ГІДРОМЕХАНІЧНІ ПРОЦЕСИ

ГІДРОМЕХАНІЧНІ ПРОЦЕСИ

6.1. Загальні відомості.

       У хімічній технології та технології будівельних матеріалів часто виникає потреба в отриманні низькодисперсних фаз з добре розвиненою поверхнею і введенням їх в контакт для забезпечення хімічної або фізико-хімічної взаємодії, або навпаки, розділення отриманих таким чином або іншим методом різноманітних сумішей на складові однорідні фази.

       До першої групи належать процеси утворення рідинних і газових неоднорідних сумішей – різноманітних будівельних розчинів на основі цементу та гіпсу, щільного та пористого бетонів, емульсій, аерозольних сумішей, сумішей із зернистих і порошкоподібних матеріалів і т.п., в яких приймають участь газова, рідка і тверда фази різних матеріалів. До другої групи належать процеси розділення виникаючих в технології рідинних і газових неоднорідних сумішей - емульсій, суспензій, шламу і т.п., які проводять з метою виділення однорідних фаз, очистки газового або рідинного потоку від включень, що заважають технологічному процесу або забруднюють навколишнє середовище.

        6.1.1. Загальна характеристика неоднорідних систем. Неоднорідною (гетерогенною) системою називають суміші, що складаються з двох або більшої кількості фаз. Кожна фаза в такій системі може бути механічно видалена. Неоднорідна суміш, що складається з двох фаз, називається бінарною системою. В будь-якій неоднорідній бінарній системі одна фаза є суцільним або дисперсійним (зовнішнім) середовищем, в середині якого розподілені частки дисперсної (внутрішньої) фази.

       Фази, що входять до складу суміші, можуть знаходитись в різних агрегатних станах. Неоднорідні системи розрізняють залежно від фізичного стану фаз. Якщо дисперсійне (зовнішнє) середовище утворене газом, а дисперсна фаза рідиною чи твердим матеріалом, то можуть виникнути наступні неоднорідні системи: туман, бризки, дим, пил. Якщо суцільне середовище – рідина, то можуть виникнути піна, емульсія, суспензія.

       Пил – система, яка складається із газу і розподілених в ньому твердих частин розмірами 5-50 мкм, вона утворюється переважно при подрібненні, змішуванні і транспортуванні твердих матеріалів.

       Дим – система, яка складається із газа і розподілених в ньому твердих частин розмірами 0,3-5 мкм, вона утворюється в результаті конденсації (сублімації) пари (газів) при переході їх у твердий стан, наприклад, при горінні.

       Туман – система, яка складається із газу і розподілених в ньому крапель рідини розмірами 0,3-3 мкм, утворених в результаті конденсації.

       Бризками називають отримані механічним способом нестабільні газові суміші з відносно великими краплями рідини.

       Системи, які складаються з твердих або рідких часток, зважених в газоподібному середовищі (тобто пил, дим, туман), носять загальну назву – аерозолі.

       Суспензія – система, яка складається із рідини і зважених в ній твердих часток. В залежності від розмірів зважених часток розрізняють суспензії: грубі - з частками розміром >100 мкм; тонкі, - тверді частки яких мають розміри 100-0,1 мкм;  колоїдні розчини, які містять тверді частки з розмірами 0,1 мкм і менше.

       Емульсія – система, яка складається із рідини і розподілених в ній крапель іншої рідини, які не розчиняються в першій. Величина часток дисперсної фази в цьому випадку коливається в широких межах.

        Піна – система, яка складається із рідини і розподілених в ній бульбашок газу.

       Для емульсій і пін характерна можливість переходу дисперсної фази в дисперсійне середовище і навпаки. Цей перехід, можливий при певному масовому співвідношенні фаз, називають інверсією фаз.

       Системи, в яких один зернистий сипучий матеріал розподілений в іншому (дисперсійна і дисперсна фази – тверді), називають механічними сумішами.

       Неоднорідні системи характеризуються масовим або об’ємним співвідношенням дисперсної і дисперсійної фаз і розмірами часток дисперсної фази. В більшості випадків розміри часток дисперсної фази неоднакові. Дисперсну фазу прийнято характеризувати фракційним або дисперсним складом, тобто відсотковим складом часток різного розміру.

       У технології будівельних матеріалів широко застосовуються емульсії і суспензії. Емульсія, як двух- або багатофазна система, є основою для отримання) емульсивних фарб, лакофарбних і інших матеріалів. Суспензії використовуються в будівельній технології при будівництві будівель, промислових установок, гідроспоруд і т.п.

       Якість суспензії визначається виробничими вимогами і характеризується рівномірністю розподілу твердих частинок в рідині, стійкістю до осідання і сегрегації твердої фази, текучістю системи. Суспензії можуть транспортуватися по трубах аналогічно чистим рідинам.

       Пасти - це суспензії з високим вмістом твердої фази. Вони здатні зберігати надану їм форму, вільно утримуватися в щілинах будівельної кладки, не розшаровуватися тривалий час. Стійкість паст визначається фізичними властивостями твердої фази і рідини: змочуваністю поверхні зерен, поверхневим натягненням, адгезійними властивостями і ін. Отримання емульсій, суспензій і паст пов'язане з процесом перемішування початкових матеріалів. Методи введення в контакт цих матеріалів (наприклад, рідини з рідиною або твердого з рідиною) вельми різні, але всі вони зводяться до забезпечення більш рівномірного попереднього розподілу фаз в середовищі. Тому дозування і попереднє змішення (розподіл) фаз істотно впливає на якість одержуваних суспензій, час їх приготування, витрату енергії, а також на конструктивні особливості апаратів.

       Дисперсія газу у вигляді бульбашок в рідині, пластмасі або суспензії створюється з метою перемішування, отримання піни або пінного продукту (пористих пластмас, пористого будівельного, тепло- та звукоізоляційного матеріалів). Спінювання в більшості випадків супроводять технологічні процеси. Такий процес необхідний при виробництві пористих матеріалів, протипожежних засобів, при очищенні газів і т. п., проте він часто виявляється шкідливим і гальмує розвиток технологічного процесу. У останньому випадку піну необхідно руйнувати.

       Для приготування пористих еластомерів і термопластів використовують метод бульбашкоутворення, заснованого на розкладанні розчиненої або диспергованої речовини в рідині з утворенням газу. Для цієї мети використовуються пороутворюючі речовини: дікарбонати натрію і амонію, нітрат амонія, карбонат кальцію і т.п. У всіх випадках пороутворюючий матеріал вводиться в пластичну масу і до її термічної обробки ретельно розподіляється в об'ємі. В процесі нагріву виділяється газова фаза у вигляді бульбашок, які залишаються в масі без руху. Після полімеризації або твердіння утворюється пористий матеріал.

       Утворення бульбашок газу з пересиченого розчину використовується для виробництва пористої гуми. При цьому одержують дуже тонку і рівномірну дисперсію бульбашок в масі. Для такого виділення газу використовуються два типу апаратів: у одному заздалегідь аерована суспензія спінюється під впливом вакууму, в іншому - суспензія насичується повітрям при тиску, вище атмосферного, а потім скипає в камері при атмосферному тиску.

            6.1.2. Матеріальний баланс гідромеханічних процесів. Результатом проведення гідромеханічних процесів може бути в одному випадку розділення неоднорідних сумішей, а в другому – їх утворення шляхом змішування.

       Розглянемо спочатку процес розділення. Нехай неоднорідна система, яка підлягає розділенню, складається із речовини а, яка складає суцільну фазу, і диспергованої в ній речовини b.

       Позначимо: G_с  - кількість вихідної суміші, кг (або витрата для безперервного процесу, кг/с); x_с  - вміст речовини b у вихідній суміші, мас. %; G_п - кількість очищеного продукту, кг (кг/с); х_п - вміст речовини b в очищеному продукті, мас. %; G_o - кількість осаду, кг (кг/с); x_o - вміст речовини b в осаді, мас. %; ρ_a - густина продукту а; ρ_b - густина продукту b.

       При відсутності втрат матеріальний баланс можна записати у вигляді:

для всіх продуктів

G_с = G_п + G_о,                                         (6.1)

для диспергованих (зважених) продуктів

            G_с x_с = G_п x_п + G_o x_o.                                 (6.2)

Розв’язавши рівняння (6.1) і (6.2) відносно G_п і G_o, знайдемо кількість очищеного продукту G_п і кількість осаду G_o:

       G_п = G_с[(x_o-x_с)/(x_o-x_п)],                               (6.3)

      G_o=G_с [(x_с-x_п)/(x_o-x_п)].                                (6.4)

       Об’єми вихідної суміші V_с, очищеного продукту V_п і осаду V_o можуть бути визначені із рівнянь:

  V_с = G_с (100-x_с)/100ρ_a + G_с x_с/100ρ_b ,                           (6.5)

V_п = G_п (100-x_п)/100ρ_a + G_п x_п/100 ρ_b ,                          (6.6)

V_o = G_o (100-x_o)/100ρ_a + G_o x_o/100 ρ_b .                           (6.7)

        Рівняння (6.1) і (6.2) виражають одночасно і процес змішування. Із рівняння (6.2) може бути легко знайдена концентрація зваженої речовини в отриманій суміші:

х_с = (G_п x_п + G_o x_o)/G_с,                                      (6.8)

де G_п і G_o - кількість продуктів, які змішуються, x_п і x_o - вміст в цих продуктах зважених речовин, мас. %; G_с – кількість суміші, яку потрібно отримати.