АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Жидкие гетерогенные системы

Жидкие гетерогенные системы делятся на следующие три класса:

1. Суспензии—системы, состоящие из жидкой дисперсионной среды и твердых взвешенных в ней частиц.

2. Эмульсии—системы, состоящие из жидкой дисперсионной среды и взвешенных в ней жидких частиц одной или нескольких других жид­костей.

3. Пены—системы, состоящие из жидкой дисперсионной среды и взвешенных в ней частиц газов.

Суспензии. Из всех трех классов жидких неоднородных смесей в технике наиболее часто встречаются суспензии.

Суспензии могут различаться по количеству дисперсной твердой фазы и по степени ее дисперсности, т. е. по концентрации и величине взвешенных твердых частиц.

Повышение содержания твердого вещества вызывает увеличение вязкости суспензии, причем при некоторой концентрации вязкость может стать настолько значительной, что суспензия теряет свойства текучести и практически перестает быть жидкостью.

Если между поверхностью взвешенных частиц и жидкой диспер­сионной средой не происходит процессов поверхностного взаимодей­ствия— набухания, адсорбции и т. п., то вязкость суспензии может быть определена по формуле (1—18к)

Н. = 1*о(1 + 4,5<р)

Эта формула применима для таких концентраций твердой фазы, при которых суспензия еше обладает текучестью. *

Когда же концентрация суспензии увеличивается выше этого пре­дела, отдельные твердые частицы сближаются настолько, что появляется возможность их соприкосновения. Вследствие этого, наряду с внутренним трением жидкости, заполняющей промежутки между взвешенными части­цами, возникают силы трения частиц друг о друга, и тогда гидравли­ческое течение переходит в пластическое, для которого фор­мула (1—18к) уже неприменима.

Существует определенная граница между гидравлическим и пла­стическим течениями, характеризующая переход одного вида течения в другой. В случае гидравлического течения количество жидкости, выте­кающей из трубы, пропорционально давлению, какова бы ни была вяз­кость жидкости; кроме того, если жидкость однородна, то в сообщающих­ся сосудах она устанавливается на одинаковом уровне. Теоретически для осуществления гидравлического течения достаточно приложить самое незначительное давление.

При пластическом течении, кроме сопротивления трения, действуют также силы межмолекулярного сцепления; если при этом приложенная сила недостаточна, то ее действие будет вызывать только упругую де­формацию и никакого перемещения массы не будет. Силу (давление), приложенную к пластическому телу, при которой данный материал на­чинает течь, называют критической.

Пластическое течение возможно до тех пор, пока пространство между отдельными твердыми частицами заполнено жидкостью или газом, так как это уменьшает сопротивление трения частиц друг о друга.

По степени раздробленности твердой дисперсной фазы условно раз­личают:

Грубые суспензии, в которых взвешены твердые частицы с размером более 100 р.

Тонкие суспензии с частицами твердой фазы размером от 100 р и примерно до 0,5 ja. По внешнему виду тонкие суспензии ка­жутся совершенно однородными. Однако при помощи простого микро­скопа может быть обнаружена их неоднородность. В тонких суспензиях происходит так называемое броуновское движение, т. е. весьма малые взвешенные частицы твердой фазы, вследствие ударов молекул диспер­сионной среды, приобретают скорости, направленные в различные стороны.

Мути, в которых степень раздробленности дисперсной фазы велика и взвешенные частицы достигают величины 100 эти частицы находятся еще в пределах видимости и могут быть обнаружены при по­мощи ультрамикроскопа. В мутях взвешенные частицы интенсивно дви­жутся (броуновское движение) и не осаждаются под действием силы тя­жести.

Коллоидальные растворы с частицами дисперсной фазы размером от 100 т\х до величины молекул.

На практике при проведении технологических процессов встре­чаются все виды суспензий, причем в большинстве случаев взвешенные в них частицы различны по размерам.

Эмульсии. Неоднородные системы, состоящие из двух жидких фаз, обладают некоторыми особенностями. Эмульсии мало устойчивы и при определенных размерах взвешенных частиц сравнительно быстро рас­слаиваются. «Критический» размер взвешенных частиц, ниже которого эмульсия становится устойчивой и расслаивания образующих ее жидко­стей не происходит, составляет приближенно 0,4-^0,5 ja.

Повышение устойчивости эмульсий может быть достигнуто доба­влением в смесь так называемых эмульгирующих агентов, обычно ще­лочных солей жирных кислот (мыла).

Эмульгирующие агенты образуют вокруг отдельных капелек дис­персной фазы как бы защитную оболочку, препятствующую слиянию отдельных капелек друг с другом, вследствие чего эмульсия становится устойчивой. При помощи эмульгирующих агентов можно получить эмуль­сии с весьма высокой концентрацией дисперсной фазы.

Устойчивость эмульсий в большой степени зависит от их концен­трации, причем, эмульсии с защитной оболочкой из эмульгирующего агента при повышении концентрации постепенно сгущаются с образо­ванием густого слоя при высоком содержании дисперсной фазы. Этот слой, в зависимости от удельного веса взвешенных частиц, располагается внизу или вверху сосуда.

Эмульсии существенно отличаются от суспензий возможностью обращения фаз. Эта особенность эмульсий заключается в том, что при увеличении концентрации дисперсной фазы, когда появляется воз­можность непосредственного соприкосновения отдельных капелек, послед­ние сливаются в одну общую систему, в которой взвешенными частицами являются частипы первоначальной дисперсионной среды. Таким образом..

Повышение концентрации эмульсий ведет к обмену фаз: дисперсионная среда превращается в дисперсную фазу, а дисперсная фаза—в дис­персионную среду.

Внутреннее трение или вязкость эмульсий, так же как и суспен­зий, изменяется в зависимости от концентрации, причем максимальная вязкость соответствует такой концентрации, при которой происходит обращение фаз.