5. Літературний та патентний огляд процесу центрифугування та засобів його здійснення

Центрифугування - це процес розділу неоднорідних систем в результаті дії відцентрових сил. Даний процес здійснюється за допомогою спеціальних машин (центрифуг). Головним елементом центрифуги є перфорований барабан, який здійснює обертальні рухи на валу (вертикальному або горизонтальному).

В центрифузі протікають такі види процесів:

- відцентрове фільтрування;

- відцентрове відстоювання;

- відцентрове освітлювання.

Відцентрове фільтрування - це процес з розділення в центрифугах суспензій. В цьому випадку центрифуги оснащені перфорованими барабанами, до яких прилягає шар фільтрувального матеріалу. Речовина відкидається на стінки барабана, і під впливом відцентрових сил рідина проходить крізь шар осаду і фільтрувальний матеріал та виводиться назовні за допомогою отворів. Тверда фаза залишається на поверхні фільтрувального матеріалу.

В цілому, відцентрове фільтрування охоплює три фізичних процеси:

- фільтрування з утворенням осаду;

- ущільнення осаду;

- видалення рідини з осаду.

Відцентрове відстоювання - це процес з розділення суспензій в центрифугах, оснащених барабанами з суцільними стінками.

Суспензія подається в нижню частину барабана і в результаті дії відцентрових сил вона відкидається до стінок.

На стінках відбувається виділення осаду, а рідина створює внутрішній шар. Далі рідина виштовхується суспензією, яка надходить на розділення. Рідина піднімається вгору і переливається через край. В даному випадку, протікає два фізичних процеси:

- осадження твердої фази;

- ущільнення осаду.

Рисунок 5 – Класифікація центрифуг

На рис.5 приведена класифікація відомих центрифуг, які можуть бути використані для очищення суспензій [3,4].

Відцентрове освітлювання - процес, також протікає в барабанах із суцільними стінками, що застосовується для розділення суспензій з невеликим вмістом твердої фази (тонкі суспензії, колоїдні розчини). З точки зору фізики, даний процес є вільним осадженням твердих частинок під впливом відцентрових сил.

Основною частиною центрифуги є барабан, який обертається з величезною швидкістю на горизонтальному або вертикальному валу. В центрифугах поділ неоднорідних сумішей може проводитися за принципом фільтрування або відстоювання.

Барабани з суцільними стінками здатні також розділяти емульсії. Компоненти емульсії розділяються на зовнішній шар з високою щільністю і внутрішній шар з низькою щільністю. З барабана розділені по фазах рідини видаляються окремо. Даний процес об'єднує відстоювання і фільтрування під впливом відцентрових сил.

Машини, призначені для центрифугування, класифікуються за такими параметрами:

- показник фактора поділу;

- індексом продуктивності;

- типу режиму роботи (періодичний або безперервний);

- конструктивним параметрам (спосіб кріплення вала і його розташування);

- способом вивантаження осаду.

Фільтруючі центрифуги мають дірчасті барабани, які часто покривають зсередини тканиною або іншою фільтрувальною перегородкою. Центрифуги цього типу служать для поділу суспензій з кристалічною або зернистою твердою фазою, а також для зневоднення штучних і твердих матеріалів.

Важливою ознакою типу центрифуг є спосіб вивантаження з них осаду; вивантаження проводиться вручну, за допомогою ножів або скребків, шнеків і поршнів, що рухаються зворотно-поступально, а також під дією сили тяжіння і відцентрової сили.

Центрифуги розрізняють також по влаштуванню опор (стоячі і підвісні) і по розташуванню осі (горизонтальні, похилі і вертикальні).

Залежно від організації процесу центрифуги ділять на періодично і безперервно діючі.

Періодично діючі центрифуги. Робота центрифуги періодичної дії складається в основному з наступних періодів:

1) пуск центрифуги в хід і наповнення барабана;

2) обертання барабана з постійною швидкістю і поділ неоднорідної суміші;

3) гальмування і розвантаження барабана.

Барабан наповнюють або після того, як незаповнений барабан набуває деяку швидкість обертання, меншу робочої, або при повній швидкості обертання. В деяких випадках барабан завантажують до пуску центрифуги в хід. Осад видаляють після зупинки машини або при обертанні барабана зі зниженою швидкістю.

Після проведення основного процесу центрифугування проводять промивку осаду та віджим промивних вод шляхом повторного пуску барабана на робоче число обертів; іноді цей процес супроводжується вимиванням (екстрагуванням) тих чи інших компонентів вихідної суміші.

В центрифугах періодичної дії використовується барабан з отворами або суцільний.

Барабан укладений в кожух, який служить для збору відокремлюваної рідини і одночасно захисним огородженням в разі розриву барабана. Барабан приводиться в обертання через пасову передачу або безпосередньо від електродвигуна (іноді гідравлічного приводу).

Рідина під дією відцентрової сили проштовхується через стінку дірчастого барабана (або переливається через край суцільного барабана), збирається в кожусі і видаляється в трубопровід.

Для отримання осаду з мінімальним вмістом вологи застосовують дірчасті барабани, за допомогою яких досягається кінцева вологість осаду в середньому 1-5% (у випадку дуже подрібненої твердої фази - до 40%). При використанні суцільних барабанів в осаді залишається значно більше вологи (до 70% і більше).

На внутрішніх стінках дірчастих барабанів закріплюють металеві сита або фільтруючі тканини. Щоб підвищити ефективність розділення, в суцільних барабанах встановлюють кільцеві вставки, що зменшує швидкість рідини бідя стінок і поліпшує осадження твердих частинок.

Періодично діючі центрифуги виготовляють головним чином з вертикальним валом. Вивантаження матеріалу з них може бути верхнім або нижнім. Нижнє вивантаження зручніше, але також вимагає витрати важкої фізичної праці. Для полегшення вивантаження, центрифуги іноді постачають легко керованим скребком (так званої механічної лопати) або виконують саморозвантажуваними.

В стоячих центрифугах з вертикальним валом і жорсткою опорою при нерівномірному розподілі оброблюваного матеріалу виникають сильні і небезпечні коливання барабана. Тому в сучасних конструкціях центрифуг використовуються еластичні опори (гумові буфери, спіральні сталеві пружини), а підп’ятник вала монтується в сферичній втулці.

До числа найбільш поширених періодично діючих центрифуг відносяться центрифуги підвішені на трьох колонках (триколонні), і підвісні центрифуги з верхньою опорою.

Рис. 5.1 – Триколонна центрифуга: 1- барабан; 2 - станина; 3 - кожух; 4 - вертикальна тяга; 5 - колонка; 6 - гальмо; 7 - електродвигун.

В триколонній центрифузі (рис. 5.1) для пом'якшення вібрацій барабана 1 і розвантаження підп’ятника станина 2 з укріпленим на ній кожухом 3, барабаном і приводом підвішена за допомогою вертикальних тяг 4 з кульовими головками на трьох розташованих під кутом 120° колонках 5. Електродвигун 7 змонтований на кронштейні станини (як показано на рис. 1.2) або безпосередньо в корпусі приводу під барабаном. Барабан центрифуги приводиться в обертовий рух через клиновопасову передачу.

Центрифуга забезпечена ручним гальмом 6, який може бути приведений в дію тільки після зупинки електродвигуна.

На триколонних центрифугах проводять відділення рідини від механічних домішок і поділ середньо - і грубодисперсних суспензій, що вимагають тривалого центрифугування.

Триколонні центрифуги випускаються з фільтруючими і суцільними барабанами діаметром 600, 800 і 1000 мм (ємність 45, 70, 140 л); найбільший фактор поділу в межах 800-965. Центрифуги цього типу мають електродвигун в корпусі і випускаються з фільтруючими барабанами діаметром 1200 і 1500 мм; вони менш швидкохідні і граничний фактор поділу для них дорівнює 430-615.

Триколонні центрифуги відрізняються незначною висотою і хорошою стійкістю, але виготовляються переважно з верхнім вивантаженням.

Як вже зазначалося, в умовах виробництва більш доцільне нижнє вивантаження матеріалу з центрифуги. Тому в цукровій промисловості більш поширені підвісні центрифуги.

В підвісній центрифузі (рис. 5.2) вал 3 обертається на кулькових підшипниках, вкладених в стакан 4, який закріплений на каркасі 5. Для надійного самоцентрування машини в ряді конструкцій стакан виконаний з кульової опорою, іноді забезпечений гумовим буфером.

Маточина вала з'єднана з днищем барабана 1 за допомогою спиць, між якими відбувається вивантаження осаду. Кільцевий отвір днища барабана при обробці деяких продуктів закривають на час роботи знімним запірним конусом (на малюнку не показаний). Для того щоб розподілити завантажуваний матеріал більш рівномірно, часто його завантажують в центрифугу при уповільненому обертанні барабана. Центрифуга має барабан фільтруючого типу, що приводиться в дію безпосередньо від електродвигуна 10 або через передачу (в інших конструкціях центрифуг цього типу). Обслуговується машина вручну, для її зупинки користуються гальмом 6.

Підвісні центрифуги іноді постачають форсункою для промивки осаду рідиною, яка подається зі спеціального мірного бачка, а також паровими форсунками для пропарювання осаду.

Граничне значення фактора поділу для підвісних центрифуг з барабаном діаметром 1000 і 1200 мм становить відповідно 1180 і 615.

У саморозвантажувальних підвісних центрифугах (рис. 5.2) нижня частина барабана має конічну форму, причому кут нахилу її стінок більший кута природного скосу одержуваного осаду, завдяки цьому осад сповзає з барабана після зупинки машини. Завантаження центрифуги проводять при уповільненому обертанні барабана 1. Оброблювальний матеріал подається на розподільний диск 3. Розвантажувальний отвір закривається запірним конусом 4. Диск і конус закріплені на муфті, що пересувається вздовж осі вала за допомогою важеля 5 і ручної лебідки.

Підвісні центрифуги призначені для розділення суспензій, що вимагають центрифугування за короткий цикл, саморозвантажувальні підвісні центрифуги застосовують для відділення осаду з кутом внутрішнього тертя, меншим 65°. На них відокремлюють осад, частки яких, не повинні пошкоджуватися при вивантаженні з машини.

Рис. 5.2 – Підвісна центрифуга: 1 - барабан; 2 - кожух; 3 - вал; 4 - стакан; 5 - каркас; 6 - гальмо; 7 - бачок для промивної води; 8 - трубки для промивної води; 9 - трубки для пара; 10 - електродвигун.

Підвісні центрифуги для поділу дрібнодисперсних суспензій, виготовляють із суцільним барабаном без отворів (рис. 5.2). При обертанні барабана тверді зважені частинки під дією відцентрової сили осідають на його стінках, а рідина через верх барабана переливається в простір між барабаном і стінками кожуха 2 і видаляється в трубопровід. У міру накопичення осаду центрифугу зупиняють і розвантажують через нижній отвір барабана.

Рис. 5.3 – Саморозвантажнийпідвісна центрифуга:

1-барабан; 2-кожух; 3-розподільний диск; 4-запірний конус; 5-важіль для підйому диска і конуса; 6-підйомний пристрій для важеля; 7-гальмо;

8-стакан; 9-електродвигун.

Рис. 5.3 – Барабан відстійної підвісної центрифуги: 1- глухий барабан; 2-кожух; 3-запірний конус; 4-труба для введення суспензії; 5-патрубок для відводу рідини; 6-канал для видалення осаду.

Центрифуги, розвантаження яких відбувається вручну або під дією сили тяжіння, доводиться зупиняти для вивантаження осаду, що пов'язано з непродуктивними витратами часу та енергії. Цей недолік усунуто в центрифугах з автоматичним наповненням барабана і видаленням осаду на повному ходу машини.

Рис. 5.4 – Підвісна центрифуга

В автоматичних центрифугах всі операції повного циклу центрифугування, в тому числі завантаження матеріалу, промивка, пропарювання і вивантаження осаду, виконуються автоматично.

В сучасних горизонтальних автоматичних центрифугах (рис. 5.3) матеріал завантажується в барабан 1 через трубу 6 і рівномірно розподіляється в ньому. При повному числі обертів барабана осад після відділення рідини знімається також на повному ходу ножем 3 або скребком,

жолоб 5 або на транспортер. Ніж управляється за допомогою гідравлічного циліндра 4, з ножем зблокований пневматичний молоток 7, який вдаряє по жолобу 5 для полегшення вивантаження осаду.

Послідовність і тривалість окремих елементів повного циклу центрифугування регулюються електрогідравлічним автоматом, який складається з масляного насоса, редуктора і гідравлічних циліндрів, керованих сервомотором.

Автоматичні центрифуги випускають з дірчастим або суцільним барабаном. Центрифуги з дірчастим (фільтруючим) барабаном призначені для поділу середньо - і грубодисперсних суспензій, зернистих, кристалічних і коротко - волокнистих матеріалів, подрібнення осаду яких при вивантаженні допустимо. Центрифуги з суцільним (відстійним) барабаном застосовують для виділення твердої речовини з важкофільтрованої суспензії середньої дисперсності.

Автоматична центрифуга циклічного дії ФПН-1251Л-02 (Рис.5.4) складається з ротора 12, підвішеного на валу 6 у верхній опорі, п'ятишвидкісна асинхронного електродвигуна 3, механізму зрізу 2, пристрої для промивання 1, підвісної головки 5, пульта керування 7,розподільного диска 10, кожуха 11,станини 13, труби для підведення води 15,патрубка для відводу пари, що

утворилася16, труби для підведення пари 17 і пневмоциліндра заслінки лотка 20. Працює центрифуга наступним чином. При досягненні частоти обертання ротора 23 с^-1 відкривається шиберна заслінка утфелерозподільників і утфель по лотку 19 надходить в ротор центрифуги. Після завантаження ротора до заданого об'єму датчик 9 завантаження утфелю дає команду на закриття шиберної заслінки. Потім електродвигун набирає максимальну частоту обертання 150 с ^-1, при якій відбувається фуговка утфелю, регульована реле часу.

По закінченні фугування включається електромагнітний клапан, і вода надходить у пристрій для промивання цукру. Одночасно сегрегатор 18 перемикається на відведення білої патоки.

Після промивання і пропарювання цукру відбувається перемикання електродвигуна на меншу швидкість, і центрифуга починає гальмуватися. При частоті обертання 5 с^-1 включається механічний гальмо 4 і електродвигун вимикається, а потім перемикається на зворотне обертання ротора.

При досягненні ротором частоти обертання 7 ... 10 с ^-1 піднімається запірний конус 14 і до шару цукру пневмоциліндром 8 підводиться ніж. По вертикалі ніж переміщується від електродвигуна. Після закінчення вивантаження механізму зрізу займає початкове положення, запірний конус опускається, сита промиваються водою і починається наступний цикл роботи.

Технічна характеристика: максимальне завантаження - 660 кг; внутрішній діаметр ротора - 1250 мм; внутрішня висота ротора - 800 мм; максимальна місткість ротора - 0,445 м ^3; робоча частота обертання - 105; 157 с ^-1; мінімальний цикл роботи - 3 хв; найбільший фактор поділу - 1560.