Конструкция центрифуг

Классификация центрифуг. По величине фактора разделения центрифуги можно условно разделить на две группы: нормальные центрифуги Кр<3000) и сверхцентрифуги Кр>3000).

Нормальные центрифуги применяют главным образом для разделения различных суспензий (исключая суспензии с весьма малой кон­центрацией твердой фазы) и штучных материалов. Сверхцентрифуги служат для разделения эмульсий и тонких суспензий.

По назначению центрифуги разделяются на три основные группы: фильтрующие, отстойные и сепарирующие (разделяющие).

Фильтрующие центрифуги имеют дырчатые барабаны, кото­рые часто покрывают изнутри тканью или другой фильтрующей перегородкой. Центрифуги этого типа служат для разделения суспензий с кристаллической или зернистой твердой фазой, а также для обезвоживания штучных и твердых материалов.

Отстойные центрифуги со сплошным барабаном (без отверстий) применяют для разделения плохо фильтрующихся суспензий и осветления суспензий с небольшим содержанием твердой фазы.

Сепарирующие центрифуги также имеют сплошной барабан; их применяют для разделения эмульсий и концентрирования суспензий.

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).

В зависимости от организации процесса центрифуги делят на периодически и непрерывно действующие

Периодически действующие центрифуги. Работа центрифуги периодического действия складывается в основном из следующих периодов:

1) пуск центрифуги в ход и наполнение барабана;

2) вращение барабана с постоянной скоростью и разделение неоднородной смеси;

3) 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 центрифуги в ход. Осадок удаляют после остановки машины или при вращении барабана с пониженной скоростью.

Во многих производствах после проведения основного процесса центрифугирования производят промывку осадка и отжим промывных вод путем повторного пуска барабана на рабочее число оборо­тов; иногда этот процесс сопровождается вымыванием (экстрагированием) тех или иных компонентов исходной смеси.

В центрифугах периодического действия используется барабан с отверстиями или сплошной.

Барабан заключен в кожух, который служит сборником отделенной жидкости и одновременно защитным ограждением в случае разрыва барабана. Барабан приводится во вращение через ременную передачу или непосредственно от электродвигателя (иногда гидравлического привода).

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 которых 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 более).

На внутренних стенках дырчатых барабанов закрепляют металлические сита или фильтрующие ткани. Чтобы повысить эффективность разделения, в сплошных барабанах устанавливают кольцевые вставки, чем уменьшается скорость жидкости у стенок и улучшается осаждение твердых частиц.

Периодически действующие центрифуги изготовляют главным образом с вертикальным валом. Выгрузка материала из них может быть верхней или нижней. Нижняя выгрузка более удобна, но также требует затраты тяжелого физического труда. Для облегчения выгрузки центри­фуги иногда снабжают легко управляемым скребком (так называемой механической лопатой) или выполняют саморазгружающимися.

Рис. 1 Трехколонная центрифуга:

1—барабан; 2 —станина; 3 —кожух; 4 —вертикальная тяга; 5 —колонка; 6 —тормоз; 7 —электродвигатель.

В стоячих центрифугах с вертикальным валом и жесткой опорой при неравномерном распределении обрабатываемого материала возникают сильные и небезопасные колебания барабана. Поэтому в современ­ных конструкциях центрифуг используются эластичные опоры (резино­вые буферы, спиральные стальные пружины).

К числу наиболее распространенных периодически действующих центрифуг относятся центрифуги, подвешенные на трех колонках (трехколонные), и подвесные центрифуги с верхней опорой.

Трехколонные центрифуги. В трехколонной центри­фуге (рис. 1) для смягчения вибраций барабана 1 и разгрузки подпят­ника станина 2 с укрепленным на ней кожухом 3, барабаном и приводом подвешена при помощи вертикальных тяг 4 с шаровыми головками на трех расположенных под углом 120° колонках 5. Электродвигатель 7 смонти­рован на кронштейне станины или непосред­ственно в корпусе привода под барабаном. Барабан центрифуги приводит­ся во вращение через клиноременную передачу.

Центрифуга снабжена ручным тормозом 6, который может быть приведен в действие только после остановки электродвигателя.

На трехколонных центрифугах производят отделение жидкости от механических примесей и разделение средне- и грубодисперсных суспен­зий, требующих длительного центрифугирования.

Трехколонные центрифуги нормализованы и выпускаются с фильтрующими и сплошными барабанами диаметром 600, 800 и 1000 мм (емкость 45, 70, 140 л); наибольший фактор разделения в пределах 800—965. Трехколонные центрифуги изготовляются главным образом с верхней выгрузкой.

Как уже отмечалось, в условиях производства более целесообразна нижняя выгрузка материала из центрифуги. Поэтому в химической промышленности более распространены подвесные центрифуги.

Подвесные центрифуги. В подвесной центрифуге (рис. 2) вал 3 вращается на шариковых подшипниках, заключенных в стакан 4, который укреплен на карка­се 5

Центрифуга имеет барабан фильтрующего типа, приводимый в действие непосредственно от электродвигателя или через передачу (в других конструкциях центрифуг этого типа).

Подвесные центрифуги иногда снабжают форсункой для промывки осадка жидкостью, подаваемой из специального мерного бачка, а также паровыми форсунками для пропаривания осадка.

Предельное значение фактора разделения для подвесных центрифуг с барабаном диаметром 1000 и 1200 мм составляет соответственно 1180 и 615.

У саморазгружающихся подвесных центрифуг (рис. 3) нижняя часть барабана имеет коническую форму, причем угол наклона ее стенок больше угла естественного откоса получаемого осадка.

Автоматические центрифуги. На автоматических центрифугах все операции полного цикла центрифугирования, в том числе загрузка материала, промывка, пропаривание и выгрузка осадка, выполняются автоматически.

В современных горизонтальных автоматических центрифугах материал загружается в барабан через трубу и равномерно распределяется в нем. При полном числе оборотов барабана осадок после отделения жидкости снимается также на полном ходу ножом 3 или скребком, который срезает осадок и направляет его в желоб 5 или на транс­портер. Нож управляется при помощи гидравлического цилиндра 4 с ножом сблокирован пневматический молоток 7, который ударяет по же­лобу 5 для облегчения выгрузки осадка.

Последовательность и продолжительность отдельных элементов полного цикла центрифугирования регулируются электрогидравлическим автоматом, который состоит из масляного насоса, редуктора и гидравли­ческих цилиндров, упра­вляемых сервомотором.

Автоматические центрифуги выпускают с дырчатым или сплошным барабаном. Центрифуги с дырчатым (фильтрующим) барабаном предназначены для разделения средне-и грубодисперсных сус­пензий, зернистых, кристаллических и коротко-волокнистых материалов, измельчение осадка которых при выгрузке допустимо. Центрифуги со сплошным (отстойным) барабаном применяют для выделения твердого веще­ства из труднофильтруемых суспензий средней дисперсности.

Центрифуги с консольным барабаном (по рис. 4) обладают боль­шой устойчивостью к эксцентричным нагрузкам, загрузка их ускоряется, а осадок получается с меньшей конечной влажностью; производительность машины повышается вследствие увеличения ширины барабана (при наличии двусторонней опоры для уменьшения прогиба вала умень­шают ширину барабана и этим сокращают расстояние между подшипниками).

По ГОСТ автоматические центрифуги (с двусторонней опорой вала) имеют бара­баны диаметром 800, 1200, 1800 мм; предельный фактор разделения равен соответственно 1300, 810 и 520.

Непрерывно действующие центрифуги. Большое распространение получили центрифуги, в которых процесс осуществляется непрерывно.

Наиболее важными признаками различия типов непрерывно действующих центрифуг являются устройство барабана (фильтрующий или отстойный) и способ выгрузки осадка.

Рис. 5. Горизонтальная автоматическая центрифуга:

1—барабан; 2 —кожух; 3 —нож для съема осадка; 4 —гидравлический цилиндр; 5—трубопровод для подачи суспензии; 6 —шнековое выгрузочное устройство.

В центрифуге фильтрующего типа с непрерывной выгрузкой осадка пульсирующим поршнем (рис. 6) суспензия подается в узкую часть вращающегося конуса 1. С постепенно возрастающей скоростью она течет по внутренней поверхности конуса вниз и попадает на стенки вращающегося ситчатого барабана 2, укрепленного на горизонтальном полом валу 3. Фильтрат проходит через стенки в кожух 8, а на сите барабана остается слой осадка. Осадок непрерывно проталкивается к выходу при помощи специального поршня-толкателя 4, который вращается вместе с барабаном и совершает по 12—16 возвратно-поступательных ходов в минуту. Перемена направления хода толкателя производится автоматически масляным сервомотором. За каждый ход толкателя осадок перемещается приблизительно на 40—50 мм. Па пути к выходу осадок может быть промыт водой, поступающей по специальной трубе. В центрифугах с устройством для промывки осадка кожух 8 разделен на две секции, через одну из которых отводится про­мывная вода. Промытый и отжатый осадок удаляется через патрубок 9. Нижняя часть станины центрифуги является ванной для масла.

Барабан приводится во вращение от электродвигателя.

К недостаткам этой конструкции следует отнести интенсивный износ сита, возможность прохождения через сито мелких частиц, что вызывает необходимость повторной обработки отжатой жидкости, а также большой расход энергии на продвижение осадка.

Центрифуги фильтрующего типа с непрерывной выгрузкой осадка пульсирующими поршнями применяют для разделения грубодисперсных, легко теряющих влагу суспензий, особенно в тех случаях, когда нежелательно повреждение частиц осадка при выгрузке.

Рис. 6. Непрерывно действующая центрифуга с выгрузкой осадка пульсирующим поршнем:

1—конус; 2— ситчатый барабан; 3 —горизонтальный полый вал; 4 —поршень-толкатель; 5—вал; 6 —шестерен­чатый насос; 7 —диск; 8 —кожух; 9 —патрубок для отвода осадка.

Эти центрифуги имеют барабан диаметром до 1200 мм. Предельное значение фактора разделения невелико, при диаметре барабана 800 и 1200 мм оно составляет соответственно 645 и 615.

Рис. 7. Непрерывно действующая центрифуга со шнековой выгрузкой осадка:

1—наружный глухой барабан; 2— внутренний барабан-шнек; 3— трубопровод для подачи суспензии; 4— от­верстия для прохода суспензии из внутреннего барабана в наружный; 5—окна для выгрузки осадка; б—сливные окна; 7—редуктор;

8—трубки для промывной воды.

Непрерывно действующие центрифуги со шнековои выгрузкой осадка изготовляют главным образом отстойного типа.

Центрифуга имеет два барабана: наружный глухой барабан 1, состоящий из цилиндрической и конической частей, и 2, представляющий собой полый шнек и предназначенный для вы­грузки осадка. Барабан вращается на двух полых цапфах, к которым крепится торцовыми стенками. Суспензия подается по трубопроводу 3, находящемуся внутри правой цапфы, и через отверстия 4 посупает из внутреннего барабана-шнека в наружный барабан.

Жидкость попадает в пространство между шнеком и барабаном, на внутренней поверхности которого под действием центробежной силы происходит осаждение твердых частиц.

Шнековый барабан вращается с некоторым отставанием от наружного барабана (число оборотов на 1—2% меньше). Вследствие этого он перемещает осадок по направлению к левой торцовой крышке наружного барабана, в которой имеются окна 5 для выгрузки осадка. Жидкость движется в противоположную сторону и удаляется через сливные окна 6,

Рис. 8. Непрерывно действующая центрифуга с вертикальным коническим барабаном и тормозящим шнеком:

1—конический барабан; 2— шнек; 3— кожух; 4—патрубок для удаления осадка;

5— трубопровод для отвода фильтрата.

расположенные в правой торцовой крышке барабана. Съемными заслонками на этих окнах можно регулировать уровень жидкости внутри барабана и, следовательно, величину заполненного объема барабана, называемого зоной отстаивания. На свободной от жидкости поверхности барабана (зоне осушки) осадок дополнительно обезвоживается, причем перед осушкой он может быть промыт.

Центрифуга этого типа может быть использована также в качестве классификатора для разделения твердых частиц по их размерам или по удельному весу. На ней можно разделять частицы значительно меньшего размера, чем на гидравлических классификаторах.

Как было указано выше, непрерывная выгрузка осадка из центрифуги может быть осуществлена и под действием центробежной силы.

Разгрузка под действием центробежной силы применена в центри­фуге с вертикальным коническим барабаном и тормозящим шнеком (рис. 166). Суспензия подается сверху и отбрасывается на внутреннюю поверхность конического барабана с отверстиями. Жидкость проходит через стенки барабана и удаляется в трубопровод 5. На поверхности образуется слой осадка, толщина которого к широкому концу конуса постепенно уменьшается. Осадок имеет угол трения меньший, чем наклон стенок конуса, и поэтому движется по образующей барабана. С целью увеличения продолжительности обезвоживания движение осадка тормозится шнеком 2, который вращается медленней барабана. Необходимая разность скоростей вращения барабана и шнека достигается при помощи зубчатого редуктора.

Осадок постепенно передвигается к разгрузочному концу барабана и через патрубок 4 выгружается на транспортер.

Центрифуги такой конфигурации применяют для обезвоживания крупнозернистых материалов - угля, песка, руды и т.п.

Сверхцентрифуги. Для разделения эмульсий и тонких суспензий с низкой концентрацией твердой фазы, а также для осветления последних применяют центрифуги с большим числом оборотов, которые называются сверхцентрифугами.

Центробежное ускорение возрастает прямо пропорционально радиусу и квадрату числа оборотов барабана, а напряжение в стенках последнего увеличивается пропорционально квадрату его радиуса и квадрату числа оборотов. Для лучшего отстаивания жидкости желательно удлинить ее путь в центрифуге.

Таким образом, для лучшего разделения (или осветления) необходимо увеличить число оборотов, уменьшить диаметр и увеличить длину барабана.

На основе этого созданы разные конструкции сверхцентрифуг, которые отличаются друг от друга главным образом устройством барабана и числом оборотов.

Различают два основных вида сверхцентрифуг:

1) жидкостные сепараторы с барабаном небольшой высоты, работающие при 5000—10 000 об/мин.;

2) трубчатые сверхцентрифуги с трубчатым барабаном, работающие при 14 000—45 000 об/мин.

3) Жидкостные сепараторы. Схема сепаратора изображена на рис. 11. Барабан сепаратора состоит из цилиндрического корпуса 1 и конической крышки 2, соединенных накидной гайкой 3. Внутри барабана размещена коническая тарелка 4. Последняя представляет собой трубку, на наружной поверхности которой имеются радиальные перегородки б и воронка в. Эмульсия поступает по трубе а и движется по пути, показанному стрелками. Под действием центробежной силы более тяжелая жидкость образует слой у стенки барабана, проходит по кольцевому зазору между ним и воронкой в, после чего удаляется через отверстие б. Более легкая жидкость движется ближе к центру барабана и удаляется через отверстие 7.

Рис 9. Схема барабана жидкостного сепаратора:

1—корпус; 2 —коническая крышка; 3 —накидная гайка; 4 —коническая тарелка (а —трубка; б—перегородка; в - воронка); 5—вал; 6 —отверстие для выхода тяжелой жидкости; 7 —отверстия для выхода легкой жидкости.

Рис. 10. Схема 'барабана тарельчатого сепаратора:

1—труба для подачи эмульсии; 2 —тарелки; 3 —отверстие для отвода тяжелой жидкости; 4 — кольцевой канал для отвода легкой жидкости; 5—ребра.

Разделение суспензий ведется до момента заполнения осадком

почти всего объема барабана, после чего центрифугу останавливают, барабан разбирают и очищают от осадка.

Для очистки загрязненных тонких суспензий, например масел, лаков и др., часто применяют многокамерные сепараторы с несколькими концентрическими перегородками, образующими ряд полостей, через которые последовательно (в противоположных направлениях) протекает очищаемая жидкость.

Существенным улучшением конструкции сепараторов явилось разделение потока жидкости в барабане на ряд тонких слоев при помощи нескольких конусообразных перегородок (тарелок).

Последний снабжают ребрами 5, а тарелки—выступами; одновременно выступы фиксируют расстояние между тарелками.

В некоторых конструкциях сепараторов применяются глухие тарелки; жидкость подводится к периферии тарелок и движется тонкими слоями к центральной трубе, у которой отбираются раздельно тяжелая и легкая фракции.

Примером сепараторов тарельчатого типа могут служить широко распространенные молочные сепараторы.

Рис. 12. Сверхцентрифуга

Трубчатые сверхцентрифуги. Как было указано выше, сверхцентрифуги работают с числом оборотов до 45 000 в минуту. Благодаря этому ускорение центробежных сил в них выражается величиной, превосходящей в 12 000— 50000 раз ускорение силы тяжести.

В трубчатой сверхцентрифуге (рис. 12) жидкость поступает в трубчатый барабан (ротор) 2 через трубку 3. Внутри барабана имеется вставка с несколькими радиальными лопастями, которые препятствуют отставанию жидкости от вращающегося барабана. По мере движения вдоль барабана жидкость разделяется на слои по удельному весу ее составных частей; при этом из жидкости отделяются твердые частицы, находившиеся в ней во взвешенном состоянии.

Легкая фракция выходит через патрубок 4, а более тяжелая—через патрубок 5.

Сверхцентрифуги изготовляют с осветляющим или разделяющим барабаном. Барабаны обоих типов имеют в верхней части отверстия для отвода осветленной жидкости или более легкой жидкости (в случае разделения жидкостей). В разделяющем барабане установлена сменная кольцевая диафрагма для регулирования уровня тяжелой жидкости, а в его крышке просверлено отверстие для отвода более тяжелой жидкости.

При наличии в обрабатываемой жидкости твердых примесей, отлагающихся на внутренней поверхности барабана, центрифугу приходится периодически останавливать для очистки. Однако сверхцентрифуга может нормально работать при образовании довольно толстого слоя осадка в барабане.

В сверхцентрифугах удобно обрабатывать жидкости, требующие герметизации аппаратуры, а также проводить процесс при практически постоянной температуре (повышенной или пониженной), так как поверхность теплообмена у сверхцентрифуги незначительна.

По сравнению с тарельчатыми сепараторами трубчатые сверхцентрифуги отличаются компактностью, простотой конструкции и удобством эксплуатации. Однако для удаления высокодисперсных твердых примесей из суспензий, вследствие уноса твердых частиц при турбулентном движении жидкости через барабан центрифуги, производительность сверхцентрифуги может оказаться ниже, чем тарельчатого сепаратора.

При выборе сверхцентрифуг следует учитывать концентрацию твердой фазы в разделяемой суспензии, а также способность суспензии разделяться, которая характеризуется скоростью осаждения частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести.

Точные расчетные методы определения применимости сверхцентрифуг для того или иного случая разделения не разработаны, и выбор сверхцентрифуг производится главным образом путем предварительной экспериментальной проверки свойств суспензий и процесса ее разделения. Методы выбора сверхцентрифуг описаны в специальной литературе.

Дата добавления: 2014-10-31