Сепараторы, трубчатые центрифуги. Основные положения теории центрифугирования.

Классификация промышленных центрифуг.

Виды центрифугирования, основные термины и определения.

В ряде отраслей современной промышленности при обработке жидких гетерогенных смесей – суспензий, эмульсий(в химической, микробиологической, пищевой, атомной промышленности и др.) широко применяют центрифуги самых разнообразных типов.

Известно, что суспензии являются жидкими гетерогенными системами, которые состоят из сплошной жидкой фазы - дисперсионной среды, и взвешенных в ней твёрдых частиц (чаще всего полидисперсных частиц нерегулярной формы)- дисперсной фазы. В эмульсии имеется гетерогенная система, состоящая из сплошной жидкости – дисперсионной среды и взвешенных в ней капель другой жидкости, нерастворимой в первой жидкости и имеющей границу раздела между двумя этими жидкостями - дисперсной среды.

В технике центробежного разделения встречаются многофазные гетерогенные системы, например, эмульсии с включениями взвешенных твёрдых частиц – трёхфазные системы.

Выбор типа машины для разделения суспензий или эмульсий в высокоинтенсивном центробежном поле в значительной мере зависит от физико-химических свойств дисперсионной и дисперсной фаз суспензии или эмульсии, а также от концентрации частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде. Различают:

грубодисперсные суспензии – >1mm

среднедисперсные суспензии- 100мкм < ≤ 1m

мелкодисперсные суспензии – 10мкм < ≤ 100мкм

тонкие суспензии – 0,5мкм < ≤ 10мкм

мути – 0,1мкм < ≤ 0,5м

коллоидные растворы – 0,1мкм ≥

Поясним основные понятия и определения, используемые в технике центрифугирования:

 центробежное фильтрование суспензий осуществляется под действием объёмных сил дисперсионной среды и дисперсной фазы в перфорированных роторах с укреплённой на их внутренней поверхности фильтровальной перегородкой, проницаемой для дисперсионной среды и практически непроницаемой для дисперсной фазы;

 центробежная сушка – представляет собой процесс, при котором происходит удаление плёночной и капиллярной жидкости, оставшейся в осадке после отвода основного количества фильтрата. При этом имеет место также частичное испарение жидкости с уносом образующихся паров потоком воздуха, проходящего через стенку перфорированного ротора;

центробежное осаждение – осуществляется в сплошных (не перфорированных) роторах и подразделяется на осадительное центрифугирование  разделение средне- и высококонцентрированных суспензий, содержащих до 40% (объёмных) взвешенных частиц; центробежное осветление – выделение взвешенных частиц из малоконцентрированных суспензий, содержащих до 5% процентов (объёмных) твёрдой фазы с размером частиц ≤5мкм; этот процесс чаще всего осуществляется в трубчатых высокоскоростных центрифугах, в жидкостных сепараторах с тарельчатыми вставками, а также в осветляющих шнековых центрифугах, имеющих большое (более 2,2) отношение длины ротора к диаметру;

 центробежная сепарация эмульсий – осуществляется в центробежных сепараторах со сплошным (неперфорированным) ротором с целью разделения стойких эмульсий из взаимонерастворимых жидкостей. При необходимости выделить из эмульсии небольшие количества твёрдых частиц часто применяют трёхфазные разделительные трубчатые центрифуги.

- комбинированное центрифугирование, при котором в машине сочетаются несколько методов разделения, например, осаждение с последующим фильтрованием.

Физические свойства жидкой фазы, такие как плотность, вязкость и поверхностное натяжение, оказывают большое влияние на кинетику центрифугирования. В частности, с повышением температуры вязкость и поверхностное натяжение жидкой фазы уменьшаются, что интенсифицирует процесс центрифугирования. С этой целью нередко суспензии перед подачей в центрифугу предварительно нагревают.

В результате центрифугирования суспензий образуются: при центробежном осаждении - осадок и фугат (т.е. жидкость, удаляемая в слив в процессе центробежного осаждения); при центробежном фильтровании – осадок и фильтрат (т.е. жидкость, прошедшая через фильтрующую перегородку). В результате промывки осадка образуется промывной фильтрат (в отдельных случаях фильтрат 1-ой промывки, фильтрат 2-ой промывки и т.д.).

В процессе центробежного разделения суспензий получают осадок – совокупность твёрдых частиц с заполняющей их поры и пустоты между частицами жидкой фазой. Осадки могут быть несжимаемыми и сжимаемыми. В отличие от центробежного фильтрования при центробежном осаждении над сформировавшимся осадком обычно иметься свободная жидкость, что определяет высокую влажность такого осадка.

Как и любые другие технологические процессы, процессы центрифугирования подразделяются на периодические, непрерывные и комбинированные.

При периодическом процессе центрифугирования все его отдельные стадии осуществляются в одной машине, но в разное время в соответствии с заданной программой технологического цикла работы центрифуги. Ряд параметров периодического процесса центрифугирования изменяется во времени. Так, скорость процесса центрифугирования может снижаться, изменяется концентрация твёрдой фазы в отходящей жидкости (в фугате или фильтрате) и т.д.

При периодическом процессе центрифугирования скорость вращения ротора может быть либо постоянна, либо может изменяться в зависимости от протекающей стадии технологического цикла: в ходе загрузки исходной суспензии ротор центрифуги часто вращается медленно; на стадии центрифугирования, стадии промывки и стадии сушки осадка ротор вращается с максимальным числом оборотов; разгрузка осадка осуществляется в большинстве таких центрифуг при остановке ротора или при его медленном вращении.

Непрерывный (стационарный) процесс центрифугирования характеризуется одновременным протеканием всех стадий, в том числе непрерывным отводом жидкой фазы суспензии (фугата или фильтрата) и непрерывной выгрузкой осадка. Непрерывный процесс центрифугирования осуществляется при постоянной скорости вращения ротора. Параметры технологического процесса (например, производительность, кинетика процесса и т.д.) остаются неизменными.

При комбинированном процессе центрифугирования, например, при осветлении жидкости, центрифугирование может производиться в течении определённого интервала времени, а накапливающийся осадок твёрдой фазы удаляться в моменты периодических остановок ротора.

В заключение этого краткого введения необходимо отметить, что центрифуги относятся к весьма сложным машинам химической технологии, вопросы теории, расчёта и конструирования которых ещё не сложились в единую чёткую рациональную теорию. По этой причине ряд расчётных методов базируется на экспериментальных исследованиях и производственных рекомендациях.