Классификация промышленных центрифуг.

Виды центрифугирования, основные термины и определения.

В ряде отраслей современной промышленности при обработке жидких гетерогенных смесей – суспензий, эмульсий(в химической, микробиологической, пищевой, атомной промышленности и др.) широко применяют центрифуги самых разнообразных типов.

Известно, что суспензии являются жидкими гетерогенными системами, которые состоят из сплошной жидкой фазы - дисперсионной среды, и взвешенных в ней твёрдых частиц (чаще всего полидисперсных частиц нерегулярной формы)- дисперсной фазы. В эмульсии имеется гетерогенная система, состоящая из сплошной жидкости – дисперсионной среды и взвешенных в ней капель другой жидкости, нерастворимой в первой жидкости и имеющей границу раздела между двумя этими жидкостями - дисперсной среды.

В технике центробежного разделения встречаются многофазные гетерогенные системы, например, эмульсии с включениями взвешенных твёрдых частиц – трёхфазные системы.

Выбор типа машины для разделения суспензий или эмульсий в высокоинтенсивном центробежном поле в значительной мере зависит от физико-химических свойств дисперсионной и дисперсной фаз суспензии или эмульсии, а также от концентрации частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде. Различают:

-грубодисперсные суспензии – >1mm

-среднедисперсные суспензии- 100мкм < ≤ 1m

-мелкодисперсные суспензии – 10мкм < ≤ 100мкм

-тонкие суспензии – 0,5мкм < ≤ 10мкм

-мути – 0,1мкм < ≤ 0,5м

-коллоидные растворы – 0,1мкм ≥

Поясним основные понятия и определения, используемые в технике центрифугирования:

- центробежное фильтрование суспензий осуществляется под действием объёмных сил дисперсионной среды и дисперсной фазы в перфорированных роторах с укреплённой на их внутренней поверхности фильтровальной перегородкой, проницаемой для дисперсионной среды и практически непроницаемой для дисперсной фазы;

- центробежная сушка – представляет собой процесс, при котором происходит удаление плёночной и капиллярной жидкости, оставшейся в осадке после отвода основного количества фильтрата. При этом имеет место также частичное испарение жидкости с уносом образующихся паров потоком воздуха, проходящего через стенку перфорированного ротора;

-центробежное осаждение – осуществляется в сплошных (не перфорированных) роторах и подразделяется на осадительное центрифугирование - разделение средне- и высококонцентрированных суспензий, содержащих до 40% (объёмных) взвешенных частиц; центробежное осветление – выделение взвешенных частиц из малоконцентрированных суспензий, содержащих до 5% процентов (объёмных) твёрдой фазы с размером частиц ≤5мкм; этот процесс чаще всего осуществляется в трубчатых высокоскоростных центрифугах, в жидкостных сепараторах с тарельчатыми вставками, а также в осветляющих шнековых центрифугах, имеющих большое (более 2,2) отношение длины ротора к диаметру;

- центробежная сепарация эмульсий – осуществляется в центробежных сепараторах со сплошным (неперфорированным) ротором с целью разделения стойких эмульсий из взаимонерастворимых жидкостей. При необходимости выделить из эмульсии небольшие количества твёрдых частиц часто применяют трёхфазные разделительные трубчатые центрифуги.

- комбинированное центрифугирование, при котором в машине сочетаются несколько методов разделения, например, осаждение с последующим фильтрованием.

Физические свойства жидкой фазы, такие как плотность, вязкость и поверхностное натяжение, оказывают большое влияние на кинетику центрифугирования. В частности, с повышением температуры вязкость и поверхностное натяжение жидкой фазы уменьшаются, что интенсифицирует процесс центрифугирования. С этой целью нередко суспензии перед подачей в центрифугу предварительно нагревают.

В результате центрифугирования суспензий образуются: при центробежном осаждении - осадок и фугат (т.е. жидкость, удаляемая в слив в процессе центробежного осаждения); при центробежном фильтровании – осадок и фильтрат (т.е. жидкость, прошедшая через фильтрующую перегородку). В результате промывки осадка образуется промывной фильтрат (в отдельных случаях фильтрат 1-ой промывки, фильтрат 2-ой промывки и т.д.).

В процессе центробежного разделения суспензий получают осадок – совокупность твёрдых частиц с заполняющей их поры и пустоты между частицами жидкой фазой. Осадки могут быть несжимаемыми и сжимаемыми. В отличие от центробежного фильтрования при центробежном осаждении над сформировавшимся осадком обычно иметься свободная жидкость, что определяет высокую влажность такого осадка.

Как и любые другие технологические процессы, процессы центрифугирования подразделяются на периодические, непрерывные и комбинированные.

При периодическом процессе центрифугирования все его отдельные стадии осуществляются в одной машине, но в разное время в соответствии с заданной программой технологического цикла работы центрифуги. Ряд параметров периодического процесса центрифугирования изменяется во времени. Так, скорость процесса центрифугирования может снижаться, изменяется концентрация твёрдой фазы в отходящей жидкости (в фугате или фильтрате) и т.д.

При периодическом процессе центрифугирования скорость вращения ротора может быть либо постоянна, либо может изменяться в зависимости от протекающей стадии технологического цикла: в ходе загрузки исходной суспензии ротор центрифуги часто вращается медленно; на стадии центрифугирования, стадии промывки и стадии сушки осадка ротор вращается с максимальным числом оборотов; разгрузка осадка осуществляется в большинстве таких центрифуг при остановке ротора или при его медленном вращении.

Непрерывный (стационарный) процесс центрифугирования характеризуется одновременным протеканием всех стадий, в том числе непрерывным отводом жидкой фазы суспензии (фугата или фильтрата) и непрерывной выгрузкой осадка. Непрерывный процесс центрифугирования осуществляется при постоянной скорости вращения ротора. Параметры технологического процесса (например, производительность, кинетика процесса и т.д.) остаются неизменными.

При комбинированном процессе центрифугирования, например, при осветлении жидкости, центрифугирование может производиться в течении определённого интервала времени, а накапливающийся осадок твёрдой фазы удаляться в моменты периодических остановок ротора.

В заключение этого краткого введения необходимо отметить, что центрифуги относятся к весьма сложным машинам химической технологии, вопросы теории, расчёта и конструирования которых ещё не сложились в единую чёткую рациональную теорию. По этой причине ряд расчётных методов базируется на экспериментальных исследованиях и производственных рекомендациях.

Фактор разделения.

Фактор разделения — безразмерная величина, определяющая эффективность центрифуги, позволяет сопоставить основные показатели работы различных центрифуг. С физической точки зрения фактор разделения К определяет отношение ускорения поля центробежных сил P_ц, создаваемого центрифугой, к ускорению свободного падения g, т.е.:

где ω — угловая рабочая скорость ротора, рад/с; — внутренний радиус ротора, м.

В теории подобия в качестве меры отношения сил инерции к силам тяжести используется критерий Fr= ²/gd, где – линейная скорость среды при обтекании тела, d – характерный линейный размер тела. Применительно к вращательному движению в поле центробежных сил критерий Fr

модифицируется и приводится к виду:

Из приведенного выражения следует, что центробежный фактор разделения К идентичен модифицированному (центробежному) критерию Fr'.

Чем больше фактор разделения, тем значительнее воздействие центробежных сил на частицы твердого материала и выше возможности их осаждения. Однако увеличение угловой скорости ротора связано с ростом нагрузок на его элементы, поэтому максимальные значения ω и — определяются прочностью ротора и отдельных узлов центрифуги.

Центрифуги делятся на две группы: центрифуги с фактором разделения Fr' < 3500 и центрифуги с Fr' 3500 (сепараторы и трубчатые центрифуги).

Классификация центрифуг.

Центрифуги классифицируются по нескольким признакам:

¾ по назначению (технологические или аналитические);

¾ по фактору разделения Fr' (нормальные- Fr' <3500 и сверхцентрифуги -Fr'≥ 3500);

¾ по принципу разделения сред (фильтрующие, осадительные, комбинированные, для сепарации суспензий);

¾ по способу выгрузки осадка (с ручной выгрузкой, шнековой выгрузкой, гравитационной выгрузкой, инерционной выгрузкой, пульсирующей выгрузкой, с ножевым съёмом осадка, гидравлической или пневматической выгрузкой осадка и др.);

¾ по характеру работы во времени (центрифуги периодического или непрерывного действия);

¾ по способу расположения оси ротора в пространстве (вертикальные, горизонтальные, наклонные);

¾ по месту расположения привода ротора (с верхним приводом, с нижним приводом, с боковым приводом).

Чаще всего в обозначении центрифуг перечисляются начальные буквы наиболее характерных признаков центрифуги. Например:

¾ ОВБ - осадительная, вертикальная, ручная выгрузка осадка через борт;

¾ ФМБ - фильтрующая, маятниковая, ручная выгрузка осадка через борт;

¾ ФМД - фильтрующая, маятниковая, с нижней выгрузкой через днище;

¾ ФПС - фильтрующая, подвесная, саморазгружающаяся центрифуга;

¾ ФПН - фильтрующая, подвесная, с ножевой выгрузкой осадка;

¾ ФГН – фильтрующая, горизонтальная, с ножевой выгрузкой осадка;

¾ ОГН - осадительная, горизонтальная, с ножевой выгрузкой осадка;

¾ ФВШ - фильтрующая, вертикальная, со шнековой выгрузкой осадка;

¾ ОГШ - осадительная, горизонтальная со шнековой выгрузкой осадка;

¾ ФГП - фильтрующая, горизонтальная, с пульсирующей выгрузкой осадка;

¾ ФГВ- фильтрующая, горизонтальная, вибрационная центрифуга;

¾ ФВВ - фильтрующая, вертикальная, вибрационная центрифуга;

¾ ФВИ - фильтрующая, вертикальная, с инерционной выгрузкой осадка;

¾ ОТР - осветляющая, трубчатая центрифуга с ручной выгрузкой осадка.

Из шифра обозначения центрифуги можно получить общее представление о ее типе, исполнении конструкции, способе выгрузки осадка, мо­дели машины, конструкционных материалах основных узлов, диа­метре ротора. Так, условное обозначение промышленной центрифуги ФГН-633К-2 означает: фильтрующая, горизонтальная, с ножевой выгрузкой осадка, диаметр ротора 630 мм, герметизированная, взрывозащищенная, коррозионностойкая.

Рабочий цикл центрифуг периодического действия.

Обработка суспензии в центрифугах периодического действия происходит пооперационно. В целом рабочий цикл τ_ц состоит из затрат времени на операции: подачу суспензии в центрифугу τ_пч, выполнение основных операций τ_осн (центрифугирование τ_ф, промывка τ_пр, сушка осадка τ_с), осуществление вспомогательных операций τ_в, (разгон и торможение ротора), выгрузку осадка τ_вг.

В общем виде цикл работы фильтрующей центрифуги периодического действия включает в себя продолжительность всех перечисленных этапов:

τ_ц = τ_пч + τ_осн + τ_в + τ_вг . (J)

При этом коэффициент использования центрифуги η = (τ_пч + τ_осн + τ_вг)/ τ_ц. Величина η в значительной мере зависит от вида центрифуги (осадительная или фильтрующая), свойств обрабатываемой суспензии и требований к готовому продукту. Увеличение в рабочем цикле продолжительности вспомогательных операций ведет к снижению эффективности работы центрифуги периодического действия по сравнению с центрифугами непрерывного действия, в которых доля вспомогательных операций незначительна.

Несмотря на очевидные преимущества, непрерывно действующих центрифуг, число выпускаемых машин периодического действия велико. В ряде производств химической промышленности невыгодно использовать дорогостоящие высокопроизводительные центрифуги непрерывного действия. Машины периодического действия позволяют благодаря простоте их регулирования обрабатывать материалы в течение любого заданного времени, а также проводить многократные промывку и сушку осадка.

В конкретных процессах некоторые операции могут отсутствовать; при этом цикл сокращается. Если в технологическом цикле центрифуги можно объединить центрифугирование и отжим, то выражение для времени цикла упростится.

В общем случае длительность подачи суспензии в ротор зависят от

динамической вязкости суспензии, сопротивления фильтрующей перегородки, отнесенное к единице вязкости; площади фильтрующей поверхности; коэффициента заполнения ротора; жидкостного объема ротора, среднего удельного объемного сопротивленияя осадка; u отношения объемов отфильтрованного осадка и суспензии; угловой скорости ротора; r_рт внутреннего радиуса ро; плотности жидкой фазы.

Сопротивление фильтрующей перегородки зависит от угловой скорости ротора и степени забивания пор перегородки частицами фильтруемого материала. В большинстве случаев значение относительно мало по сравнению с сопротивлением осадка и им можно пренебречь.

Рабочий цикл осадительных центрифуг включает в основном те же операции, что и цикл фильтрующих центрифуг, лишь фильтрование (τ_ф) заменяется осаждением (τ₀). Цикл всего процесса обработки суспензии в осадительных машинах:

τ_ц = τ_пч + τ_осн + τ_в + τ_вг