Разделение неоднородных жидких систем

В жидких неоднородных системах мелкие частицы одного ве­щества, называемые дисперсной фазой, распределяются в объеме сплошной среды — дисперсионной фазы. Дисперсной фазой могут быть твердые частицы, распределенные в жидкости, и тогда они образуют суспензию. Если дисперсной фазой являются нераство­римые капельки жидкости, распределенные в другой жидкости, то они образуют эмульсию.

Суспензии и эмульсии характеризуются размером частиц дис­персной фазы. Различают суспензии грубые (с размером частиц более 100 мкм), тонкие (0, 5... 100 мкм) и коллоидные растворы (менее 0, 1 мкм). Эмульсии устойчивы лишь при незначительных размерах капелек (менее 0, 4 мкм).

Способы разделения жидких неоднородных систем по физи­ческой основе (за исключением использования электрического поля) аналогичны способам разделения газопылевых образова­ний.

Наиболее простым, но неэффективным способом разделения жидких неоднородных сред является осаждение под действием сил тяжести. Если в высоком цилиндре с водой интенсивно переме­шать некоторое количество мелкого песка, то через небольшой промежуток времени из смеси начнут формироваться слои раз­ной плотности (прозрачности) по высоте сосуда.

На дне образуется плотный слой осадка, состоящего из наибо­лее крупных твердых частиц. Выше расположен стесненный слой частиц, которые уже соприкасаются между собой, но еще оста­ются взвешенными в жидкости. Этот слой постепенно уплотняет­ся при вытеснении жидкости из пространства между частицами. Здесь осаждение продолжается, но гораздо медленнее. Еще выше расположен слой свободного осаждения, аналогичный начально­му состоянию смеси, в котором твердые частицы не соприкаса-

ются друг с другом. Визуально плотность этого слоя неодинакова по высоте. В самой верхней части сосуда остается слой чистой осветленной воды.

В химической промышленности разделение суспензий в поле сил тяжести проводят в аппаратах, называемых отстойниками. Их производительность пропорциональна скорости осаждения и го­ризонтальной площади осаждения. Поэтому такие аппараты име­ют небольшую высоту, но занимают значительную площадь. Ти­повая конструкция отстойника непрерывного действия приведе­на на рис. 10.1.

Корпус 1 отстойника имеет большой диаметр и малую высоту. Внутри аппарата смонтирована гребковая мешалка 2, вращаемая с очень малой скоростью (несколько оборотов в час). Суспензию подают в аппарат через приосевой входной патрубок 3. При мед­ленном радиальном движении жидкости твердые частицы оседа­ют на днище отстойника конической формы.

Движение осадка к патрубку 6 для выгрузки происходит под действием гребковой мешалки и сил тяжести. Осветленная (очи­щенная) жидкость переливается в желоб 4 кольцевой формы, за­крепленный по периферии корпуса. Жидкость выводится из аппа­рата через патрубок 5.

Известно, что скорость осаждения крупных частиц больше, чем мелких. Для ускорения этого процесса и, следовательно, умень­шения размеров отстойника при обработке тонких суспензий при­меняют искусственное укрупнение — агрегатирование осаждае­мых частиц. Для этого используют процессы коагуляции и флокуляции.

При коагуляции в суспензию вводят дополнительные химиче­ские вещества — коагулянты. Это соли алюминия или железа. Весьма распространенным коагулянтом является сульфат алюминия A1₂(S0₄) . Он хорошо растворим в воде и относительно дешев. В воде коагу­лянты образуют хлопья гидроксидов металлов, которые довольно быстро оседают под действием силы тяжести. По мере осаждения хлопья захватывают мелкие взвешенные частицы, в результате чего образуются их агрегаты со значительно большей скоростью осаж­дения.

Флокуляция отличается от коагуляции механизмом взаимодей­ствия молекулы флокулянта со взвешенными частицами. Длин­ные молекулы присоединяются сразу к нескольким взвешенным частицам. В результате образуются трехмерные структуры большо­го размера, что приводит к ускорению процесса осаждения. Коа­гуляцию и флокуляцию широко используют в процессах очистки сточных вод.

Фильтрование — процесс разделения суспензий при помощи пористой перегородки. Материал для фильтровальных перегородок выбирают в соответствии с размером твердых частиц и агрессивно­стью разделяемых веществ. Обычно применяют текстильные и во­локнистые материалы: хлопчатобумажные, шелковые, шерстяные ткани и ткани из искусственных и синтетических волокон; волок­нистые материалы минерального происхождения — асбест, шлако- и стекловату, а также сетки из коррозионно-стойкой стали или бронзы.

В некоторых производственных процессах используют дешевые насыпные материалы: песок, уголь, целлюлозу и др. Они служат так называемыми насыпными фильтрами. Их целесообразно при­менять в том случае, когда твердая фаза является отходом произ­водства и вместе с засыпкой идет на выброс.

Пористые керамические материалы стойки к агрессивным сре­дам и обеспечивают высокую степень очистки. Их выпускают в форме плиток, цилиндров и колец, из которых собирают фильт­рующие поверхности.

Один из распространенных приемов фильтрования — исполь­зование самого осадка в качестве фильтровальной перегородки.

В начале процесса твердые частицы задерживаются на фильт­ровальной перегородке, выполненной из волокнистого или по­ристого материала. По мере расхода суспензии число задержанных частиц растет, при этом увеличивается толщина слоя осадка. Имен­но этот пористый слой осадка становится основным фильтрую­щим элементом.

Процесс очистки завершается, когда слои свободного и стес­ненного осаждения исчезают, а остаются только слои осадка и осветленной жидкости.

Для продвижения жидкости (фильтрата) через каналы (поры) осадка необходимо создавать разность давлений в слое. В промыш­ленных условиях в аппаратах-фильтрах искусственно создают раз­ность давлений за счет вакуума под фильтровальной перегород­кой либо избыточного давления над слоем суспензии.

Производственный процесс фильтрования включает в себя ряд последовательно выполняемых операций: подачу суспензии; не­посредственно фильтрование; отвод фильтрата и выгрузку осадка; регенерацию фильтровальной перегородки (очистка, промывка, сушка). Эти операции могут проводиться в периодическом или непрерывном цикле.

Все перечисленные выше факторы отражены в приведенной на схеме классификации фильтров (рис. 10.2).

из специальной фильтровальной ткани. Нутч-фильтры работают в периодическом режиме. Разделяемую суспензию С заливают в по­лость аппарата на поверхность фильтрующей перегородки. Из ниж­ней полости корпуса вакуум-насосом отсасывают воздух, созда­вая здесь пониженное давление — вакуум, который является дви­жущей силой процесса. Отделенная от осадка О жидкость—филь­трат Ф — самотеком покидает донную часть фильтра.

В друк-фильтрах (рис. 10.3, б) движущей силой процесса филь­трования служит давление газа на поверхности суспензии. В за­крытую полость аппарата компрессором нагнетают воздух В. Под давлением воздуха жидкость—фильтрат Ф — проходит через филь­трующую перегородку, а на ней остается осадок О.

Полезная поверхность фильтрования нутч- и друк-фильтров не­велика. При их эксплуатации невозможно избежать использова­ния ручного труда, поэтому нутч-фильтры применяют лишь для разделения небольших объемов суспензии.

Фильтр-прессы. Значительно большую производительность обес­печивают рамные фильтр-прессы. Их фильтрующую поверхность образует фильтровальная ткань, которую зажимают между дере­вянными или металлическими полыми рамами и плитами с вер­тикальными желобками. Суспензию нагнетают в полость рамы насосом, а фильтрат выводят через желобки плит. Фильтр-прессы работают в периодическом режиме. При достаточном накоплении осадка рамы и плиты разжимают. Осадок под действием собствен­ного веса опадает в поддон. Действие рамных фильтр-прессов со­пряжено с применением ручного труда, так как необходимо вруч­ную удалять остатки осадка на ткани, перемещать плиты и рамы по горизонтальным направляющим перед началом рабочего цик­ла (для последующего сжатия всех этих элементов) и по его окон­чании — для выгрузки осадка.

Разнообразны конструкции фильтров как периодического, так и непрерывного действия, в которых все операции, сопровождаю­щие процесс фильтрования, механизированы. Без применения руч­ного труда, в том числе при выгрузке осадка, действуют следую­щие конструкции фильтров: патронные, барабанные, дисковые, тарельчатые, карусельные и ленточные. Они весьма сложны по ус­тройству и действию отдельных узлов при выполнении различных операций: непосредственно фильтрования, промывки, осушки осад­ка, сушки ткани и разгрузки осадка. Тем не менее основная опера­ция — фильтрование — по сути не отличается от осуществляемой в простейшем нутч-фильтре. Использование перечисленных фильт­ров целесообразно при больших объемах производства.

Примером прогрессивной конструкции фильтра, действую­щего без применения ручного труда, может служить автомати­ческий камерный фильтр-пресс (ФПАК). На горизонтальных пли­тах 7 (рис. 10.4), расположенных одна над другой, закреплены

щелевые сита 6 и конические днища 5. По поверхности сита мо­жет перемещаться бесконечная лента 2 из фильтровальной ткани, приводимая в движение и направляемая барабанами 1 (аналогич­но ленточным транспортерам).

Движение ленты осуществляется в периодическом режиме. В про­цессе фильтрования лента неподвижна (зажата между плитами ре­зинотканевыми камерами 4 за счет создаваемого внутри них давле­ния). В этом режиме работы фильтра между смежными конически­ми днищами и резинотканевой камерой образуются замкнутые по­лости с фильтровальной перегородкой. По коллектору 3 поверх ленты под давлением подают суспензию С. Фильтрование происходит че­рез фильтровальную ткань, и на ней образуется слой осадка 0. Фильтрат Ф выводится из конического днища через коллектор 10.

По завершении рабочей фазы процесса в камерах 4 сбрасыва­ется давление, и они разжимаются. Между камерой и лентой об­разуется зазор. Лента приходит в движение, и осадок транспорти­руется к барабанам 7, где происходит его срезание ножами 9. Оса­док падает в сборный поддон (на рисунке не показан). В режиме движения фильтровальная лента проходит через камеру 8 регене­рации, где очищается от остатков осадка струями воды. За один цикл происходит регенерация лишь некоторого участка фильтро­вальной ткани. По завершении снятия осадка лента останавлива­ется, уплотнительная камера расширяется, и процесс фильтрова­ния возобновляется.

Центрифуги. Значительной интенсификации процесса разде­ления можно достичь при его проведении в поле центробежных сил. В центрифугах увеличение движущей силы по сравнению с

силой тяжести оценивают фактором разделения — отношением центробежной силы к силе тяжести:

где w — угловая скорость ротора (барабана) центрифуги; r — ра­диус ротора; g — ускорение свободного падения.

В зависимости от значения фактора разделения раз­личают нормальные центрифуги ( < 3000) и сверхцентрифуги ( > 3000).

В соответствии с методом разделения суспензий разли­чают центрифуги отстойные и фильтрующие. Центрифуги также бывают периодического или непрерывного действия, с ручной или механической выгрузкой осадка, с вертикальным или гори­зонтальным размещением вала.

На.рис. 10.5 представлена схема отстойной центрифуги перио­дического действия. Барабан 1 в форме цилиндрической стенки с закраиной установлен внутри корпуса 2. Суспензию С подают, как правило, в полость уже вращающегося барабана. Осадок О прижи­мается к стенке барабана, образуя неподвижный относительно стенки слой. Жидкость — фугат Ф_ц — выводится через сливную трубу. По завершении процесса осаждения (при накоплении осад­ка определенной толщины) и полной остановке барабана осадок выгружают вручную через верхнее окно либо открываемый на днище барабана проем.

В фильтрующих центрифугах стенка барабана перфорирована. Изнутри на стенке закрепляют фильтровальную ткань. При вра­щении барабана фильтрат проходит сквозь ткань и через отвер­стия в стенке выводится из него. Осадок накапливается на фильт­рующей перегородке.

Рис. 10.5. Отстойная вертикальная центрифуга: 1— барабан; 2 — корпус; С — сус­пензия; Фц — фугат; О — осадок

суспензии, затем осадок высушивают при вращении барабана в холостом режиме. Выгрузку выполняют срезанием осадка ножом

1, который поднимается с помощью гидроцилиндра 4. Осадок О падает на наклонный желоб 5 и под действием веса выводится из полости барабана. По завершении выгрузки нож опускается, и вновь подается суспензия на разделение:

Гидроциклоны. Для ускорения разделения жидких неоднород­ных систем методом осаждения используют аппараты, называе­мые гидроциклонами. Принцип их действия полностью соответ­ствует принципу действия циклона, описанному в гл. 5. Различие в плотности обрабатываемых сред (жидкости и газа) сказывается лишь на величине и соотношении некоторых размеров этих аппа­ратов.

В отличие от центрифуг гидроциклоны не имеют подвижных частей; такие аппараты можно использовать и для разделения эмульсий.

Контрольные вопросы

1.Что представляют собой дисперсная и дисперсионная фазы? Что такое суспензия и эмульсия?

2.Каковы физические основы методов разделения жидких неодно­родных систем?

3.Как протекает процесс отстаивания? Какие факторы влияют на скорость осаждения твердых частиц?

4.Как устроен и действует отстойник? Какой его геометрический па­раметр является определяющим?

5.В чем смысл процессов коагуляции и флокуляции?

6.Чем определяется выбор материала для фильтрующих перегородок. Приведите примеры таких материалов для разных условий фильтрования.

7.Каковы функции осадка при фильтровании?

8.Что является движущей силой процесса фильтрования и какимиспособами ее создают?

9.Как устроены и действуют нутч-фильтры и рамные фильтр-прессы?

10.Назовите известные конструкции механизированных фильтров.

11.Как действует автоматический камерный фильтр-пресс?

12.Что является движущей силой процесса разделения в центрифу­гах? Что такое фактор разделения?

13.Чем различается действие отстойных и фильтрующих центрифуг?

14.Как действует фильтрующая центрифуга с автоматизированной сменой операций?

15.Как устроен и действует гидроциклон?

Глава 11