Центрифугирование – разделение гетерогенных систем под действием центробежных сил. Центробежные силы оказывают на разделяемую систему гораздо большее воздействие, чем силы тяжести и давления. Разделение неоднородных смесей в центрифугах может производиться либо по принципу отстаивания, либо по принципу фильтрации. В первом случае используют барабаны со сплошными стенками, во втором – с отверстиями. Если стенки барабана сплошные, то материал под действием центробежной силы располагается слоями соответственно удельному весу, причем непосредственно у стенок барабана располагается слой материала с большим удельным весом. Если стенки барабана имеют отверстия, то твердые частицы смеси остаются на фильтрующей перегородке, а жидкая фаза проходит через поры твердого осадка и фильтрующей перегородки и удаляется из барабана. Центрифугирование в отстойных барабанах производят как для очистки жидкостей от загрязнений, содержащихся в небольших количествах (осветление жидкостей), так и для разделения суспензий, содержащих значительное количество твердой фазы (отстойное центрифугирование).
Центрифугирование в отстойных барабанах в общем случае складывается из 2-х физических процессов: осаждения твердой фазы и уплотнения осадка.
До некоторого предела концентрации твердой фазы ( ~ 3-4%) ее осаждение в отстойном барабане протекает без образования поверхности раздела между твердым веществом и жидкостью. При повышении концентрации такая поверхность образуется вследствие укрупнения и осаждения находящихся в жидкости твердых частиц.
Процесс центрифугирования в отстойных барабанах принципиально отличается от процесса разделения в отстойниках. В последних скорость осаждения практически можно считать постоянной, т.к. процесс происходит в поле тяжести, ускорение которого не зависит от координат падающей частицы. Ускорение же поля центробежных сил является величиной переменной (а =w² r ) и зависит при постоянной угловой скорости w от радиуса вращения r частицы. Поэтому закономерности процессов отстаивания нельзя распространять на процесс центрифугирования в отстойных барабанах.
Еще более сложным является процесс центрифугирования в фильтрующих барабанах. Процесс протекает в три стадии: образование осадка, уплотнение осадка и, наконец, удаление из пор осадка жидкости, удерживаемой капиллярными и молекулярными силами.
Вследствие этого весь процесс центробежной фильтрации не может быть отождествлен с обычной фильтрацией, происходящей под действием сил тяжести. Лишь первый его период принципиально близок к обычной фильтрации и отличается от нее только величиной гидравлического напора жидкости, протекающей через слой осадка под действием центробежных сил. В этот период влага в осадке находится в свободной форме и удаляется из него наиболее интенсивно. Второй период аналогичен соответствующему периоду при отстойном центрифугировании и, наконец, третий характеризуется проникновением воздуха в уплотненный осадок, т.е. механической сушкой осадка.
2. Классификация центрифуг.
Важной характеристикой работы центрифуг является фактор разделения:
W² R
Фр = ————,
g
w - угловая скорость вращения ротора, 1/с;
R - радиус ротора. м;
g - ускорение свободного падения, м/сек².
По величине Фр центрифуги можно разделить на 2 группы: 1) нормальные – Фр < 3500 (ротор имеет диаметр > 200мм и скорость вращения 700 – 1500 об/мин); 2) сверхцентрифуги Фр > 3500 ( узкий трубчатый ротор диаметром 40 – 200мм и скорость вращения от 5000 до 45000 об/мин).
По принципу действия различают центрифуги фильтрующие и отстойные. Фильтрующие центрифуги имеют дырчатые барабаны, которые часто изнутри покрывают тканью. Центрифуги этого типа служат для разделения суспензий с кристаллической или зернистой твердой фазой, а также для обезвоживания твердых материалов.
Отстойные центрифуги со сплошным барабаном без отверстий применяют для разделения плохо фильтрующихся суспензий и осветления суспензий с небольшим содержанием твердой фазы, а также когда частицы очень малы.
суспензия
Суспензия
о
о
о
о
фильтрующая центрифуга отстойная центрифуга
(с фильтрующим материалом) (без фильтрующего материала)
В центрифуге используется барабан с отверстиями или сплошной. Барабан заключен в кожух, который служит сборником отделенной жидкости и одновременно защитным ограждением в случае разрыва барабана. Жидкость под действием центробежной силы проталкивается через стенку дырчатого барабана (или переливается через край сплошного барабана), собирается в кожухе и удаляется в трубопровод.
Для получения осадков с минимальным содержанием влаги применяют дырчатые барабаны, при помощи которого достигается конечная влажность осадка в среднем 1-5% (в случае весьма измельченной твердой фазы – до 40%). При использовании сплошных барабанов в осадке остается значительно больше влаги (до 70% и больше). Чтобы повысить эффективность разделения, на внутренних стенках дырчатых барабанов закрепляют металлические сита или фильтрующие ткани, а в сплошных барабанах устанавливают кольцевые вставки, чем уменьшается скорость жидкости у стенок и улучшается осаждение твердых частиц.
По режиму работы центрифуги делят на периодически и непрерывно действующие. Работа центрифуг периодического действия складывается из следующих операций:
- пуск центрифуг в ход и наполнение барабана;
- вращение барабана с постоянной скоростью и разделение неоднородности смеси;
- торможение и разгрузка барабана.
Наполнение барабана производят либо после того, как незаполненный барабан приобретает некоторую скорость вращения, меньшую рабочей, либо при полной скорости вращения. В некоторых случаях барабан загружают до пуска центрифуг в ход. Осадок удаляют после остановки машины или при вращении барабана с пониженной скоростью. Важным признаком типа центрифуг является способ выгрузки из них осадка; выгрузка производится вручную, при помощи ножей или скребков, шнеков и поршней, движущихся возвратно-поступательно (пульсирующих), а также под действием силы тяжести и центробежной силы.
Центрифуги различают также по устройству опор (стоячие и подвесные) и по расположению оси (горизонтальные, наклонные и вертикальные). Иногда в центрифугах после основного процесса производят промывку осадка и отжим промывных вод.
Классификация центрифуг:
В автоматических центрифугах все операции, включая загрузку и выгрузку осадка, выполняются автоматически.
3. Расчёт центрифуг.
Часовая производительность центрифуг:
V = 25,3 · η · h · n²·· r о² · wос · k
η - коэффициент, учитывающий отношение практической и теоретической производительности центрифуг (η = 0,4 – 0,5);
Суспензия
о
о
о
о
