Основні відомості про центрифуги

Під центрифугуванням розуміють процес розділення неоднорідних систем (емульсій і суспензій) в полі відцентрових сил із використанням суцільних або проникаючих для рідини перегородок. Процеси центрифугування проводяться в машинах, які називають центрифугами.

Центрифуга являє собою вертикальний циліндричний ротор із суцільними чи перфорованими боковими стінками. Ротор закріплюється на вертикальному валу, який приводиться в обертання електродвигуном, і встановлюється в співвісний циліндровий нерухомий кожух, що закривається знімною кришкою; на внутрішній поверхні ротора з перфорованими стінками знаходиться фільтрувальна тканина чи тонка металева сітка.

Під дією відцентрових сил суспензія розділяється на осад і рідку фазу, яку називають фугатом. Осад залишається в роторі, а рідка фаза виділяється з нього.

У відстійних центрифугах із суцільними стінками проводять розділення емульсій до суспензій за принципом відстоювання, причому дія сили тяжіння замінюється дією відцентрової сили.

У фільтруючих центрифугах із проникними стінками здійснюють процес розділення суспензій за принципом фільтрування, причому замість різниці тиску використовується дія відцентрової сили.

У відстійній центрифузі суспензія, що розділяється, чи емульсія відкидається відцентровою силою до стінок ротора, причому рідка чи тверда фаза з більшою щільністю розташовується ближче до стінок ротора, а інша фаза з меншою щільністю розміщується ближче до його осі; осад (або фаза з більшою щільністю) утворює шар біля стінок ротора, а фугат переливається через верхній край ротора.

У фільтруючій центрифузі суспензія, що розділяється, також відкидається до стінок ротора і фази розділяються; при цьому рідка фаза проходить крізь фільтрувальну перегородку в кожух і відводиться з нього, тверда фаза в свою чергу у вигляді осаду затримується на внутрішній стороні цієї перегородки, а потім видаляється з ротора.

Таким чином, загальні закономірності центрифугування мають схожість із закономірностями відстоювання і фільтрування. Проте процеси у відстійних і фільтруючих центрифугах складніші відповідних процесів у відстійниках і фільтрах. Це обумовлено тим, що в центрифугах замість сили тяжіння і різниці тисків діє відцентрова сила, що досягає великих значень, а замість плоских шарів рідини і осаду утворюються шари з циліндричними граничними поверхнями, що ускладнюють залежність процесу від геометричних чинників.

Розділення емульсій у відстійних центрифугах зазвичай називають сепарацією, а пристрої, в яких здійснюється цей процес — сепараторами. Прикладом такого процесу є відділення вершків від молока.

Під час розділення суспензій у відстійних центрифугах розрізняють процеси відцентрового освітлення і відцентрового відстоювання. У першому випадку з рідини виділяються тверді домішки, що містяться в ній в незначній кількості, наприклад, при освітленні лаків і мастильних масел. У другому випадку розділяється суспензія, що у великій кількості містить тверду фазу, зокрема суспензія вугілля у воді.

Розділення суспензій у фільтруючих центрифугах називають відцентровим фільтруванням. Аналогічно процесам розділення суспензій фільтрами фільтруючих центрифуг можуть послідовно виконуватися операції фільтрування з утворенням осаду, промивання і віджимання його з метою зменшення вологості.

Процеси центрифугування здійснюються періодично чи безперервно.

 

Трьохколонні центрифуги

Апарати цього типу відносяться до нормальних відстійних або фільтруючих центрифуг періодичної дії з вивантаженням осаду вручну.

У трьохколонній фільтруючій центрифузі з верхнім вивантаженням осаду (рис. 5.1) розділяюча суспензія, завантажується в перфорований ротор 1, внутрішня поверхня якого покрита фільтруючою тканиною чи металевою сіткою. Ротор за допомогою конуса 2 встановлений на валу 3, який приводиться в обертання електродвигуном за допомогою клинопасової передачі. Рідка фаза суспензії проходить крізь тканину (чи сітку) і отвори в стінці ротора і збирається в дні станини 4, яка покрита нерухомим кожухом 5, звідки відводиться для подальшої обробки. Осад, що утворився на стінках ротора, витягується, наприклад за допомогою лопатки, після відкриття кришки кожуха 6.

Рисунок. 5.1. Трьохколонна центрифуга: 1 - перфорований ротор; 2 - опорний конус; 3 - вал; 4 - дно станини; 5 - нерухомий кожух; 6 - кришка кожуха; 7 – станина; 8 – тяга; 9 – колонка; 10 - ручні гальма.

 

Для пом'якшення дії вібрацій на фундамент станина 7 з укріпленими на ній ротором, приводом і кожухом підвішена за допомогою вертикальних тяг 8 з кульовими головками на трьох розташованих під кутом 120° колонках 9. Це забезпечує деяку свободу під час вібрації ротора. Центрифуга забезпечена гальмом, яке може бути приведене з дію тільки після зупинки електродвигуна.

Трьохколонні центрифуги виконуються також із нижнім вивантаженням осаду, що зручніше у виробничих умовах.

Дані центрифуги відрізняються невеликою висотою і хорошою стійкістю і набули поширення для проведення тривалого центрифугування.

 

Підвісні центрифуги

Ці центрифуги також належать до нормальних відстійних або фільтруючих центрифуг періодичної дії з вертикальним ротором і пристроєм для вивантаження осаду вручну.

На рис. 5.2 показана підвісна відстійна центрифуга з нижнім вивантаженням осаду. Початкова суспензія подається по трубопроводу 1 у ротор 2 із суцільними стінками, закріплений на нижньому кінці валу 3. Верхній кінець валу має конічну чи кульову опору (часто забезпечену резиновою прокладкою) і приводиться в дію безпосередньо з'єднаним із ним електродвигуном. Тверда фаза суспензії, оскільки її щільність більша щільності рідкої фази, відкидається під дією відцентрової сили до стінок ротора і осідає на них. Рідка фаза розташовується у вигляді кільцевого шару ближче до осі ротора і у міру розділення порцій, що надходять, суспензія переливається через верхній край ротора, в простір між ним і нерухомим кожухом 4. Рідина видаляється з центрифуги через штуцер 5. Для вивантаження осаду піднімають на ланцюгу конічну кришку 6 і проштовхують його вручну між ребрами 7, які призначені для з'єднання ротора з валом.

Підвісні відстійні центрифуги призначені для розділення тонкодисперсних суспензій невеликої концентрації, що дозволяє подавати суспензію в обертаючий ротор безперервно до отримання шару осаду достатньої товщини.

У підвісних фільтруючих центрифугах видалення осаду з ротора полегшене і тому їх використовують для проведення коротких процесів центрифугування.

Рисунок. 5.2. Підвісна центрифуга: 1 – трубопровід для подачі суспензії; 2 – ротор із суцільними стінками; 3 – вал; 4 – нерухомий кожух; 5 – штуцер для видалення рідини; 6 – конічна кришка; 7 – з’єднуючі ребра.

 

Сучасні підвісні центрифуги повністю автоматизовані і мають програмне керування. Перевагою цих центрифуг є допустимість деякої вібрації ротора. Крім цього, в них запобігається попадання на опору і привід агресивних рідин.

У даний час підвісні центрифуги з вивантаженням осаду вручну поступово замінюються центрифугами більш досконалих конструкцій.

У підвісних саморозвантажуючих центрифугах нижня частина ротора має конічну форму, причому кут нахилу її стінок більший кута природного відкосу отримуючого осаду. При такій будові ротора осад сповзає з його стінок під час зупинки центрифуги.

Для запобігання вібрацій, що виникають у результаті нерівномірного завантаження ротора у підвісних центрифугах, використовують кільцевий клапан, через який суспензія, що надходить, розподіляється рівномірно по всьому периметру ротора. Для полегшення вивантаження осаду з підвісних центрифуг інколи застосовуються шкребки, що зрізають осад із стінок ротора при зниженій швидкості його обертання.

4. Горизонтальні центрифуги з ножовим пристроєм для видалення осаду. Центрифуги такої конструкції є нормальними відстійними чи фільтруючими центрифугами періодичної дії з автоматизованим керуванням.

У горизонтальній фільтруючій центрифузі з ножовим пристроєм (рис.5.3) операції завантаження суспензії, центрифугування, промивання, механічного сушіння осаду і його розвантаження виконуються автоматично. Центрифуга керується електрогідравлічним автоматом, що дозволяє за товщиною шару осідання контролювати ступінь заповнення ротора.

Суспензія надходить у перфорований ротор 1 по трубі 2 і рівномірно розподіляється в ньому. На внутрішній поверхні ротора розташовані підкладні сита, фільтруюча тканина і грати, які забезпечують щільне прилягання сит до ротора щоб уникнути їх випинання, що недопустимо під час ножового знімання осаду. Ротор знаходиться в литому кожусі 8, що складається із нижньої стаціонарної частини і знімаючої кришки. Фугат видаляється з центрифуги через штуцер 4. Осад зрізується ножем 5 (який під час обертання ротора піднімається за допомогою гідравлічного циліндра 6), падає в направляючий похилий жолоб 7 і виділяється з центрифуги через канал 8. Описана центрифуга призначаються для розділення середньо- і грубодисперсних суспензій.

Рисунок. 5.3. Горизонтальна центрифуга з ножовим пристроєм для видалення осаду: 1 - перфорований ротор; 2 - труба для подачі суспензії; 3 - кожух; 4 - штуцер для видалення фугату; 5 – ніж; 6 - гідравлічний циліндр для підйому ножа; 7 - похилий жолоб; 8 - канал для видалення осаду.

 

5. Центрифуги з пульсуючим поршнем для вивантаження осаду. Ці апарати відносяться до фільтруючих центрифуг безперервної дії з горизонтальним ротором (рис.5.4). Суспензія по трубі 1 надходить у вузьку частину конічної воронки 2, що обертається з такою ж швидкістю як і перфорований ротор 3, покритий зсередини металевим щільовим ситом 4. Суспензія переміщується по внутрішній поверхні отвору і поступово набуває швидкості, майже рівної швидкості обертання ротора.

Рисунок. 5.4. Центрифуга з пульсуючим поршнем для вивантаження осаду: 1 - труба для надходження суспензії; 2 – конічна воронка; 3 - перфорований ротор; 4 - металеве щілинне сито; 5 – поршень; 6 - штуцер для видалення фугату; 7 — канал для відводу осаду; 8 – шток; 9 - порожнистий вал; 10 - диск, що рухається зворотно-поступально

Потім суспензія відкидається через отвори у воронці на внутрішню поверхню сита в зоні перед поршнем 5. Під дією відцентрової сили рідка фаза проходить крізь щілини сита і видаляється з кожуха центрифуги по штуцеру 6. Тверда фаза затримується на ситі у вигляді осаду, який періодично переміщується до краю ротора під час руху поршня вправо приблизно на 1/10 довжини ротора. Таким чином, за кожен хід поршня з ротора видаляється кількість осаду, відповідна довжині ходу поршня; при цьому поршень здійснює 10-16 ходів у 1 хв. Осад видаляється з кожуха через канал 7.

Поршень закріплений на штоку 8, що знаходиться всередині порожнистого валу 9, який сполучений з електродвигуном і передає ротору обертальний рух. Порожнистий вал з ротором і шток з поршнем і конічною воронкою обертаються з однаковою швидкістю. Напрям зворотно-поступального руху поршня змінюється автоматично. На іншому кінці штока насаджений перпендикулярно його осі диск 10, на протилежній поверхні якого в особливому пристрої поперемінно діє тиск масла, що створюється шестеренним насосом.

У центрифугах із пристроєм для промивання осаду кожух розділений на дві секції, через одну з яких відводиться промивна рідина.

Описана центрифуга застосовується для обробки грубодисперсних, легкорозділяючих суспензій, особливо в тих випадках, коли небажане пошкодження частинок осаду при його вивантаженні. До недоліків її відносять захоплення твердих частинок фугатом у той момент, коли суспензія потрапляє на щілинне сито безпосередньо після зсуву з нього осаду поршнем, а також значна витрата енергії поршнем.

 

6. Центрифуги з шнековим пристосуванням для видалення осаду. Центрифуги цього типу є нормальними відстійними чи фільтруючими центрифугами безперервної дії з горизонтальним або вертикальним ротором.

На рис. 5.5 зображена відстійна центрифуга, в яку суспензія подається через кільцевий простір між зовнішньою трубою 1 з отворами 2 і внутрішньою трубою 3, призначеною для подання промивної рідини. Через отвір 4 суспензія надходить у зону між конічним ротором 5 із суцільними стінками і циліндричною основою 6 шнека 7. Ротор знаходиться в кожусі 8 і обертається в порожнинних цапфах 9. Шнекове пристосування обертається в цапфах, які знаходяться всередині цапф ротора, причому швидкість обертання шнекового пристосування на 1,5-2% менша швидкості обертання ротора. Під дією відцентрової сили тверді частинки суспензії відкидаються до стінок ротора і у вигляді осаду поволі переміщуються (внаслідок різниці швидкостей ротора і шнека) до отвору 10 в роторі для вивантаження осаду, який видаляється через камеру 11. Утворена в результаті відстоювання твердих частинок чиста рідка фаза суспензії у вигляді фугату відводиться через отвір 12 і камеру 13.

Рисунок. 5.5. Центрифуга зі шнековим пристосуванням для вивантаження осаду: 1 – зовнішня труба, 2, 4 – отвори для проходження суспензії, 3 – внутрішня труба, 5 – конічний ротор із суцільними стінками, 6 – циліндрична основа шнека, 7 – шнек, 8 – кожух, 9 – порожнинні цапфи, 10 – отвори для проходження осаду, 11 – камера для осаду, 12 – отвори для проходження фугату, 13 – камера для фугату

Під час руху в незаповненій суспензією частині ротора осад додатково ущільнюється, внаслідок чого вміст рідини в ньому зменшується. Осад може бути промитим у роторі шляхом подання промивної рідини по трубі 3.

Режим роботи центрифуги можна регулювати, змінюючи тривалість операцій відстоювання і ущільнення шляхом зміни ступеня відкриття отворів або кількості обертів ротора і шнека.

Центрифуги з вивантаженням осаду шнеком характеризуються високою продуктивністю і застосовуються для розділення тонкодисперсних суспензій з великою концентрацією твердої фази, а також для класифікації твердих частинок за розміром або щільністю. Недоліками таких центрифуг є велика витрата енергії на переміщення осаду і помітне його подрібнення.