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

3 Hydromechanické operace
Suspendace
Suspendací bráníme usazování, což má v procesních technologiích za cíl uvedení částic do
vznosu aby probíhaly rychleji procesy přenosu tepla a hmoty.
V domácnosti třeba vyluhování (čaje, kávy, hovězího masa, praní prádla), ohřev (krupice, nudle),
rozpouštění (cukr, prací prášky).
V materiálových technologiích může být cílem samotná suspenze. (např. brusná pasta, nátěrová hmota,
pudink). Suspendaci zajišťujeme mícháním; obecně je zapotřebí, aby vyvolávané vzestupné proudění
mělo větší rychlost, než je rychlost pádová. To znamená, že obvodová rychlost míchadla by měla být
značně větší než pádová rychlost,
ω r ≡ π N d > u P .
Moc vysoká rychlost by ale obráceně mohla vést k odstřeďování těžších částic nebo dostřeďování
lehčích. Pro suspendaci se také hodí přesýpání materiálu v ležaté rotující nádobě (rotační sušárna,
cementářská pec, míchačka na maltu, automatická pračka). Zvláštním případem suspendace je uvádění do
vznosu proudem tekutiny – fluidace. Na uvedených příkladech si můžeme uvědomit, že pro účinný
styk dispergované a spojité fáze je výhodné, když suspendace i usazování probíhají současně, případně
střídavě.
Můžeme-li volit velikost částic, pak si je třeba uvědomit, že u jemnějších částic usnadňujeme
suspendaci, ale zhoršujeme usazování. Kvalitativní skok se odehrává na přechodu z mikrorozměrů
(nad 1 µm) k nanorozměrům (pod 1 µm – částice nepozorovatelné optickým mikroskopem), kde se
také síly tíže stávají zanedbatelnými vůči koloidním silám mezi povrchy částic.
I v případě sdílení tepla, hmoty a chemické reakce musíme uvažovat, zda jsou výhodnější větší
částice, jejíž povrch je při pádu intenzivněji oplachován vnější tekutinou, nebo drobnější
nesedimentující částice s velkým úhrnným povrchem, odkázané však při pomalé relativní rychlosti
vůči tekutině prakticky jen na přenos tepla vedením a hmoty difuzí.
Sedimentaci se snažíme také co možno potlačit, pokud žádoucím výsledkem je disperzní
materiál. Jsou to například nátěrové hmoty, mazadla, latexy, mléčné výrobky, kosmetické krémy a
jiné suspenze a emulze. Zde se do jisté míry potkávají problémy pevných a tekutých částic. Aby byly
disperze stabilní, prakticky nesedimentující, je výhodné mít spíše menší částice (což vytváříme
homogenizací, egalizací). K udržení rozestupů mezi koloidními částicemi pak stačí slabé
mezimolekulární síly, které se dají podpořit přídavky některých činidel (emulgátory). Při vytváření
malých částiček (dispergaci) je třeba vynaložit jistou povrchovou energii, kterou lze vypočítat jako
součin (σ S) povrchového napětí σ a vzniklé plochy S .
Pro vodu je σ=0,07 N/m, takže k rozbití 1kg vody na milimetrové kapky (plocha 6 m 2 ) je potřeba
poměrně malé energie 0,4 J, když by částice měly mít rozměr 1µm (plocha 6000 m 2 ), pak by již šlo o
významnou energii 400 J. Vytváření nanometrických částic vyžaduje již zvláštní postupy.
Pro zmenšení pevných částic používáme techniky mletí a drcení. Užitečná energie, potřebná na
vytvoření nového povrchu pevného materiálu je podstatně vyšší než u tekutých částic. Ve skutečnosti
se v mlýnech a drtičích je jen část energie využita na drcení (normálový tlak trvalý nebo
v jednotlivých rázech), štípání (místní normálová síla) nebo roztírání (tečné napětí). Velký podíl
energie se vždy neužitečně ztrácí bez mlecího účinku pouhým třením mezi částicemi mletého
materiálu. Zařízení pro mletí a drcení jsou energeticky a materiálově náročná a hlučná. Síla se přenáší
na částice buďto pohyblivými částmi drtiče nebo mlýna nebo se materiál mele mezi přesypávanými
těžkými tvrdými mlecími prvky, např. v kulových mlýnech kovovými nebo keramickými koulemi. Při
mletí hornin někdy stačí ve mlýně přesýpat samotné velké kusy horniny.
Energii na dispergaci tekutin dodáváme např. rychle rotujícími nebo vibrujícími míchadly,
rozprašováním směsi úzkými tryskami, ultrazvukem apod. Mechanický účinek může někdy vést ke
kvalitativně odlišným výsledkům, zejména u disperzí nemísitelných tekutin, kde může vzniknout
produkt různého typu.
Intenzivním mícháním smetany (kapky tuku ve spojitém vodném prostředí) můžeme dostat buďto
šlehačku (strháváním plynu z hladiny vytvoříme třífázovou pěnu vodná fáze-tuková fáze-plynná fáze)
nebo dojde k inverzi fází a vznikne máslo (kapky vodné fáze ve spojitém prostředí tuku neboli krém).
Podobné je to u mazadel nebo kosmetických výrobků.
67