I Разделение жидких неоднородных систем

Неоднородные системы и методы их разделения

Под неоднородной системой понимают систему, состоящую из различных фаз, например жидкости и твердых частиц, жидкости и газа и т. д. Любая неоднородная система состоит из двух и болеефаз. Одна фаза, дисперсная, или внутренняя, находится в мелкодисперсном состоянии; другая фаза, дисперсионная, или внешняя, является сплошной, окружает отдельные частицы дисперсной фазы и представляет собой среду, в которой распределены частицы дисперсной фазы. Всякая неоднородная система характеризуется концентрацией дисперсной фазы и размерами ее частиц.

Все системы, состоящие из жидкой и твердой фаз, в зависимости от размеров частиц твердого вещества могут быть условно разделены на четыре группы:

1) грубые суспензии (> 100 мк);

2) тонкие суспензии (0,5-100 мк);

3) мути (0,1-0,5 мк);

4) коллоидные растворы (< 0,1 мк).

Эмульсии состоят из несмешивающихся жидкостей и могут расслаиваться под действием силы тяжести. Эмульсии приобретают устойчивость лишь при очень незначительных размерах капелек дисперсной фазы (менее 0,4-0,5 мк) или при добавлении стабилизаторов, например, мыла. С увеличением концентрации эмульгированного вещества в эмульсиях возможно обращение фаз:капельки дисперсной фазы сливаются друг с другом и образуют сплошную фазу, в которой распределяются капельки жидкости, бывшей ранее дисперсионной фазой.

Пены,представляющие собой газо-жидкостные системы, по своим свойствам близки к эмульсиям.

Неоднородные газовые системы образуются:

1) в результате механического распределения частиц в газе (при дроблении твердых материалов, распылении жидкостей и т. д.);

2) при конденсации паров (газов) с переходом их в жидкое или твердое состояние.

В первом случае образуются пыли,а во втором – туманы или дымы соотвественно. Такие же системы могут образовываться в результате взаимодействия между газами, сопровождающегося образованием твердых или жидких веществ. Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы, или аэрозоли, и различаются размером взвешенных частиц:

1) механические (пыли) (5-100 мк);

2) конденсированные (дымы, туманы) (0,3-5 мк).

Взвешенные частицы в газовых системах, особенно в конденсированных, могут во многих случаях, соединяясь друг с другом, укрупняться (агломерироваться).

Выбор метода разделения неоднородных систем зависит от размеров взвешенных частиц. Применяются следующие методы разделения неоднородных систем:

1) осаждение;

2) 2) фильтрование;

3) мокрое разделение.

 

Отстаивание

Процесс осаждения под действием сил тяжести называется отстаиванием.

Отстаивание суспензий протекает в несколько стадий, которые можно наблюдать, если тщательно перемещать разбавленную суспензию и поместить ее в стеклянный цилиндр (рис. 8). Вначале твердые частицы равномерно распределены в жидкости (рис. 8а). Через короткий промежуток времени частицы начинают осаждаться, причем на дне цилиндра оседает слой наиболее крупных твердых частиц (рис. 8б, зона 4).

 

Над осадком образуется слой сгущенной суспензии, в которой твердые частицы располагаются настолько тесно, что дальнейшее уплотнение слоя возможно только путем вытеснения жидкости из промежутков между частицами (зона стесненного осаждения 3). Выше находится переходная зона, плотность которой уменьшается снизу вверх по направлению к зоне исходной суспензии (зоне 2), причем в обеих этих зонах частицы осаждаются свободно под действием сил тяжести. Над зоной 2 расположен слой чистой или осветлеиной жидкости (зона 1). По мере отстаивания зоны 1 и 3 возрастают (рис. 8в, г), причем одновременно происходит уплотнение зоны 3.

Отстаивание заканчивается, когда зона 2 и переходная зона исчезают и завершается уплотнение сгущенной суспензии, что соответствует полному разделению ее на осадок и осветленную жидкость (рис. 8д).

Состояние, при котором переходная зона исчезла, но еще не началось уплотнение сгущенной суспензии (зоны 3), называется критической точки. При этом различают суспензии двух типов:

1) суспензии, в которых скорость осаждения постоянна до критической точки и затем уменьшается с уплотнением зоны 3;

2) суспензии, в которых скорость осаждения уменьшается с самого начала отстаивания, причем не появляется четкой границы между осветленной жидкостью и сгущенной суспензией, т.е. границы, соответствующей критической точке.

В процессе непрерывного отстаивания в аппарате образуются те же зоны, что и при периодическом отстаивании, но эти зоны не изменяются по высоте.

 

Устройство отстойников

Аппараты, применяемые для разделения суспензий, называются отстойниками или сгустителями. Различают отстойники периодического и непрерывного действия, причем непрерывно действующие отстойники делятся на одноярусные, двухъярусные и многоярусные.

Периодически действующие отстойники представляют собой низкие бассейны без перемешивающих устройств. Отстойник заполняют суспензией, которая отстаивается в неподвижном состоянии. По окончании отстаивания спускают осветленную жидкость и удаляют вручную или смывают водой осадок, после чего вновь заполняют отстойник суспензией.

Наиболее распространены непрерывно действующие одноярусные гребковые отстойники. Отстойник представляет собой невысокий цилиндрический резервуар со слегка коническим днищем и кольцевым прямоугольным желобом около верхнего края. В резервуаре имеется мешалка с гребками, делающая 2,5-20 об/ч. Суспензия непрерывно подается сверху через трубу. Осветленная жидкость стекает через верхний желоб, сгущенная суспензия оседает на днище и медленно перемещается гребками к центральному патрубку, через который она откачивается диафрагмовым насосом. Содержание жидкости в откачиваемом продукте колеблется от 35 до 55%.

Такие отстойники, рассчитанные на очень большую производительность, часто снабжают мешалкой с краевым приводом в виде радиальной фермы. Ось ее вращения совпадает с осью аппарата, а наружный край опирается на каретку с электродвигателем. Каретка движется по рельсам вдоль борта резервуара.

Кроме непрерывности действия, гребковые отстойники имеют следующие достоинства:

1)равномерная плотность осадка и возможность ее регулирования путем изменения производительности откачивающего насоса;

2) лучшее обезвоживание осадка при легком взбалтывании сгущенной суспензии мешалкой;

3) механизация процесса (один рабочий может обслужить до 40 аппаратов).

Недостатком таких отстойников является их громоздкость.