základy procesního inženýrství - Vysoká škola báňská - Technická ...

51
3 Hydromechanické operace
Při nepříliš energickém prohrabávání (setřásání) usazeniny může dojít k odlišnému jevu: hrubší částice
se uspořádají úsporněji a jemné částice postupně vyplní mezery, čímž se dá vrstva zhutnit. Dorrův
usazovák toho obvykle využívá a proto je v angličtině nazýván také „thickener“ – tedy zahušťovač.
Disperzní soustavy, koalescence, inverze
Disperzní směsu směsi dvou nemísitelných tekutin (L-L nebo L-G) mohou mít částice různé velikosti
a různé objemové zastoupení. V emulzi L-L může být spojitá fáze polární a nespojitá nepolární – tzv.
emulze „olej“ ve „vodě“ (např. mléko, smetana, vodou ředitelné nátěrové hmoty), nebo obráceně
může být emulze „voda“ v „oleji“ (např. krémy, máslo, majonéza). Disperze vznikají mechanickým
štěpením nebo vznikají vylučováním částic vs spojité fázi. Spojitou fází bývá většinou ta z fází, jejíž
objemové zastoupení je větší, mnoho emulzí má však široké pásmo objemových poměrů, ve kterém
lze udržet kterýkoliv z obou typů emulzí. Usazováním se zvětšuje podíl lehčí fáze nahoře a těžší fáze
dole a mezi částicemi původně dispergované fáze se zmenšuje vrstva fáze spojité. Dostanou-li se
dispergované tekuté částice do takové blízkosti, že se překonají mezifázové povrchové a
elektrostatické síly, začnou se spojovat. Proces spojování tekutých částic se označuje jako
koalescence. Praskání vrstvičky mezi částicemi bývá velmi rychlý proces a často se při tom vytvoří
z původní spojité fáze oddělené částečky, uzavřené do fáze koaleskující. Fáze dispergovaná se stává
spojitou a fáze původně spojitá přechází na dispergovanou; tomuto efektu říkáme inverze fází.
Koalescenci a následnou inverzi je možno podpořit mechanickým působením (příkladem je stloukání
másla). Podobné jevy jako pro L-L disperze můžeme pozorovat i u G-L disperzí, které mají buďto
spojitou plynnou fázi (mlhy) nebo kapalnou fázi (pěny). Mohou být dosti stabilní, zejména v případě
mikrometrických nebo nanometrických rozměrů (koloidní soustavy), kde síly tíže jsou srovnatelné
s povrchovými silami různého typu. Usazování a koalescence manometrických aerosolů ale i větších
částic mlhy je velmi pomalý proces, který můžeme urychlit např. odstředivou silou nebo vybitím
náboje elektrostatickými odlučovači. Pěny, které vznikají probubláváním kapaliny nebo vývojem
plynu v objemu kapaliny (varem nebo chemickou reakcí) v některých případech koaleskují neochotně,
zejména v přítomnosti povrchově aktivních činidel - tenzidů (mýdlo, saponáty, polymery, bílkoviny).
Usazování v odstředivém poli
Pomalé procesy usazování můžeme urychlit odstřeďováním. Při rotaci úhlovou rychlostí ω
působí na tělesa ve vzdálenosti r od osy odstředivé zrychlení
a ≡ ω 2 r, (3-37)
které může mnohonásobně převýšit sílu tíže. Úhlová rychlost je ω = 2π N, kde N je frekvence otáčení
(počet otáček za sekundu); charakteristický poloměr r = D/2 je polovina průměru bubnu. Odstředivé
zrychlení tedy můžeme počítat jako
a = 2 π 2 N 2 D (3-38)
U rychlé odstředivky domácí pračky (800 otáček za minutu, r=0,20m) je zrychlení asi 140-násobkem
gravitačního zrychlení g.
Ve speciálních ultracentrifugách se dosahuje i zrychlení 10 6 g (miliontý násobek gravitačního
zrychlení) a rychlost usazování je pak odpovídajícím způsobem zvýšena vůči rychlosti usazování
v gravitačním poli.
Usazovací odstředivkou lze podstatně zrychlit procesy jako je vydělování tukových částeček z mléka,
kdy proces probíhající přirozeně po týdny lze uskutečnit během několika minut. Materiál o vyšší
hustotě (více vody – odstředěné mléko) se soustřeďuje u obvodu rotující nádoby a méně hustý (přebytek
tuku – smetana) zůstává blíže k ose rotace.
Pozor, zde je znovu typický konflikt fyzikálního pojmu hustota (density) s obecným chápáním slova
"hustý" v češtině pro popis materiálu o vysoké koncentraci („hustý roztok, hustá smetana, hustá
tkanina“), pro špatnou tekutost – viskozní („hustý olej, hustá kaše“) nebo pro špatný průchod záření
(„hustá mlha“).
Při dělení nemísitelných kapalin je možno vhodně umístěnými přepady plynule odvádět na jedné
straně rotujícího bubnu oddělené fáze, ke druhé straně pak dodávat surovinu. Ačkoliv při samotném
usazování se nespotřebovává mnoho energie, je nutno počítat s poměrně značnými příkony,
potřebnými k prvnímu roztočení materiálu na danou rychlost. Technicky představují odstředivky