Центрифугирование

Лекция №5

Разделение жидких неоднородных смесей эффективно проводится методом центрифугирования, основанным на использовании центробежной силы. Аппараты, в которых жидкие неоднородные смеси разделяются под действием центробежной силы, называются центрифугами.

Метод центрифугирования широко используют в различных областях техники; число типов и конструкций центрифуг весьма велико.

Основной частью центрифуги является барабан (ротор со сплошными или перфорированными стенками), вращающийся с большой скоростью на вертикальном или горизонтальном валу. 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; барабаны с отверстиями покрываются фильтром. 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 и снабжены на внутренней поверхности фильтрующей перегородкой, например фильтровальной тканью, то твердые частицы смеси остаются на фильтрующей перегородке, а жидкая фаза проходит через поры твердого осадка и фильтрующей перегородки и удаляется из барабана. Жидкая фаза, отделяемая на центрифуге, называется фугатом.

Центробежная сила; фактор разделения. При вращении барабана центрифуги и находящейся в нем жидкости возникает центробежная сила как сила инерции.

С=m W²/ r (1)

Где:

m —вес вращающегося тела (жидкости) в кгс;

r —радиус вращения в м

W —окружная скорость вращения в м/с;

Окружная скорость вращения определяется как:

W=ω r = 2 π n r/60 (2)

п —число оборотов в минуту;

ω—угловая скорость вращения в радианах

g—ускорение силы тяжести в м/сек², если m=G/g, тогда центробежная сила С, действующая на вращающееся тело с массой m и весом G, равна C= G(2π n r/60)²/rg Или C ≈ G n²r/900 (3)

Уравнение (2,3) показывает, что увеличение центробежной силы легче достигается увеличением числа оборотов, чем увеличением диаметра барабана. Барабаны небольшого диаметра, но с большим числом оборотов могут развить большую центробежную силу, чем барабаны большого диаметра, но при небольшом числе оборотов.

Таким образом, центробежная сила, действующая на частицу, может быть больше силы тяжести во столько раз, во сколько ускорение центробежной силы больше ускорения свободного падения. Отношение этих ускорений называют фактором разделения и обозначают Кр:

Кр= W²/ r g

W²/ r – ускорение центробежной силы.

Приняв G=1н, получим: Кр=n² r /900

Например, для центрифуги с ротором диаметром 1000 мм (r=0,5 м) вращающимся со скоростью n=1200 об/мин, фактор разделения составит 800. Разделяющее действие центрифуги растет пропорционально величине Кр.

Значение К для циклонов имеет порядок сотен. А для центрифуг – около 3000, таким образом, движущая сила процесса осаждения в циклонах и центрифугах на 2-3 порядка больше, чем в отстойниках. Благодаря этому производительность циклонов и центрифуг выше производительности отстойников, и в них можно эффективно отделять мелкие частицы: в центрифугах размером порядка 1мкм. В циклонах – порядка 10 мкм.

Из сравнения уравнений видно, что фактор разделения К_р численно равен центробежной силе, развива­ющейся при вращении тела весом 1 кг.

Характеристика процессов центрифугирования. Как было указано выше, центрифугирование можно проводить по принципу отстаивания (в сплошных барабанах) или по принципу фильтрации (в дырчатых бара­банах). По своей физической сущности оба процесса отличаются друг от друга. Кроме того, имеются отдельные разновидности каждого из этих процессов, которые определяются содержанием твердой фазы и степенью ее дисперсности, а также физическими свойствами суспензии.

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 двух физических процессов: осаждения твердой фазы (процесс проходит по законам гидродинамики) и уплотнения осадка; к последнему процессу применимы основные закономерности механики грунтов (дисперсных сред).

До некоторого предела концентрации твердой фазы (равного ориентировочно 3—4% по объему) 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, так как процесс происходит в поле тяжести, ускорение которого не зависит от координат падающей частицы.

Ускорение же поля центробежных сил является величиной переменной и зависит при постоянной угловой скорости от радиуса вращения rчастицы. Кроме того, силовые линии центробежного поля не параллельны друг другу и, следовательно, направление действия центробежных сил будет неодинаково для разных частиц (не лежащих на одном радиусе вращения).

Поэтому закономерности процессов отстаивания нельзя распространять на процесс центрифугирования в отстойных барабанах.

Разделяющая способность отстойных центрифуг характеризуется индексом производительности (сигма) Σ, который является произведением площади цилиндрической поверхности осаждения F в роторе на фактор разделения Кр.

Σ=F Кр (1), Кр= W2/rg ≈n2 r/900, откуда Σ /F=Кр (2)

Учитывая, что фактор разделения выражает отношение скоростей отстаивания частиц в отстойной центрифуге и отстойнике, в соответствии с равенством (2) величину Σ следует считать равной площади отстойника, эквивалентного по производительности для данной суспензии рассматриваемой центрифуге. Индекс производительности отражает влияние всех конструктивных особенностей осадительной центрифуги, определяющих ее разделительную способность.

При определении производительности отстойных центрифуг периодического действия необходимо учитывать затраты времени на пуск, торможение и разгрузку центрифуги Определение производительности фильтрующей центрифуги так же сложно, как и определение производительности любого фильтра.

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

Длительность указанных выше периодов зависит от физических свойств и концентрации суспензий, а также от характеристики центрифуги.

Сложность и многообразие процессов центрифугирования затрудняет разработку теории процесса (особенно его кинетика) и точных методов расчета центрифуг.

Производительность центрифуг. Обычно производительность центрифуг выражают объемом суспензии, поступающей в центрифугу в единицу времени (л/час), или весом осадка, получающегося после центрифугирования (кг/час).

Дата добавления: 2014-10-31