3. Центрифугирование

Центрифугированием или фугованием называется разделение неоднородных систем при помощи центробежных сил. Оно осуществляется в машинах (точнее аппаратах), называемых центрифугами.

Процессы разделения, объединяемые лишь силовым полем, в котором они протекают, могут быть различными и подчи­няются неодинаковым закономерностям. Следует различать цен­трифугирование суспензий, шламов, эмульсий, растворов и аэрозолей.

Центрифугирование технических суспензий и шламов произво­дится двумя методами. По первому методу их разделение осущест­вляется благодаря использованию объемных сил дисперсной фазы, по второму — объемных сил дисперсионной среды и частично ди­сперсной фазы. В первом случае центрифугирование выполняется в роторах, имеющих сплошную стенку, во втором — перфорирован­ную.

Разделение в сплошных роторах можно сравнить с отстаиванием в поле тяжести, хотя особенности центробежного поля и обуслов­ливают разницу в протекании этих процессов.

Центрифугирование в перфорированных роторах является свое­образным процессом, отдельные элементы которого сходны с про­цессами фильтрации, прессования шламов и т. д.

Процессы центрифугирования в сплошных роторах следует подразделить на центрифугальное осветление и осадительное (от­стойное) центрифугирование.

Центрифугальное осветление — это процесс наиболее тщатель­ного удаления с помощью центрифуг примесей, содержащихся в жидкостях в незначительных количествах.

Осадительное центрифугирование является процессом разде­ления суспензий, содержащих значительное количество твердой фазы.

В качестве примеров центрифугального осветления можно ука­зать на удаление загрязнений и примесей из лаков и смазочных масел в целях регенерации последних, выделение окиси титана из бутилового спирта, отделение бактерий от жидкостей и т. д.

Примерами осадительного центрифугирования являются отде­ление угольного шлама от воды, выделение твердой фазы из сточ­ных вод и т. д.

Центрифугирование получило широкое распространение в разнообразных областях техники. Нет необходимости рассматривать все случаи применения центрифуг и их конструкции, в связи с чем ограничимся лишь промышленными центрифугами, служащими для обработки суспензий, шламов и эмульсий.

Центрифугальное осветление практически можно считать про­стейшим процессом. С физической точки зрения его можно рассмат­ривать лишь как процесс свободного осаждения частиц твердой фазы в жидкости под действием центробежного поля.[1]

Осадительное центрифугирование в общем случае слагается из трех процессов: 1) осаждения твердой фазы, 2) уплотнения осадка и 3) частичного удаления жидкости из пор осадка.

Центрифугирование суспензий и шламов в перфорированных роторах называется центробежной фильтрацией. В общем случае оно состоит из следующих трех процессов, протекающих в резуль­тате воздействия на обрабатываемый продукт центробежных сил инерции:

фильтрации с образованием осадка, т. е. отделения частиц, взвешенных в жидкости, при прохождении последней через прони­цаемую стенку ротора центрифуги; отжима жидкости из образовавшегося осадка; удаления из осадка жидкости, удерживаемой молекулярными силами.

Центробежная фильтрация с образованием осадка протекает подобно обычной фильтрации. Вслед за этим процессом происходит отжим жидкости из осадка, сопровождающийся уплотнением по­следнего. Затем следует удаление жидкости, удерживаемой в местах соприкосновения частиц и на их поверхности.

Примерами центробежной фильтрации, когда имеются все три процесса, являются отделение промывных вод от каптакса и отде­ление маточного раствора от нитрозофенола.

Процесс, состоящий из отжима и отделения пленочной и капил­лярной жидкости, называется центробежным отжимом. Примерами этого процесса являются центрифугирование сахарного утфеля и сульфата аммония.

Процесс, при котором происходит только удаление пленочной и капиллярной жидкости, называется центробежной сушкой. Сле­дует заметить, что под сушкой обычно подразумевают тепловой процесс, связанный с испарением влаги. В данном случае процессу обезвоживания подвергается трехфазная система: твердый скелет осадка, жидкость и воздух, который может непрерывно просасы­ваться через осадок. Поэтому, помимо перетекания пленочной и капиллярной жидкости, имеет место и испарение жидкости с уносом паров потоком воздуха, проходящего через стенку ротора. Такой процесс и называют «центробежной сушкой». К этому процессу условно относится центрифугирование угольной мелочи, обезжи­ривание металлических стружек и т. д.

Центрифугирование эмульсий обычно называется сепарацией эмульсий. Этот процесс осуществляется в роторах со сплошной стенкой и его можно сравнить с процессом отстаивания эмульсий в поле тяжести. Примерами этого процесса являются отделение сливок от молока, воды от смазочных масел, и т. д. Процесс центрифугирования эмульсий осуществляется для их разделения или концентрирования.

Центрифугирование растворов не получило еще распростране­ния. Полного разделения многих растворов достигнуть пока не удалось, так как интенсивность центробежного поля, развиваемого в современных центрифугах, является недостаточной для, преодо­ления сил диффузии.[6]

Процессы центрифугирования, как и другие технологические процессы, подразделяются на периодические, непрерывные и ком­бинированные из первых двух.

В периодическом процессе отдельные его стадии или операции осуществляются в одном аппарате или машине, но в разное время.

При периодическом процессе центрифугирования в промежуток времени, разделяющий загрузку продукта и его выгрузку, жидкая фаза непрерывно выводится из вращающегося ротора. Некоторые параметры периодического процесса изменяются во времени. Так, скорость процесса центрифугирования уменьшается, изменяется концентрация твердой фазы в отходящей жидкости — фугате и т. д.

Характерным примером периодического процесса центрифуги­рования является центробежный отжим сахарного утфеля в под­весных центрифугах. Утфель загружается в ротор центрифуги при его медленном вращении. Затем вращение ротора доводится до наибольшей скорости. При постоянной скорости вращения ротора центрифуги производятся центрифугирование и промывка продукта. Наконец, ротор затормаживают, останавливают, после чего из ротора выгружается сахар. Затем производственный цикл повто­ряется снова.

Непрерывный процесс характеризуется одновременностью про­текания всех его стадий, установившимся состоянием и непрерыв­ной выгрузкой конечного продукта. В идеальном случае вследствие установившегося состояния при непрерывном процессе в любой точке массы обрабатываемого материала или в любом сечении аппа­рата физические величины или параметры в течение всего времени протекания процесса остаются неизменными. При непрерывном центрифугировании скорость вращения ротора центрифуги остается неизменной. Центрифуга непрерывно и раздельно выдает продукты, полученные в результате, процесса, причем производительность центрифуги и скорость процесса не изменяются во времени. Харак­терным примером непрерывного центрифугирования является обра­ботка каменноугольной мелочи в непрерывно действующей филь­трующей центрифуге с вибрационной выгрузкой. Другим примером является разделение эмульсий на тарельчатых сепараторах и труб­чатых сверхцентрифугах.

Примером комбинированного процесса центрифугирования яв­ляется осветление жидкостей с помощью тарельчатых сверхцентри­фуг с периодическим периферийным выпуском осадка. Здесь освет­ление производится непрерывно, а выгрузка накапливающегося в роторе осадка — периодически. Условно к комбинированным процессам можно отнести осветление жидкостей с помощью труб­чатых сверхцентрифуг, в которых производят в течение длитель­ного времени непрерывное осветление жидкости с периодическими остановками для выгрузки осадка.

Осадительное центрифугирование

Осадительное или отстойное, центрифугирование — это техно­логический процесс разделения суспензий со значительным содер­жанием твердой фазы (свыше нескольких объемных процентов), осуществляемый в сплошных роторах центрифуг. Обычно этот процесс применяется для обработки суспензий, содержащих мелко­зернистую и среднезернистую твердую фазу.

При осадительном центрифугировании в большинстве случаев не достигается четкого разделения, фугат получается более или менее загрязненным, осадок — влажным. Относительно большое содержание твердой фазы в суспензиях, подвергаемых осадитель­ному центрифугированию, обусловливает для производственного процесса применение преимущественно нескоростных центрифуг. Это объясняется тем, что при большом содержании твердой фазы в суспензиях требуются либо емкие роторы либо приспособления для удаления осадка на ходу.

Этим требованиям отвечают обычные, нескоростные центри­фуги (исключение составляют специальные сверхцентрифуги для пастообразных осадков).

В общем случае осадительное центрифугирование состоит из трех процессов: процесса осаждения твердой фазы, протекающего по гид­родинамическим законам сопротивления среды движению находяще­гося в нем тела; процесса уплотнения осадка, происходящего по законам механики дисперсных систем, и процесса частичного удаления из осадка жидкости, удерживаемой молекулярными силами.[6]

Процесс осаждения твердой фазы может происходить двояко. Если ее концентрация выше определенного предела и система достаточно однородна по дисперсности, возможно коллективное осаждение с образованием поверхности раздела осаждающейся твердой фазы и жидкости. До этого предела осаждение твер­дой фазы происходит без образования указанной поверхности раздела.

В связи с недостаточной изученностью процесса коллективного осаждения критическую концентрацию суспензий, разделяемых осадительным центрифугированием, определить нельзя. В опытах с суспензиями мела и каптакса коллективное осаждение наблюда­лось уже при концентрации твердой фазы в суспензии, равной 3—4 объемным процентам.

Наиболее типовыми способами осадительного центрифуги­рования, применяемыми в промышленности, являются сле­дующие:

Центрифугированию подвергается определенный объем сус­пензии, который не пополняется, а фугат во время процесса не от­водится. В данном случае фугование может производиться в стакан­чиках пробирочной центрифуги либо в роторе осадительной центри­фуги периодического действия.

Продукты разделения удаляются по окончании процесса после­довательно: сначала жидкая фаза, затем твердая.

Во время центрифугирования непрерывно подводится суспен­зия и отводится фугат. В простейшем случае во вращающийся с постоянной скоростью ротор центрифуги у его днища непрерывно подается суспензия. Через передний борт ротора переливается фугат вследствие вытеснения его из рабочего объема ротора посту­пающими порциями обрабатываемой суспензии.

В то время как фугат непрерывно отводится из ротора, осадок накапливается на его стенках и удаляется лишь по окончании процесса.

После выключения питания осадок уплотняется, а затем отво­дится жидкая фаза, вытесненная из последнего, и осадок выгру­жается .[1]

При этом способе на ход процесса влияют: режим течения жид­кости внутри ротора, степень отставания жидкости от вращения ротора, вихревые токи жидкости внутри него и т. д.

Во время центрифугирования непрерывно подводится сус­пензия и отводятся фугат и осадок. По одному из вариантов сус­пензия непрерывно подводится в среднюю часть конического ротора, вращающегося с постоянной скоростью. Через сливные окна, расположенные в торцовой стенке широкой части ротора, также непрерывно выливается фугат. Образующийся на стенках ротора осадок твердой фазы транспортируется шнеком к разгру­зочным окнам, расположенным в узкой части ротора, причем осадок выводится из слоя жидкости и из него удаляется часть жидкости в так называемой зоне осушения.

В рассматриваемом случае на течение процесса влияют те же факторы, что и при втором способе, в том числе и форма потока, а также относительное вращение шнека.