Меню

§ 5.9 Особенности технологий обработки жидкостей и газов

Содержание

Почему во всех автомобилях необходимо устанавливать воздушный и масляный фильтры?

Наиболее распространёнными технологиями обработки газов и жидкостей являются технологии их очистки. Очистку начинают с технологии очистки от механических примесей (от пыли в газах, от нерастворимой механической взвеси в жидкостях).

Фильтрация. Для очистки газов от механических примесей используют различные специальные фильтры. Например, для работы в запылённых помещениях рабочие надевают специальные пылезащитные респираторы, чтобы пыль не попадала в лёгкие (рис. 5.12).

В пылесосах, бытовых и промышленных кондиционерах устанавливаются бумажные, тканевые фильтры, фильтры из натуральных и искусственных материалов, водяные фильтры.

Подобные же фильтры устанавливаются и в двигателях автомобилей. Попадая в цилиндры двигателя, пыль будет действовать как наждак, приводя к изнашиванию цилиндров и поршней.

Особенно тщательная очистка воздуха проводится на предприятиях радиоэлектронной промышленности, занимающихся изготовлением микросхем.

Здесь малейшие пылинки могут привести к негодности всех создаваемых микросхем.

Для очистки от механических примесей жидкостей также широко используются фильтры. При небольших объёмах обрабатываемой жидкости, например в научно-исследовательской работе, для очистки используется специальная фильтровальная бумага или ткань.

Для очистки больших объёмов жидкостей от нерастворимых примесей используются специальные фильтры. Фильтрующие элементы в них выполняются чаще всего из искусственных материалов или мелкоячеистых металлических сеток. Часто для удобства пользования фильтрующие элементы выполняются в виде сменных картриджей. Такие фильтры ставятся, например для очистки воды для бытовых стиральных и посудомоечных машин, для очистки воды на предприятиях пищевых и химических производств. В условиях производства устанавливают целые батареи фильтров, каждый элемент которых останавливает примеси определённого размера.

В том случае, если необходимо очищать большие объёмы жидкости от механических примесей, то используется технология отстоя. Жидкость заливается в специальные большие ёмкости или бассейны, и под действием силы тяжести примеси оседают вниз. Такая технология, в частности, используется при очистке воды в системах водоснабжения и при очистке сточных вод крупных населённых пунктов.

Сорбция. Очистка газов от других газообразных примесей и жидкостей осуществляется по технологии сорбции или химическими методами. Сорбция — это поглощение твёрдым телом либо жидкостью различных веществ из окружающей среды. Поглощающее вещество называется сорбентом.

Существует много видов сорбентов. Природным сорбентом является, например, белая глина. Очень хорошим сорбентом для очистки газов и жидкостей является активированный уголь — обугленное и активированное сырьё из древесины, каменного или битумного угля, скорлупы кокосовых орехов и др.

При активации обугленное сырьё нагревают перегретым паром, углекислым газом или их смесью до температуры 800—850 °С. В результате в угле появляется огромное число мелких лор и канальцев. Один грамм активированного угля имеет за счёт лор площадь от 1800 м² до 2200 м². На поверхности активированного угля и задерживаются ненужные вещества, содержащиеся в газе или жидкости. Эту способность активированного угля очищать газы и жидкости используют в противогазах, фильтрах кондиционеров, фильтрах для очистки воды (рис. 5.13).

Ионообменные смолы являются ещё одним видом сорбентов. С их помощью воду очищают от солей железа, кальция, магния, делая её более «мягкой», не дающей при кипячении накипи и осадка.

Ректификация. Слово «ректификация» происходит от латинского слова rectus, что значит «прямой, простой». При ректификации многокомпонентные жидкие смеси разделяются на отдельные простые составляющие — происходит дистилляция. В переводе с латинского языка слово «дистилляция» значит «стекание каплями». Происходит испарение жидкости с последующим охлаждением паров и конденсацией их снова в жидкость.

Если жидкость состоит из нескольких компонентов, то при её нагревании каждое вещество будет испаряться при разной температуре. Поддерживая ту или иную температуру жидкости, в приёмнике можно получать разные компоненты исходной смеси.

В промышленности таким способом осуществляют перегонку нефти в ректификационных колоннах (рис. 5.14). В них на разных уровнях поддерживается разная температура, и на каждом уровне образуется своя фракция нефти: бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо, газойль, масляная фракция, гудрон.

Для того чтобы разложить с помощью технологии ректификации на компоненты смесь газов, её надо предварительно превратить в жидкость. Сжижение газов осуществляется посредством повышения их давления при одновременном охлаждении.

Жидкий воздух при нормальном атмосферном давлении имеет температуру — 194,4 °C. Его хранят в специальных сосудах-термосах.

Газирование. Жидкость и газы, которые в обычных условиях не перемешиваются, соединяют в единую смесь. Ярким примером соединения газа и жидкости является насыщение воды углекислым газом, или газирование воды.

Газирование может проходить не только механически под действием давления, но и химически, например, за счёт реакции брожения виноградного сахара в шампанском.

Кроме углекислого газа, газировать воду можно сероводородом, кислородом, смесью углекислого газа и закиси азота, диоксидом серы и аммиаком.

В последнем случае получается вещество, известное всем как нашатырный спирт.

Эмульсии и суспензии. Однородные по внешнему виду вещества, получаемые из несмешиваемых жидкостей, называются эмульсиями. Примером эмульсии является обычное молоко. В нём очень мелкие капельки молочного жира распределены в воде. Размеры капелек колеблются от 1 до 50 мк. Эмульсии могут быть получены из двух любых несмешивающихся жидкостей.

Чаще всего одной из составляющих эмульсии является вода, а второй — органические жидкости. Например, можно получить эмульсию вида «вода в жире» и наоборот — «жир в воде». Примером эмульсии «вода в жире» является майонез. Такую эмульсию можно приготовить из яиц, растительного масла, лимонного сока или уксуса, перемешивая эту смесь миксером.

Если же жидкость перемешать с твёрдым нерастворимым в ней веществом, то получится суспензия. Если процесс перемешивания прекратить, то через некоторое время частички твёрдого вещества осядут вниз. Типичной суспензией являются масляные и эмалевые краски. Их перед использованием надо обязательно перемешивать.

Для приготовления эмульсий и суспензий используются высокооборотные миксеры (рис. 5.15) или ультразвуковые установки. Возможно и их сочетание.

Чем дольше идёт процесс перемешивания, тем однороднее получится эмульсия или суспензия.

Сепарация — это обратный процесс разделения разнородных частиц, смесей, жидкостей разной плотности, эмульсий, взвесей, твёрдых частиц или капелек в газе. В сепараторах используются центробежные силы, возникающие при вращении любых тел. Эти силы тем больше, чем больше масса тела и чем выше скорость и радиус его вращения.

Если в специальном устройстве раскрутить эмульсию или суспензию, то более тяжёлые частички смеси начнут располагаться дальше от оси вращения, чем более лёгкие. Обработав подобным образом молоко, можно отделить молочный жир в виде сливок от водно-белковой обезжиренной смеси (обрата). Как более лёгкий, жир будет ближе к центру сепаратора, и оттуда потекут сливки.

Твёрдые частички или капельки жидкости в газах отделяют по технологии циклона — вращения газа в баке с высокой скоростью. Газ вдувают или засасывают в цилиндрический бак по касательной к его боковой поверхности.

В баке создаётся вихрь (циклон) наподобие смерча. Под действием центробежных сил тяжёлые частички или капли жидкости отлетают к стенкам и сваливаются в бункер. На этой же технологии сепарации основана работа современного бытового пылесоса.

Проверьте себя:

1. С помощью каких фильтров можно проводить очистку жидкостей и газов?

2. Почему активированный уголь хорошо очищает жидкости и газы?

3. Чем можно удалить из жидкости соли кальция, магния, тяжелых металлов?

4. Чем отличается эмульсия от суспензии?

5. На чём основан принцип действия сепаратора?

6. Как работает эффект циклона в пылесосе?

Подумайте, как в домашних условиях без специального прибора — дистиллятора, пользуясь только бытовой посудой и подручными средствами, можно получить дистиллированную воду, которую летом необходимо доливать в аккумулятор автомобиля, мотоцикла или скутера.