Разделение в поле центробежных сил

В поле центробежных сил разделяют пыли, суспензии и эмульсии, для этого применяют два основных способа разделения:

· разделяемая смесь закручивается вместе с аппаратом, в который подается (центрифугирование);

· разделяемая смесь закручивается в неподвижном аппарате (циклонный процесс).

Центрифугирование осуществляют в аппаратах, которые называются центрифугами и сепараторами. В первых из них основной частью является вращающийся цилиндрический барабан-ротор (с перфорированными или сплошными стенками), во вторых – набор (пакет) тарелок, вращающихся с высокой скоростью.

Основным параметром, характеризующим работу центрифуг, является центробежный критерий Фруда Fr_ц или центробежный фактор разделения К_ц, являющийся отношением центробежной силы, действующей на частицу в центробежном поле рассматриваемого аппарата к силе тяжести, действующей на ту же частицу в гравитационном поле,

где ω = 2πn – угловая скорость вращения ротора; n – частота вращения ротора; R – радиус ротора.

Центрифуги с фактором разделения К_Ц < 3000, условно называются нормальными центрифугами, а те, у которых К_Ц > 3000, - сверхцентрифугами.

Характеристикой работы центрифуг является также индекс производительности, определяемый как

.

Значение индекса производительности численно соответствует площади поверхности осаждения гравитационного отстойника,

которым можно заменить рассматриваемую центрифугу с сохранением показателей ее разделения.

Промышленные центрифуги разделяют:

· по характеру протекания процесса – на непрерывного и периодического действия;

· по способу выгрузки осадка из ротора – с ручной выгрузкой, контейнерной (кассетной), вибрационной, инерционной, гравитационной (самовыгружающаяся), выгрузкой ножом, пульсирующим поршнем и шнеком и др.;

· по расположению оси вращения ротора – на вертикальные, горизонтальные и наклонные.

Маятниковые фильтрующие центрифуги периодического действия с нижней выгрузкой осадка (рис. 3.11) применяют для получения осадка с низкой влажностью и обеспечения высокой эффективности его промывки, а также при разделении суспензий с абразивной или измельчающейся твердой фазой. Осадительные центрифуги этого типа в отличие от фильтрующих имеют сплошной ротор вместо перфорированного и применяются для получения осветленной жидкости высокой чистоты.

Общим конструктивным признаком маятниковых центрифуг является вертикальное расположение оси ротора 1, вал 2 которого вращается в подшипниках. Станина 10 подвешена на трех тягах с шарнирами и пружинами в колонках 6, установленных на фундаментной плите 9, для смягчения вибраций. Крышка кожуха центрифуги открывается механизмом подъема 4. Вращение ротору передается от электродвигателя 5 с помощью клиноременной передачи 8 и гидромуфты 7. Вал снабжен тормозом 11.

Суспензия подается в ротор через патрубок 3, а фильтрат и жидкость для промывки выводятся из кожуха через сливной штуцер 13. Осадок выгружается при полной остановке ротора через

отверстие в днище 12 или через верхнее отверстие 14 ротора, что требует использования ручного труда.

Горизонтальные фильтрующие ножевые центрифуги с автоматической выгрузкой осадка (рис. 3.12) предназначены для разделения суспензий со средне- и мелкозернистой (размер частиц более 30 мкм) твердой фазой. Осадительные центрифуги этого типа предназначены преимущественно для разделения плохо фильтрующихся суспензий с нерастворимой твердой фазой (размер частиц 5...40 мкм).

Общим конструктивным признаком центрифуг является горизонтальное расположение оси ротора 7, вал 9 которого вращается в подшипниках качения 8, установленных в станине 10. Вращение валу 9 передается от электродвигателя 11. На передней крышке центрифуги смонтированы: привод механизма среза осадка 3 с ножом 5, разгрузочный бункер 1, питающая труба 2. В кожухе 6 центрифуги предусмотрен люк для доступа к ротору при замене или ремонте фильтрующих центрифуги люк-воздушник 4 для отвода паров и газов из внутренней полости кожуха.

Осадительные горизонтальные центрифуги со шнековой выгрузкой осадка непрерывного действия (рис. 3.13) предназначены для разделения суспензий с твердой фазой и объемной концентрацией 1...40 %, размером частиц свыше 5 мкм и широко применяются для очистки сточных вод от твердых частиц в природоохранных целях.

Основной частью центрифуги является горизонтально расположенный цилиндроконический ротор 6 с соосно расположенным внутри него шнеком 5. Ротор и шнек вращаются в одном

направлении, но с разной частотой, в результате чего шнек транспортирует образовавшийся осадок вдоль ротора к окнам 9 для выгрузки, расположенным в узкой части ротора.

Ротор центрифуги, расположенный на двух опорах 3 и 8, приводится во вращение от электродвигателя через клиноременную

передачу. Привод шнека – от ротора центрифуги через специальный редуктор 2. Ротор закрыт кожухом 4 с перегородками, отделяющими камеру 10 (для выгрузки осадка) от камеры 11 (для отвода фугата – очищенной жидкости). При перегрузке защитное устройство 1 выключает центрифугу.

При работе центрифуги суспензия по питающей трубе 7 подается во внутреннюю полость шнека, откуда через окна поступает в ротор. Под действием центробежной силы суспензия разделяется, и на стенках ротора осаждаются частицы твердой фазы. Осветленная жидкость течет к сливным окнам 12, переливается через сливной порог и выбрасывается из ротора.

Центрифуги данного типа могут быть выполнены также в фильтрующем исполнении.

фильтрующая центрифуга с пульсирующей выгрузкой осадка (рис. 3.14) – одна из наиболее экономичных конструкций центрифуг непрерывного действия.

Центрифуга приводится во вращение электродвигателем через клиноременную передачу 7. Внутри ротора 2, закрепленного на валу 5, расположен толкатель 4, который, вращаясь с ротором, одновременно воспринимает пульсацию от гидроцилиндра 6.

При работе центрифуги суспензия по питающей трубе 1 и приемному конусу 3 подается в ротор. Проходя конус, суспензия постепенно приобретает скорость, почти равную скорости вращающегося ротора. Из широкого конца конуса через проемы между опорными стояками днища ротора она выбрасывается на внутреннюю поверхность ротора. Фильтрат проходит через сито ротора и выводится из кожуха. Слой осадка, образовавшийся на по‑

верхности сит ротора, при движении толкателя вперед перемещается на величину его хода. При обратном движении толкателя новая порция суспензии поступает на освободившийся участок сит, заполняя его осадком. Таким образом, толкатель, совершая пульсирующее движение, постепенно перемещает осадок вдоль ротора и производит выгрузку его небольшими порциями в приемник.

По пути к выходу осадок может быть дополнительно промыт.

Основным недостатком данного типа центрифуг является забивка фильтрующего полотна и истирание его движением осадка.

К суперцентрифугам относятся трубчатые сверхцентрифуги и тарельчатые сепараторы.

Трубчатые центрифуги (рис. 3.15) предназначены для осветления суспензий, содержащих незначительное количество твердых высокодисперсных примесей, или для разделения стойких эмульсий.

При разделении эмульсий центрифуги работают непрерывно, при разделении суспензий – периодически, так как необходимо регулярно выгружать накопившийся в роторе осадок.

Общим конструктивным признаком этих устройств является трубчатый ротор 8, подвешенный на валу 4, с вертикальной осью вращения и нижней плавающей опорой 10 скольжения. Трехло­пастная крыльчатка 1 сообщает разделяемой жидкости угловую скорость ротора. Станина 9 представляет собой чугунный литой корпус, привод центрифуги осуществляется от электродвигателя 3, расположенного в верхней части корпуса.

При работе центрифуги суспензия через сопло питающей трубы 11 подается в нижнюю часть ротора и, вращаясь вместе с ротором, протекает вдоль его

стенок в осевом направлении. Твердые частицы осаждаются на стенках ротора, а фугат через выходное отверстие 6 в головке ротора выводится в сливную камеру. Осадок периодически удаляют при остановке центрифуги и разборке ротора.

Эмульсия, поступающая в нижнюю часть ротора, по мере продвижения вверх разделяется на тяжелый и легкий компоненты.

Тяжелый компонент проходит через отверстия 2 в головке, расположенные у стенки ротора, поступает в нижнюю сливную тарелку 7 и выводится из центрифуги. Легкий компонент проходит через отверстия 6 в головке, расположенные ближе коси ротора, поступает в верхнюю сливную тарелку 5 и выводится из центрифуги.

Жидкостные тарельчатые сепараторы (рис. 3.16) являются отстойными сверхцентрифугами непрерывного действия с вертикальным ротором и предназначены для разделения эмульсий и малоконцентрированных суспензий.

Эмульсия подается в сепаратор по центральной трубе 1 в нижнюю часть ротора, откуда через отверстия в тарелках 2 распределяется между ними тонкими слоями. Тяжелая жидкость, перемещаясь вдоль поверхности тарелок, отбрасывается центробежной силой к периферии ротора и отводится через отверстия 4. Легкая жидкость перемещается к центру ротора и удаляется через кольцевой канал 5. Отверстия в тарелках располагаются по поверхности раздела между тяжелой и легкой жидкостями. Для того чтобы жидкость не отставала от вращающегося ротора, он снабжен ребрами 3.

Циклонные процессы осуществляют в циклонных аппаратах – инерционных пылеуловителях, в которых центробежные силы возникают вследствие тангенциального движения запыленного потока. Закручивание разделяемой системы и создание центробежного поля осуществляются в них благодаря неподвижным закручивающим устройствам, установленным на входе в эти аппараты.

Так, в циклонах (рис. 3.17) конструкции НИИОГАЗ пыль поступает со значительной скоростью (20...30 м/с) в корпус, состоящий из цилиндрической 1 и конической 5 частей с крышкой 2, через тангенциально установленный патрубок 3. Под действием центробежной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам корпуса, по спиральной траектории опускаются вниз и собираются в бункер 6. Очищенный газ поднимается вверх и отводится из циклона через выхлопную трубу 4.

Циклоны характеризуются простотой и компактностью конструкции, высокой производительностью и качеством разделения, низким гидравлическим сопротивлением.

Для циклонных аппаратов, в которых отсутствуют вращающиеся элементы, центробежный фактор разделения (3.10) и целесообразно записывать не через угловую скорость вращения, а через максимальное значение окружной скорости движения частиц w около внутренней стенки аппарата, эти скорости связаны соотношением

ω = w /R.

В этом случае

Отсюда следует, что для повышения степени разделения необходимо увеличивать либо скорость потока, что связано с увеличением гидравлического сопротивления, либо уменьшать радиус цилиндрической части циклона, a следовательно, увеличивать их число для обеспечения требуемой объемной производительности по исходной смеси.

Для улавливания мелкой пыли (вплоть до 5...10 мкм) применяется батарейный циклон (рис. 3.18), который состоит из циклонов малого (100...250 мм) диаметра (циклонных элементов), работающих параллельно. Размещены они внутри общего кожуха 2, переходящего в общий бункер 1 для сбора пыли из каждого элемента. Все корпуса циклонов 4 установлены в кожухе на нижней трубной решетке 10, а выхлопные трубы 8 – на верхней 6. Для предотвращения перетока эти места уплотняются засыпкой' 3. Ус‑

тановка верхней трубной решетки наклонно способствует выравниванию скоростей газа на входе в каждый элемент.

Очищаемый газ при входе в батарею циклонов через патрубок 7 попадает в межтрубное пространство выхлопных труб. На входе в каждый циклон 4 газ закручивается специальными винтовыми вставками 9. Осажденная пыль собирается в общий бункер, а очищенный от пыли газ удаляется из батарейного циклона через выходной патрубок 5.

Производительность единичного циклона определяется с помощью условной скорости w_усл, характеризующей расход газового потока через цилиндрическую часть корпуса (см. рис. 3.17),

а необходимый для осуществления этого процесса перепад давле­ний

где ζ – коэффициент местного сопротивления; ρ_г – плотность газа.

Для получения определенной производительности V с применением батарейных аппаратов число элементов n в них определяется с учетом объемной производительности каждого из них как

n = V / V г '.

Для разделения суспензий и эмульсий используются гидроциклоны.

Традиционный цилиндроконический гидроциклон (рис. 3.19) представляет собой аппарат, состоящий из цилиндрической 1 с крышкой 6 и конической 2 частей. В цилиндрической части установлен входной патрубок 4, по которому разделяемая смесь тангенциально подается в гидроциклон. Для вывода осветленной жидкости

(легкой фазы) служит сливной патрубок 5. В вершине конуса гидроциклона расположена насадка 3 для вывода тяжелой фазы.

При тангенциальной подаче исходной смеси, как правило, образуются два основных вращающихся потока жидкости. В периферийной зоне I жидкость движется вниз к вершине конуса. При этом часть ее выходит через насадку 3, основное же количество изменяет направление движения и, образуя внутренний восходящий поток (зона II), поднимается вверх, удаляясь из аппарата через сливной патру6ок 5. При движении внешнего потока к вершине конуса из него выделяется часть жидкости, которая, перемещаясь в радиальном направлении, вливается во внутренний восходящий поток.

Обычно напорные гидроциклоны работают со свободным истечением из сливного патрубка 5 и насадки 3, поэтому во время работы через них подсасывается воздух, который вместе с газом, выделившимся из жидкости, образует вдоль оси зону разрежения III (воздушный столб), существенно влияющую на проходное сечение разгрузочных отверстий.

Крупные тяжелые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклонов, по винтовой траектории перемещаются к насадке 3, откуда и выгружаются.

Мелкие легкие частицы концентрируются в восходящем потоке, с которым выносятся через патру6ок 5.

Гидроциклоны малых размеров (мультигидроциклоны) объединяют так же, как и газовые, - в батареи.