Розділення в полі відцентрових сил

У полі відцентрових сил розділяють пил, суспензії і емульсії, для цього застосовують два основні способи розділення:

• суміш, що розділяється, закручується разом з апаратом, в який подається (центрифугування);

• суміш, що розділяється, закручується в нерухомому апараті (циклонний процес).

 

Центрифугування

Центрифугування здійснюють в апаратах, які називаються центрифугами і сепараторами. В перших з них основною частиною є циліндровий барабан-ротор (з перфорованими або суцільними стінками), що обертається, в других — набір (пакет) тарілок, що обертаються з високою швидкістю.

Основним параметром, що характеризує роботу центрифуг, є відцентровий критерій Фруда або відцентровий чинник розділення , що є відношенням відцентрової сили, діючої на частинку у відцентровому полі даного апарату до сили тяжіння, діючої на ту ж частинку в гравітаційному полі,

 

(5.1)

 

де — кутова швидкість обертання ротора;

n — частота обертання ротора;

R — радіус ротора.

 

Центрифуги з чинником розділення Кц < 3000, умовно називаються нормальними центрифугами, а ті, у яких Кц > 3000, — надцентрифугами.

Характеристикою роботи центрифуг є також індекс продуктивності, визначуваний як

 

(5.2)

 

Значення індексу продуктивності чисельно відповідає площі поверхні осадження гравітаційного відстійника, яким можна замінити дану центрифугу із збереженням показників її розділення.

Промислові центрифуги розділяють:

• по характеру протікання процесу — на безперервної і періодичної дії;

• за способом вивантаження осаду з ротора — з ручним вивантаженням, контейнерним (касетним), вібраційним, інерційним, гравітаційним (що самовивантажується), вивантаженням ножем, пульсуючим поршнем і шнеком і др.;

• по розташуванню осі обертання ротора — на вертикальні, горизонтальні і похилі.

Маятникові фільтруючі центрифуги періодичної дії з нижнім вивантаженням осаду (рис. 5.1) застосовують для отримання осаду з низькою вогкістю і забезпечення високої ефективності його промивки, а також при розділенні суспензій з абразивною або подрібнюваною твердою фазою. Осаджувальні центрифуги цього типу на відміну від фільтруючих мають суцільний ротор замість перфорованого і застосовуються для отримання освітленої рідини високої чистоти.

Загальною конструктивною ознакою маятникових центрифуг є вертикальне розташування осі ротора 1, вал 2 якого обертається в підшипниках. Станина 10 підвішена на трьох тягах з шарнірами і пружинами в колонках 6, встановлених на фундаментній плиті 9, для пом'якшення вібрацій. Кришка кожуха центрифуги відкривається механізмом підйому 4. Обертання ротору передається від електродвигуна 5 за допомогою клиноремінної передачі 8 і гідромуфти 7. Вал забезпечений гальмом 11.

Суспензія подається в ротор через патрубок 3, а фільтрат і рідина для промивки виводяться з кожуха через зливний штуцер 13. Осад вивантажується при повній зупинці ротора через отвір в днищі 12 або через верхній отвір 14 ротора, що вимагає використовування ручної праці.

Рис. 5.1. Схема маятникової фільтруючої центрифуги:

1 — ротор; 2 — вал; 3 — патрубок; 4 — механізм підйому; 5 — електродвигун; 6 — колонка; 7 — гідромуфта; 8 — клиноремінна передача; 9 — фундаментна плита; 10 — станина; 11 — гальмо; 12 — отвір; 13 — зливний штуцер; 14 — отвір в роторі

 

Горизонтальні фільтруючі ножові центрифуги з автоматичним вивантаженням осаду (рис. 5.2) призначені для розділення суспензій з середньо- і дрібнозернистою (розмір частинок більше 30 мкм) твердою фазою. Осаджувальні центрифуги цього типу призначені переважно для розділення суспензій, що погано фільтруються, з нерозчинною твердою фазою (розмір частинок 5...40 мкм).

Загальною конструктивною ознакою центрифуг є горизонтальне розташування осі ротора 7, вал 9 якого обертається в підшипниках кочення 8, встановлених в станині 10. Обертання валу 9 передається від електродвигуна 11. На передній кришці центрифуги змонтовані: привід механізму зрізу осаду 3 з ножем 5, розвантажувальний бункер 1, живляча труба 2. В кожусі 6 центрифуги передбачений люк для доступу до ротора при заміні або ремонті фільтруючих центрифуг і люк-повітровик 4 для відведення пари і газів з внутрішньої порожнини кожуха.

Осаджувальні горизонтальні центрифуги з шнековим вивантаженням осаду безперервної дії (рис. 5.3) призначені для розділення суспензій з твердою фазою і об'ємною концентрацією 1...40%, розміром частинок понад 5 мкм і широко застосовуються для очищення стічних вод від твердих частинок в природоохоронних цілях.

Основною частиною центрифуги є горизонтально розташований циліндроконічний ротор 6 із співісно розташованим усередині нього шнеком 5. Ротор і шнек обертаються в одному напрямі, але з різною частотою, внаслідок чого шнек транспортує осад, що утворився, уздовж ротора до вікон 9 для вивантаження, розташованим у вузькій частині ротора.

Ротор центрифуги, розташований на двох опорах 3 і 8, приводиться в обертання від електродвигуна через клиноремінну передачу.

 

Рис. 5.2 Схема горизонтальної ножової центрифуги з автоматизованим вивантаженням осаду:

/ — бункер; 2 — труба; 3 — привід механізму зрізу осаду; 4 — люк-повітровик; 5 — ніж; 6— кожух; 7— ротор; 8— підшипник кочення; 9 — вал; 10— станина; 11 — електродвигун

 

Привід шнека — від ротора центрифуги через спеціальний редуктор 2. Ротор закритий кожухом 4 з перегородками, що відділяють камеру 10 (для вивантаження осаду) від камери 11 (для відведення фугата — очищеної рідини). При перевантаженні захисний пристрій 1 вимикає центрифугу.

При роботі центрифуги суспензія по живлячій трубі 7 подається у внутрішню порожнину шнека, звідки через вікна поступає в ротор. Під дією відцентрової сили суспензія розділяється, і на стінках ротора осідають частинки твердої фази. Освітлена рідина тече до зливних вікон 12, переливається через зливний поріг і викидається з ротора.

Центрифуги даного типу можуть бути виконані також у фільтруючому виконанні.

 

 

Рис. 5.3 Схема осаджувальної горизонтальної центрифуги з шнековим вивантаженням осаду:

1 — захисний пристрій; 2 — редуктор; 3, 8 — опори; 4 — кожух; 5 — шнек; 6 — ротор; 7 — труба; 9 — вікно для вивантаження осаду; 10 — камера для вивантаження осаду; 1] — камера для відведення фугата; 12 — вікно для зливу

 

Фільтруюча центрифуга з пульсуючим вивантаженням осаду (рис. 5.4) — одна з найекономічніших конструкцій центрифуг безперервної дії.

Центрифуга приводиться в обертання електродвигуном через клиноремінну передачу 7. Усередині ротора 2, закріпленого на валу 5, розташований штовхач 4, який, обертаючись з ротором, одночасно сприймає пульсацію від гідроциліндра 6.

При роботі центрифуги суспензія по живлячій трубі 1 і приймальному конусу 3 подається в ротор. Проходячи конус, суспензія поступово здобуває швидкість, майже рівну швидкості ротора, що обертається. З широкого кінця конуса через отвори між опорними стояками днища ротора вона викидається на внутрішню поверхню ротора. Фільтрат проходить через сито ротора і виводиться з кожуха. Шар осаду, що утворився на поверхні сит ротора, при русі штовхача вперед переміщається на величину його ходу. При зворотному русі штовхача нова порція суспензії поступає на ділянку сит, що звільнилася, заповнюючи його осадом. Таким чином, штовхач, скоюючи пульсуючий рух, поступово переміщає осад уздовж ротора і вивантажує його невеликими порціями в приймач.

 

Рис. 5.4. Схема фільтруючої центрифуги з пульсуючим вивантаженням осаду:

1 — живляча труба; 2 — ротор; 3 — приймальний конус; 4 — штовхач; 5 — вал; 6 — гідроциліндр; 7 — клиноремінна передача

 

По дорозі до виходу осад може бути додатково промитий.

Основним недоліком даного типу центрифуг є забивання фільтруючого полотна і стирання його рухом осаду.

До суперцентрифуг відносяться трубчасті надцентрифуги і тарілчасті сепаратори.

Трубчасті центрифуги (рис. 5.5) призначені для освітлювання суспензій, що містять незначну кількість твердих високодисперсних домішок, або для розділення стійких емульсій.

При розділенні емульсій центрифуги працюють безперервно, при розділенні суспензій — періодично, оскільки необхідно регулярно вивантажувати осад, що накопичився в роторі.

Загальною конструктивною ознакою цих пристроїв є трубчастий ротор 8, підвішений на валу 4, з вертикальною віссю обертання і нижньою плаваючою опорою 10 ковзання. Трилопатева крильчатка 1 повідомляє рідині, що розділяється, кутову швидкість ротора. Станина 9 представляє собою чавунний литий корпус, привід центрифуги здійснюється від електродвигуна 3, розташованого у верхній частині корпусу.

При роботі центрифуги суспензія через сопло живлячої труби 11 подається в нижню частину ротора і, обертаючись разом з ротором, протікає уздовж його стінок в осьовому напрямі. Тверді частинки осідають на стінках ротора, а фугат через вихідний отвір 6 в головці ротора виводиться в зливну камеру. Осад періодично видаляють при зупинці центрифуги і розбиранні ротора.

Емульсія, що поступає в нижню частину ротора, у міру просування вгору розділяється на важкий і легкий компоненти.

Важкий компонент проходить через отвори 2 в головці, розташовані біля стінки ротора, поступає в нижню зливну тарілку 7 і виводиться з центрифуги.

Легкий компонент проходить через отвори 6 в головці, розташовані ближче до осі ротора, поступає у верхню зливну тарілку 5 і виводиться з центрифуги.

Рідинні тарілчасті сепаратори (рис. 5.6) являються відстійними надцентрифугами безперервної дії з вертикальним ротором і призначені для розділення емульсій і малоконцентрованих суспензій.

Емульсія подається в сепаратор по центральній трубі 1 в нижню частину ротора, звідки через отвори в тарілках 2 розподіляється між ними тонкими шарами.

Важка рідина, переміщаючись уздовж поверхні тарілок, відкидається відцентровою силою до периферії ротора і відводиться через отвори 4. Легка рідина переміщається до центру ротора і віддаляється через кільцевий канал 5. Отвори в тарілках розташовуються по поверхні розділу між важкою і легкою рідинами.

Для того, щоб рідина не відставала від ротора, що обертається, він забезпечений ребрами 3.

Циклонні процеси

 

Циклонні процеси здійснюють в циклонних апаратах — інерційних пиловловлювачах, в яких відцентрові сили виникають унаслідок тангенціального руху запорошеного потоку. Закручування системи, що розділяється, і створення відцентрового поля здійснюються в них завдяки нерухомим пристроям, що закручують, встановленим на вході в ці апарати

 

 

Рис. 5.5. Схема трубчастої надцентрифуги:

1 — крильчатка; 2 — отвір в головці; 3 — електродвигун; 4 — вал; 5, 7 — верхня і нижня зливні тарілки; 6 — отвір для відведення легкого компоненту; 8 — трубчастий ротор; 9 — станина; 10 — плаваюча опора; 11 — живляча труба

 

 

Рис. 5.6. Схема рідинного тарілчастого сепаратора:

1— труба; 2 — тарілки; 3 — ребро; 4 — отвір для відведення важкої рідини; 5 — кільцевий канал для відведення легкої рідини

 

Так, в циклонах (рис. 5.7) конструкції НІІОГАЗ пил поступає із значною швидкістю (20... 30 м/с) в корпус, що складається з циліндрової 1 і конічної 5 частин з кришкою 2, через тангенціально встановлений патрубок 3. Під дією відцентрової сили тверді частинки відкидаються до стінок корпусу, по спіральній траєкторії опускаються вниз і збираються в бункері 6. Очищений газ підіймається вгору і відводиться з циклону через вихлопну трубу 4.

Циклони характеризуються простотою і компактністю конструкції, високою продуктивністю і якістю розділення, низьким гідравлічним опором.

Для циклонних апаратів, в яких відсутні елементи, що обертаються, відцентровий чинник розділення (5.1) доцільно записувати не через кутову швидкість обертання, а через максимальне значення окружної швидкості руху частинок w біля внутрішньої стінки апарату, ці швидкості зв'язані співвідношенням

 

(5.3)

 

В цьому випадку

 

(5.4)

 

Рис. 5.7. Циклон конструкції НІІОГАЗ:

1,5— циліндрові і конічні частини корпусу; 2 — кришка; 3 — патрубок; 4 — вихлопна труба; 6 — бункер

Звідси витікає, що для підвищення ступеня розділення необхідно збільшувати або швидкість потоку, що пов'язане із збільшенням гідравлічного опору, або зменшувати радіус циліндрової частини циклону, а отже, збільшувати їх число для забезпечення необхідної об'ємної продуктивності по початковій суміші.

Для уловлювання дрібного пилу (аж до 5... 10 мкм) застосовується батарейний циклон (рис. 5.8), який складається з циклонів малого (100...250 мм) діаметру (циклонних елементів), працюючих паралельно. Розміщені вони усередині загального кожуха 2, перехідного в загальний бункер 1 для збору пилу з кожного елементу. Всі корпуси циклонів 4 встановлені в кожусі на нижній трубній решітці 10, а вихлопні труби 8 — на верхній 6. Для запобігання перетіканню ці місця ущільнюються засипкою 3.

 

Рис. 5.8. Схема батарейного циклону:

1 – бункер; 2 — кожух; 3 — засипка; 4 — циклон;

5, 7— патрубки; 6, 10— верхня і нижня трубні решітки; 8 — вихлопна труба; 9 — гвинтові вставки

 

Установка верхньої трубної решітки похило сприяє вирівнюванню швидкостей газу на вході в кожен елемент.

Газ, що очищається, при вході в батарею циклонів через патрубок 7 потрапляє в міжтрубний простір вихлопних труб. На вході в кожен циклон 4 газ закручується спеціальними гвинтовими вставками 9. Осаджений пил збирається в загальний бункер, а очищений від пилу газ віддаляється з батарейного циклону через вихідний патрубок 5.

Продуктивність одиничного циклону визначається за допомогою умовної швидкості , характеризуючої витрату газового потоку через циліндрову частину корпусу (див. рис. 5.7),

 

(5.5)

 

а необхідний для здійснення цього процесу перепад тиску

 

(5.6)

 

де — коефіцієнт місцевого опору;

 

— густина газу.

 

Для отримання певної продуктивності V із застосуванням батарейних апаратів число елементів п в них визначається з урахуванням об'ємної продуктивності кожного з них як

 

 

(5.7)

 

Для розділення суспензій і емульсій використовуються гідроциклони.

Традиційний циліндроконічний гідроциклон (рис. 5.9) є апаратом, що складається з циліндрової 1 з кришкою 6 і конічної 2 частин. У циліндровій частині встановлений вхідний патрубок 4, по якому суміш, що розділяється, тангенціально подається в гідроциклон.

Для відводу освітленої рідини (легкої фази) служить зливний патрубок 5. У вершині конуса гідроциклона розташована насадка 3 для відводу важкої фази.

При тангенціальній подачі початкової суміші, як правило, утворюються два основних потоки рідини, що обертаються. У периферійній зоні I рідина рухається вниз до вершини конуса. При цьому частина її виходить через насадку 3, основна ж кількість змінює напрям руху і, утворюючи внутрішній висхідний потік (зона II), підіймається вгору, віддаляючись з апарату через зливний патрубок 5.

При русі зовнішнього потоку до вершини конуса з нього виділяється частина рідини в радіальному напрямі, вливається у внутрішній висхідний потік.

 

Рис. 5.9. Схема циліндроконічного гідроциклона:

1, 2 — циліндрова і конічна частини гідроциклона; 3 — насадка; 4, 5 — вхідний і зливний патрубки; 6 — кришка; / — периферійна зона; II — зона висхідного потоку; /// — зона розрідження

Звичайно напірні гідроциклони працюють з вільним витоком із зливного патрубка 5 і насадки 3, тому під час роботи через них підсмоктується повітря, яке разом з газом, що виділився з рідини, утворює уздовж осі зону розрідження III (повітряний стовп), істотно впливаючу на прохідний перетин розвантажувальних отворів.

Крупні важкі частинки відкидаються до стінок гідроциклонов, по гвинтовій траєкторії переміщаються до насадки 3, звідки і вивантажуються.

Дрібні легкі частинки концентруються у висхідному потоці, з яким виносяться через патрубок 5.

Гідроциклони малих розмірів (мультігідроциклони) об'єднують так само, як і газові, — в батареї.

Лекція 6