Гидромеханические процессы

Гидромеханические процессы связаны с одновременной переработкой веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном), — так называемых неоднородных систем. При этом, как правило, химическое взаимодействие между этими веществами не происходит.

Гидромеханические процессы можно условно подразделить на следующие группы:

• процессы получения неоднородных систем;

• процессы разделения неоднородных систем;

• процессы транспортирования жидкостей и газов.

Неоднородными, или гетерогенными, системами называют системы, состоящие из двух и более фаз. Большинство промышленных химико-технологических процессов (см. подробнее параграф 4.3) относится к гетерогенным.

Механизм гетерогенных процессов сложен, так как представляет собой совокупность взаимосвязанных физико-химических, явлений и химических реакций или только физико-химических явлений. Увеличение движущей силы гетерогенного процесса достигается повышением концентрации реагирующих веществ, проведением процесса при оптимальных температурах, давлении и т.д., максимальным развитием межфазной поверхности, воздействием на гидродинамические условия процесса.

Процессы, основанные на взаимодействии газообразных ижидких 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 дисперсной фазы.

По физическому состоянию фаз различают следующие виды неоднородных систем: 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 суспензии условно делят на грубые (более 100 мкм), тонкие (0,5—100 мкм) и мелкие (ОД—0,5 мкм).

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 они становятся устойчивыми, и расслаивания долго не происходит.

Пены — системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа. Эти газожидкостные 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 пыл ей — 3—70 мкм. Дымы возникают в процессах конденсации паров (газов) при переходе их в жидкое или твердое состояние, при этом образуются твердые, взвешенные в газе частицы размером 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, именуемые аэрозолями.

Для получения неоднородных систем 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) и пневматический (сжатым воздухом или инертным газом). Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах, куда помещают винтовые насадки, специальные вставки, а также с помощью сопел и насосов.

Для экономичного проведения процесса надо, чтобы требуемый эффект перемешивания достигался за наиболее короткое время. При оценке расхода энергии перемешивающим устройством следует учитывать общий расход энергии за время, необходимое для получения заданного результата перемешивания.

Разделение неоднородных систем проводится с одной из следующих целей: 1) очистка жидкой или газовой фазы от при-

месей; 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 четыре основных метода разделения — отстаивание, фильтрование, центрифугирование, мокрое разделение.

Отстаивание — осаждение, происходящее иод 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, наиболее эффективным при разделении грубых суспензий и эмульсий.

Фильтрование — процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкую (газообразную) среду, но задерживать взвешенные в ней 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 зависят производительность фильтра и чистота получаемого фильтрата.

Число конструкций фильтровального оборудования велико. Наиболее распространены барабанный и ленточный вакуум-фильтры, карусельный фильтр, фильтровальные патроны.

Центрифугирование — процесс разделения эмульсий и суспензий в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок. Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу — фугат.

Процессы центрифугирования проводят в центрифугах. Основной конструкционный элемент любой центрифуги — барабан (ротор) со сплошными или перфорированными стенками, вращающийся в неподвижном кожухе. Внутренняя поверхность ротора с перфорированными стенками часто покрывается фильтровальной тканью или тонкой металлической сеткой.

Центрифуги могут быть отстойными и фильтрующими. В отстойных центрифугах (со сплошными стьнками) 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, в которых осуществляют этот процесс, — сепараторами. Пример такого процесса — отделение сливок от молока. В фильтрующих центрифу-

гах (с проницаемыми стенками) разделение суспензий осуществляют по принципу фильтрования, используя вместо разности давлений действие центробежной силы.

Разделение жидких неоднородных систем под действием центробежных сил осуществляют и в аппаратах, не имеющих вращающих частей, — гидроциклонах. Их достоинствами являются высокая производительность, отсутствие движущихся частей, компактность, простота и легкость обслуживания, невысокая стоимость, широкая область применения (сгущение, осветление, классификация). Недостатки гидроциклонов — быстрый износ корпуса, в силу чего его часто изготавливают со сложной футеровкой из износостойких материалов (резины, керамики, металлических сплавов и др.), высокая влажность осадка.

Транспортирование жидкостейи газовосуществляется в промышленности в основном по трубопроводам. Трубопроводный транспорт прогрессивен, экономичен, выгоден. Для него характерны отсутствие потерь материалов в ходе транспортировки и возможность автоматизации данного процесса. Различают магистральные и промышленные трубопроводы.

В систему трубопроводного транспорта входят: 1) трубопроводы; 2) резервуары-хранилища; 3) транспортирующие машины, которые в случае перемещения жидкостей называются насосами, а 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 на трубопроводах 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, отсутствием потерь транспортируемых материалов;

• сравнительной простотой конструкции и ее 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.