Центрифугирование как способ разделения неоднородных жидких систем

Способы разделения смесей

Для получения чистых веществ используют различные способы разделения смесей.

Способы разделения смесей
неоднородных (гетерогенных)	однородных (гомогенных)
— Отстаивание — Фильтрование — Действие магнитом — Центрифугирование	— Выпаривание. Кристаллизация. — Дистилляция (перегонка)

Процессы разделения смесей основаны на различных физических свойствах компонентов, образующих смесь.

Отстаивание

Отстаивание — это разделение неоднородной жидкой смеси на компоненты, путём её расслоения с течением времени под действием силы тяжести.

Отстаиванием можно разделить смесь нерастворимых в воде веществ, имеющих разную плотность.

Пример. Смесь из железных и древесных опилок можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Железные опилки опустятся на дно сосуда, а древесные будут плавать на поверхности воды (2), и их вместе с водой можно будет слить в другой сосуд (3):

На этом же принципе основано разделение смесей малорастворимых друг в друге жидкостей.

Пример. Смеси бензина с водой, нефти с водой, растительного масла с водой быстро расслаиваются, поэтому их можно разделить с помощью делительной воронки:

Отстаиванием также можно разделить вещества, которые осаждаются в воде с различной скоростью.

Пример. Смесь из глины и песка можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Песок оседает на дно значительно быстрее глины (2):

Этот способ используется для отделения песка от глины в керамическом производстве (производство глиняной посуды, красных кирпичей и др.).

Центрифугирование

Центрифугирование — это разделение неоднородных жидких смесей путём вращения.

Пример. Если компоненты неоднородной жидкой смеси очень малы, такие смеси разделяют центрифугированием. Такие смеси помещают в пробирки и вращают с большой скоростью в специальных аппаратах — центрифугах.

Перед центрифугированием частицы смеси распределены по объёму пробирки равномерно. После центрифугирования более лёгкие частицы всплывают наверх, а тяжёлые оседают на дно пробирки.

С помощью центрифугирования, к примеру, отделяют сливки от молока.

Фильтрование

Фильтрование — это разделение жидкой неоднородной смеси на компоненты, путём пропускания смеси через пористую поверхность. В роли пористой поверхности может выступать бумажная воронка, марля, сложенная в несколько слоёв, или любой другой пористый материал, способный задержать один или несколько компонентов смеси.

Фильтрованием можно разделить неоднородную смесь, состоящую из растворимых и нерастворимых в воде веществ.

Пример. Чтобы разделить смесь, состоящую из поваренной соли и песка, её можно высыпать в сосуд с водой, взболтать и затем эту смесь пропустить через фильтровальную бумагу. Песок остаётся на фильтровальной бумаге, а прозрачный раствор поваренной соли проходит через фильтр:

При необходимости, растворённую поваренную соль из воды можно выделить выпариванием.

Действие магнитом

С помощью магнита из неоднородной смеси выделяют вещества, способные к намагничиванию.

Пример. C помощью магнита можно разделить смесь, состоящую из порошков железа и серы:

Выпаривание. Кристаллизация

Выпаривание — это способ разделения жидких смесей путём испарения одного из компонентов. Скорость испарения можно регулировать с помощью температуры, давления и площади поверхности испарения.

Пример. Чтобы растворённую в воде поваренную соль выделить из раствора, последний выпаривают:

Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаётся поваренная соль. Иногда применяют упаривание, т. е. частичное испарение воды. В результате образуется более концентрированный раствор, при охлаждении которого растворённое вещество выделяется в виде кристаллов. Этот процесс получил название кристаллизации.

Дистилляция (перегонка)

Дистилляция (перегонка) — это способ разделения жидких однородных смесей путём испарения жидкости с последующим охлаждением и конденсацией её паров. Данный способ основан на различии в температурах кипения компонентов смеси.

Пример. При нагревании жидкой однородной смеси сначала закипает вещество с наиболее низкой температурой кипения. Образующиеся пары конденсируются при охлаждении в другом сосуде. Когда этого вещества уже не останется в смеси, температура начнёт повышаться, и со временем закипает другой жидкий компонент:

Таким способом получают, к примеру, дистиллированную воду.

Источник

Центрифугирование как способ разделения неоднородных жидких систем

Одним из распространенных промышленных способов разделения неоднородных жидких систем является центрифугирование. В центрифугах происходят процессы отстаивания и фильтрации в поле центробежных сил, поэтому центрифуги — это более эффективные машины для разделения неоднородных жидких систем, чем рассмотренные отстойники и фильтры.

По принципу действия центрифуги делят на отстойные и фильтрующие. Барабаны (роторы) отстойных центрифуг имеют сплошную, а фильтрующих — дырчатую (перфорированную) стенку, покрытую фильтровальной сеткой или тканью.

Фильтрующие центрифуги применяют для разделения сравнительно крупнодисперсных суспензий кристаллических и аморфных продуктов, промывки получающихся при этом осадков, а также отделения влаги от штучных материалов.

Отстойные центрифуги предназначены для разделения плохо фильтрующихся суспензий, а также для разделения суспензий по крупности частиц твердой фазы. Отстойные центрифуги иногда, в свою очередь, подразделяют на собственно отстойные, осветляющие, концентрирующие и разделяющие (или сепарирующие).

При вращении барабана центрифуги и находящегося в нем материала возникает центробежная сила. Величина центробежной силы, действующей на вращающееся тело массой m и весом G:

, (4.1)

где G — кгс ; — окружная скорость, м/с ; R- внутренний радиус барабана, м; g — ускорение свободного падения, м/с 2 ; n- частота вращения барабана, об/мин.

При вращении тела весом G = 1 кгс , (4.2)

Одним из основных критериев оценки эффективности работы центрифуги является фактор разделения:

, (4.3)

где — угловая скорость барабана.

Фактор показывает, во сколько раз центробежное ускорение, развиваемое в данной центрифуге, больше ускорения свободного падения. Фактор разделения численно равен центробежной силе, возникающей при вращении тела весом G = 1 кгс .Чем больше фактор разделения, тем интенсивнее происходит процесс центрифугирования (исключение составляет центрифугирование легко сжимающихся осадков в фильтрующих центрифугах). Величина фактора разделения в современных центрифугах лимитируется условиями прочности и динамической устойчивости машины.

Однако фактор разделения Ф _р не является исчерпывающей характеристикой центрифуг и их способности к разделению неоднородных жидких систем. Для суждения об этой способности иногда используют параметр S , называемый индексом производительности центрифуги. Он определяется как произведение площади цилиндрической поверхности осаждения на фактор разделения :

, (4.4)

Параметр S — это важная характеристика разделяющей способности осадительных и фильтрующих центрифуг.

Главными факторами, определяющими выбор центрифуги, являются: для суспензий степень дисперсности твердой фазы, эффективная плотность (разность плотностей твердой и жидкой фаз) твердых частиц и их концентрация; для эмульсий стойкость эмульсии, обусловленная степенью раздробленности капель, одной жидкости в другой, вязкость дисперсионной среды и соотношение плотностей фаз.

При выборе центрифуги следует также учитывать коррозионные свойства отрабатываемого материала, его токсичность, огне и взрывоопасность (машины с открытым или закрытым кожухом), коэффициент трения, осадки и др.

Чем больше количество мелких твердых частиц в суспензии, тем соответственно больше их содержание в осветленной жидкости (фугате). Это относится в одинаковой мере к фильтрующим и отстойным центрифугам.

На работу центрифуг существенно влияет вязкость жидкой фазы. С увеличением этого параметра производительность центрифуги уменьшается, поэтому в некоторых случаях (когда это допустимо) для уменьшения вязкости жидкости прибегают к ее нагреву. Нагревание эмульсии приводит не только к уменьшению вязкости, но и снижению стойкости эмульсии и соответственно увеличению производительности центрифуги.

Чем больше эффективная плотность твердой фазы, тем выше может быть производительность отстойной центрифуги. При сепарировании эмульсий производительность машины возрастает с увеличением разности плотностей компонентов эмульсии. При центробежной фильтрации эффективная плотность твердой фазы практически не влияет на увеличение производительности.

Источник

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.

Рис. 10.1. Отстойник: 1 — корпус; 2 — гребковая мешалка; 3 — входной патрубок; 4 — желоб; 5— патрубок для вывода осветленной жид­кости; 6 — патрубок для выгрузки осадка

Укрупнения (агрегатирования) осаждаемых мелких частиц до­стигают также добавлением в суспензию высокомолекулярных соединений — флокулянтов. Наиболее распространенный флокулянт — синтетический полиакриламид. Из природных флокулян­тов можно отметить, в частности, крахмал и целлюлозу.

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).

Нутч- и друк-фильтры.Эти аппараты наиболее просты по конструкции. Схематично конст­рукция нутч-фильтра представ­лена на рис. 10.3, а. В открытом корпусе 1 прямоугольного или круглого сечения смонтирована фильтрующая перегородка 2, собранная из пористых керами­ческих плиток, уложенных на ме­таллическую решетку. Перегород­ка может быть выполнена также Рис. 10.3. Нутч-фильтр: а — открытый; б — закрытый (друк- фильтр); 1 — корпус; 2 — фильтрующая перегородка; 3 — люк для выгрузки осад­ка; 4 — крышка; С — суспензия; О — осадок; В — воздух; Ф — фильтрат

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

Рис. 10.4. Автоматический камерный фильтр-пресс: 1 — барабан; 2 — фильтровальная ткань-лента; 3 — коллектор суспензии; 4 резинотканевая камера; 5— коническое днище; 6— щелевое сито; 7— плита; 8— камера регенерации фильтровальной ткани; 9 — съемный нож; 10 — коллек­тор фильтрата; С — суспензия; Ф — фильтрат; О — осадок

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).

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

В простейших конструкциях центрифуг осадок выгружают вруч­ную. В центрифугах большой производительности эту операцию механизируют. Для этого в цент­рифугах непрерывного действия используют либо поршни, либо шнеки.

Распространены также цент­рифуги с периодическим ведени­ем процесса фильтрования и сме­ной последовательных операций без остановки вращения бараба­на даже при его разгрузке. Схема такой центрифуги приведена на рис. 10.6. Барабан 3 с закреплен­ной изнутри фильтровальной тка­нью вращается на горизонталь­ном валу внутри корпуса 2. Сус-

Рис. 10.6. Фильтрующая горизонтальная центрифуга: 1 — нож для срезания осадка; 2 — корпус;3 — барабан; 4 — гидроцилиндр; 5 — желоб- С- суспензия; Ф — фильтрат; О — осадок пензию С подают в полость барабана 5 непосредственно при фильтровании а фильтрат Ф собирается в донной части корпуса и выводится из него самоте­ком. При накоплении на стенке бара­бана осадка определенной толщины подачу суспензии прекращают, осадок промывают водой, подавая ее вместо

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?

Источник