Разделение неоднородных систем

Неоднородные системы и методы их разделения

Неоднородными, или гетерогенными, системами называют системы, состоящие из двух или нескольких фаз. Любая неоднородная 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 жидких и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров твердых частиц (в мкм) суспензии условно разделяются на грубые (более 100), тонкие (0,5 – 100) и мути (0,1 – 0,5).

Переходную область между суспензиями и истинными растворами (гомогенные системы) занимают коллоидными растворы, в которых размеры частиц, находящихся в жидкости, являются средними между размерами молекул и частиц взвесей.

Эмульсии – системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не смешивающиеся с первой. Величина частиц дисперсной фазы может колебаться в широких пределах. С увеличением концентрации дисперсной фазы появляется возможность обращения (инверсии) фаз. В результате слияния (коалесценции) капель дисперсная фаза становится сплошной.

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. Размеры твердых частиц пылей составляют приблизительно 3 – 70 мкм. Дымы получаются в процессах конденсации паров (газов) при переходе их в жидкость 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.

Применяют следующие основные типы разделения: 1) осаждение; 2) фильтрование; 3) центрифугирование; 4) мокрое разделение.

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.

Фильтрование – процесс разделения с помощью пористой перегородки. 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 осаждения сочетается с уплотнением образующегося осадка.

Мокрое разделение – процесс улавливания взвешенных в газе частиц какой – либо жидкостью. Оно происходит под действием сил тяжести.

Разделение жидких систем

Материальный баланс процесса разделения

Введем обозначения:

Gсм , Gосв , Gос – количество исходной смеси, осветленной жидкости и получаемого осадка, кг;

хсм , хосв , хос – содержание дисперсной фазы в исходной смеси, осветленной жидкости и осадке, массовые доли, кг а/кг (а+b).

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

по общему количеству веществ

Разделение неоднородных систем - student2.ru (1)

по дисперсной фазе

Разделение неоднородных систем - student2.ru (2)

Совместное решение уравнений (1) и (2) позволяет определить:

Разделение неоднородных систем - student2.ru

Отстаивание

Скорость стесненного осаждения. Отстойники.

Опыт показывает, что при отстаивании наблюдается постепенное увеличение концентрации диспергированных частиц в аппарате по направлению сверху вниз.

Схема процесса отстаивания Зависимость скорости отстаивания от времени

Разделение неоднородных систем - student2.ru Разделение неоднородных систем - student2.ru

1 – слой осадка (шлама); 2 – зона сгущенной суспензии; 3 – зона свободного осаждения (коллективное); 4 – осветленная жидкость.

В начале осаждаются более крупные частицы, вызывающие наиболее интенсивное обратное движение жидкости. Однако по мере уменьшения концентрации этих частиц тормозящее влияние обратного тока жидкости ослабевает и скорость отстаивания возрастает (аb) до момента установления динамического равновесия между действующей силой (весом) и силой сопротивления среды. В последующий период совместного осаждения частиц происходит с постоянной скоростью (bс). Завершающая и наиболее медленная стадия процесса – уплотнение осадка. Частицы располагаются настолько близко друг от друга, что вытеснение жидкости становится все более затруднительным – здесь происходит уменьшение скорости осаждения (сd).

Различают аппараты периодического, непрерывного и полунепрерывного действия.

Периодически действующие отстойники представляют собой низкие бассейны без перемешивающих устройств. После того как произойдет разделение слой осветленной жидкости декантируют, т.е. сливают через сифонную трубку или краны, расположенные выше уровня осевшего осадка. Размеры и форма аппаратов зависят от концентрации диспергированной фазы и размеров ее частиц (крупные частицы – меньше диаметр, скорость осаждения обратно пропорциональна вязкости, которая уменьшается с увеличением температуры) коническое днище.

Полунепрерывный способ – жидкость поступает и удаляется непрерывно, а осадок выгружается из аппарата периодически – бетонные бассейны.

Отстойники полунепрерывного действия с наклонными перегородками

 
  Разделение неоднородных систем - student2.ru

1 – штуцер для ввода исходной суспензии; 2 – корпус; 3 – наклонные перегородки, которые увеличивают время пребывания жидкости и поверхность осаждения в аппарате; 4 – бункера для осадка; 5 – штуцер для непрерывного отвода осветленной жидкости.

Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой

 
  Разделение неоднородных систем - student2.ru

1 – корпус; 2 – кольцевой желоб; 3 – мешалка; 4 – лопасти с гребками; 5 – труба для подачи исходной суспензии; 6 – штуцер для вывода осветленной жидкости; 7 – разгрузочное устройство для осадка; 8 – электродвигатель.

Мешалка делает 0,015 до 0,5 об/мин. Осадок – текучая сгущенная суспензия (с концентрацией твердой фазы 35 – 55%) удаляется с помощью диафрагмового насоса. Осадок направляется во второй отстойник для отмывки водой и последующего отстаивания. Осадок, полученный во втором аппарате, будет содержать такое же количество жидкости, что и осадок в первом отстойнике, но уже значительно разбавленный водой. При наличии нескольких последовательно соединенных отстойников можно удалить из осадка до 97 –

98 % жидкости.

Схема непрерывной противоточной отмывки осадка от жидкости

 
  Разделение неоднородных систем - student2.ru

Гребковые отстойники обладают следующими достоинствами: большая производительность (иногда 3000 т/сутки осадка), равномерная плотность осадка, обеспечивается более эффективное обезвоживание осадка. К недостаткам можно отнести их громоздкость (d = от 1,8 до 30м, иногда 100м).

Многоярусные отстойники (закрытого и сбалансированного типа)

 
  Разделение неоднородных систем - student2.ru

1 – распределитель исходной смеси; 2 – труба – стакан для ввода суспензии в каждый ярус; 3 – коллектор для сбора осветленной жидкости; 4 – сборник осадка.

В местах прохода вала сквозь днище каждого отстойника установлены уплотняющие сальники.

Отстойники проектируются в расчете на осаждение самых мелких частиц, находящихся в исходной смеси.

Пусть за время τ (сек) суспензия разделяется на слой сгущенной суспензии и слой осветленной жидкости высотой h (м). При поверхности осаждения F (м2) объем осветленной жидкости, получаемой в единицу времени, Vосв3/сек):

Разделение неоднородных систем - student2.ru (1)

За то же время частицы, осаждающиеся со скоростью ωст , должны проходить путь h (м):

Разделение неоднородных систем - student2.ru (2)

Подставив (2) в (1) получим:

Разделение неоднородных систем - student2.ru

Производительность отстойника зависит от скорости и поверхности осаждения.

Высота отстойника – 1,8 – 4,5 м.

Необходимую поверхность осаждения находим из выражения:

Разделение неоднородных систем - student2.ru (3)

Разделение неоднородных систем - student2.ru , тогда: Разделение неоднородных систем - student2.ru (4)

Разделение неоднородных систем - student2.ru

Фильтрование

При этом суспензия разделяется на чистый фильтрат и влажный осадок.

Разность давлений по обе стороны фильтровальной перегородки создают разными способами, в результате чего осуществляют различные процессы фильтрования.

Если пространство над суспензией сообщают с источником сжатого газа или пространство под фильтровальной перегородкой присоединяют к источнику вакуума, то происходит процесс фильтрования при постоянной разности давлений.

Если суспензию подают на фильтр поршневым насосом, производительность которого при данном числе оборотов электродвигателя постоянная, то осуществляется процесс фильтрования при постоянной скорости.

Если суспензию транспортируют на фильтр центробежным насосом, производительность которого при данном числе оборотов электродвигателя уменьшается при возрастании сопротивления, осадка, что обуславливает повышение разности давлений, то производится процесс фильтрования при переменных разности давлений и скорости.

Процесс фильтрования может идти: с образованием осадка, с закупориванием пор, промежуточный вид.

При разделении суспензий с небольшой концентрацией тонкодисперсной твердой фазы часто применяют фильтровальные вспомогательные материалы: перлит, диатомит, асбест, целлюлозу, древесную муку (не более 50 мм).

Осадки, получаемые на фильтровальной перегородке при разделении суспензий, подразделяют на несжимаемые и сжимаемые. Под несжимаемыми понимают такие осадки, в которых пористость, т.е. отношение объема пор к объему осадка, не уменьшается при увеличении разности давлений (неорганические вещества размером более 100 мкм) (к сильно сжимаемым относятся осадки гидратов окисей металлов – алюминия, меди).

Промывка, продувка и сушка осадка.

Промывку выполняют двумя способами – вытеснения и разбавления.

Продувка. Часть жидкости из пор до достижения равновесной влажности.

Сушка – получить осадок с окончательной влажностью менее равновесной.

Уравнения фильтрования

Скорость процесса пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению. Т.к. в процессе фильтрования значения разности давлений и гидравлического сопротивления мешаются, то переменную скорость фильтрования (м/сек) выражают в дифференциальной форме:

Разделение неоднородных систем - student2.ru

где V – объем фильтрата, м3;

S – поверхность фильтрования, м2;

Δр – разность давлений, Н/м2;

μ – вязкость жидкой фазы суспензии, Н·сек/м2.

Разделение неоднородных систем - student2.ru Разделение неоднородных систем - student2.ru Разделение неоднородных систем - student2.ru

где r0 – удельное объемное сопротивление слоя осадка, м-2, характеризует сопротивление, оказываемое потоку жидкой фазы равномерным слоем осадка толщиной 1м;

х0 – отношение объема осадка и объему фильтрата.

Разделение неоднородных систем - student2.ru

и то, что равномерного слоя осадка по перегородке:

Разделение неоднородных систем - student2.ru

таким образом, удельное сопротивление осадка численно равно разности давлений, необходимой для того, чтобы жидкая фаза с вязкостью 1Н·сек/м2 фильтровалась со скоростью 1м/сек сквозь слой осадка толщиной 1м.

Разделение неоднородных систем - student2.ru V = 0 в начале

Уравнение фильтрования при постоянной разности давлений, Δp = сonst:

Разделение неоднородных систем - student2.ru

Уравнение фильтрования при постоянной скорости процесса, W = const:

Разделение неоднородных систем - student2.ru

Уравнение фильтрования при постоянных разности давлений и скорости:

Разделение неоднородных систем - student2.ru

Если чистая жидкость фильтруется через слой осадка постоянной толщины.

Определение постоянных в уравнениях фильтрования. Преобразуя уравнение фильтрования при постоянной разности давлений:

Разделение неоднородных систем - student2.ru (3)

где Разделение неоднородных систем - student2.ru (1)

Разделение неоднородных систем - student2.ru (2)

При Δp = const и t = const все величины входящие в правые части равенства (1) и (2) постоянны.

 
  Разделение неоднородных систем - student2.ru

Тогда выражение (3) является уравнением прямой линии, наклоненной к горизонтальной оси под углом, тангенс которого равен М, и отсекающей на оси ординат отрезок N.

+++++++++++++++ +++++++++++++++++++ +++++++++++

Направление фильтрования

Взаимные направления действия силы тяжести и движения фильтрата в фильтрах

 
  Разделение неоднородных систем - student2.ru

а – направления совпадают; б – направления противоположны; в – направления перпендикулярны; сплошные стрелки – направление действия силы тяжести; пунктирные стрелки – направление движения фильтрата; 1 – фильтровальная перегородка; 2 – осадок; 3 – суспензия; 4 – фильтрат; 5 – чистая жидкость.

Уравнение при ΔP = const

Тфильт = const, все величины за исключением V и τ постоянны.

Разделение неоднородных систем - student2.ru

Проинтегрируем:

Разделение неоднородных систем - student2.ru

или

Разделение неоднородных систем - student2.ru

Разделим обе части уравнения на Разделение неоднородных систем - student2.ru

Разделение неоднородных систем - student2.ru

Из уравнения следует, что по мере увеличения объема фильтрата, а следовательно, и продолжительности фильтрования скорость фильтрования уменьшается.

+++++++++++++++ +++++++++++++++++++ +++++++++++

Наши рекомендации