Гетерогенді жүйелерді жіктелуі және оларды бөлу әдістері. Бөлу процестерінің материялдық балансы
жүктеу/скачать 397,56 Kb. Pdf көрінісі
|
Дәріс №7. (1)
| Гетерогенді жүйелерді жіктелуі және оларды бөлу әдістері. Бөлу процестерінің материялдық балансы Гетерогенді процестер деп реакцияға түсетін реагенттердің әрекеттесуі фазааралық бетте жүретін процестерді айтады, яғни біріне-бірі жанасатын әр түрлі фазадағы заттардың әрекеттесуі. Мұндай реакциялар табиғаттағы түрлі құбылыстар мен көптеген өндірістік процестерде жиі таралған. Гетерогенді реакцияларға көптеген мысалдар келтіруге болады. Өсімдік тіршілігіндегі қо- ректену мен даму, тірі организмдегі процестер гетерогенді реакцияларға жатады. Гетерогенді процестер көп сатылы жүреді. Әдетте кез келген гетерогенді реакция үш сатыдан тұрады. Біріншісі — әрекеттесе-тін заттарды фазааралық бетке жеткізу. Екінші сатысы — химиялық реакцияның өзі, оның әрекеттесіп жүруі. Үшінші сатысы — реакция өнімін реакция жүріп жатқан ортадан тысқа әкету. Демек, гетерогенді реакциялардың жылдамдыгы заттарды реакция жүретін фазааралық бетке әкелу, реакцияның жүруі және диффузия көмегімен реакция өнімін сол ортадан әкету процестерінің жылдамдығымен анықталады. Әр сатының жылдамдықтары өзара тең болмаса, онда жалпы реакцияның жылдамдығы ең аз сатынікімен анықталады. Ал егер жекеленген сатыдағы реакциялардың жылдамдығы өзара жақын және салыстырмалы болса, онда гетерогенді реакциялардың қосынды жылдамдығын олардың ең азымен сипатталуы шарт емес. Гетерогенді процестердегі реакциялар фазааралық бетте жүретіндіктен, оған осы фазаның күйі, өлшемдері әсер етеді: гетерогенді реащиялардыц жылдамдығы эрекеттесетін заттардық дисперстік дәрежесіне тура пропорционалды. Мұндай реакциялардьщ жылдамдығы диффузия жылдамдығына да тікелей тәуелді. Осылайша, гетерогенді жүйелерге шаң, түтін, тұман, суспензия, эмульсия және көбік кіреді. Шаң дегеніміз - 5-50 мкм мөлшеріндегі газ бен қатты бөлшектерден тұратын біртекті емес жүйе. Ол негізінен қатты материалдарды ұсақтау және тасымалдау кезінде қалыптасады. Түтін - бұл 0,3–5 мкм мөлшерде бөлінетін газ бен қатты бөлшектерден тұратын біртектес емес жүйе. Ол заттардың жануы кезінде түзіледі. Тұман - бұл конденсация нәтижесінде пайда болатын газдан және 0,3–3 мкм сұйық тамшылардан тұратын гетерогенді жүйе. Шаңдар, түтіндер, тұмандар ұжымдық түрде аэрозольдар деп аталады. Суспензия - бұл сұйық және қатты бөлшектерден тұратын гетерогенді жүйе. Бөлшектердің мөлшеріне байланысты суспензиялар бөлінеді: 100 мкм-ден үлкен бөлшектері бар, 0,1-100 микроннан үлкен бөлшектері бар жұқа және 0,1 микроннан аз бөлшектері бар коллоидты ерітінділер. Эмульсия дегеніміз - сұйықтықтан және оның ішінде ерімейтін басқа сұйықтықтың тамшыларынан тұратын гетерогенді жүйе. Дисперсті фазаның бөлшектері мөлшері әр түрлі болады. Бөлшектердің мөлшеріне байланысты суспензиялар ірі (бөлшектердің мөлшері 100 микроннан жоғары), жұқа (0,1- 100 мкм) және мөлшері 0,1 мкм немесе одан аз болатын қатты бөлшектері бар коллоидты ерітінділерге бөлінеді. Бұл, мысалы, сүт, өсімдік майы мен су қоспасы. Газ эмульсиялары бар, онда дисперсиялық орта сұйық, ал дисперсті фаза газ болады. Көбік - бұл сұйық және газ көпіршіктерінен тұратын жүйе. Мысалы, кремдер және басқа да қамырдан жасалған бұйымдар. Көбіктер өздерінің қасиеттеріне жақын эмульсияға жақын. Эмульсиялар мен көбіктер дисперсті фазаның дисперсиялық ортаға және керісінше өту мүмкіндігімен сипатталады. Белгілі бір массалық фаза қатынасы арқылы мүмкін болатын бұл ауысуды фазалық инверсия немесе жай инверсия деп атайды. Аэрозольдер квазимолекуладан микроскопиялық мөлшерге дейінгі бөлшектерден тұратын, көп немесе аз уақытқа суспензияланатын қасиеті бар газ тәрізді дисперсті орта және қатты немесе сұйық дисперсті фаза деп аталады. Бұл ұғым шаңды, түтінді, тұманды біріктіреді. Мысалы, астықты ұнтақтау, ұнтақтау, тасымалдау кезінде алынған ұн шаңы; қантты кептіру кезінде пайда болатын қант шаңы және т.б. Түтін қатты отынды жағу кезінде пайда болады, тұман - будың конденсациясы кезінде. Аэрозольдерде дисперсиялық орта - газ немесе ауа, ал шаң мен түтіндегі дисперсті фаза қатты, тұманда сұйық болады. Дисперсті фазалар санына байланысты дисперсті немесе гетерогенді жүйелер бір және көп компонентті бола алады. Мысалы, көп компонентті жүйе - бұл сүт (екі түрлі фазасы бар: май және ақуыз); тұздықтар (дисперсті фазалар ұн, май және т.б.). Гетерогенді жүйелерді бөлу әдістері дисперсті фазаның тоқтап тұрған бөлшектерінің мөлшеріне, дисперсті және үздіксіз фазалардың тығыздығындағы айырмашылыққа, сондай-ақ үздіксіз фазаның тұтқырлығына байланысты жіктеледі. Гетерогенді қоспаларды бөлу Бөлудің келесі негізгі әдістері қолданылады: жауын-шашын, фильтрация, центрифугалау, ылғалды бөлу және электрлік тазарту. Жауын-шашын - бұл сұйықтықта немесе газда тоқтатылған дисперсті фазаның қатты немесе сұйық бөлшектері үздіксіз фазадан гравитациялық,
центрифугалық немесе электростатикалық бөлінетін процесс. Жауын-шашын гравитациясы деп аталады. Сүзу - бұл сұйықтықты немесе газды өткізіп, ортада тоқтатылған бөлшектерді ұстауға қабілетті кеуекті септумды қолдану арқылы бөлу процесі. Фильтрация қысым күштерінің әсерінен жүзеге асырылады және жауын-шашын суспензиясы мен шаңды бөлу кезінде жұқа қолданылады. Жаңа сауылған сүтте, кесек қалдықтар бар болуы мүмкін. Мысалы кесек шөп немесе сиырдын қылдары. Осы заттардан сүтті тазарту үшін, марлядан жасалған сүзгі арқылы сүтті өткізеді:
Нәтижесінде сүт тазарады, ал зиянды қалдықтар сүзгіде қалады. Бұл әдіс сүзу әдісі деп аталады. Құмды пайдаланып суды осы сүзу әдісімен тазартады
Қайта кристалдану Ас тұзы бар ерітіндіден тұзды бөлу үшін, суды қыздырады. Су буланады да, тұз түбінде қалады:
Арал теңізінің жағалауында бұндай тұз көп мөлшерде кездеседі: Бұл тұз теңіз суының құрамында еді. Кейін су буланып, тұз қайта кристалданып жерде қалды. Айдау әдісі Суды қыздырып, буға айналдырып, басқа жерде су буын суытып қайтадан суға айналдыруға болады:
Бұны айдау әдісі деп атайды. Бұл әдістің тағы бір аты - дистилдеу әдісі. Бір затты буға айналдырып, кейін бұл буды басқа жерде суытып қайта жинап алу - айдау әдісінің негізі. Мұнай құрамында бензин, керосин, салярка секілді тез бұланатын заттар бар. Осы заттарды бұландырады да, басқа жерде қайта сұйықтыққа айналдырады. Айдау әдісі осы жанармайларды алу үшін пайдалынады.
Қоспалардың құрамына және қасиетіне қарай әр түрлі бөлу әдістері қолданылады. Біртекті қоспадан заттарды бөліп алу үшін қайта кристалдандыру, айдау, хроматография әдістері қолданылады. Қатты заттарды тазарту үшін қайта кристалдандыру әдісі пайдаланылады. Ол үшін тазартылатын зат жаксы еритін еріткішті таңдап алып, қоспаны қайнатып ерітеміз. Сонда ерітінді қаныққан болады да, негізгі тазартатын заттың кристалдары ерітіндіні суытқанда біртіндеп шөге бастайды, ал аз мөлшердегі қоспалары ерітіндіде қалады. Осылайша тазарту әдісі қайта кристалдандыру деп аталады. Тазалық дәрежесін арттыру үшін осы үрдісті бірнеше дүркін кайталауға болады.
Магнитпен қоспдадан бөлу әдісі Айдау әдісі сұйық заттарды тазарту үшін колданылады, ол қоспаның құрам бөліктерінің қайнау температураларының айырмашылығына негізделген. Сұйық затты қыздыру арқылы буға айналдырып, қайтадан суытқанда, ол
сұйықтыққа айналады (конденсацияланады), Бұл әдіс айдау (дистильдеу) деп аталады. Мысалы, мұнайды айдау арқылы әр түрлі мұнай өнімдері (бензин, керосин) алынады.
Қазіргі кезде ғылыми-зерттеу институттарында, өндірістік зертханаларда хроматография әдісі кеңінен қолданылады. Бұл әдіс бір заттың басқа зат бетінде әр түрлі жылдамдықпен сіңірілуіне негізделген. Тығыздықтары әр түрлі өзара ерімейтін сұйыктықтардан тұратын коспаны бөлгіш кұйғы аркылы бөлуге болады; тығыздығы үлкен сұйықтык құйғының төменгі бөлімінде, ал тығыздығы төмен сұйықтык жоғары бөліміне жиналады. Құйғы тиегін ашып, сұйықтықтарды жеке құйып алады. Әртекті қоспадан заттарды бөліп алу үшін тұндыру және сүзу әдістері қолданылады. Суда ерімейтін тығыздықтары әр түрлі заттардан тұратын коспаны бөлу тұндыру аркылы жүзеге асырылады. Мысалы, лай суды ұзақ, уақытқа қойып қойғанда саздың бөлшектері біртіндеп тұнады. Сүзу әдісі де қатты затты ерітіндіден бөліп алуға мүмкіндік береді, ол үшін сүзгі қағазы (фильтр), құйғы және шыны таяқша қажет. Кейбір магнитке тартылатын металдарды (ферромагнитті) қоспадан магнитпен бөліп алуға болады . Тазартылу дәрежесіне қарай заттар «таза», «аса таза», «химиялық» және «анализдік таза» деген сұрыптарға бөлінеді. Тазалық дәрежесі өте жоғары заттар дәлдігі аса жоғары тәжірибелерде қолданылады. Заттардың тазалық дәрежесін білудің ғылым мен техника үшін маңызы зор. Химиялык заттың тазалык дәрежесі массалық үлеспен, өрнектеледі. Араластыру – газ бен сұйықтың ағысымен бұлғылауышпен (мешалка) келетін, импулстің әрекетімен барлық көлемге, тегіс таралу мақсатымен жүретін гидромеханикалық үрдіс. Араластыру мақсаты Суспензияны құр - қатты заттарды сұйық көлемге теп тегіс таратуды қамтамасыз ету; Эмульсий, аэрация құру –сұйықты газға немесе сұйық бөлшектерін берілген Қыздыру мен салқындатудың интенсификациясы; Салмақауысу интенсификациясы араластыру жүйесінде (еріту, сілтілеу).
Араластырудың негізгі сызбасы
Механикалық- бұлғылауышпен араластыру, аппаратта араласатын оратмен айналады. § Барботаж - газ бен ауа ағынын сұйық ортаға араластыру жолымен өткізу, ұсақ көпіршіктерге бөлінген, Архимед күшінің әрекетімен сұықтың қабатында көтеріледі де, үздіксіз сұйықты араластырады. § Циркуля араластыру- насостың көмегімен аппаратта көптүрлі циркуляциялы ағындарды құру жолымен жүреді. Басқару нысаны Басқару нысаны–бұлғылауышты ыдыс, үздікссіз қозғалыстағы аппарат, онда екі сұйықтықтың араласуы жүреді . Басқару нысанның сызбасы.
Үрдісті басқару мақсаты - үздіксіз интенсивтті және тиімді кезінде қоспаның концентрациясын қамтамасыз ету. Араластыру тиімділігі аппартың шамалдарын таңдауын қамтамасыз ету бұлгаудың айналу саны бұл аппаратағы қоспаның біркелкі айналуын қамтамасыз етеді. Бірақ та нақты шарттатехнологиялық нысан ішкі әрі сыртқы әрекеттердің әсерінен бұзылады, бұл технологиялық жұмыс режимін есептеуден ауытқытады. Автоматтандыру жүйесін өндеу тапсырмалары талап ететін сапаның сипаттамасымен және тиімді үрдісте ішкі әрі сыртқы әсерлердің әрекеттерін қамтамасыз етеді. Механикалық араластыру үрдісінің теориялық маңызы Бұлғалаудың қалақшаларының айналуынан аппаратта ерікссіз қозғалыстар пайда болады, олар теңдеудің критерисымен жазылады: Euм = f(Reм , Г) (19.1) Мұнда Euм - Эйлер критерийсі критерий Рейнольдса Reм (19.2)
Геометриялық симплекс Г: Г=dм / Dапп(19.3) мұнда dм - бұлғылаушының диаметрі, м; n - бұлғылаушының айналу жылдамдығы,айн /с; r - сұйықтық тығыздығы , кг/м^3; Nм - бұлғылаумен жұмыс істеуге кететін қуаттылық, вт; m - динамикалық тұтқырлық Па*с; КN – қуаттылық критерийі
Механикалық араластыру үрдісінің технологиялық –құрылымыдық шамасын есептеу әдісі 1. Бұлғылау түрін таңдау оның диаметрі dм, аппарат өлшемі Daпп и Hапп. 2. Аппаратың түрі мен өлшеміне байланысты коэффициент Сt анықтаймыз. 3. Бұлғылаудың айналу санын анықтайды: . 4. Reм есептейді. 5. Сызба бойынша KN= f(Reм) тауып алады KN. 6. т Nм 2 теңдеуден тауып алады: . 7. Құрылғыны айналдыратын өткізгішттің қуаттылығын есептейді Nдв: (19.4) Мұнда К- құрылғыны араластыратын және аппаратың құрылымын есептейтін түзету коэффициенті; Үздіксіз қозғалыс үшін:
Келесіні табу қажет: и
. Бастапқы компонент бойынша материалдық баланс Динамиканы басқару: (19.5)
Статиканы теңестіру :
(19.6) (1) және (2) есептеп: (19.7) Барлық заттар бойынша материалдық баланс Динамика теңдеуі:
19.8) Статиканы теңестіру :
(19.9) (19.8) және (19.9) алатынымыз: (19.10) Нысанның ақпараттық сызбасы
19.3 -сурет · Басқарылатын айнымалылар - Ссм және hсм . · Бақыланатын мүмкін әрекеттер: , .
· Басқарылатын мүмкін әрекеттер: .
· Бірақ та , бұл жағдай да , Gсм келесі технологиялық үрдіспен анықталынады сондықтан да реттелеіт әрекеттер ретінде қолдануы мүмкін . Араластыру әр түрлі технологияда бір ортадағы екінші ортаның осы көлемде біркелкі түзілуі үшін, әрі жылу және масса алмасу процестерін қарқынды түрде күшейту үшін көп қолданылатын гидромеханикалық процесс. Бұл
процесс көбіне сұйық заттарға қолданылады,кейде қатты ұнтақ заттарға да қолдануға болады. Араластыру процесі тамақ және ет–сүт өндірісінде әртүрлі эмульсия және суспензия, сонымен қатар жентектелген ет, қамыр, тәттілер массасын дайындауда кеңінен
қолданылады және
т.б. Жылу және массаалмасу процестерінде араластыру процесі шекаралық қабатты азайту арқылы белгілі бір реакцияға қатысатын қосылыстардың бетін ұлғайту үшін қолданылады, ол процестің қарқынды түрде жеделдеуіне әсерін тигізеді. Сұйық
орталарды араластырудың негізгі үш
тәсілі болады:
1) механикалық - әртүрлі құрылысты араластырғыштар жәрдемімен; 2) пневматикалық - сығылған ауа немесе инертті газдар жәрдемімен; 3) циркуляциялық - насостар немесе соплалар жәрдемімен. Араластырудың өндірістегі кең тараған тәсілі – механикалық араластыру. Механикалық араластыру әртүрлі құрлысты қалақтары бар араластырғышпен /рамалы, қалақты, пропеллері, турбиналы, жалпақ қалақты т.б./ жүргізіледі. Пневматикалық (барботажды) араластыру. Араластырылатын сұйықтың химиялық активтiгi үлкен және газ (мысалы, ауадағы оттегi) сұйықпен химиялық әрекеттесуi қажет болғанда сығылған инерттi газбен немесе ауамен пневматикалық араластыру қолданылады. Араластырудың бұл тәсiлi төмен қарқынды процесс және энергия шығыны механикалық араластыруға қарағанда көп. Циркуляциялық араластыру. Сұйық ортаны қарқынды араластыру үшін оны аппарат - циркуляциялық насос - аппарат контуры бойынша көп қайталап насоспен сорып айдау керек Араластыруға ортадан тепкіш насос немесе ағынды насостар пайдаланылады. Құбырлардағы араластыру. Құбырлардағы араластыру ең қарапайым тәсіл және сұйықтарды тасымалдағанда қолданылады. Бұл тәсіл аз тұтқырлы және бір-бірінде тез еритін сұйықтарды араластыруда қолданылады. Араластыру құбыр ішіне диафрагма, жартылай бөгеттер, винтті насадка және т.б. орнатылу арқылы жүзеге асады . Араластыруда сұйық ағынының энергиясы пайдаланылады. Ауамен және циркуляциялық араластыру тәсілдері жоғары тиімділікті болып келеді, бірақ
мынадай кемшіліктері бар: 1)
салыстырмалы түрде
көп энергия
шығыны; 2) ауамен араластырғанда тамақтың /ашу/ тотығу мүмкіншілігі немесе оның жылжымалық фазасының булану мүмкіншілігі. Араластыру құрылыс технологиясында бір ортадағы екінші ортаның осы көлемде біркелкі түзілуі үшін, әрі жылу және масса алмасу процестерін қарқынды түрде күшейту үшін көп қолданылатын гидромеханикалық процесс. Араластыру процесі құрылыс және ет–сүт өндірісінде әртүрлі эмульсия және суспензия, сонымен қатар жентектелген ет, қамыр, тәттілер массасын дайындауда кеңінен қолданылады.
Жылу және массаалмасу процестерінде араластыру процесі шекаралық қабатты азайту арқылы белгілі бір реакцияға қатысатын қосылыстардың бетін ұлғайту үшін қолданылады, ол процестің қарқынды түрде жеделдеуіне әсерін тигізеді. Құрылыс өндірісінде көбінесе сұйық ортараларды араластыру жиі қолданылады. Сұйық орталарды араластырудың негізгі үш тәсілі болады: 1) механикалық - әртүрлі құрылысты араластырғыштар жәрдемімен; 2) пневматикалық - сығылған ауа немесе инертті газдар жәрдемімен; 3) циркуляциялық - насостар немесе соплалар жәрдемімен. Араластырудың құрылыс өндірісіндегі кең тараған тәсілі – механикалық араластыру. Механикалық араластыру әртүрлі құрлысты қалақтары бар араластырғышпен /рамалы, қалақты, пропеллері, турбиналы, жалпақ қалақты т.б./ жүргізіледі.
Пневматикалық (барботажды) араластыру. Араластырылатын сұйықтың химиялық активтiгi үлкен және газ (мысалы, ауадағы оттегi) сұйықпен химиялық әрекеттесуi қажет болғанда сығылған инерттi газбен немесе ауамен пневматикалық араластыру қолданылады. Араластырудың бұл тәсiлi төмен қарқынды процесс және энергия шығыны механикалық араластыруға қарағанда көп. Циркуляциялық араластыру. Сұйық ортаны қарқынды араластыру үшін оны аппарат - циркуляциялық насос - аппарат контуры бойынша көп қайталап насоспен сорып айдау керек Араластыруға ортадан тепкіш насос немесе ағынды насостар пайдаланылады.
Құбырлардағы араластыру. Құбырлардағы араластыру ең қарапайым тәсіл және сұйықтарды тасымалдағанда қолданылады. Бұл тәсіл аз тұтқырлы және бір-бірінде тез еритін
сұйықтарды араластыруда қолданылады. Араластыру құбыр ішіне диафрагма, жартылай бөгеттер, винтті насадка және т.б. орнатылу арқылы жүзеге асады . Араластыруда сұйық ағынының энергиясы пайдаланылады. Ауамен және циркуляциялық араластыру тәсілдері жоғары тиімділікті болып келеді, бірақ мынадай кемшіліктері бар: 1) салыстырмалы түрде көп энергия шығыны; 2) ауамен араластырғанда құрылыс тың /ашу/ тотығу мүмкіншілігі немесе оның жылжымалық фазасының булану мүмкіншілігі.
Центрифугалау дегеніміз - центрифугалық күш әсерінен суспензиялар мен эмульсияларды бөлу процесі. Ылғалды бөлу дегеніміз - кез-келген сұйықтықты пайдаланып газда тоқтатылған бөлшектерді ұстау процесі. Электрлік тазарту - электр күштерінің әсерінен газды тазарту. Сұйық және гетерогенді газ жүйелерін бөлу әдістері бірдей принциптерге негізделген, бірақ қолданылатын жабдықтың бірқатар ерекшеліктері бар. Тұндыру. Бұл әдіс жердің тартылыс күші әсерінен әртекті қоспадағы қатты заттар мен сұйық заттардың қабат түзіп бөлінуіне негізделген. Мысалы, темір ұнтағын ағаш ұнтағынан бөлу үшін қоспаны суға араластырады және тұндырады. Темір ұнтағы ыдыстың түбіне шөгеді, ал ағаш ұнтағы су бетіне қалқып шығады. Оны сумен қоса құйып алуға болады. Кейбір заттар тығыздығына байланысты суда әртүрлі жылдамдықпен тұнады. Егер суға саз бен құмның қоспасын араластырса, құм тезірек тұнады. Бұл әдіс керамика өндірісінде құмды саздан бөлу үшін қолданылады. Бір-бірімен араласпайтын сұйықтар уақыт өте келе тығыздықтарына байланысты қабатқа бөлінеді. Мысалы, бензин — су, өсімдік майы — су, мұнай — су. Ондай қоспаларды бөлгіш құйғылар мен колонкалардың көмегімен бөледі (2-сурет).
Мұнайды тазалау Магнитпен бөлу. Бұл әдіс қоспа құрамындағы бір зат магнитке тартылатын жағдайда қолданылады. Темір және күкірттің қоспасын бөлу үшін темірді магнит көмегімен тартып алуға болады.
жүктеу/скачать 397,56 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|