Центрифуги и сепараторы

Центрифугирование - процесс разделения неоднородных жидких систем в поле центробежных сил. Аппараты для осуществления этого процесса называются центрифугами. В упрощенном виде центрифуга - это вращающийся цилиндр, внутри которого происходит разделение фаз по плотности.

В МБ производствах центрифуги используются в основном для разделения суспензий (Ж-Тв). В зависимости от свойств дисперсной фазы центрифугирование осуществляется методами ц.б. фильтрования и ц.б. осаждения. И соответственно центрифуги подразделяют на фильтрующие и отстойные.

Процессы разделения в центрифугах аналогичны процессам, протекающим в фильтрах и гравитационных отстойниках, однако в ц.б. поле скорость разделения значительно выше. Движущей силой процесса центрифугирования является ц.б. сила, возникающая в среде при вращении ротора центрифуги.

Величина, действующей на систему ц.б. силы находится по уравнению:

С=mv²/R = Р²R/g  PRn²/900 ,

где m - масса вращающегося тела;  - угловая скорость или частота вращения, с^-1; v - окружная скорость; n - число оборотов в минуту ( = n/30).

Эффективность работы центрифуги обычно оценивают фактором разделения Ф, который показывает во сколько раз ц.б. ускорение в центрифуге больше ускорения свободного падения.

Ф_р=²R/g = n²r/900

Однако процессы разделения в осадительных и фильтрующих центрифугах протекают не так быстро, по сравнению с соответствующими процессами в отстойниках и фильтрах, как это следует из соотношения ц.б. и гравитационной сил.

Разделение фаз в отстойных центрифугах

В отстойных центрифугах со сплошными стенками происходит ц.б. отстаивание эмульсий и суспензий. Суспензия вводится в аппарат с одной стороны, а фугат (жидкая составляющая) переливается через край с другой. Процесс разделения суспензий складывается из стадий осаждения твердых частиц на стенках ротора и уплотнения образовавшегося осадка. Отличается от процессов осаждения в отстойниках тем, что по мере движения частицы к периферии ротора движущая сила процесса ц.б. осаждения возрастает.

Разделяющая способность осадительных центрифуг характеризуется индексом производительности Е

Е=F*Ф_р,

где F - площадь поверхности осаждения, F=(D-h)L; D - диметр ротора; L - длина ротора; h - высота борта ротора; (D-h) средний диаметр слоя суспензии.

Это равенство справедливо только при ламинарном режиме осаждения. При переходном и турбулентном режимах индекс производительности выражается следующим образом:

Е=F*Ф_р^0,71 и E=F*Ф_р^0,5

Это уменьшение производительности объясняется рядом причин: отставанием скорости вращения жидкости от скорости ротора, что приводит к уменьшению ц.б. сил; неравномерностью течения жидкости вдоль ротора и увлечением осадившихся частиц; образованием вихревых зон, взмучивающих частицы. В связи с этим вводят коэффициент эффективности отстойных центрифуг - отношение действительной и теоретической производительности.

k = Q_д/Q_т

Разделение фаз в фильтрующей центрифуге

В фильтрующей центрифуге с проницаемыми стенками осуществляется разделение по принципу фильтрации, а разность давлений на фильтровальной перегородке создается за счет ц.б. силы. Фугат фильтруется через слой осадка и через отверстия барабана выводится в корпус аппарата; твердая фаза, накопившаяся в барабане, периодически выгружается.

Процесс осаждения в фильтрующих центрифугах отличается от процесса разделения на фильтрах и к нему неприменимы закономерности процесса фильтрования. В общем случае процесс ц.б. фильтрации складывается из трех стадий: образования, уплотнения и механической сушки осадка.

Фильтрующие центрифуги также характеризуются коэффициентом эффективности k и индексом производительности Е, определяемым более сложным соотношением, чем F*Ф.

Вследствие уплотнения осадка под действием ц.б. сил твердые частицы в слое могут деформироваться и закрыть перфорацию стакана, т.е. производительность центрифуги упадет. Поэтому на фильтрующих центрифугах не следует разделять суспензии с деформируемым осадком, например биомассу.

Конструкции центрифуг

1. Пульсирующая фильтрующая центрифуга непрерывного действия с горизонтальным ротором и пульсирующей выгрузкой осадка (рис.43а).

Применяется для разделения суспензий с содержанием твердой фазы >20% и размером частиц >100 мкм. Основные достоинства - высокая производительность, простота эксплуатации, низкий удельный расход энергии.

Основные элементы: вращающийся полый вал с корзиной ротора, поршень с перфорированным кольцом и конической воронкой, перемещаемый при помощи штока, труба для ввода суспензии и кожух аппарата.

2. Центрифуга осадительная с ножевой выгрузкой осадка (рис.43б).

Для разделения суспензий с содержанием >10% твердой фазы и при размере частиц 5-40 мкм. Выгрузка осадка периодическая.

Основные элементы: ротор, труба для подачи суспензии, кожух, нож с гидравлическим приводом и наклонный желоб для выгрузки осадка.

Рис. 43: а) Центрифуга фильтрующая с поршневой выгрузкой осадка: 1 - перфорированный ротор с полым валом; 2 - кожух; 3 - шток с поршнем; 4 - перфорированное кольцо; 5 - конус; 6 - труба для подачи суспензии. б) Отстойная центрифуга с ножевым устройством для удаления осадка: 1 - ротор; 2 - кожух; 3 - нож; 4 - гидравлический цилиндр для подъема ножа; 5 - наклонный желоб; 6 - труба для подачи суспензии.

3. Центрифуга осадительная горизонтальная со шнековой выгрузкой.

Для концентрирования суспензий 1-40% твердой фазы и размером частиц 2-5 мкм при разности плотностей >200 кг/м³.

Основные элементы: кожух, конический ротор со сплошными стенками и конический шнек на полом валу, вращающиеся самостоятельно, центральная труба для ввода суспензии. (Рис.44) Шнек и ротор вращаются в одну сторону, но с разными скоростями; шнек тащит осадок к выходу из ротора, а фугат выливается через отверстия в противоположном торце ротора.

Рис. 44. Центрифуга типа ОГШ: 1 - привод; 2 - подшипниковые опоры; 3 - кожух; 4 - окна выгрузки осадка; 5 - шнек; 6 - ротор; 7 - сливные окна; 8 - питающая труба.