Г. Разделение газовых систем (очистка газов)

1. Общие сведения

2. Гравитационная очистка газов

3. Очистка газов под действием инерционных и центробежных сил

4. Очистка газов фильтрованием

5. Мокрая очистка газов

6. Электрическая очистка газов

VI. Перемешивание в жидких средах

1. Общие сведения

2. Механическое перемешивание

     3. Механические перемешивающие устройства

В. ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ

Основные положения

Под центрифугированием понимают процесс разделения неоднородных систем (эмульсий и суспензий) в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегоро­док. Процессы центрифугирования проводятся в машинах, называемых центрифугами.

Центрифуга представляет собой в простейшем виде вертикальный цилиндрический ротор со сплошными или перфорированными боковыми стенками. Ротор укрепляется на вертикальном валу, который приводится во вращение электродвигателем и помещается в соосный цилиндрический неподвижный кожух, закрываемый съемной крышкой; на внутренней, по­верхности ротора к перфорированными стенками находится фильтроваль­ная ткань или тонкая металлическая сетка.

Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу, называемую фугатом. Осадок остается в роторе, а жид­кая фаза удаляется из него.

В отстойных центрифугах со сплошными стенками произ­водят разделение эмульсий и суспензий по принципу отстаивания, причем действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы.

В фильтрующих центрифугах с проницаемыми стен­ками осуществляют процесс разделения суспензий по принципу фильтро­вания, причем вместо разности давлений используется действие центро­бежной силы.

В отстойной центрифуге разделяемая суспензия или эмульсия отбра­сывается центробежной силой к стенкам ротора, причем жидкая или твер­дая фаза с большей плотностью располагается ближе к стенкам ротора, а другая фаза с меньшей плотностью размещается ближе к его оси, осадок (или фаза с большей плотностью) образует слой у стенок ротора, а фугат переливается через верхний край ротора.

В фильтрующей центрифуге разделяемая суспензия также отбрасы­вается к стенкам ротора и фазы разделяются; при этом жидкая фаза про­ходит сквозь фильтровальную перегородку в кожух и отводится из него, твердая фаза в виде осадка задерживается на внутренней стороне этой перегородки, а затем удаляется из ротора.

Таким образом, общие закономерности центрифугирования имеют сход­ство с закономерностями отстаивания и фильтрования. Однако процессы в отстойных и фильтрующих центрифугах сложнее соответствующих про­цессов в отстойниках и фильтрах. Это обусловлено тем, что в центрифугах вместо силы тяжести и разности давлений действует центробежная сила, достигающая больших значений, а вместо плоских слоев жидкости и осадка образуются слои с цилиндрическими граничными поверхностями, усложня­ющими зависимость процесса от геометрических факторов.

Разделение эмульсий в отстойных центрифугах обычно называют сепарацией, а устройства, в которых осуществляется этот процесс, — сепараторами. Примером такого процесса является отделение сливок от молока.

При разделении суспензий в отстойных центрифугах различают про­цессы центробежного осветления и центробежного отстаивания. В первом случае из жидкости удаляются твердые примеси, содержащиеся в ней в не­значительном количестве, например при осветлении лаков и смазочных масел. Во втором случае разделяется суспензия, в большом количестве содержащая твердую фазу, в частности суспензия угля в воде.

Разделение суспензий в фильтрующих центрифугах называют центробежным фильтрованием. Примером такого процесса является отделение маточного раствора от нитрозофенола. Аналогично процессам разделения суспензий на фильтрах на фильтрующих центри­фугах могут последовательно выполняться операции фильтрования с обра­зованием осадка, промывки и отжима его с целью уменьшения влаж­ности.

Процессы центрифугирования осуществляются периодически или не­прерывно.

Устройство центрифуг

По значению фактора разделения центрифуги можно условно разде­лить на две группы: нормальные центрифуги (К_р < 3500) и сверхцентрифуги (К_р > 3500).

Нормальные центрифуги применяются главным образом для разделе­ния различных суспензии, за исключением суспензий с очень малой кон­центрацией твердой фазы, а также для удаления влаги из штучных мате­риалов. Сверхцентрифуги служат для разделения эмульсий и тонкодисперс­ных суспензий.

Нормальные центрифуги могут быть отстойными и фильтрующими. Сверхцентрифуги являются аппаратами отстойного типа и подразделяются на трубчатые сверхцентрифуги, используемые для разде­ления тонкодисперсных суспензий, и жидкостные сепараторы, служащие для разделения эмульсий.

Существенным признаком типа центрифуг является способ выгрузки из них осадка. Выгрузка производится вручную, при помощи ножей или скребков, шнеков и поршней, движущихся возвратно-поступательно (пуль­сирующих), а также под действием силы тяжести и центробежной силы.

По расположению оси вращения различают вертикальные, наклонные и горизонтальные центрифуги. Вал ротора вертикальной центрифуги имеет опору внизу или подвешивается сверху.

В зависимости от организации процесса центрифуги делятся на перио­дически и непрерывно действующие.

Трехколонные центрифуги. Аппараты этого типа относятся к нормаль­ным отстойным или фильтрующим центрифугам периодического действия с выгрузкой осадка вручную.

В трехколонной фильтрующей центрифуге с верхней выгрузкой осадка (рис. V-28) разделяемая суспензия загружается в перфорированный ро­тор 1, внутренняя поверхность которого покрыта фильтровальной тканью или металлической сеткой. Ротор при помощи конуса 2 установлен на валу 3, который приводится во вращение электродвигателем посредством клиноременной передачи. Жидкая фаза суспензии проходит сквозь ткань (или сетку) и отверстия в стенке ротора и собирается в дне станины 4, по­крытой неподвижным кожухом 5, откуда отводится для дальнейшей обра­ботки. Осадок, образовавшийся на стенках ротора, извлекается, например, при помощи лопатки, после открывания крышки кожуха 6.

Для смягчения воздействия вибраций на фундамент станина 7 с укре­пленными на ней ротором, приводом и кожухом подвешена при помощи вертикальных тяг 8 с шаровыми головками на трех расположенных под углом 120° колонках 9. Это обеспечивает некоторую свободу при вибрации ротора. Центрифуга снабжена тормозом, который может быть приведен в действие только после остановки электродвигателя.

Трехколонные центрифуги выполняются также с нижней выгрузкой осадка, что более удобно в производственных условиях.

Рассматриваемые центрифуги отличаются небольшой высотой и хоро­шей устойчивостью и получили распространение для проведения дли­тельного центрифугирования.

Подвесные центрифуги. Эти центрифуги также относятся к числу нор­мальных отстойных или фильтрующих центрифуг периодического действия с вертикальным ротором и устройством для выгрузки осадка вручную.

На рис. V-29 показана подвесная отстойная центрифуга с нижней вы­грузкой осадка. Исходная суспензия подается по трубопроводу 1 в ротор 2 со сплошными стенками, укрепленный на нижнем конце вала 3. Верхний конец вала имеет коническую или шаровую опору (часто снабженную ре­зиновой прокладкой) и приводится в действие непосредственно соединен­ным с ним электродвигателем. Твердая фаза суспензии, поскольку ее плот­ность больше плотности жидкой фазы, отбрасывается под действием центро­бежной силы, к станкам ротора и осаждается на них. Жидкая фаза распола­гается в виде кольцевого слоя ближе к оси ротора и по мере разделения вновь поступающих порций суспензии переливается через верхний край ротора в пространство между ним и неподвижным кожухом 4. Жидкость удаляется из центрифуги через штуцер 5. Для выгрузки осадка поднимают на цепи коническую крышку 6 и проталкивают его вручную между реб­рами 7, которые служат для соединения ротора с валом.

Подвесные отстойные центрифуги предназначены для разделения тонко­дисперсных суспензий небольшой концентрации, что позволяет подавать суспензию во вращающийся ротор непрерывно до получения слоя осадка достаточной толщины.

В подвесных фильтрующих центрифугах удаление осадка из ротора облегчено и поэтому их используют для проведения коротких процессов центрифугирования.

 Современные подвесные центрифуги полностью автоматизированы и имеют программное управление. Достоинством этих центрифуг является допустимость некоторой вибрации ротора. Кроме того, в них пред­отвращается попадание на опору и привод агрессивных жидкостей. В настоящее время подвесные центрифуги с выгрузкой осадка вручную постепенно заменяются центрифугами более совершенных конструкций.

В подвесных саморазгружающихся центрифу­гах нижняя часть ротора имеет коническую форму, причем угол нак­лона ее стенок больше угла естественного откоса получаемого осадка. При таком устройстве ротора осадок сползает с его стенок при оста­новке центрифуги.

Для предотвращения вибраций, возникающих в результате неравно­мерной загрузки ротора в подвесных центрифугах, используют кольцевой клапан, через который поступающая суспензия распределяется равно­мерно по всему периметру ротора. Для облегчения выгрузки осадка из под­весных центрифуг иногда применяются скребки, срезающие осадок со сте­нок ротора при пониженной скорости его вращения.

Горизонтальные центрифуги с ножевым устройством для удаления осадка. Центрифуги таксой конструкции являются нормальными отстой­ными или фильтрующими центрифугами периодического действия с автома­тизированным управлением.

В горизонтальной фильтрующей центрифуге с ножевым устройством (рис. V-30) операции загрузки суспензии, центрифугирования, промывки, механической сушки осадка и его разгрузки выполняются автоматически. Центрифуга управляется электрогидравлическим автоматом, позволяю­щим по толщине слоя осадка контролировать степень заполнения ротора.

Суспензия поступает в перфорированный ротор 1 по трубе 2 и равно­мерно распределяется в нем. На внутренней поверхности ротора располо­жены подкладочные сита, фильтровальная ткань и решетка, которая обес­печивает плотное прилегание сит к ротору во избежание их выпучивания, что недопустимо при ножевом съеме осадка. Ротор находится в литом кожухе 3, состоящем из нижней стационарной части и съемной крышки. Фугат удаляется из центрифуги через штуцер 4. Осадок срезается ножом 5 (который при вращении ротора поднимается при помощи гидравлического цилиндра 6), падает в направляющий наклонный желоб 7 и удаляется из центрифуги через канал 8. Описанная центрифуга предна­значается для разделения сред­не- и грубодисперсных суспен­зий.

Центрифуги с пульсирую­щим поршнем для выгрузки осадка. Эти аппараты относятся к фильтрующим центрифугам непрерывного действия с гори­зонтальным ротором (рис. V-31) Суспензия по трубе 1 поступает в узкую часть конической во­ронки 2, вращающейся с такою же скоростью, как и перфори­рованный ротор 3, покрытый изнутри металлическим щеле­вым ситом 4. Суспензия пере­мещается по внутренней поверх­ности воронки и постепенно при­обретает скорость, почти равную скорости вращения ротора. Затем суспензия отбрасывается через отверстия в воронке, на внутреннюю поверхность сита в зоне перед поршнем 5. Под действием центробежной силы жидкая фаза проходит сквозь щели сита и удаляется из кожуха цен­трифуги по штуцеру 6. Твердая фаза задерживается на сите в виде осадка, который периодически перемещается к краю ротора при движении поршня вправо приблизительно на V₁₀ Длины ротора. Таким образом, за каждый ход поршня из ротора удаляется количество осадка, соответствующее длине хода поршня; при этом поршень совершает 10-16 ходов в 1 мин. Осадок удаляется из кожуха через канал 7.

Поршень укреплен на штоке 8, находящемся внутри полого вала 9, ко­торый соединен с электродвигателем и сообщает ротору вращательное дви­жение. Полый вал с ротором и шток с поршнем и конической воронкой вращаются с одинаковой скоростью. Направление возвратно-поступательного движения поршня изменяется автоматически. На другом конце штока на­сажен перпендикулярно его оси диск 10, на противоположные поверх­ности которого в особом устройстве попеременно воздействует давление масла, создаваемое шестеренчатым насосом.

В центрифугах с устройством для промывки осадка кожух разделен на две секции, через одну из которых отводится промывная жидкость.

Описанная центрифуга применяется для обработки грубодисперсных, легкоразделяемых суспензий, особенно в тех случаях, когда нежелательно повреждение частиц осадка при его выгрузке.

Центрифуги с инерционной выгрузкой осадка. Эти центрифуги пред­ставляют собой нормальные фильтрующие центрифуги непрерывного дей­ствия с вертикальным коническим ротором.

Суспензия, содержащая крупнозернистый материал, например уголь, руду, песок, поступает в центрифугу сверху через воронку 1 (рис. V-33). Под действием центробежной силы суспензия отбрасывается к коническому ротору 2 с перфорированными стенками. При этом жидкая фаза суспензии проходит сквозь отверстия ротора и удаляется из центрифуги по каналу 3, а твердые частицы, размер которых должен быть больше размера отвер­стий, задерживаются внутри ротора. Образовавшийся таким образом слой твердых частиц, угол трения которого меньше, чем угол наклона стенок ротора, перемещается к его нижнему краю и отводится из центрифуги по каналу 4. С целью увеличения продолжительности периода, в течение ко­торого жидкость отделяется от твердых частиц, движение их тормозится шнеком 5, вращающимся медленнее ротора. Необходимая разность скоростей вращения ротора и шнека достигается при помощи зубчатого редуктора.

Центрифуги с инерционной выгрузкой осадка применяются для раз­деления суспензий, крупнозернистых материалов.

Центрифуги с вибрационной выгрузкой осадка. Центрифуги такой конструкции представляют собой нормальные фильтрующие центрифуги непрерывного действия с вертикальным или горизонтальным коническим ротором.

Недостатком описанной выше центрифуги с инерционной выгрузкой осадка является невозможность регулирования скорости движения осадка вдоль стенок ротора. Этот недостаток устранен в центрифугах с вибрацион­ной выгрузкой осадка, принцип действия которых состоит в следующем.

Центрифуга имеет конический ротор с углом наклона стенок, меньшим угла трения осадка по стенке. Поэтому движение осадка вдоль стенок от узкого к широкому концу ротора под действием центробежной силы оказы­вается невозможным. В данном случае для перемещения осадка в роторе используются осевые вибрации, которые создаются механическим, гидрав­лическим или электромагнитным устройством. При этом интенсивность вибраций определяет скорость перемещения осадка в роторе, что позволяет, в частности, обеспечить необходимую степень обезвоживания осадка.

Жидкостные сепараторы. Эти аппараты являются отстойными сверх­центрифугами непрерывного действия с вертикальным ротором.

К числу таких сверхцентрифуг относятся жидкостные сепараторы, имеющие ротор диаметром 150-300 мм, вращающиеся со скоростью 5000-10000 об/мин. Они предназначаются для разделения эмульсий, а также для осветления жидкостей.

В жидкостном сепараторе тарельчатого типа (рис. V-34) обрабатываемая смесь в зоне отстаивания разделена на несколько слоев, как это делается в отстойниках для уменьшения пути, проходимого частицей при оседании. Эмульсия подается по центральной трубе 1 в нижнюю часть ротора, откуда через отверстия в тарелках 2 распределяется тонкими слоями между ними. Более тяжелая жидкость, перемещаясь вдоль поверхности тарелок, отбрасывается центробежной силой к периферии ротора и отводится через отверстие 3. Более легкая жидкость перемещается к центру ротора и удаляется через кольцевой канал 4.

Отверстия в тарелках располагаются ориентировочно по поверхности раздела между более тяжелой и более легкой жидкостями. Для того чтобы жидкость не отставала от вращающегося ротора, он снабжен ребрами 5. Для той же цели тарелки имеют выступы, которые одновременно фиксируют расстояние между ними.

Примером сепараторов тарельчатого типа могут служить широко распространенные молочные сепараторы.