Класифікація і характеристика неоднорідних систем
Будь-яка неоднорідна система складається з двох чи більшої кількості фаз. Одна з них — дисперсна, або внутрішня фаза, що характеризується дуже подрібненим станом, інша ж, дисперсійна, або зовнішня, фаза оточує частинки першої і є середовищем, в якому розподілені частинки дисперсної фази. Дисперсна фаза і дисперсійне середовище неоднорідної системи можуть перебувати у будь-якому агрегатному стані: твердому, рідкому або газоподібному.
Газові неоднорідні (гетерогенні) системи уявляють собою газоподібне дисперсійне середовище із завислими твердими або рідкими частинками. Ці системи поділяють на дві групи: механічні і конденсовані системи, що відрізняються одна від одної способом утворення і розміром частинок.
Механічні газові системи утворюються під час подрібнення або стирання твердих тіл, під час розпилювання рідин; такі дисперговані в газі частинки називають пилом. Розміри твердих частинок пилу коливаються в межах від 5 до 50 мк.
Конденсовані газові системи утворюються в процесі конденсації частинок з газу (пари) або внаслідок взаємодії двох газів, в результаті чого частинки газу (пари) переходять в рідкий або твердий стан. У першому випадку утворюється туман, у другому — дим. Розміри частинок у конденсованих газових системах коливаються в межах (0,3...0,01) ммк.
Рідкі неоднорідні системи поділяють на три класи: суспензії, емульсії і піни.
Суспензії— системи, що складаються з рідкого дисперсійного середовища і завислих у ньому твердих частинок.
Емульсії— системи, в яких рідке дисперсійне середовище і завислі в ньому частинки однієї чи кількох інших рідин.
Піни — системи, що складаються з рідкого дисперсійного середовища і завислих у ньому частинок газу.
З усіх трьох класів рідких неоднорідних систем у техніці найчастіше зустрічаються суспензії. За ступенем подрібненості твердої дисперсної фази умовно розрізняють:
а) грубі суспензії, в яких розмір завислих частинок більший за 100 мк.;
б) тонкі суспензії з частинками твердої фази від 100 до 0,5 мк;
в) каламуті, в яких розмір завислих частинок не перевищує 100 ммк; в каламутях завислі частинки інтенсивно рухаються (броунівський рух) і не осідають під дією сили тяжіння;
г) колоїдальні розчини — з частинка^ми у межах від 100 ммк до величини молекул.
Важливою характеристикою суспензій є їх концентрація. Підвищення вмісту твердої речовини збільшує в'язкість суспензій і при певній концентрації в'язкість може бути настільки значною, що суспензія втрачає властивості текучості і практично перестає бути рідиною. З достатньою для розрахунків точністю в'язкість суспензій можна визначити за емпіричною формулою А.І. Бачинського
, (4.3)
де — в'язкість чистої рідини, яка є дисперсійним середовищем;
—вміст твердої фази в суспензії, який виражають відношенням об'єму твердої фази до загального об'єму всієї суспензії.
Характерні особливості мають і емульсії. Вони мало стійкі і при певних розмірах завислих частинок швидко розшаровуються. Емульсії істотно відрізняються від суспензій здатністю перетворення фаз. При підвищенні концентрації дисперсної фази, коли з'являється можливість безпосереднього стикання окремих краплинок, останні зливаються в одну загальну систему, в якій завислими частинками будуть вже частинки первісного дисперсійного середовища. Таким чином, підвищення концентрації емульсії призводить до обміну фаз: дисперсійне середовище перетворюється в дисперсійну фазу, а дисперсійна фаза — в дисперсійне середовище.
В'язкість емульсій, так само як і суспензій, змінюється залежно від концентрації, причому максимальна в'язкість відповідатиме такій концентрації, при якій відбувається перетворення фаз.
У промисловості у процесі обробки різних продуктів і матеріалів утворюються найрізноманітніші неоднорідні системи: дробіння вугілля перед спалюванням його в топках парових котлів, дробіння цукру-рафінаду на рафінадних заводах, тобто подрібнення зерна на борошномельних спиртових та пивоварних
заводів утворюється вугільний, цукровий, борошняний пил. Пил утворюється також під час просіювання різних сипких матеріалів: руди, вугілля, зерна, борошна, цукрового піску та інших продуктів. Процеси висушування і транспортування сипких матеріалів здебільшого супроводжується пилоутворенням.
У теплових процесах прикладом утворення гетерогенної системи є туман, що виникає при конденсації водяної пари внаслідок охолодження повітря. Такі системи утворюються під час випарювання цукрових розчинів, барди, молока, а також в перегонних апаратах спиртових заводів.
У виробничій практиці неоднорідні системи часто доводиться розділяти на їх складові частини. Метод для розподілу вибирають залежно від характеру складових частин системи і стану фаз. При цьому треба також враховувати фізико-хімічні властивості середовища: в'язкість, густину, розмір частинок та їх щільність тощо. Часто для розділення неоднорідних систем можна застосувати кілька різних методів. Наприклад, газ від пилу можна очистити фільтруванням крізь тканину або у відцентрованих і електричних осаджу-вачах. Частіше у практиці для розподілу неоднорідних систем застосовують такі методи: осідання, або відстоювання; фільтрування.
Осідання, або відстоювання в свою чергу можна здійснити у полях: а)гравітаційному; б) відцентровому; в) електричному.
Фільтрування здійснюють звичайно у полях: а) гравітаційному; б) відцентровому; в) поверхневих сил.