Разделение гетерогенных жидкостных систем в поле силы тяжести и центробежных сил

Процессы разделения в поле силы тяжести.К ним относятся процессы отстаивания и осаждения, которые совершенно иден­тичны по своей физической сути. Различие заключается лишь в том, что при отстаивании дисперсная фаза движется вверх, а при осаждении вниз.

Вне зависимости от направления движения частицы общие закономерности процесса одинаковы. Частицы могут переме­щаться в жидкости при трех режи­мах: ламинарном, переходном, турбулентном. При ламинарном движениичастицы (рис. 5, а) линии тока жидкости плавно огибают ее. При переходном (рис. 5, б)–за частицей возникает незначитель­ное завихрение жидкости. Наконец, при турбулентном (рис. 5, в)– за частицей образуются вихревые потоки. Для процесса осаждения частиц наиболее предпочтителен ла­минарный режим движения частиц.

Рис. 5. Режимы движения дисперсных частиц в жидкой среде:

а – ламинарный; б – переходный; в – турбулентный

Аппараты для разделения в поле силы тяжести.Процессы отстаивания и осаждения проводят в аппаратах периодического и непрерывного действия. Примером простейшего аппарата пе­риодического действия для осаждения может служить аппарат, показанный на рис. 6.

Рис. 6. Схема аппарата для осаждения (периодического действия):

1 – корпус; 2 – патрубок для входа осветленной жидкости;

3 –сборник осадка; 4 – патру­бок для выхода осадка

Простейший аппарат для осаждения (непрерывного дейст­вия) показан на рис. 7. Гетерогенная жидкость непрерывно поступает и непрерывно из него отводится.

Рис. 7. Схема аппарата для осаждения (непрерывного действия):

1 – патрубок для входа исходной жидкости; 2 – корпус;

3 – патрубок для выхода осветленной жидкости; 4 –сборник осадка;

5 – патрубок для выхода осадка

Эффективность осаждения будет достигнута в том случае, если продолжительность осаждения частицы будет равна про­должительности движения слоя движущейся жидкости.

Разделение в поле центробежных сил.К числу очень эффек­тивных процессов разделения гетерогенных систем относятся процессы центрифугирования, осуществляемые в центрифугах.

Принцип действия центрифуг в общем виде следующий (рис. 8, а). По патрубку для подачи исходной жидкости она попадает в барабан центрифуги. Здесь жидкость образует кольцо, в котором и происходит разделение. В поле центробеж­ных сил дисперсная фаза в зависимости от ее плотности или осе­дает на стенках центрифуги, или всплывает к центру жидкости. Очевидно, что если частица имеет плотность большую, чем плот­ность дисперсионной среды, то она оседает, и наоборот.

Осветленная жидкость выбрасывается из барабана центри­фуги через ее горловину.

По назначению центрифуги можно подразделить па два типа: отстойные и фильтрующие. Само название говорит за себя. В отстойных центрифугах (рис. 8, а) дисперсная фаза в виде осадка скапливается у стенок барабана или в виде легкой фрак­ции собирается в его центре. В фильтрующих центрифугах (рис. 8, б) барабан имеет сетчатые или перфорированные стенки. Внутрь его укладывается фильтрующая перегородка. Дисперсная фаза накапливается на перегородке, а очищенная жидкость через поры фильтрующей перегородки выбрасывается в приемник центрифуги, откуда она отводится для дальнейшей переработки. Процесс, происходящий в фильтрующих центри­фугах, называют центробежным фильтрованием.

Рис. 8. Схемы центрифуг:

а – отстойной; б –фильтрующей: 1 – патрубок дли подачи исходной жидкости;

2 – барабан центрифуги; 3 – перфориро­ванная стенка центрифуги;

4 – фильтрующая перегородка; 5 – осадок; 6 –приемник;

7 –отводящий патрубок; 8 –при­водной вал

Довольно широко в пищевых производствах применяется ап­парат, называемый жидкостным сепаратором. Этот тип аппа­рата относится к сверхцентрифугам и предназначен для разде­ления тонкодиспергированных гетерогенных систем. Как пра­вило, барабаны сепараторов снабжены тарельчатыми вставками. Тарелки бывают двух типов: с отверстиями и без отверстий. Тарелки без отверстий устанавливают в барабанах сепараторов (рис. 9, а), предназначенных для выделения из жидкости твердой дисперсной фазы, которая оседает на внутренней стенке барабана. Такие барабаны используют в сепараторах-осветлите­лях и сепараторах-очистителях. Осветление и очистка достига­ются за счет удаления частиц дисперсной фазы.

Тарелки с отверстиями предназначены для разделения эмуль­сий на две жидкие фракции. Они устанавливаются в бараба­нах сепараторов-разделителей (рис. 9, б).

Сепараторы-осветлители и очистители работают следующим образом. Исходная жидкость поступает во входной патрубок, из которого через тарелкодержатель она поступает в кольцевое про­странство между тарелками и корпусом барабана. Это простран­ство часто называют периферией барабана. Уже здесь начина­ется процесс выделения частиц дисперсной фазы. Основное же разделение происходит в межтарелочных пространствах, в ко­торые поступает жидкость с периферии. Осветленная или очи­щенная жидкость движется к центру барабана, поднимается вверх и через специальные каналы выбрасывается из него.

В сепараторах-разделителях исходная жидкость из входного патрубка попадает в тарелкодержатель. Далее она поднимается по каналу, образованному отверстиями в тарелках. Поднимаясь вверх, жидкость растекается по межтарелочным пространствам, в которых происходит выделение дисперсной фазы. Легкая фрак­ция оттесняется к центру, тяжелая – к периферии. Для их вы­хода вверху барабана имеются специальные каналы.

Рис. 9. Барабаны сепараторов:

а – сепаратора-осветлителя; б – сепаратора-разделителя:

1 – входной патрубок; 2 – корпус барабана; 3 – тарелки; 4 – осадок;

5 – тарелкодержатель; 6 – приводной вал

При работе центрифуг и сепараторов на стенках барабанов накапливается осадок. Слой его постепенно увеличивается. Про­странство, в котором накапливается осадок, называется шламо­вым, или грязевым, пространством.

Для удаления осадка центрифуги и сепараторы останавли­вают, разбирают барабаны и вручную выгружают осадок. За последние годы в промышленности получили и получают все более широкое распространение саморазгружающиеся центри­фуги и сепараторы, в которых осадок выгружается автомати­чески.

Для проведения процессов разделения гетерогенных жидко­стей под действием центробежной силы применяются также гид­роциклоны (рис. 10). Суспензия через патрубок для входа подается в цилиндрическую часть гидроциклона тангенциально и приобретает вращательное движение. Под действием центробеж­ной силы тяжелые частицы отбрасываются к периферии и по стенкам циклона опускаются вниз. Легкая фракция удаляется через патрубок, расположенный в перегородке, попадает в ка­меру, отделенную от циклона, и выводится через патрубок для выхода осветленной жидкости.

Эффективность работы центри­фуг и сепараторов связана с режи­мом течения жидкости в их бара­бане (роторе). Течение жидкости должно быть ламинарным. При турбулентном движении частицы под действием пульсаций жидкости приобретают хаотическое движение и их перемещение к центру или пе­риферии барабана затрудняется.

Рис. 10. Схема гидроциклона:

1 –патрубок для выхода осадка; 2 – коническая часть аппарата;

3 – входной патру­бок; 4 – камера для осветлен­ной жидкости;

5 – патрубок в перегородке; 6 –перегородка; 7 – патрубок для выхода

ос­ветленной жидкости; 8 – ци­линдрическая часть аппарата

ФИЛЬТРОВАНИЕ

Сущность процесса и методы фильтрования.Процесс фильт­рования заключается в выделении дисперсной фазы из гетеро­генной системы за счет пропускания ее через пористую (фильт­рующую) перегородку (рис. 11).

При прохождении жидкой системы через фильтрующую пе­регородку возможны три основных случая. Случай 1 – осадок не попадает в поры перегородки. В этом случае процесс назы­вают фильтрованием с образованием осадка. Случай 2 – ча­стицы дисперсной системы проникают в поры перегородки и за­купоривают поры, не образуя осадка. В этом случае имеет ме­сто фильтрование с закупориванием пор. Случай 3 – проме­жуточный вид фильтрования, когда частицы образуют осадок и проникают в поры.

Даже элементарный процесс фильтрования, который изобра­жен на упрощенной схеме (рис. 11), может происходить только при условии, когда имеет место разность давлений жидкости над перегородкой и под ней.

В фильтрах, имеющих промышленное значение, разность дав­лений может создаваться разными способами (рис. 12). Пер­вый из них заключается в том, что над жидкостью при фильт­ровании создают избыточное давление за счет подачи сжатого воздуха (рис. 12, а). При втором способе под фильтрующей перегородкой создается разрежение (рис. 12, б).При обоих этих способах фильтрование происходит при постоянной разно­сти давлений.

Рис. 11. Схема фильтрования:

1 – резервуар; 2 – исходная си­стема; 3 – оса­док;

4 – филь­трующая перего­родка; 5 – филь­трат

Гетерогенную систему в фильтр можно подавать насосом. Если насос обеспечивает постоянную производитель­ность, то процесс называют фильтрованием при постоянной ско­рости. Если жидкость подают насосом, который из-за увеличе­ния сопротивления под действием осадка или забитой перего­родки работает с меньшей производительностью, то подобный процесс называют фильтрованием при переменных значениях давления и скорости.

Рис. 12. Схема фильтрования при постоянном давлении:

а –при избыточном давлении; б – под вакуумом: 1 – патрубок для входа

ис­ходной системы; 2 – исходная система; 3 –осадок; 4 –фильтрующая

перего­родка; 5 – фильтрат; 6 – патрубок для выхода фильтрата;

7 – патрубок к ваку­умному насосу; 8 –патрубок для по­дачи сжатого воздуха

Подразделяют процесс фильтрования также по типу полу­чаемого осадка. В пищевой промышленности и общественном питании в зависимости от фильтруемых жидкостей осадки могут быть сжимаемыми и несжимаемыми. В соответствии с этим процессы называют: фильтрование со сжимаемым осадком и фильтрование с несжимаемым осадком.

Подразделяют процессы фильтрования также в зависимости от взаимного направления действия силы тяжести и движения жидкости вфильтрах.

Основные виды фильтров.Основные типы фильтров рассмотрены ранее (см. рис. 12). Фильтры, схемы которых приведены на этих рисунках, получили название нутч-фильтров.

В настоящее время известно много различных аппаратов для фильтрования. Большое промышленное распространение полу­чили так называемые фильтры-прессы. Известно несколько их разновидностей, которые отличаются друг от друга конструк­тивными особенностями. Однако принцип действия их одинаков. Для уяснения принципа действия фильтра-пресса рассмотрим схему его работы (рис 13). Жидкость, подлежащая филь­трованию, движется по каналу и через специальные отверстия в перегородках поступает в фильтровальные камеры. Фильтрующая перегородка по­ложена на ребристые рамы. Фильтрат проходит через пе­регородку и попадает между ребер в полость рам, откуда через отверстия в нижней перегородке отводится в общий сбор­ник. На рисунке представлен режим фильтрования. Если через канал фильтрата подавать промывную жидкость и собирать ее наверху, то при этом будет происходить промывка фильтров.

Рис. 13. Схема фильтра-пресса:

1 – фильтрующая перегородка; 2 – ребра рамы