АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Конструкция центрифуг

Классификация центрифуг. По величине фактора разделе­ния центрифуги можно условно разделить на две группы: нормальные центрифуги (/Ср<3000) и сверхцентрифуги (/Ср>3000).

Нормальные центрифуги применяют главным образом для разде­ления различных суспензий (исключая суспензии с весьма малой кон­центрацией твердой фазы) и штучных материалов.. Сверхцентрифуги служат для разделения эмульсий и тонких суспензий.

По назначению центрифуги разделяются на три основные группы: фильтрующие, отстойные и сепарирующие (разделяющие).

Фильтрующие центрифуги имеют дырчатые барабаны, кото­рые часто покрывают изнутри тканью или другой фильтрующей перего­родкой. Центрифуги этого типа служат для разделения суспензий с кри­сталлической или зернистой твердой фазой, а также для обезвоживания штучных и твердых материалов.

Отстойные центрифуги со сплошным барабаном (без отвер­стий) применяют для разделения плохо фильтрующихся суспензий и осветления суспензий с небольшим содержанием твердой фазы.

Сепарирующие центрифуги также имеют сплошной барабан; их применяют для разделения эмульсий и концентрирования суспензий.

Важным 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.

Центрифуги различают также по устройству опор (стоячие и под­весные) и по расположению оси (горизонтальные, наклонные и верти­кальные).

В зависимости от организации процесса центрифуги делят на пе­риодически и непрерывно действующие

Периодически действующие центрифуги. Работа центрифуги перио­дического действия складывается в основном из следующих периодов:

1) пуск центрифуги в ход и наполнение барабана;

2) вращение барабана с постоянной скоростью и разделение не­однородной смеси;

3) торможение и разгрузка барабана.

Наполнение барабана производят либо после того, как незаполнен­ный барабан приобретает некоторую скорость вращения, меньшую рабо­чей, либо при полной скорости вращения. В некоторых случаях барабан загружают до пуска центрифуги в ход. Осадок удаляют после остановки машины или при вращении барабана с пониженной скоростью.

Во многих химических производствах после проведения основного процесса центрифугирования производят промывку осадка и отжим про­мывных вод путем повторного пуска барабана на рабочее число оборо­тов; иногда этот процесс сопровождается вымыванием (экстрагированием) тех или иных компонентов исходной смеси.

В центрифугах периодического действия используется барабан с отверстиями или сплошной.

Барабан заключен в кожух, который служит сборником отделенной жидкости и одновременно защитным ограждением в случае разрыва барабана. Барабан приводится во вращение через ременную передачу или непосредственно от электродвигателя (иногда гидравлического привода).

Жидкость под действием центробежной силы проталкивается через стенку дырчатого барабана (или переливается через край сплошного барабана), собирается в кожухе и удаляется в трубопровод.

Для получения осадков с минимальным содержанием влаги приме­няют дырчатые барабаны, при помощи которых достигается конечная влажность осадка в среднем 1-^-5% (в случае весьма измельченной твер­дой фазы—до 40%). При использовании сплошных барабанов в осадке остается значительно больше влаги (до 70% и более).

На внутренних стенках дырчатых барабанов закрепляют металли­ческие сита или фильтрующие ткани. Чтобы повысить эффективность разделения, в сплошных барабанах устанавливают кольцевые вставки, чем уменьшается скорость жидкости у стенок и улучшается осаждение твердых частиц.

Периодически действующие центрифуги изготовляют главным обра­зом с вертикальным валом. Выгрузка материала из них может быть верхней или нижней. Нижняя выгрузка более удобна, но также требует затраты тяжелого физического труда. Для облегчения выгрузки центри­фуги иногда снабжают легко управляемым скребком (так называемой механической лопатой) или выполняют саморазгружающимися.

В стоячих центрифугах с вертикальным валом и жесткой опорой при неравномерном распределении обрабатываемого материала возни­кают сильные и небезопасные колебания барабана. Поэтому в современ­ных конструкциях центрифуг используются эластичные опоры (резино­вые буферы, спиральные стальные пружины), а подпятник вала монти­руется в сферической втулке.

К числу наиболее распространенных периодически действующих центрифуг относятся центрифуги, подвешенные на трех колонках (трех­колонные), и подвесные центрифуги с верхней опорой.

Трехколонные центрифуги. В трехколонной центри­фуге (рис. 158) для смягчения вибраций барабана 1 и разгрузки подпят­ника станина 2 с укрепленным на ней кожухом 3, барабаном и приводом подвешена при помощи вертикальных тяг 4 с шаровыми головками на трех расположенных под углом 120° колонках 5. Электродвигатель 7 смонти­рован на кронштейне станины (как показано на рис. 158) или непосред­ственно в корпусе привода под барабаном. Барабан центрифуги приводит­ся во вращение через клиноременную передачу.

Центрифуга снабжена ручным тормозом 6, который может быть приведен в действие только после остановки электродвигателя.

На трехколонных центрифугах производят отделение жидкости от механических примесей и разделение средне - и грубодисперсных суспен­зий, требующих длительного центрифугирования.

Трехколонные центрифуги нормализованы и выпускаются с филь­трующими и сплошными барабанами диаметром 600, 800 и 1000 мм (емкость 45, 70, 140 л); наибольший фактор разделения в пределах 800—965. Центрифуги этого типа имеют электродвигатель в корпусе и выпускаются с фильтрующими барабанами диаметром 1200 и 1500 мм; они менее быстроходны и предельный фактор разделения для них равен 430—615.

Трехколонные центрифуги отличаются незначительной высотой и хорошей устойчивостью, но изготовляются главным образом с верхней выгрузкой.

Как уже отмечалось, в условиях производства более целесообразна нижняя выгрузка материала из центрифуги. Поэтому в химической промышленности более распространены подвесные центрифуги.

Подвесные центрифуги. В подвесной центрифуге (рис. 159) вал 3 вращается на шариковых подшипниках, заключенных в стакан 4, который укреплен на карка­се 5. Для надежного само­центрирования машины в ряде конструкций стакан вы­полнен с шаровой опорой и иногда снабжен резино­вым буфером.

Ступица вала соедине­на с днищем барабана 1 при помощи спиц, между кото­рыми происходит выгрузка осадка. Кольцевое отвер­стие днища барабана при обработке некоторых про­дуктов закрывают на время работы съемным запорным конусом (на рисунке не по­казан). Для того чтобы рас­пределить загружаемый ма­териал более равномерно, часто его загружают в цен­трифугу при замедленном вращении барабана. Центри­фуга имеет барабан филь­трующего типа, приводимый в действие непосредственно от электродвигателя 10 или через передачу (в других кон­струкциях центрифуг этого типа). Обслуживается маши­на вручную; для ее останов­ки пользуются тормозом 6.

Подвесные центрифуги иногда снабжают форсункой для промывки осадка жидкостью, подаваемой из специального мерного бачка, а также паровыми форсунками для пропаривания осадка.

Предельное значение фактора разделения для подвесных центри­фуг с барабаном диаметром 1000 и 1200 мм составляет соответственно 1180 и 615.

У саморазгружающихся подвесных центрифуг (рис. 160) нижняя часть барабана имеет коническую форму, причем угол наклона ее стенок больше угла естественного откоса получаемого осадка. Благодаря этому
осадок сползает из барабана после остановки машины. Загрузку центри­фуги производят при замедленном вращении барабана 1. Обрабатывае­мый материал подается на распределительный диск 3. Разгрузочное от­верстие закрывается запорным конусом 4. Диск и конус закреплены на муфте, передвигаемой вдоль оси вала при помощи рычага 5 и ручной лебедки.

Подвесные центрифуги предназначены для разделения суспензий,, требующих центрифугирования за короткий цикл; саморазгружающиеся подвесные центрифуги пригодны для отделения осадков с углом вну­треннего трения, меньшим 65°. На них отделяют осадки, частицы которых, не должны повреждаться при выгрузке из машины.

Подвесные центрифуги, служащие для разделения мелкодисперс­ных суспензий, изготовляют со сплошным барабаном без отверстий

(рис. 161). При вращении ба­рабана твердые взвешенные ча­стицы под действием центро­бежной силы оседают на его стенках, а жидкость через верх барабана переливается в про- ' странство между барабаном и

Рис. 160. Саморазгружающаяся подвесная цен­трифуга:

/—барабан; 2—кожух; 3—распределительный диск; 4—за­порный конус; 5—рычаг для подъема диска и конуса; 6—подъемное устройство для рычага; 7—тормоз; 8—ста­кан; ®—электродвигатель.

РисЛбІ. Барабан отстойной под­весной центрифуги'-

/—глухой барабан; 2—кожух; 3—за­порный коиус; 4—труба для ввода суспензии; 5—патрубок для отвода жидкости; б—канал для удаления осадка.

Стенками кожуха 2 и удаляется в трубопровод. По мере накопления осадка центрифугу останавливают и разгружают через нижнее отвер­стие барабана.

Центрифуги, разгрузка которых происходит вручную или под дей­ствием силы тяжести, приходится останавливать для выгрузки осадка, что связано с непроизводительными затратами времени и энергии. Этот недостаток устранен в центрифугах с автоматическим наполнением ба­рабана и удалением осадка на полном ходу машины.

Автоматические центрифуги. В автоматических центрифугах все операции полного цикла центрифугирования, в том числе загрузка материала, промывка, пропаривание и выгрузка осадка, выполняются автоматически.

В современных горизонтальных автоматических центрифугах (рис. 162) материал загружается в барабан 1 через трубу 6 и равномерно распределяется в нем. При полном числе оборотов барабана осадок после отделения жидкости снимается также на полном ходу ножом 3 или скреб­ком, который срезает осадок и направляет его в желоб 5 или на транс­портер. Нож управляется при помощи гидравлического цилиндра 4\ с ножом сблокирован пневматический молоток 7, который ударяет по же­лобу 5 для облегчения выгрузки осадка.

Последовательность и продолжительность отдельных элементов пол­ного цикла центрифугирования регулируются электрогидравлическим автоматом, который состоит из масляного насоса, редуктора и гидравли­ческих цилиндров, упра­вляемых сервомотором.

Автоматические цен­трифуги выпускают с дыр­чатым или сплошным ба­рабаном. Центрифуги с дырчатым (фильтрующим) барабаном предназначе­ны для разделения средне - и грубодисперсных сус­пензий, зернистых, кри­сталлических и коротко - волокнистых материалов, измельчение осадка кото­рых при выгрузке допу­стимо. Центрифуги со сплошным (отстойным) барабаном применяют для выделения твердого веще­ства из труднофильтруе - мых суспензий средней дисперсности.

Коренные подшип­ники автоматических цен­трифуг расположены или по обе стороны барабана (рис. 162), или непосред­ственно в станине у цен - ра тяжести вращающей­ся системы (рис. 163).

Центрифуги с консольным барабаном (по рис. 163) обладают боль­шой устойчивостью к эксцентричным нагрузкам, загрузка их ускоряется, а осадок получается с меньшей конечной влажностью; производитель­ность машины повышается вследствие увеличения ширины барабана (при наличии двусторонней опоры для уменьшения прогиба вала умень­шают ширину барабана и этим сокращают расстояние между подшип­никами).

По ГОСТ автоматические центрифуги (с двусторонней опорой вала) имеют бара­баны диаметром 800, 1200, 1800 мм', предельный фактор разделения равен соответствен­но 1300, 810 и 520.

Непрерывно действующие центрифуги. Большое распространение получили центрифуги, в которых процесс осуществляется непрерывно.

Наиболее важными признаками различия типов непрерывно дей­ствующих центрифуг являются устройство барабана (фильтрующий или

В центрифуге фильтрующего типа с непрерывной выгрузкой осадка пульсирующим поршнем (рис. 164) суспензия подается в узкую часть вращающегося конуса 1. С постепенно возрастающей скоростью она течет по внутренней поверхности конуса вниз и попадает на стенки вра­щающегося ситчатого барабана 2, укрепленного на горизонтальном полом валу 3. Фильтрат проходит через стенки в кожух 8, а на сите бара­бана остается слой осадка. Осадок непрерывно проталкивается к выходу при помощи специального поршня-толкателя 4, который вращается вме­сте с барабаном и совершает по 12—16 возвратно-поступательных ходов в м чуту. Перемена направления хода толкателя производится авто­матически масляным сервомотором. Шестеренчатый насос 6, приводимый в движение сервомотором через золотниковое устройство, подает масло поочередно в камеры, находящиеся слева и справа от диска 7. За каждый ход толкателя осадок перемещается приблизительно на 40—50 мм. По пути к выходу осадок может быть промыт водой, поступающей по спе­циальной трубе. В центрифугах с устройством для промывки осадка кожух 8 разделен на две секции, через одну из которых отводится про­мывная вода. Промытый и отжатый осадок удаляется через патрубок 9. Нижняя часть станины центрифуги является ванной для масла.

Барабан приводится во вращение от электродвигателя через клино - ременную передачу.

К недостаткам этой конструкции следует отнести интенсивный из­нос сита барабана у приемного конуса, возможность прохождения через сито мелких частиц, что вызывает необходимость повторной обработки от­жатой жидкости, а также большой расход энергии на продви жение осадка.

Центрифуги фильтрующего типа с непрерывной выгрузкой осадка пульсирующими поршнями применяют для разделения грубодисперсных, легко теряющих влагу суспензий, особенно в тех случаях, когда нежела­тельно повреждение частиц осадка при выгрузке.

Эти центрифуги имеют барабан диаметром до 1200 мм. Предельное значение фактора разделения невелико, при диаметре барабана 800 и 1200 мм оно составляет соответственно 645 и 615.

Непрерывно действующие центрифуги со шнековой выгрузкой осадка изготовляют главным образом отстойного типа (рис. 165).

Центрифуга имеет два барабана: наружный глухой барабан состоящий из цилиндрической и конической частей, и внутренний бара­бан 2, представляющий собой полый шнек и предназначенный для вы­грузки осадка. Барабан вращается на двух полых цапфах» к которым крепится торцовыми стенками. Суспензия подается по трубопроводу 3, находящемуся внутри правой цапфы, и через отверстия 4 посупает из внутреннего барабана-шнека в наружный барабан 1.

Жидкость попадает в пространство между шнеком и барабтаном 1, на внутренней поверхности которого под действием центробежной силы происходит осаждение твердых частиц.

Шнековый барабан вращается с некоторым отставанием от наруж­ного барабана (число оборотов на 1—2% меньше). Вследствие этого он перемещает осадок по направлению к левой торцовой крышке наружного барабана, в которой имеются окна 5 для выгрузки осадка. Жидкость движется в противоположную сторону и удаляется через сливные окна 6,

Расположенные в правой торцовой крышке барабана. Съемными заслон­ками на этих окнах можно регулировать уровень жидкости внутри бара­бана и, следовательно, величину заполненного объема барабана, назы­ваемого зоной отстаивания. На свободной от жидкости поверх­ности барабана (зоне осушки) осадок дополнительно обезвоживается, причем перед осушкой он может быть промыт.

Наружный барабан вращается от электродвигателя через кл, рно - ременную передачу, а шнек—от наружного барабана через дифферен­циальный редуктор.

Центрифуга этого типа может быть использована также в качестве классификатора для разделения твердых частиц по их размерам или по удельному весу. На ней можно разделять частицы значительно меньшего размера, чем на гидравлических классификаторах.

Как было указано выше, непрерывная выгрузка осадка из центри­фуги может быть осуществлена и под действием центробежной силы.

Разгрузка под действием центробежной силы применена в центри­фуге с вертикальным коническим барабаном и тормозящим шнеком (рис. 166). Суспензия подается сверху и отбрасывается на внутреннюю поверхность конического барабана 1 с отверстиями. Жидкость проходит через стенки барабана и удаляется в трубопровод 5. На поверхности барабана образуется слой осадка, толщина которого к широкому концу конуса постепенно уменьшается. Осадок имеет угол трения меньший, чем наклон стенок конуса, и поэтому движется по образующей барабана. С целью увеличения продолжительности обезвоживания движение осадка
тормозится шнеком 2, который вращается медленней барабана. Необходи­мая разность скоростей вращения барабана и шнека достигается при помощи зубчатого редуктора.

Осадок постепенно передвигается к разгрузочному концу барабана и через патрубок 4 выгружается на транспортер.

Центрифуги такой конфигурации применяют для обезвоживания крупнозернистых материалов—угля, песка, руды и т. п.

Сверхцентрифуги. Для разделения эмульсий и тонких суспензий с низкой концентрацией твердой фазы, а также для осветления последних применяют центрифуги с большим числом оборотов, которые называются сверхцентрифугами.

Центробежное ускорение возрастает прямо пропорционально ра­диусу и квадрату числа оборотов барабана, а напряжение в стенках последнего увеличивается пропорционально квадрату его радиуса и ква-

/—корпус; 2—коническая крышка; 3—накид­ная гайка; 4—коническая тарелка (а—трубка; б—перегородка; в—воронка); 5—вал; б—отвер­стие для выхода тяжелой жидкости; 7—отвер­стия для выхода легкой жидкости.

Драту числа оборотов Для лучшего отстаивания жидкости желательно удлинить ее путь в центрифуге.

Таким образом, для лучшего разделения (или осветления) необходимо увеличить число оборотов, уменьшить диаметр и увеличить длину барабана.

На основе этого созданы разные конструкции сверхцентрифуг, которые отличаются друг от друга главным образом устройством бара­бана и числом оборотов.

Различают два основных вида сверхцентрифуг:

1) жидкостные сепараторы с барабаном небольшой высоты, работаю­щие при 5000—10 ООО об/мин.;

2) трубчатые сверхцентрифуги с трубчатым барабаном, работаю­щие при 14 000—45 000 об/мин.

Жидкостные сепараторы. Схема сепаратора изобра­жена на рис. 167. Барабан сепаратора состоит из цилиндрического корпу­са/и конической крышки 2, соединенных накидной гайкой 3. Внутри

17 А Г. Касаткин.

Барабана размещена коническая тарелка 4. Последняя представляет собой трубку а, на наружной поверхности которой имеются радиальные пере­городки б и воронка в. Эмульсия поступает по трубе а и движется по пути, показанному стрелками. Под действием центробежной силы более тяжелая жидкость образует слой у стенки барабана, проходит по коль­цевому зазору между ним и воронкой в, после чего удаляется через от­верстие 6. Более легкая жидкость движется ближе к центру барабана и удаляется через отверстие 7.

Разделение суспензий ведется до момента заполнения осадком почти всего объема барабана, после чего центрифугу останавливают, барабан

Разбирают и очищают от осадка.

Для очистки загрязнен­ных тонких суспензий, на­пример масел, лаков и др., часто применяют много­камерные сепараторы с несколькими концентриче­скими перегородками, обра­зующими ряд полостей, че­рез которые последовательно (в противоположных напра­влениях) протекает очищае­мая жидкость.

Существенным улучше­нием конструкции сепарато-. ров явилось разделение по­тока жидкости в барабане на ряд тонких слоев при по - помощи нескольких конусо­образных перегородок (та­релок).

В тарельчатых сепара­торах (рис. 168) масса жид­кости разделяется на слои без увеличения скорости, вследствие чего эффектив­ность разделения возрастаете Эмульсия подается по центральной трубе 1 в ниж­нюю часть барабана, откуда через отверстия в тарелках 2 распределяется тонкими слоями между ними. Более тяжелая жидкость скользит по перегородке вниз, собирается у периферии барабана и отво­дится через отверстия 3. Легкая жидкость, наоборот, поднимается по перегородкам вверх к центру и выливается через кольцевой канал 4.

Отверстия в тарелках располагаются ориентировочно по поверх­ности раздела тяжелой и легкой фракции. Для того чтобы жидкость не отставала от вращающегося барабана, последний снабжают ребрами 5, а тарелки—выступами; одновременно выступы фиксируют расстояние между тарелками.

В некоторых конструкциях сепараторов применяются глухие та­релки; жидкость подводится к периферии тарелок и движется тонкими слоями к центральной трубе, у которой отбираются раздельно тяжелая и легкая фракции.

Примером сепараторов тарельчатого типа могут служить широко распространенные молочные сепараторы.

Один из таких сепараторов изображен на рис. 169. В чугунном корпусе 1 установлен барабан 2, который приводится во вращение при помощи червячной передачи 3 через муфту и веретено 4. На барабан надеты тарелки 5, имеющие ряд отверстий и утолщений. Жидкость (мо­локо) поступает для разделения через приемник 6; подача молока в се­паратор регулируется поплавком 7.

Жидкость большего удельного веса (сливки) собирается в сбор­нике 10 и удаляется через патрубок 11, а более легкая (обезжиренное мо­локо) собирается в сборнике 8 и уда­ляется через патрубок 9.

Трубчатые сверхцентри­фуги. Как было указано выше, сверх­центрифуги работают с числом оборотов до 45 ООО в минуту. Благодаря этому уско­рение центробежных сил в них выражает­ся величиной, превосходящей в 12 ООО— 51^000 раз ускорение силы тяжести.

В трубчатой сверхцентрифуге (рис. 170) жидкость поступает в трубчатый ба­рабан (ротор) 2 через трубку 3. Внутри барабана имеется вставка с несколькими радиальными лопастями, которые пре­пятствуют отставанию жидкости от вра­щающегося барабана. По мере движения вдоль барабана жидкость разделяется на слои по удельному весу ее составных частей; при этом из жидкости отделяют­ся твердые частицы, находившиеся в ней во взвешенном состоянии.

Легкая фракция выходит через па­трубок 4, а более тяжелая—через патру­бок 5.

Сверхцентрифуги изготовляют с осветляющим или разделяющим бараба­ном. Барабаны обоих типов имеют в верх­ней части отверстия для отвода осветлен­ной жидкости или более легкой жидкости (в случае разделения жидкостей). В раз­деляющем барабане установлена сменная кольцевая диафрагма для регулирования уровня тяжелой жидкости, а в его крышке просверлено отверстие для отвода более тяжелой жидкости.

Весьма ответственной деталью является приводная головка 6, на которой подвешен ротор сверхцентрифуги. Приводная головка эластично соединяется с гибким валом (веретеном) 7. Ротор приводится во враще­ние через ременную передачу 8 от электродвигателя, делающего 3000 об/мин. Для достижения устойчивости нижней части ротора и вос­приятия радиальных толчков служит направляющий подшипник 9. Цен­трифуга снабжена тормозом 10.

При наличии в обрабатываемой жидкости твердых примесей, отла­гающихся на внутренней поверхности барабана, центрифугу приходится периодически останавливать для очистки. Однако сверхцентрифуга мо­жет нормально работать при образовании довольно толстого слоя осадка в барабане.

В сверхцентрифугах удобно обрабатывать жидкости, требующие герметизации аппаратуры, а также проводить процесс при практически постоянной температуре (повышенной или пониженной), так как поверх­ность теплообмена у сверхцентрифуги незначительна.

По сравнению с тарельчатыми сепараторами трубчатые сверхцен­трифуги отличаются компактностью, простотой конструкции и удобством эксплуатации. Однако для удаления высокодисперсных твердых примесей из суспензий, вследствие уноса твердых частиц при турбулентном движе­нии жидкости через барабан центрифуги, производительность сверхцен­трифуги может оказаться ниже, чем тарельчатого сепаратора.

При выборе сверхцентрифуг следует учитывать концентрацию твер­дой фазы в разделяемой суспензии, а также способность суспензии раз­деляться, которая характеризуется скоростью осаждения частиц дисперс­ной фазы под действием силы тяжести.

Точные расчетные методы определения применимости сверхцентри­фуг для того или иного случая разделения не разработаны, и выбор сверх­центрифуг производится главным образом путем предварительной экспе­риментальной проверки свойств суспензий и процесса ее разделения. Методы выбора сверхцентрифуг описаны в специальной литературе.