Разделение твердого и жидкого веществ

Разделение твердых и жидких веществ служит для отделения дисперсных твердых веществ от жидкостей или наоборот. В основном различают механические и термические методы разделения. Механические методы используют различия в плотности, размере частиц или фильтруемости, в то время как термические методы основаны на испарении жидкости.

Механическое отделение твердых частиц от жидкости является энергетически выгодным, поскольку при этом состояние жидкости остается неизменным. Оно предпочтительно используется при переработке больших объемов жидкости и допустимом содержании остаточной влаги. Полностью сухого твердого вещества невозможно добиться с помощью одних только механических методов. Поэтому зачастую следует этап термической сушки, например, с помощью вакуумной смесительной сушки, сушки на вальцах, сушки в центрифуге, сушки тонким слоем или распылительной сушки.

Если твердое вещество растворено в жидкости, его отделение может быть осуществлено только с помощью термических процессов, таких как испарение, кристаллизация и сушка. Эти процессы также относятся к разделению твердого и жидкого веществ, поскольку они направлены на полное удаление жидкой фазы, но реализуются за счет подачи энергии и изменения фазы жидкости.

Типичными устройствами для механической дегидратации являются фильтр-прессы, ленточные фильтры, декантеры или шнековые центрифуги, а также вакуумные фильтры. Выбор сепаратора зависит от характеристик шлама, распределения частиц по размеру, вязкости жидкости и желаемого содержания сухого вещества.

При фильтрации жидкость проходит через фильтрующий материал, который задерживает твердые частицы. В простейшем случае для фильтрации с образованием осадка действует закон Дарси:

Δp = η * α * c * V / (A * t)

Здесь Δp обозначает разницу давлений, η — вязкость жидкости, α — удельное сопротивление фильтра, c — концентрацию твердых частиц, V — объем фильтрата, A — площадь фильтра, а t — время. Это уравнение описывает взаимосвязь между объемом фильтрата, разницей давлений и временем фильтрации.

Помимо вязкости, на механическое разделение твердого и жидкого веществ влияет также поверхностное натяжение. Высокое поверхностное натяжение затрудняет выход жидкости из мелких пор, поскольку приводит к более сильному капиллярному связыванию. Снижение поверхностного натяжения, например с помощью поверхностно-активных веществ, напротив, улучшает дренаж и снижает остаточную влажность. Эта зависимость может быть описана уравнением Юнга-Лапласа.

Δp = 2γ cos θ / r

Здесь Δp — капиллярное давление, γ — поверхностное натяжение, θ — угол смачивания, r — радиус поры. Центрифугирование использует разделение под действием центробежных сил. Эффективный коэффициент ускорения a рассчитывается по формуле:

a = ω² * r

где ω = угловая скорость, а r = радиус центрифуги. Чем выше центробежное ускорение, тем лучше удаляются остатки жидкости.

В очистке сточных вод разделение твердых и жидких веществ используется для обезвоживания осадка сточных вод с целью снижения затрат на транспортировку и утилизацию. Перед механическим отделением суспензии часто подвергаются кондиционированию. Для этого используются такие методы, как седиментация, флокуляция, флотация, кристаллизация или химическое осаждение.

В химической и фармацевтической технологиях множество синтезов заканчивается осаждением или кристаллизацией конечного продукта. Для этого используются непрерывно работающие центрифуги, напорные фильтрационные машины или вакуумные фильтр-прессы. На следующем этапе термической обработки фильтрационный осадок подвергается досушке.

Завершающим этапом процесса является вакуумная смесительная сушка. Этот вид сушки называется контактной сушкой. Он позволяет проводить бережную окончательную сушку при низких температурах и снижает повреждение продукта в результате локального перегрева. 

Вакуумные смесительные сушилки amixon® отличаются большой удельной площадью теплопередачи и мягким трехмерным перемешиванием. Это позволяет сушить чувствительные порошки с минимальной тепловой и механической нагрузкой. В любом случае пользователи должны проводить испытания сушки у производителей оборудования.