Центробежная сепарация

Центробежной сепарацией называют процессы разделения неоднородных фаз в центрифугах и гидроциклонах, в основе которых лежит действие центробежных сил.

Для центрифугирования используют центрифуги, в которых в зависимости от конструкции проводят центробежное осаждение или центробежное фильтрование. Для осаждения используют центрифуги, имеющие ротор со сплошной стенкой, а для фильтрования - центрифуги с перфорированной стенкой ротора. Суспензии можно разделять в аппаратах обеих конструкций, а эмульсии - только в аппаратах со сплошной стенкой ротора. Для реализации этих процессов производят осадительные и фильтрующие центрифуги.

При разделении суспензий в фильтрующих центрифугах жидкость фильтруется через перфорированную стенку ротора, а твердые частицы задерживаются ею. Образовавшийся на стенке осадок выгружается в непрерывном или периодическом режиме.

В осадительных центрифугах, имеющих ротор со сплошной стенкой, твердая фаза с более высокой плотностью отлагается на стенке, а жидкая фаза, образующая кольцевой слой ближе к оси вращения, выводится из аппарата. Аналогично происходит разделение эмульсий: у сплошной стенки ротора образуется слой более плотной жидкости.

Классификация выпускаемых промышленностью центрифуг проводится по следующим признакам: принципу разделения (основному конструктивному признаку), способу выгрузки осадка, герметичности, взрывозащищенности, возможности регулирования температуры разделяемой смеси.

При выборе центрифуги необходимо учитывать, помимо условий работы, свойства разделяемой смеси, дисперсность твердых частиц, вязкость дисперсионной среды, разницу плотностей разделяемых фаз (последний фактор не относится к процессу центробежного фильтрования, так как в этом случае разность плотностей двух фаз не влияет на эффективность процесса разделения), концентрацию вещества в жидкой фазе.

Эффективность разделения материалов в центрифуге определяется фактором разделения К, показывающим, во сколько раз скорость перемещения частицы под действием центробежной силы больше скорости ее осаждения под действием силы тяжести:

где w - угловая скорость ротора, рад/с; g - ускорение силы тяжести, м/с₂; n - частота вращения ротора, мин_-1

Таким образом, с увеличением радиуса и скорости вращения ротора растет фактор разделения и, следовательно, эффективность работы центрифуги.

При расчете производительности центрифуги необходимо помнить, что отделение твердой фазы от жидкости в центрифуге происходит лишь в том случае, когда время пребывания суспензии в ротореt_n достаточно, чтобы твердая частица достигла его стенки. Время пребывания жидкости в аппарате:

t_n = V/Q, (32)

где V - объем аппарата; Q - объемная скорость жидкости, проходящей через аппарат.

Важнейшую роль при центрифугировании играет система выгрузки осадка, которая может быть ручной, шнековой, ножевой, гравитационной, поршневой, инерционной и вибрационной.

Материал, из которого изготавливают детали центрифуг, должен быть устойчивым к средам, которые будут на него воздействовать. Для изготовления центрифуг используют легированные коррозионностойкие стали, титановые сплавы, чугун, пластики, резину.

Наиболее крупную группу машин составляют осадительные горизонтальные центрифуги со шнековой выгрузкой осадка ОГШ, работающие в непрерывном режиме. Шнек размещен внутри ротора и вращается вместе с ним в одном направлении, но с разной скоростью, что позволяет выгружать из ротора образующийся на его стенке осадок твердой фазы. Центрифуги типа ОГШ используют для разделения суспензий с концентрацией твердой фазы от 1 до 40 % (по объему) с крупностью частиц более 5 мкм при разности плотностей фаз более 0,2 г/см . Кроме того, эти центрифуги применяют для гидравлической классификации суспензий по крупности твердых частиц и для других целей. В соответствии с назначением центрифуги типа ОГШ подразделяют на осветляющие, классифицирующие, обезвоживающие и универсальные.

Производительность центрифуг типа ОГШ по суспензии составляет 2-80 м /ч; они имеют ротор диаметром от 200 до 1000 мм, скорость вращения ротора от 6000 до 1000 мин^-1 и соответственно фактор разделения - от 4000 до 560.

На рис. 32 показано устройство непрерывно действующей горизонтальной осадительной центрифуги модели ОГШ-501К-10.

1 - станина; 2 - планетарный редуктор; 3 - механизм защиты редуктора; 4 - кожух; 5 - ротор; 7 - приводные ремни; 8 - труба питания

Машина предназначена для обезвоживания и сгущения осадков сточных вод с использованием флокулянтов. Она имеет удлиненный противоточный ротор и устройство для регулирования относительной скорости вращения шнека с целью подбора оптимального режима работы.

Основные характеристики центрифуги ОГШ-501К-10 приведены ниже:

Широко используются промышленностью автоматические горизонтальные фильтрующие и осадительные центрифуги типа ФГН и ОГН с ножевым съемом осадка. Они имеют простую конструкцию, высокое качество разделения, возможность обработки суспензий в широком диапазоне концентраций и размеров частиц твердой фазы. В табл. 13 приведены некоторые характеристики автоматических горизонтальных центрифуг.

Центрифуги типа ФГН и ОГН герметичны и могут работать во взрывоопасных помещениях и в помещениях с повышенной влажностью. Однако периодичность работы центрифуг этого класса, их высокая металлоемкость и ряд других недостатков ограничивают области их применения.

На рис. 33 показана конструкция автоматической горизонтальной центрифуги с ножевой выгрузкой осадка модели ФГН-633К-02 с диаметром ротора 630 мм. Машина может устанавливаться во взрывоопасных помещениях класса В-1а. Детали центрифуги, соприкасающиеся с обрабатываемой суспензией, изготавливаются из нержавеющей стали. Для съема нерастворимого осадка с поверхности ротора центрифуга оборудована специальным механизмом, имеющим самостоятельный привод.

1 - станина; 2 -главный вал; 3 - кожух; 4, 5 - патрубки отвода фильтрата и жидкости, перелившейся через борт ротора; 6 -разгрузочный бункер; 7 - гайка; 8 - защитный колпак; 9 - щетки; 70 - крышка кожуха; 11 -прокладка; 12 -патрубок отсоса паров и газов; 13 -поворотный нож; 14 -ротор; 15 -герметизирующее уплотнение; 16, 18 -трубы загрузки и промывки; 17 -разделительный клапан; 19 - патрубок поддува инертного газа; 20 -регулятор загрузки; 21, 23 -маслонасосные станции; 22 -электродвигатель; 24 - виброизолирующееустройство; 25 - гидромотор; 26 - обгонная муфта

Более совершенными являются фильтрующие горизонтальные центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка типа ФГП. У центрифуг этого типа, имеющих горизонтально расположенный ротор, выгрузка осадка осуществляется пульсирующим толкателем. Технические характеристики центрифуг ФГП приведены в табл. 14.

На рис. 34 показано устройство высокопроизводительной непрерывно действующей горизонтальной центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка марки 1/2ФГП-145. Машина обеспечивает хорошее разделение суспензии в больших объемах, обеспечивая влажность твердой фазы не более 5 %.

1 - кожух; 2 - опорное кольцо 1-го каскада ротора; 3 - фильтрующее сито 1-го каскада ротора; 4 - текстолитовое уплотнительное кольцо; 5 - днище 2-го каскада; 6 - желоба подачи промывной жидкости в тыльную часть ротора; 7 - гидроцилиндр; 8 - ленточный тормоз; 9 - металлическая заглушка; 10 - уголок; 11- торцевая муфта; 12 - холодильник; 13 - станина; 14 - плита виброизоляции; 15 - штуцер отвода фильтрата

Эти центрифуги предназначены для разделения хорошо фильтрующихся концентрированных суспензий с содержанием твердой фазы более 20 % (по объему) с размером твердых частиц более 100 мкм. Преимущества центрифуг типа ФГП - непрерывность фильтрации, возможность промывки осадка, высокие степень разделения и производительность. Они просты в эксплуатации и обладают низкой энерго- и металлоемкостью.

Для разделения высококонцентрированных суспензий, содержащих твердые частицы размером более 150 мкм, при объемной концентрации твердой фазы 40-50 % применяют непрерывно действующую горизонтальную центрифугу со шнековой выгрузкой осадка марки ФГШ- 401К-01. Производительность центрифуги по осадку 5000 кг/ч при наибольшем диаметре конического ротора 400 мм и максимальном факторе разделения 1500.

Большую группу машин составляют центрифуги подвесные с верхним и нижним приводом типа ФМБ и ФМД. Их используют при необходимости высокой степени обезвоживания твердой фазы, в производствах небольшого масштаба, для разделения трудно-фильтруемых суспензий, содержащих частицы более 10 мкм. Подвесные осадительные машины с нижним приводом типа ОМД и ОМБ используют для отстаивания жидкостей в тех случаях, когда применение отстойных центрифуг непрерывного действия невозможно или неэффективно. В табл. 15 приведены характеристики некоторых подвесных центрифуг с нижним приводом.

На рис. 35 показано устройство подвесной центрифуги с нижним приводом и нижней выгрузкой осадка модели ФМД-125. Центрифуга герметична и может использоваться во взрывоопасных помещениях класса В- 1а.

1 - ротор; 2 - кожух; 3 - загрузочный конус; 4 - опора ротора; 5 - подвеска; 6 - обод; 7 - корпус; 8 -механизм натяжения; 9 -привод

Особую группу составляют трубчатые центрифуги, имеющие высокую скорость вращения трубчатого ротора. Их применяют для осветления суспензий (центрифуги типа ОТР) и для их разделения (типа РТР). Осветляющие центрифуги могут работать в непрерывном режиме. Разделяющие центрифуги работают в периодическом режиме, что связано с ручной выгрузкой осадка. Эти центрифуги используют для осветления низкоконцентрированных суспензий и для разделения стойких эмульсий (например, для очистки воды от отработанных масел). Трубчатые центрифуги имеют скорость вращения ротора до 15000 мин^-1, максимальную загрузку ротора диаметром до 150 мм - 20 кг.

Широкое применение для выделения из жидкостей частиц размером от 0,2 до 0,5 мм (иногда до 1 мм) находит сепарация в гидроциклонах. Гидроциклоны, подобно центрифугам, работают по принципу центробежной сепарации.

Конструкция гидроциклона показана на рис. 36. Он состоит из цилиндрической и конической частей. Вращение жидкости в гидроциклоне осуществляется в результате движения суспензии через тангенциальный патрубок 4, расположенный вверху цилиндрической части 2. Коническая часть гидроциклона 1 оканчивается шламовой насадкой 5, через которую отводится осадок, выделенный из обрабатываемой суспензии. Осветленная жидкость вытекает через сливной патрубок 3, расположенный по оси гидроциклона.

Перемещение частиц взвеси в поле действия центробежной силы, развивающейся при работе гидро­циклона, во много раз интенсивнее осаждения их под действием силы тяжести.

Фактор разделения К для гидроциклонов колеблется в пределах от 500 до 2000. В гидроциклонах, как и в центрифугах, разделение суспензий происходит под действием центробежной силы, но по способу действия они значительно различаются.

В центрифуге суспензия вращается вместе с барабаном и при постоянной угловой скорости практически не перемещается по его поверхности. При этом на частицы не действуют никакие касательные силы. В гидроциклоне же на частицы суспензии действуют большие тангенциальные силы, поддерживающие их в непрерывном относительном движении. Между слоями возникает напряжение сдвига, действующее на твердую частицу как поперечная сила.

Для улучшения отделения частиц взвеси от жидкости в центрифугах при постоянной частоте вращения барабана необходимо увеличить его диаметр. В гидроциклонах, наоборот, это прямо пропорционально связано с уменьшением диаметра аппарата. Уменьшение диаметра гидроциклона приводит к снижению его производительности. В тех случаях, когда требуется более тонкая очистка продукта при значительном его количестве, используют батарейные гидроциклоны (мультигидроциклоны), представляющие собой несколько параллельно включенных элементарных гидроциклонов.

В гидроциклоне вращательное движение разделяемой суспензии определяется, прежде всего, законом сохранения момента количества движения.

Для расчета сепарации в гидроциклонах важно знать характер распределения радиальных и осевых скоростей жидкости и соответствующие компоненты скорости частиц. Обычно в зоне между цилиндрической частью корпуса и патрубком для выхода осветленной жидкости значение осевой скорости принимают равным средней расходной. Теория и расчет гидроциклонов различного типа достаточно полно изложены в специальной литературе.