Центрифугирование

Проводя процесс разделения гетерогенных систем под действием центробежных сил, можно существенно интенсифицировать его по сравнению с отстаиванием благодаря увеличению движущей силы.

Для создания поля центробежных сил обычно используют один из двух способов: либо обеспечивают вращательное движение потока в неподвижном аппарате, либо поток направляют во вращающийся аппарат, где он начинает вращаться вместе с аппаратом. В первом случае процесс проводят в циклонах, во втором – в центрифугах.

Для оценки эффективности осаждения под действием центробежной силы сравним его с осаждением под действием силы тяжести.

Центробежная сила, действующая на частицу, составляет

G_ц = (4.2), где m - масса частицы; r – радиус её вращения; w_r – окружная скорость вращения частицы вместе с потоком на радиусе r.

Сила тяжести G = mg (4.3).

Разделив (4.2) на (4.3), получим G_ц/G = (4.4).

Таким образом, центробежная сила, действующая на частицу, может быть больше силы тяжести во столько раз, во сколько ускорение центробежной силы больше ускорения свободного падения g. Отношение этих ускорений называют фактором разделения и обозначают К_р: К_р = (4.5).

Учитывая, что окружная скорость w_r = 2πrn, фактор разделения можно выразить также через n – частоту вращения частицы с потоком:

К_р = (2πrn)²/(gr) = 4π²r²n²/(gr) = 4π²rn²/g.

Значение К_р для циклонов имеет порядок сотен, а для центрифуг – около 3000, таким образом, движущая сила процесса осаждения в циклонах и центрифугах на 2-3 порядка больше, чем в отстойниках. В циклонах и центрифугах можно эффективно отделять мелкие частицы: в центрифугах размером порядка 1 мкм, в циклонах – порядка 10 мкм.

Различают два метода центрифугирования: центробежное осаждение и фильтрование. Основной рабочий орган центрифуг - осесимметричная оболочка, или ротор (барабан), вращающийся с большой частотой с^-1, благодаря чему создается поле центробежных сил до 2·10⁴g в промышленных и до 35·10⁴ g в лабораторных машинах (g - ускорение свободного падения в гравитационном поле). В зависимости от метода центрифугирование осуществляется в сплошных (осадительных; рис. 10, а) или перфорированных (покрытых фильтрующим материалом; рис. 10, б) роторах.

Рис. 10. Роторы машин для центробежного осаждения (а) и фильтрования (б): С - суспензия, Ф - фугат (фильтрат), О - осадок; r_ж -радиус свободной поверхности жидкости.

В циклонах проводят разделение пылей. Схема циклона показана на рис. 11. Циклон состоит из цилиндрического корпуса 2 с коническим днищем. Запылённый газ вводится в корпус через штуцер 1 тангенциально со скоростью 20-30 м/с. Благодаря тангенциальному вводу он приобретает вращательное движение вокруг трубы для вывода очищенного газа, расположенной по оси аппарата. Под действием центробежной силы твёрдые частицы пыли отбрасываются к стенкам корпуса. В аппарате создаются два потока: внешний поток запылённого газа, который движется вниз вдоль поверхности стенок циклона, и внутренний поток очищенного газа, который поднимается вверх, располагаясь вблизи оси аппарата, и удаляется из него. Пыль концентрируется вблизи стенок и переносится потоком в разгрузочный бункер 3.

Рис. 11. Схема течения газовых потоков в циклоне: 1, 4 - входной и отводящий патрубки; 2 - корпус; 3 - пылевой бункер.