3. Центрифуги

Одним з поширених промислових способів розділення неоднорідних рідких систем є центрифугування, яке здійснюється у спеціальних машинах – центрифугах.

У центрифугах відбуваються процеси відстоювання і фільтрації в полі відцентрових сил. Тому центрифуги – це більш ефективні машини для розділення неоднорідних рідких систем порівняно з відстійниками і фільтрами.

За принципом дії центрифуги ділять на відстійні і фільтруючі. Барабани (ротори) відстійних центрифуг мають суцільну, а що фільтруючих – дірчасту (перфоровану) стінку, покриту фільтрувальною сіткою або тканиною.

При розділенні суспензій у фільтруючих центрифугах в роторі під дією відцентрової сили відбувається фільтрація рідини через фільтрувальну тканину або металеву сітку. Рідина проходить через сита і потім через отвори в роторі викидається в кожух центрифуги, що оточує ротор, а осад вивантажується або під час обертання ротора, або після його повної зупинки.

Фільтруючі центрифуги застосовують для розділення порівняно крупно дисперсних суспензій кристалічних і аморфних продуктів, промивання осаду, що виходить при цьому, а також відділення вологи від штучних матеріалів.

При розділенні суспензій в осаджувальних центрифугах тверді частки осідають під дією відцентрової сили на обичайці ротора у вигляді кільцевого шару. Рідкий компонент також утворює кільцевий шар, але розташований ближче до осі обертання. Рідина відводиться з ротора, що обертається, шляхом переливу через борт або за допомогою труби відсмоктування. Осад вивантажується на ходу або після зупинки машини.

Відстійні центрифуги призначені для розділення суспензій, що погано фільтруються, емульсій, а також для розділення суспензій по розміру часток твердої фази. Відстійні центрифуги підрозділяються на власне відстійні, освітлюючі, концентруючі і розділяючі або сепаруючі.

У спрощеному вигляді центрифуга є порожнистим ротором, що швидко обертається довкола своєї осі. При обертанні барабана центрифуги і матеріалу, що знаходиться у ньому, виникає відцентрова сила. Величина відцентрової сили, що діє на тіло, що обертається, масою m і вагою G дорівнює

C = m ω² / 2 = G ω² / g R = G n² R / 900

де С – відцентрова сила, кгс;

ω = π R n / 30 – окружна швидкість, м/с;

R – внутрішній радіус барабана, м;

g - прискорення вільного падіння, м/с²;

n – частота обертання барабана, об/хв.

Одним з основних критеріїв оцінки ефективності роботи центрифуги є фактор розділення

Ф_р = ω² R / g = n² R / 900

де ω = π n / 30 – кутова швидкість барабана.

Фактор розділення показує, у скільки разів відцентрове прискорення, що розвивається в даній центрифузі, більше прискорення вільного падіння. Як видно з рівняння, фактор розділення чисельно дорівнює відцентровій силі, що виникає при обертанні тіла вагою G = 1 кгс. Чим більше фактор розділення, тим інтенсивніше відбувається процес центрифугування.

Ще використовують такий параметр, як індекс продуктивності центрифуги. Він визначається як множина площі циліндрової поверхні осадження на фактор розділення:

Σ =F_ос Ф_р

При виборі центрифуги слід також враховувати корозійні властивості матеріалу, що обробляється, його токсичність, вогне- і вибухонебезпечність, коефіцієнт тертя осаду та ін.

Центрифуги класифікують по:

• значенню фактора розділення;

• способу вивантаження осаду з барабана;

• по основному конструктивному признаку;

• по організації процесу;

• по герметичності.

По фактору розділення промислові центрифуги умовно поділяють на:

• нормальні центрифуги – з фактором розділення до 3500;

• швидкісні або надцентрифуги – з фактором розділення вище 3500.

По способу вивантаження осаду з барабана розрізнюють центрифуги:

• с ручним вивантаженням осаду (через борт, через днище з розбиранням та без розбирання);

• з гравітаційним вивантаженням (самовивантаюжуючі); осад вивантажується під дією власної ваги під час зупинки ротора;

• із шнековим вивантаженням – за допомогою шнека, який обертається відносно ротора безперервно при безперервній роботі машини;

• з ножовим вивантаженням; осад вивантажується ножем або скребком спеціального механізму на ходу при повному або зменшеному числі обертів ротора і з одночасним виведенням осаду через бункер, а також пневматичним механічним транспортером;

• з поршневим вивантаженням осаду товкачем, який здійснює зворотно-поступальний (пульсуючий) рух уздовж вісі ротора при безперервній роботі машини;

• з відцентровим (інерційним) вивантаженням; осад вивантажується під дією відцентрових сил безперервно, при безперервній роботі машини;

• з вібраційним вивантаженням; осад вивантажується безперервно під дією коливань ротора, що обертається;

• з гідравлічним вивантаженням; вологий осад і рідка фракція вивантажуються через сопла або отвори ротора при робочій швидкості останнього.

По основному конструктивному признаку центрифуги бувають:

• горизонтальні - з горизонтальним валом, що має жорсткі і пружні опори; ротор може бути розташований між опорами або на консолі;

• вертикальні – з вертикальним валом, що має жорсткі і пружні опори, вал з верхнім або нижнім приводом;

• похилі – з похилим валом, який має жорсткі опори;

• підвісні - з верхнім або нижнім приводом;

• вертикальні трубчасті – з вертикально підвішеним довгим трубчастим ротором.

По організації процесу їх підрозділяють на центрифуги періодичної і безперервної дії.

По ступеню герметизації та вибухозахищеності розрізняють такі виконання центрифуг:

• негерметизовані – без спеціальних ущільнюючих пристроїв, які ізолюють робочу порожнину машини від зовнішнього середовища, з електрообладнанням звичайного виконання; використовуються для обробки нетоксичних, нелетючих, вогне- і вибухобезпечних продуктів;

• негерметизовані з вибухозахищеним електрообладнанням – використовують для обробки нетоксичних, нелетючих, вогне- і вибухобезпечних продуктів у вибухонебезпечних виробництвах;

• герметизовані вибухозахищені – з ізоляцією робочої порожнини машини від зовнішнього середовища, з електрообладнанням у вибухозахищеному виконанні.

Крім того, бувають центрифуги спеціального призначення, з обігрівом і без обігріву, капсульовані, коли вся машина, за виключенням привода, вміщена у герметичну оболонку.

У найменуванні типу центрифуги відображені:

• технологічний параметр: буква Ф – фільтруючі, буква О – відстійні;

• конструкція опори або розташування вісі барабана: буква П – підвісні, у яких в основному вертикальна вісь барабана; буква Г – горизонтальна вісь барабана; буква В – вертикальна вісь барабана;

• спосіб вивантаження осаду з барабана: буква Н – ножове вивантаження осаду; буква Ш – шнекова; буква П - вивантаження пульсуючим поршнем.

Центрифуги безупинної дії

1. Центрифуги ФПН – центрифуги фільтруючі підвісні з верхнім приводом і нижнім вивантаженням осаду.

Особливістю таких центрифуг є шарнірна підвіска вертикального валу з ротором, що допускає відхилення системи від вертикальної осі і самоцентрування мас, що обертаються. Внаслідок цього центрифуги малочутливі до нерівномірного завантаження ротора і мають велику динамічну стійкість під час роботи.

Підвісні центрифуги набули поширення в хімічній, цукровій, харчовій і інших галузях промисловості, коли необхідно досягти високого ступеня зневоднення твердої фази і при обробці продуктів, подрібнення яких небажано.

На рис. 100 представлена фільтруюча підвісна центрифуга ФПН-100.

Рис. 11 - Центрифуга ФПН-100

1 – лоток для завантаження; 2 – м механізм зрізання осаду; 3 - електродвигун

Це швидкохідна напівавтоматична центрифуга з верхнім приводом і діаметром ротора 1000 мм. Вона має опорну металоконструкцію, привід, гальмо і механізм вивантаження осаду з ротора за допомогою ножа спеціальної конструкції, закріпленого на кришці кожуха.

Станція управління забезпечує наступний цикл роботи центрифуги: пуск двигуна на швидкості 250 об/хв, включення двигуна на проміжну швидкість 750 об/хв, перехід на робочу швидкість 1500 об/хв і роботу на цій швидкості певний час – від 6 до 16 хвилин (час задається). Потім включається рекуперативне гальмування двигуна до 750 об/хв, потім до 250 об/хв, гальмування до повної зупинки з подальшим розгоном у зворотний бік, після чого починає рухатися ніж механізму зрізу осаду.

Центрифуга ФПН-125 – має повну автоматизацію усіх процесів.

Діаметр ротора 1250 мм, ємність 0,5 м³. Вона має корпус у вигляді металоконструкції 1, електродвигун 2, привід 4, механізм зрізання осаду 6, пульт керування 7, живильник 8, датчик завантаження 10, розподільний диск 11, ротор 12, кожух 13, піддон 15 з заслінкою 16.

Рис. 12 –Центрифуга типу ФПН-125

1 – металоконструкція; 2 – електродвигун; 3 – блок пневморозподільників;

4 – привід; 5 – гальми; 6 – механізм зрізання осаду; 7 – пульт керування;

8 – живильник; 9 – промивний пристрій; 10 – датчик завантаження;

11 - розподільний диск; 12 – ротор; 13 – кожух; 14 – сегрегатор;

15 – піддон; 16 - заслінка

Установка живильника 8 дозволяє здійснювати завантаження по всьому периметру ротора, що виключає нерівномірне заповнення ротора продуктом і, отже, виникнення небажаних вібрацій.

Вивантаження осаду здійснюється за допомогою ножа 6, що переміщається всередину осаду за допомогою пневмоциліндра, а уздовж осі центрифуги – за допомогою механічного приводу від електродвигуна.

2. Центрифуга ОГШ – безперервнодіюча осаджувальна горизонтальна центрифуга із шнековим вивантаженням осаду.

Спільна конструктивна ознака центрифуг типа ОГШ – горизонтальне розташування осі неперфорованого ротора, причому ротор спочатку циліндричний, потім конічний. Шнек співісний із ротором. Ротор і шнек обертаються в одному напряму, але з різними швидкостями. Тому осад, що утворюється, переміщається шнеком уздовж ротора. Ротор встановлений на двох опорах і приводиться в обертання електродвигуном через клинопасну передачу. Ротор закритий кожухом, що має внизу штуцери для відведення осаду і фугату.

Суспензія подається по живильній трубі у внутрішню порожнину шнека, звідти через вікна обичайки шнека поступає в ротор. Під дією відцентрової сили відбувається її розділення, і на стінках ротора осідають частки твердої фази. Осад транспортується шнеком до вивантажувальних вікон, розташованих у вузькій частині ротора. Освітлена рідина тече в протилежну сторону, до зливних вікон, переливається через зливний поріг і викидається з ротора в кожух. Діаметр зливного порогу можна регулювати за допомогою змінних заслінок або поворотних шайб. Швидкість обертання змінюють шляхом зміни приводних шківів.

Технологічний режим в центрифугах ОГШ регулюють, змінюючи швидкість подачі суспензії, частоту обертання ротора, діаметр зливного порогу. Ступінь освітлювання фугату можна підвищити, зменшивши діаметр зливного порогу, тобто збільшивши довжину зони осадження, і збільшивши частоту обертання ротора, а ступінь просушування (вологість осаду) можна підвищити, збільшивши діаметр зливного порогу (тобто довжину зони сушки) і частоту обертання ротора.

Центрифуги ОГШ призначені для розділення суспензій з концентрацією твердої фази від 1 до 40 % (об’ємних) при розмірі часток понад 5 мкм і різниці щільності твердої і рідкої фаз більше 0,2 кг/дм³.

Залежно від технологічного призначення центрифуги ОГШ умовно підрозділяють на три групи:

1. Освітлюючі і класифікуюючі;

2. Універсальні;

3. Зневоднюючі.

Освітлюючі і класифікуюючі центрифуги мають однакове конструктивне виконання і відрізняються тільки призначенням. Освітлюючі центрифуги призначені для очищення низькоконцентрованих суспензій з високодисперсною твердою фазою. Ця група машин характеризується високим фактором розділення (більше 2500), відношенням довжини ротора до його діаметра більше 3 і високою продуктивністю по суспензії.

Универсальні центрифуги призначені для розділення суспензій з твердою фазою малої і середньої концентрації. При роботі цих центрифуг одержують порівняно чистий фугат і осад з невеликою вологістю. Фактор розділення дорівнює 2000-3000, відношення довжини ротора до його діаметра 2 – 3.

Зневоднюючі центрифуги призначені для розділення висококонцентрованих грубодисперсних суспензій. Для цих машин характерна висока продуктивність по осаду і порівняно невелика його вологість. Фактор розділення складає менше 2000, відношення довжини ротора до його діаметра не більше 2.

Всім центрифугам типа ОГШ властиві такі переваги:

• висока продуктивність при малих габаритах;

• безперервність технологічного процесу;

• відсутність фільтруючого елементу, схильного до швидкого зносу або забивання;

• придатність для обробки дуже тонких суспензій різної концентрації;

• простота обслуговування.

До недоліків можна віднести:

• невисокий ступінь обезводнення осаду;

• неможливість якісного промивання осаду в машині;

• порівняно швидкий знос шнека при обробці абразивних продуктів.

Не дивлячись на конструктивну однотипність, осаджувальні шнекові центрифуги мають досить різне виконання, залежного від їх технологічного призначення і кінематичної схеми.

Залежно від технологічного вирішення машини можуть мати протитечійне або прямотечійне виконання.

Рис. 13 –Принципові схеми прямотечійних (а, б) і протитечійних (в)

шнекових центрифуг