1.2. Признаки, используемые для разделения систем

Для разделения систем на ингредиенты используют методы и оборудование, отличающиеся большим разнообразием физических и химических явлений. Выбор оптимального оборудования определяется выбором признака, по которому ингредиенты системы существенно различаются.

Признаками, используемыми для разделения однородных систем, являются:

различие растворимости жидкостей в жидкостях;

различие температур фазовых переходов ингредиентов;

изменение растворимости твердых веществ в жидкостях;

изменение сорбционной способности жидкостей;

различие влажности сушильных агентов при изменении внешних параметров;

задерживание твёрдых частиц на пористых мембранах в процессах ультрафильтрования.

Для разделения неоднородных систем используют следующие признаки:

различие плотностей составляющих неоднородной системы;

различие их магнитных свойств;

различие электрических свойств;

задерживание частиц дисперсной фазы на твёрдых перегородках;

невозможность объединения частиц белка при малых их концентрациях в суспензиях.

Можно назвать и другие признаки для разделения систем.

По использованию одного или нескольких из этих признаков и различают способы разделения систем.

В ряде случаев перед пищевым производством ставится задача не полного разделения неоднородной системы, а разделения одного из ее компонентов, например дисперсной фазы, по мелкости частиц, по магнитным или электрическим свойствам или по другим признакам. К таким задачам относятся, например, рассев зерновой или мучной смеси, выделение из нее камней и металломагнитных частиц и др. Подобные задачи рассматриваются нами как механические процессы соответствующей направленности.

В классификации однородных систем на рисунке 1.2.1 даны четыре класса таких систем [2]. Пятый класс, в котором оба ингредиента находятся в твердом состоянии, как правило, разделяют после перевода их в другой класс (например, в класс Ж – Ж путем расплавления) и уже в нём разделяют.

Признак различия температур фазовых переходов ингредиентов жидкостно-жидкостных систем используют в процессах либо выпаривания, либо перегонки. Выпариванию подвергают системы, температуры кипения компонентов которых существенно различаются. Систему доводят до кипения низкокипящего компонента,

Рис. 1.2.1. Классификация процессов разделения однородных систем

т. е. компонента, имеющего более низкую температуру кипения. При этом он интенсивно испаряется. В парах оказывается практически чистый кипящий компонент, а в оставшейся смеси продуктов соответственно повышается концентрация второго компонента. Перегонке подвергают системы, температуры кипения компонентов которых различаются менее сильно. При их кипении образуются пары, содержащие оба ингредиента жидкой смеси, но концентрация более летучего компонента в них выше. При многократном повторении кипения и конденсации таких бинарных систем они разделяются на две жидкие однородные системы, в одной из которых повышена концентрация одного компонента, а во второй – второго.

Признак изменения растворимости твёрдых веществ в жидкостях используют в процессах кристаллизации и экстрагирования. В процессе кристаллизации, уменьшая растворимость твёрдого вещества, например охлаждением раствора, доводят его до состояния пересыщения и выпадения части растворённого вещества в виде кристаллов. В процессе экстрагирования продукт, состоящий из нескольких твёрдых веществ, помещают в растворитель. Проникая в твёрдый продукт, он растворяет один из компонентов смеси. В растворе он диффузией перемещается к поверхности, через которую переходит в окружающий растворитель. Выделение экстрагированного вещества в чистом виде осуществляется в других процессах.

Признак изменения растворимости жидкостей в жидкостях ис­пользуют в процессе экстракции, или разделения смеси жидкостей. Прибавляя к смеси третью жидкость, растворимость одной из которых в ней повышена и которая впоследствии легко отделяется от исходной смеси, разделяют её на две жидкие смеси. Далее оба ингредиента исходной смеси отделяют от третьей прибавленной к ним жидкости, называемой в данном процессе экстрагентом.

Признак изменения сорбционной способности жидкостей при­меняют в процессе десорбции растворов газов в жидкостях. Нагревая жидкость, насыщенную газом, десорбируют газ из неё.

Признак различия влажности сушильных агентов при изменении внешних параметров используется в процессах сушки. В них сушильный агент, которым в большинстве случаев является воздух, подогревают с целью уменьшения его относительной сухости, вводят в контакт с высушиваемым продуктом, и он отбирает из системы часть влаги.

Признак различия проникающей способности частиц сквозь пористые мембраны используют, например, в процессах ультрафильтрации растворов. Несмотря на то что раствор относят к го­могенным системам, выделение из него растворённых частиц происходит так же, как из гетерогенных, т. е. фильтрованием, но через фильтры с более мелкими отверстиями.

Признаки, используемые для разделения неоднородных систем, имеют общее свойство. Все они являются следствием наличия чётких границ между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Если частицы дисперсной фазы твёрдые, а дисперсионная среда жидкая или газообразная, их разделяют в процессах фильтрования, осаждения (седиментации), а также под воздействием массовых сил электрического или магнитного происхождения. Если дисперсионная среда также твердая, для разделения можно использовать предварительное преобразование неоднородной системы в другую неоднородную систему, в которой дисперсионная среда жидкая или газообразная. В новой системе дисперсная фаза образуется смесью твёрдых частиц, часть из которых в первоначальном продукте входила в твёрдую дисперсионную среду. Про­цесс разделения исходного продукта преобразуется этим в разделение дисперсной фазы новой системы по другим признакам – мелкости, форме частиц, их плотности и др.

Процессы фильтрования, применяемые для разделения неодно­родных систем, используют свойство твёрдых частиц дисперсной фазы вести себя как самостоятельные изолированные образования, способные задерживаться фильтрующими перегородками.

В процессах осаждения частиц используются действующие на них архимедовы силы. Частицы могут пребывать в любом фазовом состоянии и находиться в жидкой или газообразной дисперсионных средах. Твердую дисперсионную среду и в этом случае необходимо предварительно перевести в жидкую или газообразную. Архимедовы силы возникают в поле действия любых потенциальных сил – тяжести, инерции, электрических или магнитных. В поле сил тяжести и инерции архимедовы силы могут быть направлены в сторону действия потенциальных сил или против них в зависимости от знака разности плотностей частицы и окружающей среды.

Обратим внимание на то, что архимедовы силы возникают только в неоднородных системах. Если система неоднородна, например, является газо-газовой, какой представляется обычный воздух, состоящий в основном из азота и кислорода, то архимедовы силы в ней не возникают. Соответственно разделение кислорода и азота по плотности в нём не имеет места. Оно становится возможным только в том случае, когда один из компонентов системы концентрируется в изолированных объемах с чётко различимыми непроницаемыми границами. Размеры таких объёмов должны существенно превышать размеры молекул. В противном случае архимедовы силы могут подавляться силами столкновения с соседними молекулами, т. е. силами, вызванными броуновским движением.

Говоря о разделении неоднородных систем, обычно понимают под этим их разделение на дисперсионную среду и дисперсную фазу с заданной эффективностью.

Признак различия плотностей составляющих неоднородной системы используют при осаждении.