3. Осаждение под действием центробежных сил

Скорость разделения неоднородных систем значительно можно повысить в поле центробежных сил по сравнению с отстаиванием под действием силы тяжести. Такое повышение обуславливается 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; 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 о факторе разделения, равном их отношению

(39)

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

, (40)

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

(41)

Подставляя значения а_ц по формулам (8.10) и (8.10а) в зависимость (8.9), получим:

(42)

(43)

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.

4. 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, показаный на рис. 8.5, состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем 2 и крышкой 3.

Рис.8.5. 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 к верху и удаляется через выхлопную трубу 6. В циклонах НИИОгаз с диаметром корпуса от 100 до 1000мм степень очистки газов от пыли составляет 30 - 85% (для частиц диаметром 5 мкм) и с увеличением диаметра частиц до 70 - 95% (для частиц диаметром 10 мкм) и далее до 90 - 95% (для частиц диаметром 20 мкм).

Степень очистки газа в циклоне повышается с увеличением фактора разделения К_р. Как следует из уравнения (42) 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.8.6 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.8.7. 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 8.8 показана схема гидроциклона.

Рис. 8.6. Схема батарейного циклона: Рис.8.7. Устройство элемента батарейного

1 - корпус; 2 - патрубок для входа циклона:

запыленного газа; 3 - распределительная 1 - корпус; 2 - выхлопная труба;

камера; 4 - трубная решетка; 3 - закручивающее устройство;

5 - элементный циклон; 6 - патрубок 4 - пылеотводящий патрубок;

отвода очищенного газа; 7 - бункер для

пыли

Рис.8.8. Гидроциклон:

1 - корпус; 2 - суспензия; 3 - выход осадка; 4 - выход осветленной жидкости;

В верхней части цилиндро - конического 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 выходит очищенная осветленная жидкость (легкая фаза). Достоинствами гидроциклонов является простота устройства, компактность и низкая стоимость, а их недостаток - 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

(35)

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

. (36)

каждый тип циклонов имеет свое оптимальное значение . Так для циклонов типа НИИОгаз = 500 - 750 м²/с². По принятым значениям и _ц исходя из формулы (8.13) можно вычислить оптимальное значение w_ц.

По уравнению расхода определяют диаметр циклона

(37)

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 значения D_ц, с учетом установки нескольких параллельно соединенных циклонов или выбрать 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 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, при этом их называют сепараторами, а процесс разделения - сепарацией.

Схема осадительной вертикальной центрифуги периодического действия с ручной выгрузкой осадка показана на рис. 8.9. 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.

Рис.8.9. 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.

На рис. 8.10 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.

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.

Рис.8.10. 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.

Для разделения эмульсий применяются сепараторы различных конструкций. На рис.8.11 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. Которые 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.

Трубчатые сверхцентрифуги (рис. 8.12.) 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 и 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.8.12. 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, накопившейся в роторе.

Рис. 8.11. Схема барабана (ротора) сепаратора:

1 - барабан (ротор); 2 – тарелки.

Рис.8.12. 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 применяют сверхцентрифуги, отличающиеся более сложным устройством верхней части ротора, что позволяет раздельно отводить тяжелую и легкую жидкие фазы.