PROCESE TEHNOLOGICE ȘI PROTECȚIA MEDIULUI [604853]

PROCESE TEHNOLOGICE ȘI PROTECȚIA MEDIULUI

Tema 4. Separarea sistemelor eterogene

Obiectivele cursului:
În cadrul acestei teme vor fi discutate următoarele operați i unitar e de separare:
– sedimentare
– filtrare
– centrifugare
– alte operații de separare a sistemelor eterogene.
Pentru fiecare operație în parte vor fi analizați factorii care influențează separarea și vor fi
prezentate exemple de separare.
Sistemele eterogene sunt formate din cel puțin două faze diferite: solid -lichid, solid -gaz,
lichid -gaz etc. Operațiile unitare de separare a sistemelor eterogene sunt folosite pe scară largă
atât în laboratoarele chimice, cât și în industria chimică. Scopul acestor operații poate fi, de ex.,
recuperarea unui component solid, lichid sau gazos prețios, eliminarea emisiilor poluante de
particule în suspensie din gaze înainte de evacuarea lor în atmosferă, sau separar ea pulberilor
antrenate în operații cum ar fi fluidizarea sau transportul pneumatic.

4.1. Sedimentarea [Bratu, p. 39-66]
Sedimentarea este operația unitară de separare a fazelor unei suspensii (de obicei lichid –
solid) , prin acțiunea diferențiată a gravitației asupra fazelor cu densități diferite.
În operația de sedimentare se numește suspensie sistemul eterogen inițial, decantat –
lichidul mai mult sau mai puțin limpede rezultat după sedimentare, sediment sau precipitat –
reziduul conținând faza solidă îmbibată cu lichid (vezi Figura 1) . Prin decantare se înțelege
îndepărtarea lichidului (decantatului) după sedimentare.

Fig. 1 . Operația de sedimentare a unei suspensii lichid -solid.

Într-un moment oarecare al sedimentării, suspensia are trei straturi:
– un strat superior de lichid limpede sau slab tulbure ;
– un strat intermediar de suspensie;
Suspensie
Decantat
Sediment (precipitat)

– un strat de sediment cu granule din ce în ce mai mari.

Grosimea stratului interm ediar scade în timpul sedimentării până la dispariție, iar
grosimea celorlalte straturi crește.
O bună operație de sedimentare tinde să obțină un decantat cât mai lipsit de fază solidă și
un sediment cu cât mai puțin lichid, într -un timp cât mai scurt și c u costuri minime.
Factori care influențează operația de sedimentare:
– structura și concentrația fazei solide : solidele grăunțoase sedimentează astfel încât
fiecare granulă se depune independent, în funcție de mărimea (masa) ei; suspensiile
cu solide negrău nțoase (flocoane îmbibate cu lichid) sedimentează colectiv,
particulele solide influențându -se reciproc în mișcarea de sedimentare;
– tendința de aglomerare (floculare) : stabilitatea suspensiilor coloidale (dată de
adsorbția preferențială a unor ioni pozitiv i sau negativi din mediul lichid ambiant al
suspensiei) poate fi distrusă prin neutralizarea sarcinilor electrice cu ajutorul unor
electroliți cu sarcini electrice de semn contrar; particulele neutralizate în acest mod nu
se mai resping și se pot reuni în particule mai mari care sedimentează ușor.
Orice recipient poate servi ca decantor pentru sedimentarea suspensiilor (ex. pahar
Berzelius în laborator) . În mod obișnuit, decantoarele industriale sunt prevăzute cu dispozitive
pentru alimentarea cu suspensie, pentru evacuarea decantatului și a sedimentului.
Pentru tratarea apelor potabile se folosesc decantoare ca cel din figura 2. Acestea sunt
bazine paral elipipedice, cu fund înclinat (pentru a permite o viteză descrescătoare de curgere a
apei în lungul decantorului, cu depunerea unor particule cu diametru din ce în ce mai mic către
ieșirea din decantor).

Fig. 2. Decantor pentru tratarea apelor; secțiune longitudinală (stânga) și secțiune
transversală (dreapta).

La intrarea în decantor există un grătar metalic ce reține corpurile plutitoare. Dacă viteza
apei este mică (de ex. 0,1 – 0,5 m/s), printr -o staționare d e 5-10 ore a apei în bazine se pot
depune particule solide cu diametrul de aprox. 0,1 mm.
Sedimentarea sistemelor eterogene gaz – solid se face similar, în camere de desprăfuire,
prin care gazul trece cu viteză mică, pentru ca praful din gaze să aibă timp suficient să se depună
și să nu fie reantrenat în curentul de gaz. Camerele sunt de formă paralelipipedică și pot avea
polițe (pentru mărirea eficienței sedimentării). Solidul depus este evacuat periodic de pe polițe.

4.2. Filtrarea [Bratu, p. 67-116]
Filtrarea este operația unitară de separare a fazelor unui amestec eterogen solid -fluid, cu
ajutorul unei suprafețe poroase sau printr -un strat poros prin care poate trece numai faza fluidă.

Scopul filtrării este de a separa fazele unui suspensii într -un precipitat (faza solidă a
suspensiei) și un filtrat (care să conțină cât mai puțină fază solidă). Separarea prin filtrare este,
de obicei, foarte eficientă în privința purității filtratului, dar mai puțin în privința purității
precipitatului, care rămâne î mbibat cu lichidul din care a fost separat . Când lichidul este prețios,
sau când precipitatul trebuie purificat, filtrarea este urmată de spălarea precipitatului cu un
lichid potrivit (de cele mai multe ori apă) care să îndepărteze soluția din precipitat.
Filtrarea unei suspensii (în utilaje industriale) are patru etape:
– în prima etapă suprafața filtrantă reține faza solidă; la începutul acestei etape filtratul
este tulbure și trebuie refiltrat;
– în a doua etapă reținerea fazei solide se face mai ales de căt re stratul de precipitat
format pe suprafața filtrantă (aceasta din urmă rămâne doar cu rolul de suport pentru
stratul de precipitat);
– a treia etapă este cea de spălare a precipitatului pentru îndepărtarea substanțelor
solubile a căror soluție îmbibă preci pitatul; spălarea se realizează în echicurent (în
același sens cu filtrarea);
– a patra etapă reprezintă regenerarea suprafeței filtrante (spălare, destuparea porilor)
prin trecerea unui fluid (apă sau alt lichid, sau aer sub presiune) în contracurent (în
sens invers filtrării).
Filtrarea în laborator presupune doar trei etape, deoarece se alege suprafața filtrantă
(hârtia de filtru) astfel încât să rețină în întregime precipitatul. În industrie suprafața filtrantă se
alege astfel încât să poată fi utilizată timp îndelungat (regenerări multe), ceea ce face ca eficiența
inițială în reținerea precipitatului să nu fie foarte bună.
Factorii care influențează filtrarea:
– suspe nsia – mărimea particulelor care formează faza solidă a suspensiei, structura
particulelor (cele sferice sau aciculare perimit viteze mai mari de filtrare decât cele
plate, care pot astupa porii materialului filtrant) influențează alegerea materialului
filtrant;
– materialul filtrant – trebuie să rețină cât mai bine faza solidă a suspensiei, să nu se
colmateze (înfunde) repede, să aibă rezistență hidraulică scăzută (să nu conducă la
pierderi mari de presiune; acestea pot să apară datorită porilor foarte înguș ti), să
permită viteze mari de filtrare, să se regenereze ușor, să aibă rezistență mecanică
ridicată (să poată fi refolosit de multe ori) etc.
– grosimea stratului de precipitat – la creșterea grosimii stratului scade viteza de
filtrare (și productivitatea filtrului) din cauza creșterii rezistenței hidraulice a filtrului
(creșterea căderilor de presiune între partea superioară și cea inferioară a stratului
filtrant prin lungirea drumului parcurs de lichid și tasarea p recipitatului);
Se pot folosi multe tipuri de materiale filtrante , alese astfel încât să conducă la o filtrare
cât mai bună: table perforate (pentru suspensii cu particule mari sau ca suport pentru alte
materiale filtrante), site metalice , pânze filtrante (au rezistență mecanică scăzută, dar sunt ieftine
și eficiente), straturi fibroase (ex. celuloză , lână, in etc.), straturi de pulberi sau gr anule (ex.
filtre de nisip, vezi în continuare, sau filtre cu cărbune activ).
Metode pentru îmbunătățirea filtrării:
– creșterea temperaturii de filtrare – conduce la scăderea vâscozității lichidului, deci
mărește productivitatea filtrării și scade umiditatea precipitatului; efectul este însă
negativ dacă se produce umflarea materialului filtrant (lichidul va trece mai greu) sau
dacă filtratul sau precipit atul sunt influențate negativ de temperatura mărită;

– creșterea presiunii de filtrare – are, de obicei, efect pozitiv asupra vitezei de filtrare
(nu și pentru precipitate cu particule plate, tip foițe); ceea ce interesează este diferența
de presiune dintre cele două fețe ale filtrului; se utilizează fie presiune ridicată la
filtrare, fie filtrarea la vid;
– coagularea prealabilă – se formează particule mai mari, prin aglomerare cu un
coagulant (numai dacă coagulantul nu denaturează filtratul sau precipitatul ); ex. de
aplicare: la decantarea și filtrarea rapidă a apelor.
Filtrarea amestecurilor eterogene solid – lichid
Se utilizează mai multe tipuri de filtre:
– filtre cu strat granular (ex.: filtrele lente cu strat de nisip pentru filtrarea apei ) – se
folosesc pentru debite mari de suspensii. Filtrele lente sunt bazine paralelipipedice
sau cilindrice, ce conțin un strat filtrant granular sprijinit pe bulgări mari și pietriș, pe
o placă perforată sau pe o placă poroasă. Stratul filtrant, de obicei nisip, este format
din mai multe straturi suprapuse, de granulație din ce în ce mai fină spre suprafață,
unde se găsește un strat de 60 -120 cm grosime de nisip fin (0,5 – 1,0 mm). Timp de
10-20 de ore de la pornire filtratul este tulbure; el devine limped e abia după ce la
suprafața stratului filtrant se formează o “membrană biologică “, aceasta având și un
efect sterilizant eficient (oprirea microorganismelor) pe lângă efectul de limpezire
(reținerea suspensiilor fine). Apa trece prin filtru încet, cu o vit eză de 0,1 – 0,5 m/h,
sub presiunea hidrostatică a unui strat de apă de aprox. 1 m, care trebuie menținut
deasupra nisipului. Când debitul filtrului scade mult din cauza colmatării, filtrul este
curățat prin îndepărtarea stratului de nămol și a unui strat de 2 -5 cm nisip de la
suprafață. Dacă filtrul este colmatat în adâncime, atunci el trebuie regenerat prin
spălarea sau înlocuirea întregului strat de nisip și formarea din nou a stratului filtrant.
Filtrele lente sunt instalații simple, ce dau un filtrat l impede și au efect sterilizant, dar
au productivitate redusă.

Fig. 3 . Filtru lent cu strat granular.

– filtre orizontale (filtre nuce ): filtrarea se realizează sub acțiunea diferenței de presiune
între cele două fețe ale filtrului; în laborator – filtre B uchner.
– filtre celulare rotative – filtre continue, formate din tamburi cilindrici rotativi împărțiti
în celule, scufun dați în suspensie și care trec succesiv prin etapele filtrării: aspirarea
suspensiei, spălarea precipitatului, uscarea parțială (prin aspirarea aerului), evacuarea
precipitatului cu regenerarea suprafeței filtrante (vezi și Tratamentul secundar al
apelor reziduale, tema 5 ).

Filtrarea amestecurilor eterogene solid – gaz
Scopul acestei operații poate fi:
– purificarea gazului (prin îndepărtarea solidelor – ex. praf);
– recuperarea componentului solid valoros (ex. recuperarea prafului de ciment din
gazele evacuate în atmosferă);
– depoluarea gazelor evacuate în atmosferă (ex. îndepărtarea funinginii din gazele de
ardere).
Pentru pu rificare gazul brut este trecut printr -o suprafață filtrantă care reține solidul (ex.:
materiale textile, straturi de materiale fibroase, plăci ceramice poroase).

4.3. Centrifugarea [Bratu, p. 117-146, 152 -156]
Centrifugarea nu este o operație unitară, ci o tehnică de lucru care folosește proprietățile
câmpului de forțe centrifuge pentru accelerarea unor operații de separare ca sedimentarea și
filtrarea . Forța centrifugă este proporțională cu masa și viteza de dep lasare a particulelor ce
trebuie separate , de aceea viteza de depunere (sedimentare) crește mult într -un câmp de forțe
centrifuge față de separarea în câmp gravitațional.
Un exemplu de separare prin centrifugare este separare a particulelor solide din
amestecuri eterogene soli d – gaz cu ajutorul cicloanelor . În condiții obișnuite, cicloanele măre sc
de 5 – 2500 ori viteza de sedimentare în comparație cu cea din camerele de sedimentare . Este
posibilă astfel eli minarea particulelor mici (până la 10 μm, uneori mai mici) și obținerea unei
eficacități mari de colectare (uneori peste 99 %) .
Cicloanele sunt aparatele cele mai răspândite pentru separarea prafului din gaze.

Fig. 4 . Schema de principiu a unui ciclon: secțiune longitudinală (jos) și transvers ală
(sus); 1 – manta; 2 – intrarea gazului; 3 – ieșirea gazului purificat; 4 – evacuarea particulelor
solide (picăturilor de lichid) .

Ciclonul este alcătuit dintr -o manta cilindrică la partea superioară și conic ă la partea
inferioară. Gazul brut intră tangențial la partea superioară a mantalei cilindrice, ia o traiectorie
elicoidală coborând către partea conică a ciclonului și iese prin tubul central. Particulele solide

sau picăt urile de lichid din gaz, sub acțiunea forței centrifuge, se îndreaptă spre mantaua
ciclonului, se depun pe peretele cilindric al acestuia și cad în partea conică, de unde sunt
evacuate prin deschiderea inferioară .

4.4. Alte procedee de separare a sistemelor eterogene
Pentru separarea sistemelor eterogene se mai pot folosi:
– procedee baz ate pe impact : când fluxul de gaz întâlnește un obstacol, gazul va ocoli
obstacolul, dar particulele de solid sau picăturile de lichid (din cauza inerției mai
mari) își vor continua drumul, lovind obstacolul ;
– procedee umede : prin contactul cu un lichid ( de ex. apă), particulele solide se
umectează, se aglomerează și trec în lichid ; acest tip de separare se realizează în
turnuri de spălare (scrubere ) sau spălătoare cu spumă ; au ca dezavantaj umezirea
gazului și a solidului
– procedee electrice : în câmp electric puternic gazele sunt ionizate și pot transporta
sarcini electrice ; se folosesc electrozi cilindrici coaxiali (unul pen tru ionizare, celălalt
pentru precipitare) , iar ionii purtători de sarcini electrice se deplasează spre electrodul
de precipitare ;
– procedee sonice : sub acțiunea undelor sonice, particulele se aglomerea ză și se pot
separa mai ușor.

Rezumatul temei 4
Sistemele eterogene sunt formate din cel puțin două faze diferite : solid -lichid, solid -gaz,
lichid -gaz etc. Separarea sistemelor eterogene se poate face prin sedimentare, filtrare,
centrifugare etc.
Sedimentarea se produce sub acțiunea forței gravitaționale , în aparate denumite
decantoare , și permite separarea unei suspensii lichide în decant at și precipitat (sediment ).
Filtrarea conduce la separarea amestecurilor eterogene (de ex. solid -lichid) în filtrat și
precipitat cu ajutorul unei suprafețe filtrante . Tipul suprafeței filtrante depinde de natura
suspensiei care trebuie separată. Se folosesc diverse tipuri de filtre , de ex. filtre cu strat
granular , filtre nuce (Buchner) , filtre celulare rotative .
Centrifugarea este o tehnică de lucru prin care se accelerează mult viteza de
sedimentare, datorită forței centrifuge care e ste mult mai mare decât forța gravitațională .
Exemplu de separator centrifugal: ciclonul pentru separarea pulberilor din gaze.

Bibliografie
1. E. A. Bratu – Operații unitare în ingineria chimică , vol II., Editura Tehnică, 1984