PROCESE TEHNOLOGICE ȘI PROTECȚIA MEDIULUI Anul universitar Lector dr. Adriana Urdă Curs 4. Separarea sistemelor eterogene

Transcript

1 PROCESE TEHNOLOGICE ȘI PROTECȚIA MEDIULUI Anul universitar Lector dr. Adriana Urdă Curs 4. Separarea sistemelor eterogene Obiectivele cursului: În cadrul acestei teme vor fi discutate următoarele operații unitare de separare: - sedimentare - filtrare - centrifugare - alte operații de separare a sistemelor eterogene. Pentru fiecare operație în parte vor fi analizați factorii care influențează separarea și vor fi prezentate exemple de separare. Sistemele eterogene sunt formate din cel puțin două faze diferite: solid-lichid, solid-gaz, lichid-gaz etc. Operațiile unitare de separare a sistemelor eterogene sunt folosite pe scară largă atât în laboratoarele chimice, cât și în industria chimică. Scopul acestor operații poate fi, de ex., recuperarea unui component solid, lichid sau gazos prețios, eliminarea emisiilor poluante de particule în suspensie din gaze înainte de evacuarea lor în atmosferă, sau separarea pulberilor antrenate în operații cum ar fi fluidizarea sau transportul pneumatic. Cuprins 1. Sedimentarea 2. Filtrarea 3. Centrifugarea 4. Alte procedee de separare 4.1. Sedimentarea [Bratu, p ] Sedimentarea este operația unitară de separare a fazelor unei suspensii (de obicei lichidsolid), prin acțiunea diferențiată a gravitației asupra fazelor cu densități diferite. În operația de sedimentare se numește suspensie sistemul eterogen inițial, decantat lichidul mai mult sau mai puțin limpede rezultat după sedimentare, sediment sau precipitat reziduul conținând faza solidă îmbibată cu lichid (vezi Figura 1). Prin decantare se înțelege îndepărtarea lichidului (decantatului) după sedimentare. Suspensie Decantat Sediment (precipitat) Fig. 1. Operația de sedimentare a unei suspensii lichid-solid.

2 Într-un moment oarecare al sedimentării, suspensia are trei straturi: - un strat superior de lichid limpede sau slab tulbure; - un strat intermediar de suspensie; - un strat de sediment cu granule din ce în ce mai mari. Grosimea stratului intermediar scade în timpul sedimentării până la dispariție, iar grosimea celorlalte straturi crește. O bună operație de sedimentare tinde să obțină un decantat cât mai lipsit de fază solidă și un sediment cu cât mai puțin lichid, într-un timp cât mai scurt și cu costuri minime. Factori care influențează operația de sedimentare: - structura și concentrația fazei solide: solidele grăunțoase sedimentează astfel încât fiecare granulă se depune independent, în funcție de mărimea (masa) ei; suspensiile cu solide negrăunțoase (flocoane îmbibate cu lichid) sedimentează colectiv, particulele solide influențându-se reciproc în mișcarea de sedimentare; - tendința de aglomerare (floculare): stabilitatea suspensiilor coloidale (dată de adsorbția preferențială a unor ioni pozitivi sau negativi din mediul lichid ambiant al suspensiei) poate fi distrusă prin neutralizarea sarcinilor electrice cu ajutorul unor electroliți cu sarcini electrice de semn contrar; particulele neutralizate în acest mod nu se mai resping și se pot reuni în particule mai mari care sedimentează ușor. Orice recipient poate servi ca decantor pentru sedimentarea suspensiilor (ex. pahar Berzelius în laborator). În mod obișnuit, decantoarele industriale sunt prevăzute cu dispozitive pentru alimentarea cu suspensie, pentru evacuarea decantatului și a sedimentului. Pentru tratarea apelor potabile se folosesc decantoare ca cel din figura 2. Acestea sunt bazine paralelipipedice, cu fund înclinat (pentru a permite o viteză descrescătoare de curgere a apei în lungul decantorului, cu depunerea unor particule cu diametru din ce în ce mai mic către ieșirea din decantor). Fig. 2. Decantor pentru tratarea apelor; secțiune longitudinală (stânga) și secțiune transversală (dreapta). La intrarea în decantor există un grătar metalic ce reţine corpurile plutitoare. Dacă viteza apei este mică (de ex. 0,1 0,5 m/s), printr-o staţionare de 5-10 ore a apei în bazine se pot depune particule solide cu diametrul de aprox. 0,1 mm. Sedimentarea sistemelor eterogene gaz solid se face similar, în camere de desprăfuire, prin care gazul trece cu viteză mică, pentru ca praful din gaze să aibă timp suficient să se depună şi să nu fie reantrenat în curentul de gaz. Camerele sunt de formă paralelipipedică şi pot avea poliţe (pentru mărirea eficienţei sedimentării). Solidul depus este evacuat periodic de pe poliţe.

3 4.2. Filtrarea [Bratu, p ] Filtrarea este operația unitară de separare a fazelor unui amestec eterogen solid-fluid, cu ajutorul unei suprafețe poroase sau printr-un strat poros prin care poate trece numai faza fluidă. Scopul filtrării este de a separa fazele unui suspensii într-un precipitat (faza solidă a suspensiei) și un filtrat (care să conțină cât mai puțină fază solidă). Separarea prin filtrare este, de obicei, foarte eficientă în privința purității filtratului, dar mai puțin în privința purității precipitatului, care rămâne îmbibat cu lichidul din care a fost separat. Când lichidul este prețios, sau când precipitatul trebuie purificat, filtrarea este urmată de spălarea precipitatului cu un lichid potrivit (de cele mai multe ori apă) care să îndepărteze soluția din precipitat. Filtrarea unei suspensii (în utilaje industriale) are patru etape: - în prima etapă suprafața filtrantă reține faza solidă; la începutul acestei etape filtratul este tulbure și trebuie refiltrat; - în a doua etapă reținerea fazei solide se face mai ales de către stratul de precipitat format pe suprafața filtrantă (aceasta din urmă rămâne doar cu rolul de suport pentru stratul de precipitat); - a treia etapă este cea de spălare a precipitatului pentru îndepărtarea substanțelor solubile a căror soluție îmbibă precipitatul; spălarea se realizează în echicurent (în același sens cu filtrarea); - a patra etapă reprezintă regenerarea suprafeței filtrante (spălare, destuparea porilor) prin trecerea unui fluid (apă sau alt lichid, sau aer sub presiune) în contracurent (în sens invers filtrării). Filtrarea în laborator presupune doar trei etape, deoarece se alege suprafața filtrantă (hârtia de filtru) astfel încât să rețină în întregime precipitatul. În industrie suprafața filtrantă se alege astfel încât să poată fi utilizată timp îndelungat (regenerări multe), ceea ce face ca eficiența inițială în reținerea precipitatului să nu fie foarte bună. Factorii care influențează filtrarea: - suspensia mărimea particulelor care formează faza solidă a suspensiei, structura particulelor (cele sferice sau aciculare perimit viteze mai mari de filtrare decât cele plate, care pot astupa porii materialului filtrant) influențează alegerea materialului filtrant; - materialul filtrant trebuie să rețină cât mai bine faza solidă a suspensiei, să nu se colmateze (înfunde) repede, să aibă rezistență hidraulică scăzută (să nu conducă la pierderi mari de presiune; acestea pot să apară datorită porilor foarte înguști), să permită viteze mari de filtrare, să se regenereze ușor, să aibă rezistență mecanică ridicată (să poată fi refolosit de multe ori) etc. - grosimea stratului de precipitat la creșterea grosimii stratului scade viteza de filtrare (și productivitatea filtrului) din cauza creșterii rezistenței hidraulice a filtrului (creșterea căderilor de presiune între partea superioară și cea inferioară a stratului filtrant prin lungirea drumului parcurs de lichid și tasarea precipitatului); Se pot folosi multe tipuri de materiale filtrante, alese astfel încât să conducă la o filtrare cât mai bună: table perforate (pentru suspensii cu particule mari sau ca suport pentru alte materiale filtrante), site metalice, pânze filtrante (au rezistență mecanică scăzută, dar sunt ieftine și eficiente), straturi fibroase (ex. celuloză, lână, in etc.), straturi de pulberi sau granule (ex. filtre de nisip, vezi în continuare, sau filtre cu cărbune activ). Metode pentru îmbunătățirea filtrării:

4 - creșterea temperaturii de filtrare conduce la scăderea vâscozității lichidului, deci mărește productivitatea filtrării și scade umiditatea precipitatului; efectul este însă negativ dacă se produce umflarea materialului filtrant (lichidul va trece mai greu) sau dacă filtratul sau precipitatul sunt influențate negativ de temperatura mărită; - creșterea presiunii de filtrare are, de obicei, efect pozitiv asupra vitezei de filtrare (nu și pentru precipitate cu particule plate, tip foițe); ceea ce interesează este diferența de presiune dintre cele două fețe ale filtrului; se utilizează fie presiune ridicată la filtrare, fie filtrarea la vid; - coagularea prealabilă se formează particule mai mari, prin aglomerare cu un coagulant (numai dacă coagulantul nu denaturează filtratul sau precipitatul); ex. de aplicare: la decantarea și filtrarea rapidă a apelor. Filtrarea amestecurilor eterogene solid lichid Se utilizează mai multe tipuri de filtre: - filtre cu strat granular (ex.: filtrele lente cu strat de nisip pentru filtrarea apei) se folosesc pentru debite mari de suspensii. Filtrele lente sunt bazine paralelipipedice sau cilindrice, ce conţin un strat filtrant granular sprijinit pe bulgări mari şi pietriş, pe o placă perforată sau pe o placă poroasă. Stratul filtrant, de obicei nisip, este format din mai multe straturi suprapuse, de granulaţie din ce în ce mai fină spre suprafaţă, unde se găseşte un strat de cm grosime de nisip fin (0,5 1,0 mm). Timp de de ore de la pornire filtratul este tulbure; el devine limpede abia după ce la suprafaţa stratului filtrant se formează o membrană biologică, aceasta având şi un efect sterilizant eficient (oprirea microorganismelor) pe lângă efectul de limpezire (reţinerea suspensiilor fine). Apa trece prin filtru încet, cu o viteză de 0,1 0,5 m/h, sub presiunea hidrostatică a unui strat de apă de aprox. 1 m, care trebuie menţinut deasupra nisipului. Când debitul filtrului scade mult din cauza colmatării, filtrul este curăţat prin îndepărtarea stratului de nămol şi a unui strat de 2-5 cm nisip de la suprafaţă. Dacă filtrul este colmatat în adâncime, atunci el trebuie regenerat prin spălarea sau înlocuirea întregului strat de nisip şi formarea din nou a stratului filtrant. Filtrele lente sunt instalaţii simple, ce dau un filtrat limpede şi au efect sterilizant, dar au productivitate redusă. Fig. 3. Filtru lent cu strat granular. - filtre orizontale (filtre nuce): filtrarea se realizează sub acțiunea diferenței de presiune între cele două fețe ale filtrului; în laborator filtre Büchner.

5 - filtre celulare rotative - filtre continue, formate din tamburi cilindrici rotativi împărţiti în celule, scufundaţi în suspensie şi care trec succesiv prin etapele filtrării: aspirarea suspensiei, spălarea precipitatului, uscarea parţială (prin aspirarea aerului), evacuarea precipitatului cu regenerarea suprafeţei filtrante (vezi și Tratamentul secundar al apelor reziduale, cursul 6). Filtrarea amestecurilor eterogene solid gaz Scopul acestei operații poate fi: - purificarea gazului (prin îndepărtarea solidelor ex. praf); - recuperarea componentului solid valoros (ex. recuperarea prafului de ciment din gazele evacuate în atmosferă); - depoluarea gazelor evacuate în atmosferă (ex. îndepărtarea funinginii din gazele de ardere). Pentru purificare gazul brut este trecut printr-o suprafață filtrantă care reține solidul (ex.: materiale textile, straturi de materiale fibroase, plăci ceramice poroase) Centrifugarea [Bratu, p , ] Centrifugarea nu este o operaţie unitară, ci o tehnică de lucru care foloseşte proprietăţile câmpului de forţe centrifuge pentru accelerarea unor operaţii de separare ca sedimentarea şi filtrarea. Forţa centrifugă este proporţională cu masa şi viteza de deplasare a particulelor ce trebuie separate, de aceea viteza de depunere (sedimentare) crește mult într-un câmp de forțe centrifuge față de separarea în câmp gravitațional. Un exemplu de separare prin centrifugare este separarea particulelor solide din amestecuri eterogene solid gaz cu ajutorul cicloanelor. În condiţii obişnuite, cicloanele măresc de ori viteza de sedimentare în comparaţie cu cea din camerele de sedimentare. Este posibilă astfel eliminarea particulelor mici (până la 10 μm, uneori mai mici) şi obţinerea unei eficacităţi mari de colectare (uneori peste 99 %). Cicloanele sunt aparatele cele mai răspândite pentru separarea prafului din gaze. Fig. 4. Schema de principiu a unui ciclon: secțiune longitudinală (jos) și transversală (sus); 1 manta; 2 intrarea gazului; 3 ieşirea gazului purificat; 4 evacuarea particulelor solide (picăturilor de lichid).

6 Ciclonul este alcătuit dintr-o manta cilindrică la partea superioară și conică la partea inferioară. Gazul brut intră tangenţial la partea superioară a mantalei cilindrice, ia o traiectorie elicoidală coborând către partea conică a ciclonului şi iese prin tubul central. Particulele solide sau picăturile de lichid din gaz, sub acţiunea forţei centrifuge, se îndreaptă spre mantaua ciclonului, se depun pe peretele cilindric al acestuia şi cad în partea conică, de unde sunt evacuate prin deschiderea inferioară Alte procedee de separare a sistemelor eterogene Pentru separarea sistemelor eterogene se mai pot folosi: - procedee bazate pe impact: când fluxul de gaz întâlneşte un obstacol, gazul va ocoli obstacolul, dar particulele de solid sau picăturile de lichid (din cauza inerţiei mai mari) îşi vor continua drumul, lovind obstacolul; - procedee umede: prin contactul cu un lichid (de ex. apă), particulele solide se umectează, se aglomerează şi trec în lichid; acest tip de separare se realizează în turnuri de spălare (scrubere) sau spălătoare cu spumă; au ca dezavantaj umezirea gazului şi a solidului - procedee electrice: în câmp electric puternic gazele sunt ionizate şi pot transporta sarcini electrice; se folosesc electrozi cilindrici coaxiali (unul pentru ionizare, celălalt pentru precipitare), iar ionii purtători de sarcini electrice se deplasează spre electrodul de precipitare; - procedee sonice: sub acţiunea undelor sonice, particulele se aglomerează şi se pot separa mai uşor. Rezumatul cursului 4 Sistemele eterogene sunt formate din cel puțin două faze diferite: solid-lichid, solid-gaz, lichid-gaz etc. Separarea sistemelor eterogene se poate face prin sedimentare, filtrare, centrifugare etc. Sedimentarea se produce sub acțiunea forței gravitaționale, în aparate denumite decantoare, și permite separarea unei suspensii lichide în decantat și precipitat (sediment). Filtrarea conduce la separarea amestecurilor eterogene (de ex. solid-lichid) în filtrat și precipitat cu ajutorul unei suprafețe filtrante. Tipul suprafeței filtrante depinde de natura suspensiei care trebuie separată. Se folosesc diverse tipuri de filtre, de ex. filtre cu strat granular, filtre nuce (Büchner), filtre celulare rotative. Centrifugarea este o tehnică de lucru prin care se accelerează mult viteza de sedimentare, datorită forței centrifuge care este mult mai mare decât forța gravitațională. Exemplu de separator centrifugal: ciclonul pentru separarea pulberilor din gaze. Bibliografie 1. E. A. Bratu Operații unitare în ingineria chimică, vol II., Editura Tehnică, 1984