешивании и транс­портировке твердых материалов и др.). Размеры твердых частиц пылей составляют приблизительно 3-70 мкм. Дымы получаются в процессах конденсации паров (газов) при переходе их в жидкое или твердое состоя­ние, при этом образуются твердые взвешенные в газе частицы размерами 0.3-5 мкм. При образовании дисперсной фазы из частиц жидкости при­мерно таких же размеров (0.3-5 мкм) возникают системы, называемые туманами. Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперс­ные системы, или аэрозоли.

Указанные системы могут образовываться также при химическом взаимодействии газов, протекающем с образованием твердой или жидкой фазы. При этом дисперсность системы будет определяться скоростью образования центров (ядер) конденсации и скоростью их роста.

В химической технологии широко распространены процессы, связан­ные с разделением жидких и газовых неоднородных систем. Выбор метода их разделения обусловливается, главным образом, размерами взвешенных частиц, разностью плотностей дисперсной и сплошной фаз, а также вяз­костью сплошной фазы. Применяют следующие основные методы разде­ления:

1) осаждение,

2) фильтрование,

3) центрифугирование,

4) мокрое разделение.

Эти методы лежат в основе гидромеханических процессов разделения неоднородных систем.

Осаждение представляет собой процесс разделения, при кото­ром взвешенные в жидкости или газе твердые или жидкие частицы отде­ляются от сплошной фазы под действием силы тяжести, сил инерции (в том числе центробежных) или электростатических сил. Осаждение, происходящее под действием силы тяжести, называется отстаиванием. В основном отстаивание применяется для предварительного, грубого разделения неоднородных систем.

Фильтрование — процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные в среде твердые частицы. Оно осуществляется под действием сил давления или центробежных сил и применяется для более тонкого разделения суспензий и пылей, чем путем осаждения.

Центрифугирование — процесс разделения суспензий и эмульсий в поле центробежных сил. Под действием этих сил осаждение сочетается с уплотнением образующегося осадка, а фильтрование — с уплотнением и механической сушкой осадка.

Мокрое разделение — процесс улавливания взвешенных в газе частиц какой-либо жидкостью. Оно происходит под действием сил тяжести или сил инерции и применяется для очистки газов и разделения суспензий. При обработке суспензий мокрое разделение используют в комбинации с другими способами разделения (промывка осадков в про­цессах отстаивания и фильтрования).

Несмотря на общность принципов разделения жидких и газовых не­однородных систем некоторые методы их разделения, а также применяе­мое оборудование в ряде случаев имеют специфические особенности. Поэтому процессы разделения жидких и газовых систем ниже рассмотрены раздельно.

РАЗДЕЛЕНИЕ ЖИДКИХ СИСТЕМ

Материальный баланс процесса разделения

Пусть разделению подлежит система, состоящая из вещества а (сплош­ной фазы) и взвешенных частиц вещества b (дисперсной фазы). Введем обозначения:

G_cм. G_ocb, G_ос — масса исходной смеси, осветленной жидкости и полу­чаемого осадка, кг;

х_см, х_осв, х_ос— содержание вещества b в исходной смеси, осветленной жидкости и осадке, массовые доли.

При отсутствии потерь вещества в процессе разделения уравнения материального баланса имеют вид:

по общему количеству веществ

G_см = G_осв + G_ос                            (V.6)

по дисперсной фазе (веществу b):

G_смх_см = G_освх_осв + G_осх_ос                    (V,7)

Совместное решение уравнений (V,6) и (V,7) позволяет определить массу осветленной жидкости G_ocв и массу осадка G_oc, получаемых при заданном содержании вещества b в осадке и осветленной жидкости:

                          (V.8)

                       (V,9)              

Содержание взвешенных частиц в осветленной жидкости и в осадке выбирается в зависимости от конкретных технологических условий про­цесса разделения. При этом содержание вещества в осветленной жидкости обычно ограничивается некоторым нижним пределом.

А. ОТСТАИВАНИЕ