В.В.Фролов
Учебное пособие
для студентов заочной формы обучения
ВВЕДЕНИЕ
Неоднородными (гетерогенными) обычно называют системы, состоящие из двух или большего числа фаз, имеющих поверхность (поверхности) раздела. Если иметь в виду систему, состоящую из двух фаз, то одна из них будет представлять собой дисперсную фазу, распределенную в другой, сплошной, или дисперсионной, фазе. Неоднородную систему из мелких твердых частиц и жидкости называют суспензией; систему из твердых частиц в газе – газовзвесью (аэрозолем), пылью или дымом в зависимости от происхождения частиц дисперсной твердой фазы. Систему из мелких капелек жидкости, распределенных в другой жидкости, не растворяющейся в первой жидкости, называют эмульсией, а капли жидкости в газе – туманом. Устойчивая система многих пузырей газа в малом количестве жидкости представляет собой пену.
Происхождение неоднородных систем может быть различным. Так, суспензии могут образовываться в результате кристаллизации растворенных веществ из пересыщенных растворов, пыли – как следствие чрезмерного измельчения твердых материалов при их дроблении, дымы сопровождают процессы горения органических топлив, туманы возникают при конденсации насыщенных паров из смеси их с газом и т. д.
В зависимости от размеров частиц твердой фазы гетерогенные системы можно условно разделить на грубые (размер частиц порядка 10–1 мм) и тонкие (с размерами частиц от 10–2 до 10–4 мм и менее). Пыли, дымы и туманы, образующиеся в химических производствах, обычно содержат дисперсные частицы размером несколько микрометров и более. В большинстве случаев размеры дисперсных частиц в той или иной неоднородной системе неодинаковы (полидисперсные системы), а форма твердых частиц обычно не сферическая. Если дисперсной фазой является жидкость, то форма жидких капелек и в эмульсиях и в туманах обычно близка к сферической в результате действия на свободную поверхность жидкости силы поверхностного натяжения.
Гетерогенные системы часто могут быть механически неустойчивыми в том смысле, что дисперсная фаза имеет тенденцию к самопроизвольному увеличению размеров частиц – происходит слияние (коалесценция) капель или газовых пузырей или слипание (коагуляция) твердых частиц.
Разделение неоднородных систем играет значительную роль в химической и смежных с нею отраслях промышленности при подготовке сырья и при выделении или очистке готовых продуктов, при очистке оборотной или сточной воды или потоков отходящих промышленных запыленных или дымовых газов, а также при выделении ценных мелкодисперсных компонентов, содержащихся в отходящих промышленных потоках.
Используемые в промышленности методы разделения неоднородных систем будем классифицировать по физической природе той силы, которая приводит к разделению фаз.
Разделение под действием силы тяжести, или гравитационное осаждение, практически происходит в таких условиях, когда частицы дисперсной фазы могут свободно перемещаться в дисперсионной сплошной среде. Если дисперсная фаза имеет бо¢льшую плотность, чем плотность сплошной среды, то частицы под действием силы тяжести двигаются вниз, достигают дна аппарата и таким образом выделяются из сплошной газовой или жидкой фазы. В более редких для химической технологии случаях дисперсная фаза может оказаться легче сплошной (капли масла или жира в воде или газовые пузырьки в жидкости), тогда легкие капельки или пузырьки всплывают в жидкости, образуя верхний слой, который выводится из аппарата в качестве одной из разделяемых фаз.
Разделение под действием разности статических давлений по обе стороны от перфорированной (имеющей множество мелких отверстий) перегородки – фильтрование – используется для отделения твердых частиц от жидкой или газовой дисперсионной сред. Фильтрующая перегородка должна иметь такую систему отверстий, которая не пропускала бы частицы твердой фазы, но пропускала бы сплошную фазу. Таким образом, на фильтрующей перегородке остается слой твердой фазы, сплошная фаза оказывается по другую сторону перегородки.
Разделение с использованием центробежной силы инерции – центрифугирование и разделение в циклонах – происходит вследствие разности плотностей дисперсной и сплошной фаз. Внутри вращающегося кольца суспензии в центрифуге под действием центробежной силы более тяжелые частицы перемещаются в периферийную часть кольца и образуют там слой твердой фазы, а жидкость, освобожденная от дисперсной фазы, или образует внутренний слой во вращающемся кольце, или фильтруется через слой частиц и перфорированную перегородку на поверхности вращающегося барабана, также имеющего отверстия для прохождения осветленной жидкости. Выделение твердых частиц из потока газа под действием центробежной силы производится в циклонах.
Разделение газовой и мелкодисперсной твердой фаз может происходить под действием силы электростатического притяжения отрицательно заряженных частиц в постоянном внешнем электрическом поле. Электроочистка газов от частиц пыли и дыма производится в аппаратах, которые по традиции называют электрофильтрами несмотря на то, что фильтрации как таковой в них не происходит, а наблюдается процесс осаждения под действием электростатических сил.
Еще один метод улавливания твердых частиц из газовых потоков основан на действии силы поверхностного натяжения, в результате чего частицы из смачиваемого жидкостью (обычно водой) материала прилипают к поверхности этой жидкости. Такой способ называют мокрым улавливанием.
Выбор того или иного способа разделения неоднородных систем зависит от большого количества факторов: от размеров частиц дисперсной фазы, исходной концентрации дисперсного материала, физических свойств обеих фаз, требований к полноте разделения и т. п.
Последовательно рассмотрим перечисленные методы разделения.