Процесс центрифугирования

Главным элементом центрифуги является перфорированный барабан, совершающий вращательные движения на валу (вертикальном или горизонтальном).

В центрифуге протекают следующие виды процессов:

• центробежное фильтрование;
• центробежное отстаивание;
• центробежное осветление.

Центробежное фильтрование - это процесс по разделению в центрифугах суспензий. В этом случае центрифуги оснащены перфорированными барабанами, к которым прилегает слой фильтровального материала. Вещество откидывается на стенки барабана, и под воздействием центробежных сил жидкость проходит сквозь слой осадка и ткань и выводится наружу посредством отверстий. Твердая фаза остается на поверхности ткани.

Центробежное фильтрование охватывает три физических процесса:

• фильтрование с образованием осадка;
• уплотнение осадка;
• удаление жидкости из осадка.

Центробежное отстаивание - это процесс по разделению суспензий в центрифугах, оснащенных барабанами со сплошными стенками. Суспензия подается в нижнюю часть барабана и в результате действия центробежных сил она отбрасывается к стенкам. На стенках происходит выделение осадка, а жидкость создает внутренний слой. Далее жидкость выталкивается суспензией, которая поступает на разделение. Жидкость поднимается вверх и переливается через край. В данном случае, протекает два физических процесса:

• осаждение твердой фазы;
• уплотнение осадка.

Центробежное осветление – процесс, также протекающий в барабанах со сплошными стенками и применяющийся для разделения суспензий с небольшим содержанием твердой фазы (тонкие суспензии, коллоидные растворы). С точки зрения физики, данный процесс является свободным осаждением твердых частиц под воздействием центробежных сил.

Барабаны со сплошными стенками способны также разделять эмульсии. Компоненты эмульсии разделяются на наружный слой с высокой плотностью и внутренний слой с низкой плотностью. Из барабана разделенные по фазам жидкости удаляются раздельно. Данный процесс объединяет отстаивание и фильтрование под воздействием центробежных сил.

Классификация центрифуг

Классификация центрифуг (табл. 1) в общем случае возможна по следующим параметрам:

• по типу организации процесса (непрерывные и периодические)
• по расположению вала (наклонные, горизонтальные, вертикальные)

· по способу выгрузки осадка (с центробежной выгрузкой,

· гравитационной, шнековой, ручной и т.п.)

Центрифуги по фактору разделения делятся на две группы и называются нормальными центрифугами (К_р< 300) и сверхцентрифугами (К_р> 3000).

Нормальные центрифуги используются чаще всего для разделения всех суспензий, кроме тех, которые имеют очень малую концентрацию твердых веществ. Сверхцентрифуги, в свою очередь, используются для разделения тонких суспензий и эмульсий.

Таблица 1. Классификация центрифуг

Центрифуги по назначению делятся на:

• фильтрующие центрифуги оснащаются дырчатыми барабанами, покрытыми изнутри, как правило, тканью или другой фильтрующей перегородкой. Данный тип центрифуг используется для разделения суспензий, имеющих зернистую или кристаллическую твердую фазу, а также твердых и штучных материалов.

· отстойные центрифуги (рис.2.1), имеющие сплошной барабан без отверстий, используются для разделения суспензий, плохо поддающихся фильтрации, а также для осветления суспензий, содержащих малое количество твердой фазы.

Рисунок 2.1. Устройство простейшей отстойной центрифуги

· разделяющие центрифуги тоже оснащены сплошным барабаном. Данный тип центрифуг чаще всего используются для разделения концентрированных суспензий и эмульсий.

Помимо вышеперечисленного, центрифуги разделяются по способу выгрузки осадка:

• вручную
• при помощи скребков и ножей
• при помощи силы тяжести или центробежной силы

Центрифуги также могут разделяться по устройству опор:

• подвесные
• стоячие

По расположению оси – вертикальные, горизонтальные и наклонные.

По процессу организации центрифугирования устройства делят на непрерывно действующие и периодические.

Ценрифуги периодического действия

Центрифуги, работающие периодически, имеют три основные периода работы:

1. Пуск центрифуги и наполнение ее барабанов.

2. Вращение барабана с постоянной скоростью, а также разделение неоднородной смеси.

3. Торможение барабана и его разгрузка.

Наполнение барабана производится, когда незаполненный барабан вращается с определенной скоростью, которая меньше чем рабочая, или в том случае, когда достигается полная скорость вращения. В некоторых случаях барабан следует загружать до момента пуска центрифуги. Удаление осадка происходит после остановки центрифуги или в момент, когда барабан вращается с низкой скоростью.

Довольно часто после того, как проведен основной процесс центрифугирования, возникает необходимость в промывке осадка. Для этого проводится отжим промывных вод, который производится путем дополнительного пуска барабана центрифуги. В некоторых случаях необходимо также вымывание определенных компонентом исходной смеси.

В центрифугах работающих периодически применяется сплошной барабан или с отверстиями.

При этом барабан заключается в кожух, служащий сборником фильтрата или промывной жидкости, а также защитным ограждением на тот случай выхода из строя или разрушения барабан. Вращение барабана производится посредством электродвигателя.

Благодаря воздействию центробежной силы происходит проталкивание жидкости через фильтрующий материал и отверстия в барабане. Жидкость собирается в кожухе, и затем удаляется через трубопровод.

Если необходимо получить осадок, содержащий минимальное количество влаги, то применяются дырчатые барабаны. С их помощью можно достичь конечной влажности осадка около 1-5% (при очень измельченной твердой фазе - до 40%). Если для этих целей использовать сплошные барабаны, то в осадке останется значительно больше влаги (около 70% и больше).

Для того чтобы увеличить эффективность разделения, в сплошных барабанах устанавливают специальные кольцевые вставки, уменьшающие скорость движения жидкости, находящейся у стенок. Таким образом, процесс осаждения твердых частиц значительно улучшается.

Центрифуги периодического действия производятся, как правило, с вертикальным валом. Выгрузка материала в таких центрифугах может быть нижней или верхней. Более удобной считается нижняя выгрузка, но она требует больших затрат физического труда. Чтобы облегчить выгрузку, аппараты достаточно часто снабжают легко управляемой механической лопатой. Некоторые центрифуги такого типа выполняются саморазгружающимися.

Если в стоячих центрифугах, оснащенных вертикальным валом и жесткой опорой, происходит неравномерное распределение обрабатываемого материала, то возникают небезопасные и довольно сильные колебания барабана. Из-за этого современные центрифуги оснащаются эластичными опорами, при этом подпятник вала устанавливается в сферической втулке.

Самыми распространенными центрифугами периодического действия являются центрифуги, которые подвешены на трех колонах, а также центрифуги с верхней опорой.