Центробежное оборудование. Назначение. Сферы применения

Суть технологического процесса центробежного фазного разделения основана на принципе разделения среды за счет различной относительной плотности ВЗАИМОНЕРАСТВОРИМЫХ фаз ее составляющих (в различных сочетаниях):

  • Водонерастворимая жидкость (органический растворитель, нефтепродукты, растительные и животные жиры) + вода,
  • Водонерастворимая жидкость + вода + «твердое» (водонерастворимое),
  • Водонерастворимый остаток («твердое») + водонерастворимая жидкая фаза под действием силы центростремительного ускорения.

Аппараты и машины, использующие в своей работе силы центростремительного ускорения, классифицируются как ЦЕНТРИФУГИ.

Типы центрифуг

Центрифуги
Декантеры
Сепараторы

Непременным условием эффективного разделения сред является разница удельных масс их фаз. При этом скорость «погружения» отделяемых частиц должна быть выше скорости их плавучести. Основы этого процесса описаны Законом Стокса:

Условные обозначения

S (V) – скорость погружения
G – вес
W – сопротивление (плавучесть)
F1 – жидкость
F – твердые частицы
g – ускорение свободного падения
d – диаметр частицы
e – удельная масса частицы (eFn = ρ)
А - сила Архимеда
n – вязкость жидкости
z – количество сил g

По сути, любой центробежный сепаратор (включая все их известные разновидности и модификации) - это гравитационный осадитель (отстойник), вращающийся вокруг оси, параллельной плоскости осаждения.

В соответствии с законом Стокса, любая частица с плотностью, выше плотности жидкости, осядет на дно отстойника при стандартном g.

Однако, в случае с легкими частицами, этот процесс критически длительный (что не всегда соответствует требованиям технологического цикла), к тому же граница разделения сред на протяжении длительного времени остается «размытой» (что в свою очередь является существенной проблемой и не позволяет ориентироваться на гравитационное разделение в случаях, когда требуется обеспечить стабильные во времени показатели и характеристики разделяемых сред).

Используя центрифуги, можно заставить частицы достигнуть дна намного быстрее за счет многократного усиления силы g в z раз.

Существующие наиболее распространенные технологии фильтрации растворов, содержащих взвешенные вещества (ВВ) либо нерастворимую минеральную фазу с последующим ее обезвоживанием на прессах различных модификаций (при всех прочих достоинствах - простота, изученность и прогнозируемость процессов, отработанность решений, их относительная дешевизна и низкие операционные издержки) обладают СУЩЕСТВЕННЫМ недостатком – они не позволяют удалить межкристаллическую влагу.

Неснижаемый предел объема остаточной влаги в выделенной минеральной части после фильтрации обычно варьируется в пределах ≈10…16% (находится в нелинейной зависимости от гранулометрического состава «твердого») и обусловлен объективными технологическими ограничениями и физическими принципами, на которых основана работа фильтров и прессов, позволяющих удалить только СВОБОДНУЮ (гравитационную) влагу

Снизить остаточную влажность материала («твердого») можно только удалив КАПИЛЛЯРНУЮ влагу.

Обеспечение более низкой остаточной влажности материала при последующей сушке и прокалке «твердого» позволяет избежать дополнительных затрат на удаление из материала водного остатка (капиллярной влаги) в объеме от 7 до 10% от общего объема осушаемого материала с одновременным сокращением длительности технологического цикла обезвоживания.

Эффективность разделения твердой и жидкой фаз зависит от величины действующей силы. Поэтому оборудование, действие которого основано на использовании только силы тяжести, имеет ограниченные технологические возможности. С уменьшением размеров частиц, отношение величины сопротивления движению к силе тяжести увеличивается. В таких случаях целесообразно применение оборудования, использующего центробежную силу. В частности – центрифугирование – процесс обезвоживания мелких и тонких продуктов под действием центробежных сил во вращающемся роторе.

Применение центробежного оборудования для фазного разделения и обезвоживания минеральной части маточных растворов позволяет удалить КАПИЛЛЯРНУЮ влагу и снизить остаточную влажность до показателей (≈5..7%), находящихся ниже показателей остаточной влаги материала при его фильтрации и сушке на прессах и вакуум-барабанных фильтрах (≈10..15%)

Рис. 1

В соответствии с этой классификацией влага разделяется на следующие виды:

Адгезиoнная (внутренняя) влага – удерживается на поверхности частиц молекулярными силами, химически связана с твердой фазой, не удаляется даже при термической сушке. Это гидратная или кристаллизационная влага. (рис. 1)

Адсорбционная (гигроскорическая) влага – поглощается (адсорбируется гидрофильными материалами из воздуха. Удерживается на поверхности в виде пленок силами адсорбции. Прочно связана с поверхностью. Ее поглощают материалы капиллярно-пористой структуры и хорошо растворимые в воде вещества. Количество поглощенной влаги увеличивается с увеличением влагосодержания воздуха. Удаляется при сушке.

Капиллярная влага – заполняет капиллярные промежутки, образующиеся между частицами, или поры внутри самих частиц твердого и удерживается в них силами капиллярного давления. Количество влаги зависит от пористости материала и смачиваемости поверхности.

Свободная (гравитационная влага) – заполняет все промежутки между частицами и перемещается под действием силы тяжести.

Влажность в значительной мере зависит от природы вещества, а в твёрдых телах – и от степени измельчённости, и их пористости.

В понятие ВЛАЖНОСТЬ НЕ ВХОДИТ содержание в материале:

  • химически связанной (конституционной воды), выделяющейся только при химическом разложении
  • кристаллогидратной

В зависимости от содержания воды продукты обогащения делятся на:

  1. обводненные (жидкие) – содержат ~40% воды, обладают подвижностью жидкости, представляют собой механическую смесь твердого и воды.
  2. мокрые – 15-40% влаги, не обладают подвижностью жидкости. Содержат все виды влаги. Получаются после обезвоживания жидких(обводненных).
  3. влажные – 5-15% влаги. Не содержат гравитационной влаги. Получаются после обезвоживания мокрых.
  4. воздушно-сухие – сыпучие продукты. Влага, конденсированная на поверхности частиц, не превышает 5%.
  5. сухие – не содержат влаги.

Основными распространенными методами отделения твердой фазы от жидкой является:

  • гравитационное осаждение
  • фильтрование.

Довольно существенными недостатками гравитационных осадителей являются:

  • длительные циклы технологических процессов разделения фаз,
  • ограничения по размеру осаждаемых частиц (при достижении минимального порогового значения по гранулометрическому составу они просто перестают «тонуть»)
  • цикличный режим работы,
  • значительные эксплуатационные расходы,
  • высокая степень влияния человеческого фактора на эффективность процесса (-ов)

Практически во всех случаях для механического отделения твердых частиц от жидкостей центрифуги непрерывного действия представляют собой наиболее целесообразное решение как с технической так и с экономической точек зрения.

При незначительных габаритах и малом потреблении энергии, они способны осушать большое количество твердого вещества до нижнего предела остаточной влажности (характерного для данного материала) за относительно небольшой промежуток времени (время нахождения материала в процессе от 20 секунд до 3-х минут.

С описанием конструкции областей применения центробежного оборудования Вы можете ознакомиться, скачав документ «ПРЕЗЕНТАЦИЯ - ЦЕНТРИФУГИ-2017-СТМС».