Rozdzielanie substancji stałych od płynnych

Separacja ciało stałe-ciecz służy do oddzielania cząstek stałych od cieczy lub odwrotnie. Zasadniczo rozróżnia się procesy separacji mechanicznej i termicznej. Procesy mechaniczne wykorzystują różnice w gęstości, wielkości cząstek lub filtrowalności, natomiast procesy termiczne opierają się na odparowaniu cieczy.

Mechaniczne oddzielanie substancji stałych od płynnych jest energooszczędne, ponieważ stan skupienia cieczy pozostaje niezmieniony. Metody te są preferowane w przypadku przetwarzania dużych ilości cieczy i gdy dopuszczalna jest pozostała wilgotność. Nie można uzyskać całkowicie suchego materiału stałego wyłącznie za pomocą metod mechanicznych. Dlatego często stosuje się etap suszenia termicznego, na przykład poprzez suszenie próżniowe z mieszaniem, suszenie walcowe, suszenie bębnowe, suszenie cienkowarstwowe lub suszenie rozpyłowe.

Jeśli substancja stała jest rozpuszczona w cieczy, jej oddzielenie może nastąpić wyłącznie za pomocą procesów termicznych, takich jak odparowanie, krystalizacja i suszenie. Procesy te również należą do separacji ciało stałe-ciecz, ponieważ mają na celu całkowite usunięcie fazy ciekłej, jednak realizowane są poprzez dostarczenie energii i zmianę fazy cieczy.

Typowymi urządzeniami do mechanicznego odwadniania są prasy filtracyjne, filtry taśmowe, dekantery lub wirówki ślimakowe oraz filtry próżniowe. Wybór urządzenia separującego zależy od charakterystyki szlamu, rozkładu wielkości cząstek, lepkości cieczy i pożądanej zawartości suchej masy.

Podczas filtracji medium filtracyjne jest przepuszczane przez filtr, który zatrzymuje cząstki stałe. W najprostszym przypadku filtracji z tworzeniem się osadu obowiązuje prawo Darcy'ego:

Δp = η * α * c * V / (A * t)

W tym przypadku Δp oznacza różnicę ciśnień, η oznacza lepkość cieczy, α oznacza opór właściwy filtra, c oznacza stężenie substancji stałych, V oznacza objętość filtratu, A oznacza powierzchnię filtra, a t oznacza czas. Opisuje on zależność między ilością filtratu, różnicą ciśnień i czasem filtracji.

Oprócz lepkości, na mechaniczne oddzielanie substancji stałych od płynnych ma również wpływ napięcie powierzchniowe. Wysokie napięcie powierzchniowe utrudnia wydostawanie się cieczy z drobnych porów, ponieważ prowadzi do silniejszego wiązania kapilarnego. Z kolei zmniejszone napięcie powierzchniowe – na przykład dzięki środkom powierzchniowo czynnym – poprawia odprowadzanie wody i obniża wilgotność resztkową. Zależność tę można opisać za pomocą równania Younga-Laplace'a.

Δp = 2γ cos θ / r

Gdzie Δp to ciśnienie kapilarne, γ to napięcie powierzchniowe, θ to kąt zwilżania, a r to promień porów. Centryfugowanie wykorzystuje separację za pomocą sił odśrodkowych. Efektywny współczynnik przyspieszenia a wynika z:

a = ω² * r

gdzie ω = prędkość kątowa, a r = promień wirówki. Im wyższe przyspieszenie odśrodkowe, tym lepiej można odwirować pozostałości cieczy.

W oczyszczaniu ścieków separacja faz stałych i ciekłych jest stosowana do odwadniania osadów ściekowych w celu zmniejszenia kosztów transportu i utylizacji. Przed separacją mechaniczną zawiesiny są często kondycjonowane. Służą do tego sedymentacja, flokulacja, flotacja, krystalizacja lub strącanie chemiczne.

W inżynierii chemicznej i farmaceutycznej wiele procesów syntezy kończy się wytrąceniem lub krystalizacją produktu docelowego. W tym celu stosuje się pracujące w trybie ciągłym wirówki łupkowe, filtry ciśnieniowe lub filtry próżniowe. W kolejnym etapie termicznym osad filtracyjny jest suszony do sucha.

Proces kończy się suszeniem próżniowym z mieszaniem. Ten rodzaj suszenia nazywany jest suszeniem kontaktowym. Umożliwia ono delikatne suszenie końcowe w niskich temperaturach i zmniejsza uszkodzenia produktu spowodowane lokalnym przegrzaniem. 

Suszniki mieszające próżniowe firmy amixon® charakteryzują się dużymi powierzchniami wymiany ciepła oraz delikatnym, trójwymiarowym mieszaniem. Dzięki temu wrażliwe proszki można suszyć przy minimalnym obciążeniu termicznym i mechanicznym. W każdym przypadku użytkownicy powinni przeprowadzić testy suszenia u producentów maszyn.