Методы разделения неоднородных систем

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

В пищевых производствах часто возникает задача разделения неоднородных систем на составные части. Так, в производстве вина требуется его осветление, т. е. отделение взвешенных твердых частиц от жидкой фазы; пивное сусло отделяют от дробины; в производстве сахара суспензию после сатурационных аппаратов разделяют с целью получения сока, а разделяя утфель, получают кристаллический сахар; в производствах, где для получения продукта (сухого молока, молочно-овощных концентратов) используются распылительные сушилки, отходящие газы улавливаются и очищаются во избежание уноса ценных продуктов и загрязнения окружающей среды [1].

Неоднородными, или гетерогенными, называют системы, состоящие, как минимум, из двух фаз: дисперсной (внутренней), обычно находящейся в тонкораздробленном состоянии, и дисперсионной (внешней), окружающей частицы дисперсной фазы.

В зависимости от физического состояния фаз различают: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы [2].

Суспензии состоят из жидкой дисперсионной и твердой дисперсной фаз. В зависимости от размера взвешенных твердых частиц суспензии делятся на грубые с частицами размером более 100 мкм; тонкие, когда размеры твердых частиц составляют от 0,1 до 100 мкм, и коллоидные растворы, содержащие твердые частицы размерами менее 0,1 мкм.

Эмульсии состоят из двух жидких фаз, не растворяющихся одна в другой: дисперсионной и дисперсной. Размер частиц дисперсной фазы может колебаться в значительных пределах. Под действием гравитационной силы эмульсии обычно расслаиваются, однако тонкие эмульсии с размером капель дисперсной фазы менее 0,4 мкм, а также содержащие стабилизаторы, становятся устойчивыми и не расслаиваются в течение продолжительного времени.

С увеличением концентрации дисперсной фазы может возникнуть состояние, когда дисперсная фаза обращается в дисперсионную и наоборот. Такой взаимный переход называется инверсией фаз.

Пены состоят из жидкой дисперсионной и газовой дисперсной фаз. По своим свойствам пены близки к эмульсиям.

Пыли и дымы – системы, состоящие из газа и распределенных, в нем частиц твердого вещества. Пыли образуются обычно при механическом распределении частиц в газе (при дроблении, смешивании и транспортировке твердых материалов и др.). Размеры твердых частиц пылей составляют приблизительно от 3 до 70 мкм. Дымы получаются в процессах конденсации паров (газов) при переходе их в жидкое или твердое состояние, при этом образуются твердые взвешенные в газе частицы размерами от 0,3 до 5 мкм.

Туманы состоят из газовой дисперсионной и жидкой дисперсной фаз. Туманы образуются при конденсации. Размер жидких капель в тумане от 0,3 до 3 мкм. Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы, или аэрозоли.

Выбор метода разделения неоднородных систем обусловливается, главным образом, размерами взвешенных частиц, разностью плотностей дисперсной и сплошной фаз, а также вязкостью сплошной фазы.

Несмотря на общность принципов разделения жидких и газовых неоднородных систем некоторые методы их разделения, а также применяемое оборудование в ряде случаев имеют специфические особенности. Поэтому процессы разделения жидких и газовых систем ниже рассмотрены раздельно [1].

 

 

1. МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ ЖИДКИХ СИСТЕМ

 

 

В пищевых производствах часто возникает задача разделения неоднородных систем на составные части. Основные методы разделения неоднородных систем в пищевой промышленности – осаждение, фильтрование и центрифугирование [1].

 

1. Осаждение

 

Осаждение представляет собой процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости или газе твердые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под действием, силы тяжести, сил инерции (в том числе центробежных) или электростатических сил. Осаждение, происходящее под действием силы тяжести, называется отстаиванием. В основном отстаивание применяется для предварительного, грубого разделения неоднородных систем [2].

1.1.1 Отстаивание под действием гравитационного поля

Отстаивание – это частный случай разделения неоднородных жидких или газообразных систем в результате выделения твердых или жидких частиц под действием гравитационной силы. Применяют отстаивание при грубом разделении суспензий, эмульсий и пылей. Этот способ разделения характеризуется низкой скоростью процесса. Отстаиванием не удается полностью разделить неоднородную смесь на дисперсную систему и дисперсионную фазы. Однако простое аппаратурное оформление процесса и низкие энергетические затраты определили широкое применение этого метода разделения в пищевой и смежных отраслях промышленности.

Отстаивание проводят в аппаратах различных конструкций, называемых отстойниками [1].

1.1.2 Осаждение под действием центробежной силы

С целью интенсификации разделения пылей, суспензий и эмульсий процесс осаждения проводят под действием центробежной силы.

Для создания поля центробежных сил используют два технических приема: поток жидкости или газа вращается в неподвижном аппарате; поток поступает во вращающийся аппарат и вращается вместе с ним. Центробежные силы, возникающие при этом, обеспечивают большую эффективность процесса по сравнению с процессом разделения, проходящим в поле только сил тяжести. В первом случае процесс называется циклонным, а аппарат – циклоном, во втором – отстойным центрифугированием, а аппарат – отстойной центрифугой или сепаратором [1, 3]

 

2. Фильтрование

 

Фильтрование в промышленности применяют для тонкого разделения жидких или газовых гетерогенных систем. В процессе фильтрования твердые частицы задерживаются фильтровальной перегородкой, в качестве которой в зависимости от размера частиц, химического состава и вязкости жидкой фазы используются хлопчатобумажные, шерстяные, полимерные ткани, сетки из полимерных и металлических волокон, вату, пористую керамику и т.д. Обычно процесс фильтрования не завершается разделением на фильтрат и осадок [4].

Фильтрование осуществляется под действием сил давления или центробежных сил. Соответственно различают просто фильтрование и центробежное фильтрование. Фильтрование более эффективно для разделения суспензий, эмульсий и пылей, чем осаждение.

При разделении суспензий в зависимости от вида фильтровальной перегородки и свойств самой суспензии фильтрование может происходить с образованием осадка на поверхности перегородки, с закупориванием пор фильтрующей перегородки и с тем и другим явлениями одновременно (промежуточный вид фильтрования).

1.2.1 Фильтрование с образованием осадка на поверхности фильтрующей перегородки имеет место, когда диаметр твердых частиц больше диаметра пор перегородки. Этот способ осуществим при концентрации твердой фазы суспензии более 1 масс. %, когда создаются благоприятные условия для образования сводиков над входами в поры фильтровальной перегородки. Образованию сводиков способствует увеличение скорости осаждения и концентрации твердой фазы в суспензии [5].

1.2.2 Фильтрование с закупориванием пор происходит, когда твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки. Закупоривание пор твердыми частицами наблюдается уже в начальный период процесса фильтрования, что снижает производительность фильтра. Для поддержания ее на должном уровне фильтр регенерируют, промывая обратным током жидкости либо прокаливая металлические фильтровальные перегородки [5].

1.2.3 Промежуточный вид фильтрования имеет место в случае одновременного закупоривания пор фильтровальной перегородки и отложения осадка на поверхности фильтровальной перегородки [5].

Для повышения скорости фильтрования при разделении суспензий с небольшой концентрацией твердой фазы либо содержащих слизистые вещества фильтрование проводят в присутствии вспомогательных веществ, препятствующих закупориванию пор фильтровальной перегородки. Слой вспомогательного вещества наносят на фильтровальную перегородку перед фильтрованием суспензии. В качестве вспомогательных веществ используют тонкодисперсные угли, перлит, асбест, кизельгур, фиброфло, асканит и другие материалы [1].

 

2. РАЗДЕЛЕНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ ГАЗОВЫХ СИСТЕМ

 

 

Очистку газов от взвешенных твердых или жидких частиц проводят в целях уменьшения загрязненности атмосферы и улавливания из отходящих газов ценных продуктов [5].

Для очистки газовых потоков от взвешенных частиц используют несколько способов: гравитационное осаждение, осаждение под действием инерционных и центробежных сил (центрифугирование), фильтрование газового потока через пористую перегородку, мокрую очистку, которая осуществляется в орошаемых водой скрубберах, осаждение в электрическом поле. Первые два способа применяют для очистки газов от крупных (свыше 100 мкм) взвешенных частиц, остальные – для тонкой очистки газов от частиц размером менее 20 мкм. Для достижения требуемой степени очистки газового потока способы часто комбинируют [5].

Закономерности процессов осаждения и фильтрования газовых неоднородных систем аналогичны закономерностям процессов осаждения и фильтрования твердых частиц в капельной жидкости [1].

 

1. Мокрая очистка газов

 

Мокрую очистку газов применяют тогда, когда допустимы увлажнение и охлаждение газа, а взвешенные частицы имеют незначительную ценность. Охлаждение газа ниже температуры конденсации находящихся в нем паров способствует увеличению плотности взвешенных частиц. При этом частицы играют роль центров конденсации и тем самым обеспечивают выделение их из газового потока. Если взвешенные частицы не смачиваются жидкостью, то очистка газов в мокрых пылеулавливателях малоэффективна. В этом случае для повышения степени очистки к жидкости добавляют поверхностно-активные вещества [5].

Степень очистки газов от пыли в мокрых пылеулавливателях колеблется в зависимости от конструкции от 60 до 99 % [1].

Недостаток мокрой очистки – образование сточных вод, которые также должны очищаться [1].

 

2. Осаждение под действием электрического поля

 

В электрическом поле тонкодисперсным частицам сообщается электрический заряд, под действием которого происходит их осаждение. Разделение пылей, дымов и туманов в электрическом поле имеет значительные преимущества перед другими способами осаждения [5, 6].

Разделение газовых неоднородных смесей в электрическом поле осуществляется на электродах. Для разделения пылей и дымов применяются сухие фильтры, для разделения туманов – мокрые.

Простейший электрофильтр – это два электрода, один из которых – анод – выполняется в виде трубы или пластины, а другой – катод – в виде проволоки, которая натянута внутри трубчатого анода либо между пластинчатыми анодами, выполненными из проволочной сетки. Аноды заземляют.

При соединении электродов с источником постоянного тока на электродах создается разность потенциалов, равная 4...6 кВ/см, обеспечивающая плотность тока 0,05…0,5 мА на 1 м длины катода [5].

Газовая смесь поступает внутрь трубчатых электродов или между пластинчатыми. Благодаря высокой разности потенциалов на электродах и неоднородности электрического поля (сгущение силовых линий происходит у электрода с меньшей площадью поверхности – катода) в слое газа у отрицательного электрода – катода – образуется поток электронов, направленный к аноду. В результате соударений электронов с нейтральными молекулами газа газ ионизируется. Такая ионизация называется ударной. Признаком ионизации газа является образование «короны» у катода, поэтому катод называют коронирующим электродом. В результате ионизации образуются положительные и отрицательные ионы. Положительные ионы собираются около катода, а отрицательные с большой скоростью движутся к аноду, заряжая взвешенные в газе частицы и увлекая их с собой. Частицы пыли или тумана оседают на аноде, покрывая его слоем осадка [1].

 

3. Коагуляция и укрупнение частиц, отделяемых при газоочистке

 

Степень очистки газов в аппаратах различных типов может быть повышена и процесс очистки ускорен путем предварительного укрупнения (коагуляции) взвешенных частиц. Для этой цели может быть применена акустическая коагуляция – воздействие на загрязненный газ упругих акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты. Звуковые и ультразвуковые колебания вызывают интенсивную вибрацию мельчайших взвешенных частиц, что приводит к резкому увеличению числа их столкновений и укрупнению (коагуляции). Коагуляция частиц происходит более интенсивно в поле стоячих волн.

Акустическую коагуляцию пыли и туманов используют лишь перед их очисткой под действием сил тяжести или инерционных сил [2].

Акустическую обработку газов проводят при уровне звука не менее 145 дБ и частоте колебаний от 2 до 50 кГц.

Аппараты для акустической коагуляции взвешенных частиц отличаются простотой и компактностью. Они могут быть использованы для обработки горячих газов при температурах вплоть до 550 °С, а также для обработки химически агрессивных и взрывоопасных газов. Существенным недостатком этих аппаратов являются тяжелые условия труда обслуживающего персонала (при работе на звуковых частотах).

Укрупнение взвешенных в газе частиц может быть осуществлено также посредством конденсации на них водяных паров. Это может быть достигнуто пересыщением газа в результате быстрого его охлаждения [1].

3. АППАРАТЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ