Процессы получения неоднородных систем

Неоднородными или гетерогенными системами называют системы, состоящие из двух и более нескольких фаз.

Процессы, основанные на взаимодействии газообразных и жидких фаз (Г-Ж), широко используются в химической и смежных с ней отраслях промышленности. Процессы с участием твердых и жидких фаз также служат основой многих производств.

Любая неоднородная бинарная система состоит из дисперсной (внутренней) фазы и дисперсионной среды или сплошной (внешней) фазы, в которой распределены частицы дисперсионной фазы.

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

Суспензии – неоднородные системы, состоящие из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров твердых частиц (МКМ) суспензии условно делят на грубые (более 100), тонкие (0,5-100) и мелкие (0,1-0,5).

Эмульсии – системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не смешивающейся с первой. Размер частиц дисперсной фазы может колебаться в широких пределах. Под действием силы тяжести эмульсии расслаиваются, но при незначительных размерах капель (менее 0,4 – 0,5 МКМ) или при добавлении стабилизаторов эмульсии становятся устойчивыми и долго не расслаиваются.

Пены – системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа, эти газо-жидкостные системы по своим свойствам 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 давлении, смешивании, транспортировке твердых материалов и др.). Размеры частиц пылей – 3 – 70 МКМ. Дымы получаются в процессах конденсации паров (газов) при переходе их в жидкое состояние или твердое, при этом образуются твердые взвешенные в газе частицы 0,3 – 5 МКМ. При образовании дисперсной фазы из частиц жидкости примерно таких же размеров (0,3 – 5 МКМ) возникают системы, называемые туманами. Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы, называемые аэрозолями.

Для получения неоднородных систем (эмульсий, суспензий, пены) широко применяется перемешивание в жидких средах.

Способы перемешивания определяются агрегатным состоянием перемешиваемых материалов и целью перемешивания.

Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью (газ, жидкость или твердое сыпучее вещество), различают два основных способа перемешивания:

- механический (с помощью мешалок различных конструкций);

- пневматический (сжатым воздухом или инертным газом).

Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах, куда помещают винтовые насадки, специальные вставки и с помощью сопел и насосов.

Разделение неоднородных систем проводится с одной из следующих целей:

1) очистка жидкой или газовой фазы от примесей;

2) выделение ценных продуктов, диспергированных в жидкой или газовой фазе.

Выбор метода разделения обусловлен, главным образом, размером частиц, разностью плотностей дисперсной и сплошной фаз, вязкостью сплошной фазы.

Применяют следующие основные методы разделения:

- отстаивание;

- фильтрование;

- центрифугирование.

Рассмотрим процессы разделения жидких и газовых систем из-за их специфических особенностей раздельно.

Отстаивание – осаждение, происходящее под действием силы тяжести. Отстаивание в основном применяется для предварительного грубого разделения; его проводят в аппаратах, называемых отстойниками или сгустителями.

Отстаивание является самым дешевым способом разделения и он наиболее эффективен при разделении грубых суспензий и эмульсий.

Фильтрование – процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость (газ), но задерживать взвешенные в среде твердые частицы.

Под действием разности давлений жидкости по обе стороны от фильтрующей перегородки, жидкость проходит через ее поры, а твердые частицы задерживаются на ней, образуя слой осадка.

От правильного выбора фильтровальной перегородки во многом зависит производительность фильтра, чистота получаемого фильтрата.

Число конструкций фильтровального оборудования велико. К наиболее распространенным относятся барабанный вакуум-фильтр, ленточный вакуум-фильтр, карусельный фильтр, фильтровальные патроны.

Центрифугирование – процесс разделения эмульсий и суспензий в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок.

Процессы центрифугирования проводят в центрифугах.

Основная часть любой центрифуги – барабан со сплошными или перфорированными стенками, вращающийся в основном неподвижном кожухе. Внутренняя поверхность ротора с перфорированными стенками часто покрывается фильтровальной тканью или тонкой металлической сеткой.

Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу - фугат.

Центрифуги могут быть отстойными и фильтрующими.

В отстойных центрифугах со сплошными стенками производят разделения суспензий и эмульсий по принципу отстаивания, причем действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы. Разделение эмульсий в отстойных центрифугах называют сепарацией, а устройства, где осуществляют этот процесс – сепараторами. Пример такого процесса – отделение сливок от молока.

В фильтрующих центрифугах с проницаемыми стенками разделение суспензий осуществляют по принципу фильтрования, где вместо разности давлений используется действие центробежной силы.

Разделение жидких неоднородных систем под действием центробежных сил осуществляют и в аппаратах, не имеющих вращающих частей – гидроциклонах.

Их достоинством является высокая производительность, отсутствие в них движущихся частей, компактность, простота и легкость обслуживания, невысокая стоимость, широкая область применения (сгущение, осветление, классификация). Недостатками: быстрый износ корпуса, для чего его часто изготавливают со сложной футеровкой из износостойких материалов (резины, керамики, металлических сплавов и др.), высокая влажность осадка.

Транспортирование жидкостей и газов в промышленности осуществляется в основном по трубопроводам. Различают магистральные и промышленные трубопроводы. Трубопроводный транспорт прогрессивен, экономичен, выгоден. Для него характерны: отсутствие потерь материалов в ходе транспортировки; возможность автоматизации процесса транспорта.

В систему трубопроводного транспорта входят: 1 - трубопроводы; 2 - резервуары-хранилища; 3 - транспортирующие машины, которые в случае перемещения жидкостей называются насосами, а при перемещении газов - компрессорами.

Насосы и компрессоры служат для создания перепада давления на концах трубопроводов, благодаря которому и происходит перемещение жидких и газообразных сред.

Для регулирования потоков жидкостей и газов по трубопроводам на них устанавливают так называемую трубопроводную арматуру: краны; вентили; задвижки.

В настоящее время широко распространено транспортирование сыпучих материалов с помощью движущегося потока воздуха. Такой вид транспортирования называют пневмотранспортом.

Пневмотранспортирующие установки могут быть всасывающими (вакуум – транспорт) и нагнетательными (пневмотранспорт).

Принципиальной разницы между ними нет, поскольку в обоих случаях движущей силой является разность давлений на входе и выходе из трубопровода, обеспечивающая нужную скорость воздушного потока. Таким образом перемещают пылевидные, порошкообразные, зернистые, мелкокусковые грузы: цемент, гипс, соду, мел, полиэтилен и т.д.

Широкое распространение пневмотранспорта особенно на предприятиях по переработке пластмасс, строительных материалов, объясняется следующими причинами:

- возможностью перемещения материалов в горизонтальном наклонном, вертикальном направлениях;

- герметичностью трубопроводов и отсутствием потерь транспортируемых материалов;

- сравнительной простотой конструкции, обслуживания и эксплуатации при незначительных занимаемых площадях;

- возможностью полной автоматизации процесса транспортирования и распределения материала по бункерам;

- возможностью совмещения транспортирования материала с его одновременной сушкой подогретым воздухом.

 

Тепловые процессы

К тепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты: нагревание, охлаждение, испарение, плавление и другие. Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия, разделения смесей и т.д.

По механизму переноса энергии различают три способа распространения теплоты:

- теплопроводность,

- конвективный перенос,

- тепловое излучение.

Теплопроводность – перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их колебаний при тесном соприкосновении.

Процесс протекает по молекулярному механизму и поэтому теплопроводность зависит от внутреннего молекулярного строения рассматриваемого тела и является постоянной величиной.

Конвективный перенос теплоты – процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости (газа) или от жидкости (газа) к стенке. Таким образом, он обусловлен массовым движением вещества и происходит одновременно путем теплопроводности и конвекции.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают вынужденную и естественную конвенцию.

При вынужденной конвекции движение обусловлено действием внешней силы – разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором или иным источником (в том числе и природного происхождения, например, ветром).

При естественной конвекции движение возникает вследствие изменения плотности самой жидкости (газа), обусловленного термическим расширением.

Тепловое излучение – перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, поглощаемых телом. Источниками этих колебаний являются заряженные частицы – электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. При высоких температурах тел тепловое излучение становится преобладающим по сравнению с теплопроводностью и конвективным обменом.

На практике, теплота чаще всего передается одновременно двумя или даже тремя способами. Однако обычно превалирующее значение имеет какой-нибудь один способ передачи теплоты.

При любом механизме переноса теплоты (теплопроводностью, конвекцией или тепловым излучением) количество передаваемого тепла пропорционально поверхности, разности температур и соответствующему коэффициенту теплоотдачи.

В наиболее распространенном случае теплота передается от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называется теплопередачей, а участвующие в ней среды - теплоносителями.

Процесс теплопередачи состоит из трех стадий:

1 - передача теплоты нагретом средой стенке (теплоотдача);

2 - перенос теплоты в стенке (теплопроводность);

3 - перенос теплоты к холодной среде от нагретой стенки (теплоотдача).

На практике широкое применение нашли следующие разновидности тепловых процессов:

- процессы нагревания и охлаждения;

- процессы выпаривания, испарения, конденсации;

- плавление и кристаллизация;

- процессы получение искусственного холода.

Нагревание и охлаждение сред проводят в аппаратах называемых теплообменниками.

Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники представляющие собой пучок параллельных труб, помещенных в общий кожух с герметично подсоединенными к нему по концам трубными досками. Хорошие условия теплопередачи обеспечиваются в теплообменниках типа «труба в трубе». В них одна жидкость движется по внутренней трубе, а вторая – в противоположном направлении в кольцевом пространстве между внутренней и наружной трубой.

В тех случаях, когда различие физических свойств обменивающихся теплотой сред велико, эффективным приемом является применение оребренных теплообменных поверхностей со стороны газа. Типичный пример: радиатор автомобиля, некоторые типы батарей водяного отопления.

Для передачи тепла при нагревании используют вещества, называемые теплоносителями.

Наиболее распространенным теплоносителем является водяной пар.

Для нагревания до температур более 180-2000С используются высокотемпературные теплоносители: нагретая вода, расплавленные соли, ртуть и жидкие металлы, органические соединения, минеральные масла.

Во многих процессах, протекающих при высоких температурах, используется нагревание топочными газами, получаемыми в печах. Таковы, например, процессы обжига и сушки, широко распространенные в производствах строительных материалов, в химической целлюлозно-бумажной промышленности.

Для нагревания в широком диапазоне температур применяется электрический нагрев. Электронагреватели удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарно-гигиенических условий, но относительно дороги.

Наиболее распространенным хладагентом является вода. Однако в связи с быстро возрастающим дефицитом воды во всем мире большое значение приобретает использование в качестве хладагента воздуха. Теплофизические свойства воздуха неблагоприятны (малые теплоемкость, теплопроводность, плотность). Поэтому коэффициенты теплоотдачи к воздуху ниже, чем в воде. Для устранения этого недостатка повышают скорость движения воздуха, что вызывает увеличение коэффициента теплоотдачи, оребряют трубы со стороны воздуха, что увеличивает поверхность теплообмена, распыляют в воздух воду, испарение которой понижает температуру воздуха и увеличивает за счет этого движущую силу процесса теплообмена.

Выпаривание – процесс удаления растворителя в виде пара из раствора нелетучего вещества при кипении этого раствора. Выпаривание применяется для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения нелетучих веществ в твердом виде, а также для получения чистого растворителя. Последняя задача решается, например, в опреснительных установках.

Чаще всего выпариванию подвергаются водные растворы, а теплоносителей служит водяной пар. Как и для всех тепловых процессов движущей силой процесса является разность температур теплоносителя и кипящего раствора. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах.

Испарение – процесс удаления жидкой фазы в виде пара из различных сред, главным образом путем их нагрева, или создания иных условий для испарения.

Испарение осуществляется при проведении многих процессов. В методах искусственного охлаждения применяют испарение различных жидкостей, обладающих низкими, обычно отрицательными, температурами кипения.

Конденсацию пара (газа) осуществляют либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Конденсацию используют при выпаривании, вакуум – сушке, для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, отводят из аппарата, в котором они образуются, в закрытый аппарат, охлаждаемый водой или воздухом и служащий для сбора паров-конденсатов.

Процесс конденсации осуществляется в конденсаторах смешения или поверхностных конденсаторах.

В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и полученный конденсат с ней смешивается. Так проводят конденсацию, если конденсируемые пары не представляют ценности.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внутренних или внешних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Конденсат отводят отдельно от хладагента и если он представляет ценность, то может быть использован.

Плавление – необходимо для подготовки полимеров к формованию (прессованию, литью под давлением, экструзии и т.д.), металлов и сплавов к литью различными способами, стеклянной шихты к варке и выполнения многих других технологических процессов.

Наиболее распространенным способом плавления является передача тепла теплопроводностью через металлическую стенку, обогреваемую любым способом: теплопроводностью, конвективным переносом или тепловым излучением без удаления расплава. При этом скорость плавления определяется только условиями теплопередачи: коэффициентом теплопроводности стенки, градиентом температур и площадью контакта.

В практике достаточно часто используют плавление электрической, химической и другими видами энергии (индукционный, высокочастотный и т.д.) и плавление сжатием.

Кристаллизация - процесс выделения твердых веществ из насыщенных растворов или расплавов. Кристаллизация – процесс обратный плавлению и т.о. тепловой эффект ее равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту плавления. Каждому химическому соединению соответствует одна, а чаще несколько кристаллических форм, отличающихся положением и числом осей симметрии (металлы, сплавы металлов). Это явление носит название полиморфизма (аллотропии).

Кристаллизацию обычно осуществляют из водных растворов, понижая растворимость кристаллизуемого вещества за счет изменения температуры раствора или удаления части растворителя. Такой способ характерен для производства минеральных удобрений, солей, таким же образом получают ряд органических полупродуктов и продуктов из растворов органических веществ (спиртов, эфиров, углеводородов). Такую кристаллизацию называют изотермической, т.к. испарение из растворов идет при постоянной температуре.

Кристаллизация из расплавов осуществляется путем их охлаждения водой, воздухом и т.о. получают разнообразные изделия из кристаллизующихся материалов: металлов, их сплавов, полимерных материалов и композитов на их основе методами прессования, литья, экструзии и т.д.

Процессы получения искусственного холода применяют при некоторых процессах абсорбции, при кристаллизации, разделении газов, сублимационной сушки, для хранения пищевых продуктов, кондиционирования воздуха. Большое значение приобрели такие процессы в металлургии, электротехнике, электронике, ядерной, ракетной, вакуумной и других отраслях. Так, используя глубокое охлаждение разделяют газовые смеси путем их частичного или полного сжижения и получают многие технологически важные газы, например, азот, кислород и другие газы.

Искусственное охлаждение всегда связано с переносом тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой, а такой процесс требует затраты энергии. Поэтому введение энергии в систему является необходимым условием получения холода и достигается это следующими основными методами:

- испарением низкокипящих жидкостей. При испарении такие жидкости, имеющие обычно отрицательные температуры кипения охлаждаются до температуры кипения при давлении испарения;

- расширением газов дросселированием, путем пропускания его через устройство вызывающее сужение потока (шайбу с отверстием, вентиль) с последующим его расширением. Энергия, необходимая для расширения газа (против сил сцепления между молекулами) при дросселировании, когда нет потока тепла извне, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа;

- расширение газа в детандере - машине, устроенной подобно поршневому или турбокомпрессору – газовом двигателе, который одновременно совершает внешнюю работу – перекачивает жидкости, нагнетает газы. Расширение сжатого газа в детандере происходит без обмена теплом с окружающей средой, и совершаемая при этом газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается.