4.9.2.2 Расчет давления жидкости на стенки барабана центрифуги

Д ля определения давления жидкости на стенки барабана центрифуги выделим внутри жидкостного кольца элементарный слой толщиной , находящийся на расстоянии от оси вращения (рисунок 4.53). Масса этого слоя равна произведению его плотности на объем

. (4.192)

Центробежная сила, действующая на элементарное кольцо, равна произведению массы на нормальное ускорение

Рисунок 4.53 – К расчету давления жидкости на стенку барабана

. (4.193)

Давление этого кольца на поверхность F суспензии, находящейся за кольцом, составит

; (4.194)

По закону Паскаля это давление через суспензию передается стенке барабана. Общее давление на стенку находят суммированием давлений, соответствующих всем элементарным слоям суспензии

, Па. (4.195)

При коэффициенте наполнения барабана центрифуги расчетное уравнение упрощается

, Па. (4.196)

4.9.2.3 Классификация и конструкции центрифуг

Центрифуги, применяемые в химической технологии, многочисленны и разнообразны.

По конструкции барабана все центрифуги можно разделить

- на отстойные (содержат барабан или ротор со сплошными стенками);

- фильтрующие (содержат барабан с перфорацией);

По принципу действия центрифуги можно разделить

- на центрифуги непрерывного действия;

- центрифуги периодического действия;

По виду неоднородной системы различают

- центрифуги для разделения суспензий;

- центрифуги для разделения эмульсий. Эти центрифуги называют сепараторами;

По расположению вала различают

- горизонтальные центрифуги;

- вертикальные центрифуги;

По способу удаления осадка:

- с ручной выгрузкой осадка;

- с пульсирующим устройством;

- со шнековым удалением;

- с ножевым устройством;

- с инерционной выгрузкой осадка;

По величине фактора центробежного разделения различают

- центрифуги нормального типа ( <3500);

- сверхцентрифуги ( >3500).

Схема простейшей отстойной центрифуги периодического дей­ствия показана на рисунке 4.54. Основной частью центрифуги является сплошной барабан 2, насаженный на вращающийся вал 1. Под действием центробежной силы твердые частицы из суспензии от­брасываются к стенкам барабана и отлагаются в виде осадка. Осветленная жидкость (фугат) переливается в неподвижный корпус (кожух) 3 и удаляется через патрубок в его нижней части. По окончании отстаивания центрифугу останавливают и выгружают осадок с помощью лопаты или совка.

К недостаткам таких центрифуг относятся невысокая произво­дительность и необходимость ручного труда.

1 -вращающийся вал; 2-барабан; 3-кожух

Рисунок 4.54 - Схема отстойной центрифуги пе­риодического действия с горизонтальным ва­лом и ручной выгрузкой осадка

Н а рисунке 4.55 показана горизонтальная отстойная центрифуга непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка. Она состоит из конического отстойного барабана 1, вращающегося на полом внешнем валу 3, и внутреннего барабана 2 со шнековыми лопастями 4, вращающегося на полом внутреннем валу 5 с меньшей частотой, чем частота отстойного барабана. Суспензия вводится по трубе во внутренний барабан 2 и через окна 7 выбрасывается в отстойный барабан 1, где происходит ее разделение. Осветленная жидкость (фугат) перетекает в кожух 6 и удаляется из него через патрубок. Осадок перемещается в барабане справа налево с помощью шнека и благодаря различию частот вращения шнека и барабана выбра­сывается в кожух 6 и удаляется через патрубок.

Достоинствами подобных центрифуг являются непрерывность действия, высокая производительность и возможность обработки суспензий с большой концентрацией дисперсных частиц. Основным недостатком их является высокое содержание жидкости в осадке и твердой фазы в осветленной жидкости. Кроме того, центрифуги характеризуются повышенным расходом энергии.

1- конический барабан; 2- внутренний барабан; 3-полый внешний вал; 4-лопасти шнека; 5-полый внутренний вал; 6-кожух; 7-окна во внутреннем барабане

Рисунок 4.55 - Схема отстойной центрифуги непрерывного действия с горизонтальным валом и шнековой выгрузкой осадка

О тстойные центрифуги для разделения эмульсий часто назы­вают сепараторами. Широко распространены тарельчатые сепара­торы (рисунок 4.56). Эмульсия по центральной трубе попадает в ниж­нюю часть вращающегося барабана (ротора) 7, снабженного рядом конических перегородок тарелок 2, которые делят смесь на не­сколько слоев (тем самым достигается уменьшение пути, прохо­димого частицей при осаждении). Более тяжелая жидкость отбра­сывается центробежной силой к периферии ротора, более легкая перемещается к его центру. Путь движения жидкостей показан стрелками. Разделившиеся жидкости не соприкасаются и поэтому не могут вновь смешиваться.

В рассмотренном сепараторе используют тарелки с отверстия­ми. В сепараторах с тарелками без отверстий из суспензии выде­ляют твердую дисперсную фазу, которая оседает на внутренней стенке корпуса барабана. Осветленная жидкость движется к центру барабана, поднимается вверх и выходит из него. Осадок, образую­щийся на стенке барабана, обычно выгружают вручную. Однако за последние годы разработаны сепараторы, в которых выгрузка осадка осуществляется автоматически.

Тарельчатые сепараторы характеризуются высокой производи­тельностью и высоким качеством разделения, однако имеют до­статочно сложное устройство.

1-корпус (ротор); 2-тарелки

Рисунок 4.56 - Схема барабана сепаратора

З начительное увеличение центробежной силы путем уменьшения радиуса вращения и одновременного увеличения частоты вращения заложено в основу конструирования центрифуг, называемых сверх­центрифугами. Фактор разделения в них К_ц > 3000 и часто дости­гает несколько десятков тысяч, благодаря чему оказывается воз­можным разделение тонкодисперсных суспензий и эмульсий.

1-трубчатый барабан (ротор); 2-кожух; 3-радиальные лопасти; 4- подпятник; 5 - шкив; 6-опо­ра; 7-шпиндель; 8-отверстия для вывода осветленной жидкости

Рисунок 4.57 - Трубчатая сверхцентрифуга периодического действия для осветления жидкостей

Схема трубчатой сверхцентрифуги периодического действия для осветления жидкостей показана на рисунке 4.57. В кожухе 2 вращается трубчатый барабан (ротор) 1 со сплошными стенками, внутри которого имеются радиальные лопасти 3, препятствующие отста­ванию жидкости от стенок барабана при его вращении. Барабан жестко соединен с коническим шпинделем 7, подвешенным на опоре 6, и приводится во вращение от шкива 5. В нижней части центрифу­ги установлен подпятник 4, через который в барабан проходит труба для ввода суспензии. Твердые частицы суспензии оседают на стенках барабана, а осветленная жидкость выбрасывается из него через отверстия вверху и удаляется из верхней части кожуха. Осадок удаляют вручную периодически после остановки центрифуги и раз­борки ротора. Ввиду небольшого рабочего объема подобные цент­рифуги применяют только для разделения суспензии с небольшим содержанием твердой фазы (не более 1%).

В трехколонной фильтрующей центрифуге с верхней выгрузкой (рисунок 4.58) разделяемая суспензия загружается и перфорированный ротор, внутренняя поверхность которого покрыта фильтровальной тканью или металлической сеткой. Ротор при помощи конуса 2 установлен на валу 5, который приводится во вращение электродвигателем посредством клиноременной передачи. Жидкая фаза суспензии проходит сквозь ткань (или сетку) и отверстия в стенке ротора и собирается в дне станины 4, крытой неподвижным кожухом 5, откуда отводится для дальнейшей обработки. Осадок, образовавшийся на стенках ротора, извлекается, например, при помощи лопатки, после открывания крышки к ожуха 6.

1-перфорированный ротор; 2-опорный конус; 3-вал; 4-дно станины; 5-неподвижный кожух; 6-крышка кожуха; 7-станина; 8-тяга; 9-колонка; 10-ручной тормоз

Рисунок 4.58 – Трехколонная центрифуга

Для смягчения воздействия вибраций на фундамент станина 7 с укрепленными на ней ротором, приводом и кожухом подвешена при помощи вертикальных тяг 8 с шаровыми головками на трех расположенных под углом 120° колонках 9. Это обеспечивает некоторую свободу при вибрации ротора, Центрифуга снабжена тормозом, который может быть приведен в действие только после остановки электродвигателя.

Трехколонные центрифуги выполняются также с нижней выгрузкой осадка, что более удобно в производственных условиях.

Рассматриваемые центрифуги отличаются небольшой высотой и хоро­шей устойчивостью и получили распространение для проведения дли­тельного центрифугирования.

Центрифуги с инерционной выгрузкой осадка. Эти центрифуги пред­ставляют собой нормальные фильтрующие центрифуги непрерывного действия с вертикальным коническим ротором.

1-воронка для поступления суспензии; 2-ротор; 3-канал для удаления жидкой фазы; 4-канал для удаления твердых частиц; 5-шнек

Рисунок 4.59 – Центрифуга с инерционной выгрузкой осадка

С успензия, содержащая крупнозернистый материал, например уголь, руду, песок, поступает в центрифугу сверху через воронку 1 (рисунок 4.59). Под действием центробежной силы суспензия отбрасывается к коническому ротору 2 с перфорированными стенками. При этом жидкая фаза суспензии проходит сквозь отверстия ротора и удаляется из центрифуги по каналу 3, а твердые частицы, размер которых должен быть больше размера отверстий, задерживаются внутри ротора. Образовавшийся таким образом слой твердых частиц, угол трения которого меньше, чем угол наклона стенок ротора, перемещается к его нижнему краю и отводится из центрифуги по каналу 4. С целью увеличения продолжительности периода, в течение ко­торого жидкость отделяется от твердых частиц, движение их тормозится шнеком 5, вращающимся медленнее ротора. Необходимая разность скоростей вращения ротора и шнека достигается при помощи зубчатого редуктора.

Центрифуги с инерционной выгрузкой осадка применяются для раз­деления суспензий крупнозернистых материалов.

Ц ентрифуги с пульсирующим поршнем для выгрузки осадка. Эти аппараты относятся к фильтрующим центрифугам непрерывного действия с горизонтальным ротором (рисунок 4.60). Суспензия по трубе 1 поступает в узкую часть конической воронки 2, вращающейся с такой же скоростью, как и перфорированный ротор 3, покрытый изнутри металлическим щеле­вым ситом 4. Суспензия пере­мещается по внутренней поверх­ности воронки и постепенно при­обретает скорость, почти рав­ную скорости вращения ротора. Затем суспензия отбрасывается через отверстия в воронке на внутреннюю поверхность сита в зоне перед поршнем 5. Под действием центробежной силы жидкая фаза проходит сквозь щели сита и удаляется из кожуха цен­трифуги по штуцеру 6. Твердая фаза задерживается на сите в виде осадка, который периодически перемещается к краю ротора при движении поршня вправо приблизительно на ¹/₁₀ длины ротора. Таким образом, за каждый ход поршня из ротора удаляется количество осадка, соответствующее длине хода поршня; при этом поршень совершает 10—16 ходов в I мин. Осадок удаляется из кожуха через канал 7.

1-труба для поступления суспензии; 2-коническая воронка; 3- перфорированный ротор; 4-металлическое щелевое сито; 5-поршень; 6-крышка кожуха; 7-канал для отвода осадка; 8-тяга; 9-полый вал; 10-диск

Рисунок 4.60 – Центрифуга с пульсирующим поршнем для выгрузки осадка

Поршень укреплен на штоке 8, находящемся внутри полого вала 9, ко­торый соединен с электродвигателем и сообщает ротору вращательное дви­жение. Полый вал с ротором и шток с поршнем и конической воронкой вра­щаются с одинаковой скоростью. Направление возвратно-поступательного движения поршня изменяется автоматически. На другом конце штока на­сажен перпендикулярно его оси диск 10, на противоположные поверх­ности которого в особом устройстве попеременно воздействует давление масла, создаваемое шестеренчатым насосом.

В центрифугах с устройством для промывки осадка кожух разделен на две секции, через одну из которых отводится промывная жидкость. Описанная центрифуга применяется для обработки грубодисперсных, легкоразделяемых суспензий, особенно в тех случаях, когда нежелательно повреждение частиц осадка при его выгрузке. К недостаткам ее относятся увлечение твердых частиц фугатом в тот момент, когда суспензия попадает на щелевое сито непосредственно после смещения с него осадка поршнем, а также значительный расход энергии поршнем.

Для обработки трудноразделяемых суспензий используются много­ступенчатые центрифуги с пульсационной выгрузкой осадка, в которых достигается лучшая промывка его и повышается четкость разделения фу-гата и промывной жидкости.

Горизонтальные центрифуги с ножевым устройством для удаления осадка. Центрифуги такой конструкции являются нормальными отстойными или фильтрующими центрифугами периодического действия с автоматизированным управлением.

В горизонтальной фильтрующей центрифуге с ножевым устройством (рисунок 4.61) операции загрузки суспензии, центрифугирования, промывки, механической сушки осадка и его разгрузки выполняются автоматически. Центрифуга управляется электрогидравлическим автоматом, позволяющим по толщине осадка контролировать степень заполнения ротора.

1- перфорированный ротор; 2-труба для подачи суспензии; 3-кожух; 4-штуцер для удаления фугата; 5-нож; 6-гидравлический цилиндр для подъема ножа; 7-наклонный желоб; 8-канал для удаления осадка

Рисунок 4.61 – Горизонтальная центрифуга с ножевым устройством для удаления осадка

Суспензия поступает в перфорированный ротор 1 по трубе 2 и равномерно распределяется в нем. На внутренней поверхности ротора расположены подкладочные сита, фильтровальная ткань и решетка, которая обеспечивает плотное прилегание сит к ротору во избежание их выпучивания. Ротор находится в литом кожухе 3, состоящем из нижней стационарной части и съемной крышки. Фугат удаляется из центрифуги через штуцер 4. Осадок срезается ножом 5 (который при вращении ротора поднимается при помощи гидравлического цилиндра 6), падает в направляющий желоб 7 и удаляется из центрифуги через канал 8. Описанная центрифуга предназначена для разделения средне- и грубодисперсных суспензий.

4.10 Электроосаждение

Разделение газовых суспензий под действием электростатических сил называется электроосаждением. В основе метода – ионизация молекул газа электрическим разрядом.

Физические основы электроосаждения.

Из физики известно, что между двумя электродами с различной поверхностью, присоединенными к полюсам источника тока, возникает неоднородное электрическое поле. Напряжение этого поля выше у электрода с меньшей поверхностью. Если одним электродом является тонкая проволока, а другим – пластина, то напряжение поля (густота силовых линий) убывает от проволоки к пластине. При некоторой критической разности потенциалов в газовом пространстве между электродами возникает электрический разряд, сопровождающийся голубоватым свечением (короной) около проволоки. Этот разряд называется коронирующим, а проволока – коронирующим электродом.

В области короны молекулы газа ионизируются, образуя ионы разных знаков, которые при высокой напряженности поля приобретают скорость, достаточную для ионизации нейтральных частиц при их столкновении. Так как вновь образующиеся ионы имеют такую же высокую скорость, то наблюдается лавинная ионизация газа (ударная волна). Если проволока заряжена отрицательно, а пластина положительно, то отрицательные ионы будут притягиваться к пластине, а положительные – к проволоке, нейтрализуясь на ней. При напряжении порядка 4-6 кВ/см между электродами устанавливается постоянный ионный поток.

Если между электродами пропустить газовзвесь, то ионы, соприкасаясь с частицами, отдают им свой заряд и увлекают за собой. Так как более подвижные отрицательные ионы проходят более длинный путь (из области короны к пластине), то вероятность их столкновения с частицами велика. Поэтому частицы заряжаются отрицательно и оседают на пластине. Пластину называют осадительным электродом. Осевшие твердые частицы с осадительного электрода удаляют встряхиванием. На проволоке оседают частицы, столкнувшиеся в области короны с положительными ионами; но их очень мало.

Неоднородное электрическое поле может быть создано в цилиндрической трубе с помещением по ее оси тонкого провода.

Степень очистки газа зависит от электропроводимости пыли

- если частицы пыли хорошо проводят ток, а силы адгезии (сцепления) малы, то заряд отдается мгновенно, а сама частица получает заряд электрода. Возникает кулоновая сила отталкивания, и частица вновь может попасть в газовый поток. Это снижает степень очистки;

- если пыль плохо проводит ток, то она прижимается силой поля к электроду и образует на нем плотный слой отрицательно заряженных частиц, который отталкивает приближающиеся частицы того же знака. Напряжение в порах слоя осевшей пыли и может превысить критическое и вызывать появление короны (свечение) у осадительного электрода – обратная корона.

Для исключения этого пыль периодически удаляют, встряхивая электроды либо увеличивая проводимость путем увлажнения газа перед входом в электрофильтр.

При очистке газов с высокой концентрацией твердых частиц большая часть ионов оседает на последних, и количество переносимых зарядов существенно уменьшается. Поэтому снижается сила потребляемого тока, так как скорость взвешенных частиц (0,3…0,6 м/с) значительно меньше скорости ионов (60…100 м/с). При падении силы потребляемого тока до нуля степень очистки газа резко ухудшается – происходит полное запирание короны. Чтобы этого не происходило, уменьшают концентрацию взвешенных частиц установкой перед электрофильтром газоочистительной аппаратуры.