6.2. Теоретические основы процесса центрифугирования
Центробежную силу, возникающую при вращении тела, можно определить по формуле (6.1):
, (6.1)
где
V
– окружная скорость вращения тела (
);
m
– масса вращающегося тела; R
– радиус окружности вращения; n – частота
вращения тела.
Подставляя значение V в формулу (6.1), получим (6.2):
, (6.2)
заменим π2 ≈ 9,8 = g, получим (6.3):
, (6.3)
Одним из основных показателей центрифуги, характеризующим ее технологические возможности, является фактор разделения Фр показывающий , во сколько раз в данной центрифуге центробежные силы превосходят силы тяжести (6.4):
, (6.4)
Центрифуги нашли применение в различных отраслях народного хозяйства:
1) в горной промышленности для обезвоживания продуктов мокрого обогащения, осветления моечных вод, обогащения в тяжелых жидкостях и суспензиях;
2) в химической промышленности для отделения жидкой фазы от твердой и для разделение жидкостей на отдельные фракции по плотности.
По фактору разделения центрифуги классифицируются на центрифуги нормального действия при факторе разделения Фр< 3500 и сверхнормального действия Фр> 3500.
По способу центрифугирования делятся на фильтрующие, осадительные и комбинированные.
Фильтрующие центрифуги можно разделить по способу удаления продуктов обезвоживания на:
– инерционные с разгрузкой продуктов обезвоживания при помощи центробежных сил;
– шнековые с разгрузкой продуктов обезвоживания шнеками;
– вибрационные с разгрузкой продуктов обезвоживания при помощи вибраций ротора;
– самотечные с разгрузкой продуктов самотеком.
6.3. Факторы, влияющие на работу центрифуг
На процесс обезвоживания в центрифугах влияет большое число факторов: гранулометрический состав обезвоживаемого продукта, производительность центрифуги по суспензии, равномерность подаваемой нагрузки, фактор разделения, время пребывания осадка в роторе, конструкция ротора, угол конусности и др.
К показателям эффективной работы центрифуг относятся:
- высокая производительность;
- низкая влажность продуктов обезвоживания;
- низкие потери твердого в фугате;
- низкая удельная металло- и эногоемкость;
- степень измельчения твердой фазы;
- малые габариты центрифуг и др.
Унос твердого в фугат определяют в абсолютных единицах (г/л) или в относительных (отношение массы твердого в фугате к массе твердого в питании центрифуги, %). Унос твердого в фугат зависит от гранулометрического состава обезвоживаемого материала, удельной производительности по питанию, размера щелей сит, отношения Ж:Т в питании и др. Степень измельчения продукта при обезвоживании в центрифугах определяется в основном способом выгрузки осадка из ротора. Так, наибольшая степень измельчения твердого наблюдается при обезвоживании в фильтрующих шнековых центрифугах.
Продолжительность обезвоживания осадка в роторе фильтрующей центрифуги обычно не превышает 2,5 с. Увеличение продолжительности обезвоживания с 1 до 2,5 с приводит к снижению влажности осадка на 0,5 % (рис. 6.1 а).
Наибольшее влияние на влажность осадка оказывают содержание мелких классов в питании (рис. 6.1, б) и толщина осадка в роторе центрифуги (рис. 6.1, г). В первом случае при увеличении класса – 0,5 мм в питании от 5 до 25 % влажность осадка возрастает на 3,5 – 4 %, а во втором - при увеличении толщины осадка с 15 до 50 мм наблюдается повышение влажности осадка на 1,7 %. При увеличении фактора разделения в 2 раза (рис. 6.1, в) от 100 до 200 влажность осадка снижается на 0,5 %.
Рис. 6.1 Зависимость влажности осадка W от продолжительности обезвоживания t (а), содержания в питании мелких (- 0,5 мм) классов γ (б), фактора разделения Фр (в) и толщины слоя осадка h (г) при постоянных значениях остальных режимных параметров (Фр = 130; t = 2 с; h = 35 мм; γ = 15 %)
Снижение влажности осадка в высокопроизводительных фильтрующих центрифугах с вибрационной выгрузкой осадка достигается вследствие увеличения длины ротора и соответственно повышения времени пребывания материала в роторе.
Влажность продуктов обезвоживания зависит главным образом от гранулометрического состава обрабатываемого материала и в большей степени от содержания в исходном продукте тонких классов.
Увеличение фактора разделения снижает влажность продуктов обезвоживания, но значительно повышает расход электроэнергии, и возникает опасность поломки центрифуг.
Результаты обезвоживания в осадительных центрифугах в значительной степени зависят от производительности центрифуги по питанию: с ее возрастанием увеличивается унос твердого с фугатом, так как сокращается время пребывания суспензии в роторе центрифуги, кроме того, из-за повышения скорости движения суспензии в роторе в слив попадают относительно крупные зерна. Рост производительности приводит также к повышению влажности осадка. С увеличением относительной объемной производительности унос твердого с фугатом возрастает с 40 до 60 % в фильтрующей центрифуге и с 20 до 46 % в осадительной центрифуге.
На процесс обезвоживания в центрифугах, кроме указанных механических факторов, существенное влияние оказывают физико-химические факторы:
- электрические силы поверхности частиц;
- силы Ван-дер-Ваальса;
- степень гидратации поверхности частиц;
- осмотические явления;
- ионообмен между твердой и жидкой фазами;
- агрегативное состояние пульпы.
С целью интенсификации процесса осадительного обезвоживания, суспензию иногда обрабатывают поверхностно-активными веществами. В результате снижается поверхностное натяжение воды и увеличивается гидрофобность поверхностей частиц. Это позволяет снизить влажность осадка на 5 %.