Жидкие гетерогенные системы делятся на следующие три класса:
Суспензии—системы, состоящие из жидкой дисперсионной среды и твердых взвешенных в ней частиц.
Эмульсии—системы, состоящие из жидкой дисперсионной среды и взвешенных в ней жидких частиц одной или нескольких других жидкостей.
Пены—системы, состоящие из жидкой дисперсионной среды и взвешенных в ней частиц газов.
Суспензии. Из всех трех классов жидких неоднородных смесей в технике наиболее часто встречаются суспензии. Суспензии могут различаться по количеству дисперсной твердой фазы и по степени ее дисперсности, т.е. по концентрации и величине взвешенных твердых частиц.
Повышение содержания твердого вещества вызывает увеличение вязкости суспензии, причем при некоторой концентрации вязкость может стать настолько значительной, что суспензия теряет свойства текучести и практически перестает быть жидкостью.
Когда же концентрация суспензии увеличивается выше этого предела, отдельные твердые частицы сближаются настолько, что появляется возможность их соприкосновения. Вследствие этого, наряду с внутренним трением жидкости, заполняющей промежутки между взвешенными частицами, возникают силы трения частиц друг о друга, и тогда гидравлическое течение переходит в пластическое.
Существует определенная граница между гидравлическим и пластическим течениями, характеризующая переход одного вида течения в другой. В случае гидравлического течения количество жидкости, вытекающей из трубы, пропорционально давлению, какова бы ни была вязкость жидкости; кроме того, если жидкость однородна, то в сообщающихся сосудах она устанавливается на одинаковом уровне.
Теоретически для осуществления гидравлического течения достаточно приложить самое незначительное давление. При пластическом течении, кроме сопротивления трения, действуют также силы межмолекулярного сцепления; если при этом приложенная сила недостаточна, то ее действие будет вызывать только упругую деформацию и никакого перемещения массы не будет.
Силу (давление), приложенную к пластическому телу, при которой данный материал начинает течь, называют критической. Пластическое течение возможно до тех пор, пока пространство между отдельными твердыми частицами заполнено жидкостью или газом, так как это уменьшает сопротивление трения частиц друг о друга.
Характеристика газовых гетерогенных систем. Любое тело или группу тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от воздействия окружающей среды, называют системой. Системы могут быть гомогенными и гетерогенными. Гомогенными называют такие системы, внутри которых нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга части, различающиеся по свойствам. Гетерогенными называют такие системы, внутри которых имеются поверхности раздела, отделяющие друг от друга части, различающиеся по свойствам.
Гомогенную часть, отделенную от других частей поверхностью раздела и обладающую однородным составом и определенными физическими свойствами, отличными от других частей, называют фазой.
Системы и фазы могут состоять из одного или нескольких химически однородных веществ или компонентов, которые могут быть выделены из системы и существовать в изолированном виде длительное время.
Всякая неоднородная система состоит из двух или более фаз, при этом одна из них, дисперсная или внутренняя фаза, характеризуется мелко раздробленным (дисперсным) состоянием, другая же, дисперсионная, или внешняя фаза, окружает отдельные частицы первой и является той средой, в которой распределены частицы дисперсной фазы.
Деление систем на гомогенные и гетерогенные несколько условно. По существу, все они состоят из дисперсионной среды и дисперсной фазы и различаются лишь размерами частиц последней: в гомогенных системах частицы дисперсной фазы имеют размеры молекул и атомов.
Гетерогенные системы могут быть газовыми, жидкими и твердыми. Газовые неоднородные представляют собой газообразную дисперсионную среду, в которой взвешены твердые или жидкие частицы. Эти системы делят на две большие группы: механические и конденсированные системы, отличающиеся друг от друга главным образом размером частиц.
Механические газовые системы получаются при дроблении твердых тел, при распыливании жидкостей или в иных процессах, где твердые или жидкие частицы распределяются в газе; такие диспергированные в газе частицы называются пылью. Размеры твердых частиц пыли колеблются в пределах 5—50.
В производственных процессах подвергаются переработке значительные количества газов и их смесей при давлении, отличном от атмосферного; кроме того, газы используются также для вспомогательных целей (для передавливания, перемешивания и распыления различных веществ). Все эти процессы проводят при сжатии или разрежении газов. Сжатие или разрежение газа (изменение объема) сопровождается изменением его давления и температуры.
Адиабатическое, изотермическое и политропическое сжатие и разрежение. Как известно из термодинамики, изменение состояния газа при изменяющихся объеме и давлении может протекать тремя путями: изотермически, адиабатически и политропически. Изменение давления газа при сжатии в значительной степени зависит от того, происходит ли во время сжатия теплообмен между сжимаемым газом и окружающей внешней средой. Практически такой теплообмен неизбежен, а во многих случаях даже и необходим, для чего используют искусственное охлаждение сжимаемого газа.
Теоретически можно представить себе два предельных случая сжатия газов, причем все реальные процессы сжатия газов будут являться промежуточными между ними.
В первом случае вся теплота, выделяющаяся при сжатии газа, полностью отводится наружу, и процесс изменения состояния газа, т. е. изменение его объема и давления, протекает при одной постоянной температуре; такой процесс называется изотермическим. Во втором случае, наоборот, вся теплота, выделяющаяся при сжатии газа, полностью остается внутри газа, повышая его температуру, при этом потери тепла в окружающую среду отсутствуют; такой процесс называется адиабатическим.
В действительности сжатие газов протекает не изотермически и не адиабатически, а в каждом частном случае лишь приближается к одному из этих процессов. Такой реальный процесс сжатия газа, при котором одновременно с изменением объема и давления происходит также изменение температуры и отвод тепла наружу, называется политропическим.
Перемещение жидкостей осуществляется по трубопроводам; при этом движущая сила определяется разностью давлений в начальном и конечном пунктах трубопровода. С высшего уровня к низшему жидкость перемещается самостоятельно (самотеком): разность уровней жидкости должна быть достаточной для достижения заданной скорости и преодоления всех сопротивлений.
В тех случаях, когда жидкость необходимо перемещать с низшего уровня на высший или по горизонтали, применяют насос гидравлические машины, которые сообщают жидкости энергию и повышают давление.
В зависимости от принципа действия насоса увеличение энергии и давления жидкости может быть осуществлено:
в объемных насоса х—путем вытеснения жидкости из замкнутого пространства насоса телами, движущимися возвратно-поступательно или вращающимися;
в лопастных или центробежных насоса х—центробежной силой, возникающей в жидкости при вращении лопастных колес;
в вихревых насоса х—интенсивным образованием и разрушением вихрей, возникающих при вращении рабочих колес;
в струйчатых насоса х—движущейся струей воздуха, пара или воды;
в газлифта х—образованием пены при подаче воздуха или газа в жидкость;
в монтежю и сифона х—давлением воздуха, газа или пара на жидкость.
В химической промышленности широко распространены процессы взаимодействия газов и жидкостей с зернистыми твердыми материалами. В зависимости от скорости потока газа или жидкости возможны следующие случаи:
газ или жидкость при небольшой скорости потока проходят сквозь слой зернистого материала, как через фильтр. При этом частицы или зерна твердого материала, образующего слой, находятся в состоянии покоя и перепад давления или сопротивление слоя по мере увеличения скорости потока соответственно увеличивается;
слой зернистого материала при достижении определенной скорости потока начинает заметно увеличиваться в объеме, отдельные частицы его приобретают способность перемещаться и перемешиваться, а перепад давления становится постоянным;
частицы материала слоя при дальнейшем увеличении скорости потока газа или жидкости увлекаются потоком и образуют взвесь. Это состояние наступает тогда, когда сопротивление движению отдельной частицы, взвешенной в газе или жидкости, становится равным весу частицы в данной жидкой или газообразной среде. Такое состояние слоя зернистого материала называют псевдоожиженным, а слой кипящим. Скорость частиц твердого материала, взвешенных в газовом или жидкостном потоке, называют скоростью витания
при увеличении скорости потока до величины, большей скорости витания, т. е. при w > Wвит твердые частицы выносятся потоком газа из аппарата, как это происходит при пневмотранспорте;
если скорость потока меньше скорости витания, т. е. при w < Wвит, вавешенные в газе или жидкости твердые частицы под влиянием силы тяжести осаждаются.
В производственных процессах подвергаются переработке значительные количества газов и их смесей при давлении, отличном от атмосферного; кроме того, газы используются также для вспомогательных целей (для передавливания, перемешивания и распыления различных веществ). Все эти процессы проводят при сжатии или разрежении газов. Сжатие или разрежение газа (изменение объема) сопровождается изменением его давления и температуры.