Общие сведения о центрифугах

Введение

Для разделения неоднородных систем, состоящих из двух и более фаз (суспензий и эмульсий), применяют метод центрифугирования, основанный на воздействии силового центробежного поля на неоднородную систему. Использование центробежной силы вместо силы тяжести (гравитационное отстаивание, гидростатическое фильтрование) позволяет значительно интенсифицировать процесс разделения, так как значение центробежной силы может регулироваться и во много раз превосходить значение силы тяжести.

В процессе разделения центробежную силу можно получить двумя способами:

- вращением сообщаемого от механического привода сосуда, заполненного неоднородной смесью;

- вращением разделяемой системы, подаваемой с большой скоростью и тангенциально к стенкам неподвижного аппарата.

Аппараты с вращающимся сосудом (ротором) называются центрифугами; неподвижные аппараты с вращающимся потоком жидкой неоднородной системы - гидроциклонами. Наиболее применимы в химической технологии центрифуги.

Общие сведения о центрифугах

Центрифугирование - процесс разделения жидких неоднородных систем под действием центробежной силы, возникающей во вращающемся роторе (барабане) со сплошными либо перфорированными стенками. В центрифугах, имеющих ротор со сплошными стенками, осуществляется центробежное осаждение и центробежное осветление; в центрифугах с перфорированным барабаном - центробежное фильтрование. В связи с этим изготовляют осадительные и фильтрующие центрифуги.

При разделении суспензии в осадительных центрифугах образуется кольцевой слой, максимальная толщина которого равна ширине борта (закраины) ротора (рисунок 1). В этом слое под действием центробежной силы происходит осаждение частиц на стенках ротора, а осветленная жидкость (фильтрат или фугат) переливается через борт и выводится из барабана. В жидкостном слое устанавливается движение жидкости снизу вверх.

1 - корпус; 2 -ротор; 3 - суспензия; 4 - осадок. I - суспензия; II - осветленная жидкость; III - осадок   Рисунок 1 - Схема отстойной центрифуги для разделения суспензий

Взвешенные в жидкости твердые частицы движутся вместе с ней вдоль барабана и одновременно отстаиваются. Если время прохождения жидкости в барабане является достаточным, то частица достигает стенки и образует на ней осадок, из барабана будет отводиться чистая жидкость. Осадок удаляется на ходу при помощи ножей, шнеков или после остановки центрифуги.

При осадительном центрифугировании происходят три физических процесса: осаждение твердой фазы; уплотнение осадка; частичное удаление из осадка жидкости, удерживаемой молекулярными силами.

Типовыми способами осадительного центрифугирования являются [1]:

- периодический процесс: центрифугированию подвергается определенный объем суспензии, который не пополняется, а фильтрат во время процесса не отводится;

- комбинированный процесс: во время центрифугирования непрерывно подводится суспензия и отводится фильтрат. В простейшем случае во вращающийся с постоянной скоростью ротор центрифуги у его днища непрерывно подается суспензия. Через борт ротора переливается фильтрат вследствие вытеснения его из рабочего объема ротора поступающими порциями обрабатываемой суспензии. Осадок накапливается на стенках ротора и удаляется по окончании процесса. В рациональном случае подача суспензии прекращается, когда почти весь рабочий объем ротора оказывается заполненным осадком. После выключения питания осадок уплотняется, а затем отводится жидкая фаза, вытесненная из последнего, и осадок выгружается. При этом способе на ход процесса влияют: режим течения жидкости внутри ротора, степень отставания жидкости от вращения ротора, вихревые токи жидкости внутри него и т.д;

- непрерывный процесс - во время центрифугирования непрерывно подводится суспензия и отводятся фильтрат и осадок. По одному из вариантов суспензия непрерывно подводится в среднюю часть конического ротора, вращающегося с постоянной скоростью. Через сливные окна в торцевой стенке широкой части ротора выливается фильтрат. Образующийся на стенках ротора осадок транспортируется к разгрузочным окнам, расположенным в узкой части ротора, причем осадок выводится из слоя жидкости и из него производится удаление части жидкости в так называемой зоне осушения. В рассматриваемом случае на течение процесса влияют, помимо факторов, указанных выше, также относительное вращение шнека и форма потока.

Разделение эмульсий происходит аналогично процессу в осадительных центрифугах: у стенок ротора образуется слой тяжелой жидкости, а ближе к оси вращения - слой легкой жидкости (рисунок 2). Центрифуги для разделения эмульсий называют разделяющими (сепарирующими). Ввод эмульсии и отвод тяжелой и легкой жидкостей из ротора такой центрифуги осуществляется непрерывно.

При разделении суспензий в фильтрующих центрифугах в роторе под действием центробежной силы происходит фильтрование жидкости через фильтрующую ткань, металлическую сетку и отверстия в барабане (рисунок 3). Жидкость собирается в кожухе и в виде фильтрата выводится через сливной штуцер. Осадок образуется на стенке и удаляется на ходу либо после остановки центрифуги. Центробежное фильтрование в общем случае складывается из трех последовательно протекающих физических процессов: фильтрования с

1 - корпус; 2 - диафрагма; 3 - ротор; 4 - тяжелая жидкость; 5 - легкая жидкость. I - эмульсия; II - тяжелая жидкость; III - легкая жидкость Рисунок 2 - Схема центрифуги для разделения суспензий 1 - корпус; 2 - перфорированный ротор; 3 - проволочная сетка; 4 - фильтровальная ткань; 5 - осадок; 6 - суспензия. I - суспензия; II - фильтрат; III - осадок Рисунок 3 - Схема фильтрующей центрифуги

образованием осадка; уплотнения осадка; удаления из осадка жидкости, удерживаемой молекулярными силами. Этот процесс позволяет получить высокую степень обезвоживания осадка.

Интенсивность центробежного поля в барабанах центрифуг оценивается фактором разделения, который представляет собой отношение центробежного ускорения к ускорению силы тяжести.

(1)

где - угловая скорость ротора, рад/с;

п - частота вращения ротора, об/мин;

R - наибольший внутренний радиус ротора, м;

D - наибольший внутренний диаметр ротора, м;

g - ускорение силы тяжести, м/с².

Фактор разделения можно определить по номограмме [2. С.545] (рисунок 4).

Рисунок 4 - Номограмма для определения фактора разделения

Чем больше фактор разделения, тем больше разделяющая способность центрифуги. Фактор разделения может быть повышен путем увеличения радиуса ротора и в еще большей степени - увеличением числа оборотов. Однако увеличивать радиус и число оборотов можно только до известных пределов, определяемых механической прочностью ротора.

Относительная разделяющая способность центрифуг характеризуется индексом производительности Σ, величину которого можно рассчитать по выражению

(2)

где L - длина ротора центрифуги периодического действия или цилиндрической части ротора шнековой центрифуги, м.