3. Осаждение под действием центробежных сил

Скорость разделения неоднородных систем можно значительно повысить в поле центробежных сил по сравнению с отстаиванием под действием силы тяжести. Такое повышение обусловливается увеличением движущей силы процесса разделения. Для создания поля центробежных сил используют два способа:

1) обеспечивают вращательное движение потока в неподвижном аппарате; такой процесс разделения называется циклонным, а аппарат для его осуществления – циклоном;

2) поток направляют во вращающийся аппарат, этот способ разделения называют осадительным центрифугированием; а аппараты, в которых он осуществляется, – осадительными центрифугами.

Для оценки эффективности осаждения под действием центробежной силы по сравнению с разделением под действием силы тяжести вводится понятие фактора разделения, равного их отношению

, (9.9)

где m – масса осаждаемой частицы.

Таким образом, центробежная сила, действующая на частицу, больше силы тяжести во столько раз, во сколько ускорение центробежной силы а_ц больше ускорения силы тяжести .

Центробежное ускорение равно

, (9.10)

где r – радиус вращения частицы, w_r – окружная скорость вращения частицы вместе с потоком на радиусе r. Окружную скорость можно выразить через частоту вращения частицы n (c^-1) () или угловую скорость  (). В этом случае выражение для центробежного ускорения примет вид

. (9.10а)

Подставляя значения а_ц по формулам (9.10) и (9.10а) в зависимость (9.9), получим

, (9.11а) . (9.11б)

Значение К_р 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. По этой причине производительность циклонов и центрифуг выше производительности отстойников, в них можно отделять мелкие частицы: в центрифугах – порядка 1 мкм, в циклонах – порядка 10 мкм.

3. Циклоны и осадительные центрифуги

Циклоны. Процесс разделения неоднородных систем во вращающемся потоке неподвижного аппарата используется для отделения пыли от газа (аппараты называются циклонами), суспензий и нестойких эмульсий (аппараты – гидроциклоны). Циклон конструкции НИИОгаз, показанный на рис. 9.5, состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем 2 и крышкой 3.

Рис. 9.5. Циклон конструкции НИИОгаз: 1 – корпус; 2 – днище; 3 – крышка; 4 – патрубок для входа запыленного газа; 5 – сборник для пыли; 6 – выхлопная труба

Запыленный газ поступает тангенциально со значительной скоростью 20 – 30 м/с через патрубок 4 прямоугольного сечения в верхнюю часть корпуса циклона. В корпусе поток запыленного газа движется вниз по спирали вдоль внутренней поверхности стенок циклона. При таком вращательном движении частицы пыли как более тяжелые перемещаются в направлении действия центробежной силы быстрее, чем газ, концентрируются в слоях газа, примыкающих к стенке аппарата, и переносятся потоком в пылесборник 5. Здесь пыль оседает, а очищенный газ, продолжая вращаться по спирали, поднимается кверху и удаляется через выхлопную трубу 6. В циклонах НИИОгаз с диаметром корпуса от 100 до 1000 мм степень очистки газов от пыли составляет 30 – 85% (для частиц диаметром 5 мкм) и с увеличением диаметра частиц она возрастает до 70-95% (для частиц диаметром 10 мкм) и далее до 90-95% (для частиц диаметром 20 мкм).

Рис. 9.6. Схема батарейного циклона: 1 – корпус; 2 – патрубок для входа запыленного газа; 3 – распределительная камера; 4 – трубная решетка; 5 – элемент-ный циклон; 6 – патрубок отвода очищенного газа; 7 – бункер для пыли

Рис. 9.7. Устройство элемента батарейного циклона: 1 – корпус; 2 – выхлопная труба; 3 – закру-чивающее устройство; 4 – пыле-отводящий патрубок

Степень очистки газа в циклоне повышается с увеличением фактора разделения К_р. Как следует из уравнения (9.11а), увеличить К_р можно путем уменьшения радиуса r или путем увеличения скорости w_r газового потока. Однако увеличение скорости приводит к увеличению гидравлического сопротивления циклона и к возможности турбулизации газового потока, что снижает степень очистки газа. Таким образом, скорость газа должна быть оптимальной. Уменьшение радиуса вращения газового потока связано с уменьшением размеров циклона и, как следствие, с уменьшением его производительности. Поэтому при больших расходах запыленного газа применяют батарейные циклоны (мультициклоны), когда в одном корпусе установлено несколько циклонных элементов малого размера. Диаметр элементов батарейного циклона лежит в пределах от 40 до 250 мм.

Батарейный циклон (рис. 9.6) состоит из параллельно работающих циклонных элементов 5, смонтированных в одном корпусе 1. Запыленный газ через входной патрубок 2 попадает в распределительную камеру 3, ограниченную трубными решетками 4, в которых герметично закреплены циклонные элементы. Газ равномерно распределяется по отдельным элементам, действие которых аналогично действию обычных циклонов. Очищенный газ выходит из элементов в общую камеру и удаляется через патрубок 6. Пыль собирается в бункер 7.

Устройство циклонного элемента показано на рис. 9.7. Газ поступает сверху через кольцевое пространство между корпусом 1 и выхлопной трубой 2. Вверху кольцевого пространства установлено закручивающее лопастное устройство 3 в виде "винта", имеющего две лопасти, наклоненные под углом 25 градусов. При помощи такого устройства придается вращательное движение газовому потоку. Пыль из элемента осыпается через пылеотводящий патрубок 4.

Гидроциклоны и мультигидроциклоны аналогичны по устройству циклонам и мультициклонам. На рис 9.8 показана схема гидроциклона.

Рис. 9.8. Гидроциклон: 1 – корпус; 2 – суспензия; 3 – выход осадка; 4 – выход осветленной жидкости

В верхней части цилиндроконического корпуса 1 тангенциально расположен патрубок для ввода суспензии (нестойкой эмульсии). Через нижний патрубок 3 выходит осадок (тяжелая фаза), а через патрубок в цилиндрической части 4 – очищенная осветленная жидкость (легкая фаза). Достоинствами гидроциклонов являются простота устройства, компактность и низкая стоимость, а их недостатком – невысокая степень разделения.

Расчет циклонов. Теоретический расчет циклонов очень сложен, и на практике используют метод выбора циклона (типа, его размеров) на основе ряда заданных и расчетных величин. Должны быть заданы: расход газа , фракционный состав пыли, начальная концентрация пыли в газе и степень очистки. По таблицам ориентировочно выбирают тип нормализованного циклона. Далее определяется диаметр циклона следующим путем. Гидравлическое сопротивление циклона характеризуется уравнением

, (9.12)

где w_ц – фиктивная скорость газа в циклоне, получаемая делением объемного расхода газа на поперечное сечение цилиндрической части циклона;  – плотность газа; _ц – коэффициент гидравлического сопротивления циклона (справочная величина). Для расчета циклона необходимо знать отношение

. (9.13)

Каждый тип циклонов имеет свое оптимальное значение . Так, для циклонов типа НИИОгаз= 500 – 750 м²/с². По принятым значениям и_ц исходя из формулы (9.13) можно вычислить оптимальное значение w_ц.

По уравнению расхода определяют диаметр циклона:

. (9.14)

Далее по нормалям для вычисленного значения D_ц определяют все остальные размеры циклона. С учетом фракционного состава пыли ее плотности, а также D_ц и по справочным данным находят степень очистки. Так как значение степени очистки после первого вычисления может быть неудовлетворительным, то приходится делать несколько последовательных расчетов, принимая новые уменьшенные значенияD_ц, с учетом установки нескольких параллельно соединенных циклонов или выбирать новый тип циклона. Рекомендуется выбирать тип циклона и число циклонов на основе минимальных приведенных затрат.

Осадительные центрифуги. Осадительные центрифуги применяются для разделения суспензий с объемной концентрацией твердой фазы до 40%, состоящей из частиц размером более 1 мкм. В результате центрифугирования получаются осадок с некоторым содержанием жидкой фазы и осветленная жидкость (иногда с небольшим содержанием мелких твердых частиц), называемая фугатом. Кроме осадительных в химической технологии используют и фильтрующие центрифуги (о чем будет сказано в разделе «Фильтрование»).

По организации процесса центрифуги делятся на центрифуги непрерывного и периодического действия; по расположению вала ротора – на горизонтальные, вертикальные и наклонные; по способу выгрузки осадка – на центрифуги с ручной, шнековой, гравитационной и другими способами выгрузки.

Осадительные центрифуги применяют и для разделения эмульсий, их называют сепараторами, а процесс разделения – сепарацией.

Схема осадительной вертикальной центрифуги периодического действия с ручной выгрузкой осадка показана на рис. 9.9. Основной частью центрифуги является барабан 1 со сплошной стенкой, который насажен на вращающийся вал. Суспензия подается во внутрь барабана по трубе 5. Под действием центробежной силы твердые частицы суспензии движутся к стенкам барабана и отлагаются на них в виде осадка 3. Осветленная жидкость (фугат) переливается из барабана в кожух 6 и выводится из него через штуцер 4. По окончании разделения центрифугу останавливают и вручную выгружают из барабана осадок. Недостатком таких центрифуг являются низкая производительность и ручной труд при выгрузке осадка.

На рис. 9.10 показана схема осадительной горизонтальной центрифуги непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка. Эта центрифуга имеет два вращающихся барабана, выполняющих различные функции. Внутренний барабан 2 с окнами 7 приводится во вращение от внутреннего вала 5 с небольшим числом оборотов. На внутреннем барабане установлены лопасти шнека 4. Эта сборочная единица служит для приема суспензии и подачи ее в конический барабан 1, а также для перемещения осадка лопастями шнека справа налево к левой кромке барабана 1.

Конический барабан 1, вращающийся от внешнего вала 3 с большим числом оборотов, служит для центробежного разделения суспензии на осадок и осветленную жидкость (фугат). Схема движения потоков в центрифуге такова. Суспензия поступает во внутренний барабан 2 и из его окон 7 направляется в конический барабан 1. Осветленная жидкость (фугат) из барабана 1 выливается в кожух 6 и отводится через правый патрубок. Образующийся на внутренней поверхности конического барабана 1 осадок лопастями шнека 4 передвигается к левой кромке барабана 1 и сбрасывается в кожух 6. Из кожуха осадок отводится через левый патрубок.

Рис. 9.9. Схема осадительной центрифуги периодического действия: 1 – барабан (ротор); 2 – суспензия; 3 – осадок; 4 – вывод осветленной жидкости (фугата); 5 – ввод суспензии; 6 – неподвижный кожух; D – внутренний диаметр барабана; H – высота барабана; D₀ – диаметр жидкостного кольца

Рис. 9.10. Схема осадительной горизонтальной центрифуги непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка: 1 – конический барабан; 2 – внутренний барабан; 3 – полый внешний вал; 4 – лопасти шнека; 5 – полый внутренний вал; 6 – кожух; 7 – окна во внутреннем барабане

Достоинствами данных осадительных центрифуг являются непрерывность работы, высокая производительность, возможность разделения суспензии с большой концентрацией дисперсной фазы. Недостатки: высокое содержание жидкости в осадке и твердой фазы в фугате, значительный расход энергии на разделение.

Для разделения эмульсий применяются сепараторы различных конструкций. На рис. 9.11 показана схема барабана тарельчатого сепаратора. Эмульсия по центральной трубе направляется в нижнюю часть вращающегося с большой скоростью барабана (ротора) 1, снабженного рядом конических перегородок – тарелок 2. Они делят смесь на несколько слоев, что уменьшает длину пути осаждения частиц. Более тяжелая жидкость отбрасывается центробежной силой к периферии ротора, более легкая перемещается к его центру. Направление движения жидкостей показано стрелками (сплошные линии – тяжелая жидкость, пунктирные линии – легкая). В ряде случаев для улучшения процесса разделения тарелки имеют отверстия.

Рис. 9.11. Схема барабана (ротора) сепаратора:

1 – барабан (ротор); 2 – тарелки

Трубчатые сверхцентрифуги (рис. 9.12) имеют ротор небольшого диаметра (до 200 мм), вращающийся с большим числом оборотов, и фактор разделения в них достигает 15000. Здесь увеличение центробежного ускорения достигается за счет увеличения частоты вращения ротора. Такие центрифуги используют для разделения тонкодисперсных суспензий и выделения осадка, содержащего минимальное количество жидкости, что достигается большим уплотнением осадка при высоких значениях фактора разделения. Схема устройства сверхцентрифуги показана на рис. 9.12. В кожухе 1 расположен ротор 2 со сплошными стенками, внутри которого имеются радиальные лопасти 3, препятствующие отставанию жидкости от стенок ротора при его вращении. Верхняя часть ротора жестко соединена со шпинделем 4, который подвешен на опоре 5 и приводится во вращение при помощи шкива 6. В нижней части ротора расположен эластичный направляющий подпятник 7, через который проходит труба 8 для подачи суспензии. При движении суспензии в роторе вверх на стенках его оседают твердые частицы, а осветленная жидкость отводится через отверстия 9 в патрубок 10. По истечении определенного времени сверхцентрифугу останавливают и удаляют осадок, накопившийся в роторе.

Рис. 9.12. Схема устройства трубчатой сверхцентрифуги: 1 – кожух; 2 – ротор; 3 – радиальные лопасти; 4 – шпиндель; 5 – опора; 6 – шкив; 7 – подпятник; 8 – труба для подачи суспензии; 9 – отверстия; 10 – патрубок для отвода осветленной жидкости

Для разделения эмульсий применяя-ют сверхцентрифуги, отличающиеся более сложным устройством верхней части ротора, что позволяет раздельно отводить тяжелую и легкую жидкие фазы.

Расчет производительности осадительной центрифуги. Пусть центрифуга имеет размеры D, D₀ и Н, указанные на рис. 9.9. Примем ламинарный режим осаждения, что соответствует осаждению наиболее мелких частиц, лимитирующих производительность центрифуги; рассмотрим свободное осаждение, когда концентрация твердого вещества невелика и частицы не влияют на движение друг друга.

В соответствии с уравнениями (5.214) и (9.11б) переменная скорость осаждения под действием центробежной силы может быть выражена производной от радиуса по времени, так как рассматриваем только радиальное движение:

,

где  – угловая скорость вращения ротора; ₁, ₂ – плотности твердой частицы и жидкости.

Разделим переменные и, интегрируя в пределах самого длинного пути от R₀ до R, находим время, затрачиваемое на осаждение наименьшей частицы диаметра d в самом неблагоприятном случае:

,

. (9.15)

Время осаждения должно быть меньше или в крайнем случае равно времени пребывания жидкости в барабане. Последнее можно найти, допуская, что барабан работает в соответствии с моделью идеального вытеснения, из соотношения

, (9.16)

где – рабочий объем барабана, равный объему жидкостного кольца, находящегося в нем:

,

–объемный расход подаваемой в центрифугу жидкости, м³/с. Отсюда

, (9.17)

причем > _.

Может быть получено и иное выражение:

, (9.18)

характеризующее предельное значение объемного расхода. Структура потока в барабане центрифуги отличается от модели идеального вытеснения, жидкость движется с большей скоростью в части слоя, прилегающей к внутренней стороне кольца, для которой время пребывания оказывается меньше среднего по уравнению (9.16); кроме того, по мере отложения в барабане осадка рабочий объем жидкости уменьшается. Таким образом, приведенные выше зависимости не вполне точны. Расчет можно скорректировать, если при нахождении ввести коэффициент запаса, меньший единицы, или учесть реальную структуру потока в аппарате.

Из уравнения (9.16) следует, что в барабане данных размеров (V_p=const), при уменьшении производительности центрифуги увели-чивается среднее время пребывания жидкости в барабане, следовательно, и возможная продолжительность осаждения . Тогда в соответствии с уравнением (9.15) уменьшается предельный диаметр тех частиц d, которые при данной производительности центрифуги способны достигнуть стенок барабана. Таким образом, совместное решение уравнений (9.15) и (9.16) позволяет определить предельный диаметр частиц, выше которого центрифуга обеспечит осаждение при принятой производительности.