Класифікація неоднорідних систем і методів їх розділення

Неоднорідною називається система, яка складається з двох або кількох фізико-хімічних неоднорідних (тобто таких, що знаходяться в різних агрегатних станах) фаз. Наприклад, „газ-рідина”, „рідина-тверді частинки”. Фаза, яка знаходиться у мілкоподрібненому стані, називається дисперсною або внутрішньою. Фаза, що є середовищем, в якому розподілені частинки дисперсної фази, називається дисперсійною або зовнішньою. Це є суцільна фаза.

В залежності від фізичного стану виділяють різні неоднорідні системи, що наведені в таблиці 7.

Суспензії – це грубодисперсні системи, зависі твердих частинок у рідинах. У вигляді суспензій застосовують будівельні матеріали (цементи, глини тощо), лаки і фарби, засоби боротьби зі шкідниками сільськогосподарських культур.

Емульсіями називають дисперсні системи, що складаються з двох взаємно нерозчинних рідин, одна з яких розподілена в іншій у вигляді дуже маленьких крапель. Прикладами емульсій можуть слугувати бензин у воді, олія у воді, молоко.

Дисперсні системи з газоподібним дисперсійним середовищем називають аерозолями. Тумани – це аерозолі з рідкою дисперсною фазою, а пил, дим – аерозолі з твердою дисперсною фазою.

Піни – це дисперсні системи, що складаються з комірок, заповнених газом і відокремлених одна від одної рідкими або твердими плівками дуже малої товщини.

Для емульсій і пін характерною є можливість переходу дисперсної фази у суцільну і, навпаки, суцільної фази у дисперсну. Такий перехід, можливий при визначеному співвідношенні фаз, і називається інверсією (оберненням) фаз.

Таблиця 7

Типові неоднорідні системи

Диспер-сійна (суціль-на) фаза	Дисперсна фаза	Розміри частинок дисперсної фази (мкм)	Наймену-вання неоднорідної системи	Приміт-ки
Газ	Тверді частинки	5-100 0,3-5	Пил Дим	Меха-нічна газова система
Газ	Рідина	0,3-3	Туман	Конден-совані газові системи, аерозолі
Рідина	Тверді частинки	0,5-100   0,1-0,5 0,1	Суспензія: Грубодис-персна Тонкодис-персна Муть Колоїдний розчин	Завись   При наяв-ності броу-нівського руху
Рідина	Рідина	0,5	Емульсія
Рідина	Газ	-	Піна

Перелік процесів і типових апаратів для розділення неоднорідних систем за рушійною силою наведений в таблиці 8.

Таблиця 8

Процеси і типові апарати для розділення неоднорідних систем

Основна рушійна сила	Неоднорідна система	Процес	Апарат
Сила тяжіння	Газ-тверда речовина   Рідина-тверда речовина	Осадження     Відстоювання	Пилоосад-жувальна камера Відстійник
Різниця тисків	Рідина-тверда речовина	Фільтрування	Фільтр
Відцентрова сила	Газ-тверда речовина Рідина-тверда речовина     Рідина-тверда речовина	Осадження   Фільтрування або осадження   Осадження	Циклон   Фільтруюча або осад-жувальна центрифуга Гідроциклон
Сила електрич-ного поля	Газ-тверда речовина	Осадження	Електро-фільтр
Сила акустичного поля	Газ-тверда речовина	Осадження	УЗ-сирена

Для гідромеханічних процесів (відстоювання, фільтрування, центрифугування) прийняті типові рішення з автоматизації.

Процес відстоювання – це осадження грубодисперсних частинок під дією сили тяжіння.

Цей процес складається з 4-х стадій:

1) утворення шару осаду з найбільш великих частинок;

2) утворення шару згущеної суспензії;

3) утворення перехідного шару, густина якого зменшується знизу вверх;

4) утворення шару осаду і освітленої рідини.

а) б) в)

Рис. 10. Об’єкти управління в процесах розділення неоднорідних систем:

а – відстійник; б – фільтр; в – центрифуга

Рух частинок у рідині описується законом Стокса:

де F – сила опору, Н; μ – в’язкість рідини, Па · с ; θ – швидкість осадження частинки, м/с; d – діаметр частинки, м.

Коли розмір частинки збільшується, то лінійний закон порушується і тоді рух частинки описується законом Ньютона-Рейлея:

де ρ₁ – густина рідини, кг/м³; ψ – коефіцієнт опору (залежить від числа Рейнольдса).

Швидкість осадження частинок певного виду визначається:

де ρ₂ – густина частинки, кг/м³; g = 9,81 м/с² – прискорення вільного падіння.

Для області лінійного закону можна записати (формула Стокса):

.

Формула Стокса застосовується для визначення швидкості осадження частинок малого розміру.

Швидкість осадження при температурі 10⁰ С називають гідравлічною крупністю частинок. Її визначають дослідним шляхом і вона не відповідає значенню, що визначається за формулою Стокса.

Як правило, гідравлічну крупність визначають експериментальним шляхом, тобто шляхом вимірювання відносної кількості завислих частинок, що осіли за певний проміжок часу на дно циліндра, заповненого дослідною водою. При цьому, якщо завислі частинки є монодисперсними, то маса осаду, що випав за час t, дорівнює:

де m – масовий вміст завислих частинок, г; θ – швидкість осадження, м/с; С – концентрація завислих частинок; t – час осадження частинок, с; А – площа циліндра, м².

Масовий вміст завислих частинок до початку осадження визначається за формулою:

де h –висота стовпа води в циліндрі, м.

Ефект осадження Р або відносна кількість завислих частинок:

.

Звідки гідравлічна крупність:

Графік залежності відносної кількості завислих частинок, що осіли, від часу їх осадження називається кривою осадження завислих частинок.

Рис. 11. Залежність відносної кількості завислих частинок від часу їх осадження

Технологічна модель процесу осадження полягає у визначенні в лабораторних умовах розрахункових параметрів відстійників. Методика моделювання базується на подібності кривих випадань завислих частинок при різних значеннях h. Отримавши в лабораторії криву випадання завислих частинок з проби досліджуваної суспензії при висоті стовпа h₁, визначають потрібний ефект осадження. Його можна визначити за концентрацією завислих частинок:

де С₀ – концентрація завислих частинок у воді, моль/л; С – задана концентрація завислих частинок в освітленій воді, моль/л.

За допомогою кривої випадання завислих частинок визначають час осадження t, а потім знаходять розрахунковий час перебування суспензії у відстійнику за формулою:

Тут h_p, t_p відповідають висоті зони осадження і часу перебування води у відстійнику, який необхідно проектувати.

Апарати, що застосовуються для розділення суспензії, називають відстійниками.

Розрізняють відстійники періодичної і безперервної дії, причому відстійники безперервної дії поділяють на одноярусні, двоярусні та багатоярусні.

Відстійники періодичної дії являють собою низькі басейни без перемішуючих пристроїв. Відстійники заповнюють суспензією, яка відстоюється в нерухомому стані. Після закінчення відстоювання спускають освітлену рідину і видаляють осад.

Більш компактними є двоярусні та багатоярусні відстійники, які розміщуються один над одним (рис. 12).

Рис. 12. Схема процесу відстоювання у багатоярусному відстійнику

У зазначеному відстійнику (рис. 12) верхнє відділення 1 та нижнє відділення 3 з’єднані трубкою, яка опущена нижче за рівень згущеної суспензії у відділенні 2. Вихідна суспензія подається окремо у два відділення і згущений продукт відкачується тільки з нижнього відділення. Освітлена рідина відводиться з верхньої частини кожного відстійника. Під час відстоювання неоднорідних систем поступово збільшується концентрація диспергованих частинок в апараті зверху вниз.

У відстійнику швидкість руху рідини є настільки малою, що частинки, які знаходяться на поверхні рідини, за час перебування у відстійнику повинні осідати на дно. Середній час перебування рідини у відстійнику можна розрахувати:

де – витрата рідини; V_В – об’єм відстійника.

Об’єм відстійника V_В:

де h – висота відстійника, А – площа поперечного перерізу.

Висоту відстійника знаходимо:

звідси

З цього рівняння випливає, що продуктивність відстійника не залежить від його висоти, а залежить тільки від швидкості осадження частинок і площі поперечного перерізу.

Критеріями оптимізації для цих процесів є оптична густина та прозорість.

Мета регулювання – підтримка такого показника, що відповідає оптимальному значенню.

При цьому контролюють прозорість (оптичну густину), вологість осаду, витрату суспензії та освітленої рідини, температуру.

Вологість осаду регулюється за рахунок зміни витрати осаду: збільшується густина рідини – знижується прозорість осаду.