Центрифуга

ЦЕНТРИФУГАЛАУ

Негізгі түсініктер

Центрифигурлеу деп сұйықтық үшін тұтас немесе өткізгіш қалқаларды қолданып, ортадан тепкіш күштер өрісінде біртексіз жүйелерді (эмульсия және суспензия) бөлу процесі түсініледі. Центрифигурлеу процестері центрифуга деп аталатын машиналарда жүргізіледі.

Центрифуга тұтас немесе перфорацияланған бүйір қабырғалары бар қарапайым түрдегі тік цилиндр ротор болып келеді. Ротор электрқозғалтқышпен айналысқа келтірілетін тік білікке бекітіледі және алынбалы қақпақпен жабылатын осьтес цилиндр қозғалмайтын қаптамаға орналастырылады; перфорацияланған қабырғалары бар ротордың ішкі бетінде сүзгіш мата немесе жұқа металл тор орналасқан.

Ортадан тепкіш күштер әсерінен суспензия тұнбаларға және фугат деп аталатын сұйық фазаға бөлінеді. Тұнба роторда қалады, ал сұйық фаза одан шығарылады.

Тұтас қабырғалы тұндыру  центрифугаларында тұндыру принципі бойынша суспензияны және эмульсияны бөлу жүреді, бұл кезде ауыр күші ортадан тепкіш күштермен алмастырылады.

Өткізгіш қабырғалы сүзгілеу центрифугасында сүзгілеу принципі бойынша суспензияны бөлу жүзеге асырылады, бұл кезде қысымдар айырмасының орнына ортадан тепкіш күштер қолданылады.

Тұндыру центрифугасында  бөлінетін суспензия немесе эмульсия ортадан тепкіш күштермен ротор қабырғасына лақтырылады, тығыздығы жоғары сұйық және қатты фаза ротор қабырғасына жақын орналасады, ал тығыздығы төмен басқа фаза оның осіне жақын орналасады; тұнбалар (немесе тығыздығы жоғары фаза) ротор қабырғаларында қабат түзеді, ал фугат ротордың жоғарғы шеті арқылы ағызылады.

Сүзгілеу центрифугасында  бөлінетін суспензия да ротор қабырғасына лақтырылады және фазалар бөлінеді; бұл кезде сұйық фаза сүзгіш қалқа арқылы қаптамаға өтеді және одан шығарылады, ал қатты фаза тұнба түрінде осы қалқаның ішкі жағында ұсталады, сосын ротордан шығарылады.

Осылай центрифигурлеудің  жалпы заңдылықтары тұндыру және сүзгілеу заңдылықтарына ұқсас болып  келеді. Бірақ  тұндыру және сүзгілеу центрифугаларындағы процестер тұндырғыштар мен сүзгіштердегі процестерге қарағанда күрделірек. Бұл центрифугаларда ауырлық күші мен қысым айырмасы орнына үлкен мәндерге дейін жететін ортадан тепкіш күш әсер ететінімен, ал сұйықтық пен тұнбаның жазық қабаттарының орнына процестің геометриялық факторлардан тәуелділікті қиындататын цилиндр шеткі беттермен қабаттар түзілетіндігімен түсіндіріледі.

Тұндыру центрифугаларында  эмульсияларды бөлу әдетте сепарация  деп, ал осы процесс жүргізілетін құрылғылар сепараторлар деп аталады. Мұндай процестің мысалы ретінде сүттен қаймақты бөлуді айтуға болады.

Тұндыру центрифугаларында  суспензияны бөлу кезінде ортадан  тепкіш жарықтандыру және ортадан тепкіш тұндыру процестері бөлінеді. Бірінші жағдайда сұйықтықтан онда аз мөлшерде болатын қатты қоспалар жойылады, мысалы, лактарды және майлағыш майларды жарықтандыру кезінде. Екінші жағдайда көп мөлшерде қатты фазадан тұратын суспензия бөлінеді, мысалы, көмірдің судағы суспензиясы.

Сүзгілеу центрифугаларында  суспензияларды бөлу ортадан тепкіш сүзгілеу деп аталады. Мұндай процестің мысалы болып нитрозофенолдан күңгірт ерітінді бөлу табылады. Сүзгіштерде суспензияны бөлу процестеріне ұқсас сүзгілеу центрифугаларында тұнбалар түзумен сүзгілеу, шаю және ылғалды азайту мақсатында оны сығу операциялары біртіндеп орындалуы мүмкін.

Центрифугалау процестері периодты түрде немесе үздіксіз жүруі мүмкін.

Центрифугалау заңдылықтарының күрделілігіне және практикада қолданылатын центрифугалар конструкцияларының әртүрлілігіне байланысты оны есептеудің нақты тәсілдерінің және процестерінің теориясын жасау қиынға соғады. Центрифугалау процесін есептеу үшін сенімдірек мәліметтерді конструкциялық жағынан есептелетін центрифугаға жақын келетін үлкен емес центрифугада сәйкес суспензияны немесе эмульсияны бөлу бойынша тәжірибелер жүргізу арқылы алуға болады. Бірақ қазіргі уақытта ортадан тепкіш тұндыру және ортадан тепкіш сүзгілеу процестерін сипаттайтын және центрифугалар жұмысының оңтайлы жағдайын таңдауға мүмкіндік беретін негізгі заңдылықтар орнатылған.

Центрифугалар құрылысы

Центрифугаларды бөлу факторының мәні бойынша екі топқа бөлуге болады: қалыпты центрифугалар (К_р<3500) және көлемді центрифугалар (К_р>3500).

Қалыпты центрифугалар қатты фаза концентрациясы өте төмен суспензиялардан басқа әртүрлі суспензияларды бөлу үшін, сонымен қатар даналы материалдардан ылғалды кетіру үшін қолданылады. Көлемді центрифугалар эмульсияларды және ұсақ дисперсті суспензияларды бөлуге арналған.

Қалыпты центрифугалар тұндыру  және сүзгілеу центрифугалары болып  келеді. Көлемді центрифугалар тұндыру  типті аппараттар болып табылады және ұсақ дисперсті суспензияларды бөлуге арналған түтікті көлемді центрифугалар және эмульсияларды бөлуге арналған сұйықтық сепараторлары болып бөлінеді.

Центрифугалар типінің маңызды  белгісі болып тұнбаларды олардан  алу тәсілі табылады. Тұнбаларды түсіру қолмен, ілгері-кейінді қозғалатын поршеньдер мен шнектер, пышақтар немесе қырғыштар көмегімен, сонымен қатар ауырлық күші және ортадан тепкіш күш әсерімен жүргізіледі.

Айналу осінің орналасуы  бойынша тік, көлбеу және көлденең центрифугалар болып бөлінеді. Тік центрифуга роторының білігінің тірегі төменде болады немесе жоғарыдан ілініп тұрады.

Процестің ұйымдастырылуына байланысты центрифугалар периодты және үздіксіз жұмыс жасайтын болып бөлінеді.

Тұнбаларды түсіруге арналған шнекті құрылғылы центрифугалар. Бұл тип центрифугалары көлденең немес тік роторлы, үздіксіз жұмыс жасайты қалыпты тұндыру немесе сүзгілеу центрифугалары болып табылады.

 

V-32-сурет. Тұнбаларды түсіруге арналған шнекті құрылғылы центрифуга:

1 – сыртқы түтік; 2, 4 – суспензия өтуге арналған саңылаулар; 3 – ішкі түтік;

5 – тұтас қабырғалы конусты ротор; 6 – шнектің цилиндр негізі; 7 – шнек;

8 – қаптама; 9 – қуыс цапфалар; 10 – тұнбаның өтуіне арналған саңылау;

11 – тұнбаға арналған камера; 12 – фугаттың өтуіне арналған саңылау; 13 –фугатқа арналған камера

V-32-суретте тұндыру центрифугасы көрсетілген, оған суспензия саңылаулы 2 сыртқы түтік 1 пен шаю сұйықтығын беруге арналған ішкі түтік 3 арасындағы сақиналық кеңістік арқылы беріледі. Саңылау 4 арқылы суспензия тұтас қабырғалы конусты ротор 5 мен шнектің цилиндр негізі 7 арасындағы аймаққа келіп түседі. Ротор қаптамада 8 орналасқан және қуыс цапфаларда 9 айналады. Шнекті құрылғы ротор цапфалары ішіндегі цапфаларда айналады, шнекті құрылғының айналу жылдамдығы ротордың айналу жылдамдығына қарағанда 1,5-2%-ға кем. Ортадан тепкіш күштер әсерінен суспензияның қатты бөлшектері ротор қабырғаларына лақтырылады және тұнба түрінде ротордағы тұнбаны түсіруге арналған саңылауға 10 қарай баяу жылжиды (ротор мен шнектің айналу жылдамдықтарының айырмасы әсерінен), сосын камера 11 арқылы шығарылады. Қатты бөлшектердің тұнуы нәтижесінде түзілген суспензияның сұйық фазасы фугат түрінде саңылау 12 және камера 13 арқылы шығарылады.

Ротордың суспензиямен толтырылмаған  бөлігі қозғалған кезде тұнбалар тығыздала түседі, осының нәтижесінде  ондағы сұйықтық мөлшері азаяды. Тұнбалар роторда түтік 3 арқылы шаю сұйықтығын беру арқылы жуылуы мүмкін.

Саңылаулардың ашылу деңгейін немесе ротордың және шнектің айналым  санын өзгерту арқылы тұндыру  және тығыздау операцияларының ұзақтығын  өзгерте отырып, центрифуганың жұмыс  режимін реттеуге болады.

Шнекпен тұнбалар алынатын центрифугалар жоғары өнімділікпен сипатталады және қатты фаза концентрациясы жоғары ұсақ дисперсті суспензияларды бөлу үшін, сонымен қатар қатты бөлшектерді өлшемі немесе тығыздығы бойынша жіктеу үшін қолданылады. Мұндай центрифугалардың кемшіліктері болып тұнбаны жылжытуға кететін энергияның үлкен шығыны және оның айтарлық ұсақталуы табылады.

Центрифугаларды есептеу

Центрифугалардағы процестердің жоғарыда аталған ерекшеліктеріне  сәйкес олардың өнімділігін дәл  есептеу тұндырғыштар мен сүзгіштерді  есептеуге қарағанда күрделірек. Төменде центрифугаларды есептеудің кейбір қарапайым тәсілдері қарастырылған  және центрифугалауға кететін энергия  шығынын есептеу бойынша жалпы  нұсқаулар келтірілген; бұл аппараттардың  нақтырақ есептеулері арнайы әдебиетте  берілген.

Тұндыру центрифугаларын  есептеу. Бұрын айтылғандай, шама бойынша өнімділік индексіне Ʃ м² центрифуга өнімділігі бойынша эквивалентті тұндырғыш ауданы жауап береді. Сондықтан ауырлық күші әсерінен қатты бөлшектердің тұну жылдамдығын ω_тұн (м/сек) біле отырып, жарықтанған сұйықтық бойынша тұндыру центрифугасының өнімділігін Q_т (м³/сек)

 

теңдігімен өрнектеуге болады, Ʃ шамасын жоғарыда келтірілген теңдеулердің біреуімен табады.

(V, 72) арақатынасын қолданып, центрифуганың нақты өнімділігін Q_нақты (м³/сек) төмендегі теңдіктен анықтаймыз:

 

Үздіксіз жұмыс  жасайтын сүзгілеу центрифугаларын есептеу. Тұнбаны үздіксіз түсіріп тұратын центрифуганы қарастырайық, мұнда тұнбаның орташа қалыңдығы һ_тұн тұрақты деп қабылданады. Мұндац центрифуганы есептеудің жеңілдетілген тәсілі қысымдар айырмасы мен жылдамдық тұрақты болғандағы сүзгілеу теңдеуін (V, 34) қолдануға негізделген. Бұл теңдеуде R_фп=0 деп қабылдап және ∆p қысымдар айырмасын ортадан тепкіш күш әсерінен пайда болатын р_ц қысымына алмастырып аламыз:

 

мұндағы S_орт сүзгілеудің орташа беті болып келеді, ал

 

(V, 75) теңдеуі бойынша Q_т анықтау үшін р_ц және һ_тұн есептеу қажет.

Ротор перифериясындағы сұйықтықтың  сақиналы қабатының бөлігі сызба  түрінде көрсетілген V-36-суретке  сәйкес элементар масса dm

 

арақатынасымен өрнектелуі мүмкін, мұндағы ρ_сұй – сұйықтық тығыздығы, кг/см³; r – радиустың айнымалы мәні, м; L – центрифуга ұзындығы, м.

G/g=m екенін біле отырып, (V, 77) теңдігін ескеріп (V, 62) теңдеуінен ротордың қабырғасына әсер ететін элементар ортадан тепкіш күш үшін

 

түріндегі арақатынас аламыз.

(V, 78) теңдеуіндегі  болады.

Бұдан

 

Бұл өрнекті 0-ден р_ц-ға дейін және r_с-дан r_р-ге дейін интегралдасақ:

 

немесе

 

Тұнба қалыңдығын келесі арақатынастан  табуға болады:

 

мұндағы b шамасы белгілі бір центрифуга үшін сәйкес мәнге ие болады.

(V, 75) теңдеуіне р_ц және һ_тұн мәндерін қойған соң, (V, 81) және (V, 82) теңдіктерінен анықтаймыз:

 

мұндағы – тұнбаның меншікті кедергісін сипаттайтын шама, ал – ортадан тепкіш күшке пропорционал шама, сонымен қатар

 

Тұндыру центрифугаларына ұқсас  сүзгілеу центрифугаларының нақты  өнімділігі (V, 74) арақатынасынан табылуы  мүмкін.

Периодты жұмыс  жасайтын сүзгілеу центрифугаларын  есептеу. Мұндай центрифугалар үшін центрифуганың ең үлкен өнімділігіне сәйкес келетін центрифугалау кезеңінің оңтайлы ұзақтығы бар. Сығылмайтын және сығылатын тұнбалар үшін қолданылатын центрифуганың ең үлкен өнімділігін анықтаудың практикалық тәсілі келесіден тұрады.

Центрифуга жұмысының  бір циклдегі фугат бойынша шартты орташа өнімділігін Q_шар (м³/сек)

 

арақатынасымен өрнектейміз, мұндағы  – центрифугалаудың бір циклінде алынған фугат көлемі, м³; – центрифугалау кезеңінің ұзақтығы, сек; ; – тұнбаны сығу кезеңінің ұзақтығы, сек; – тұнбаны түсіру кезеңінің ұзақтығы, сек.

Бұл жағдайда периодты жұмыс  жасайтын сүзгіштерде де мәні тұрақты болғанда, төмендеуі тұнба қалыңдығының төмендеуіне әкеледі, бұдан центрифуганың өнімділігі артады, бірақ та бұл кезде тұнбаны түсіру және сығу кезеңдерінің жиі қайталануынан центрифуга өнімділігі төмендейді.

Центрифуганың ең үлкен өнімділігіне сәйкес келетін центрифугалау кезеңінің  оңтайлы ұзақтығын  табу үшін центрифугалау кезеңінің ұзақтығы бойынша (V, 84) теңдеуін дифференциалдаймыз және алғашқы туындыны нөлге теңестіреміз. Сонда бірнеше түрлендіруден кейін аламыз:

 

(V, 84) және (V, 85) теңдеулерін салыстырып,

 

Басқаша айтқанда, центрифугалаудың оңтайлы циклі фугаттың лездік шығыны центрифуганың шартты орташа өнімділігіне тең болатындай және мәндерінде болады; бұл кезде центрифугалау кезеңі бітуі қажет.

(V, 85) теңдігін

 

түрінде жазуға болады.

 қоса, кез келген мәні үшін қатынасы уақытта центрифугалаудың лездік жылдамдығында көлемде фугат алу үшін қажетті центрифугалау кезеңінің ұзақтығына сәйкес келетін қандай да бір жалған шама болып келеді. Бұл шаманы деп белгілеп,

 

деп жазуға болады.

Практикада  шамасы уақыт ішінде алынған фугаттың барлық көлемін уақыттағы центрифугалаудың лездік жылдамдығына бөлу арқылы табылуы мүмкін. Лездік жылдамдықты фугаттың үлкен емес көлемдерін және оларды алудың сәйкес ұзақтығын өлшеп және туындыдан ақырғы өсімшелер қатынасына өтіп анықтауға болады. Егер енді координаталарға тәжірибелік қисығын салсақ, онда абсциссасы мен ординатасы тең болатын нүктеге жауап беретін болады.

Центрифугалауға кететін энергия шығынын есептеу. Есептеу кезінде роторды айналдыруға (сұйықтықтың кинетикалық энергиясын байланыстыру, ротордың ауаға және подшипниктерге үйкелісін жеңу), тұнбаларды түсіруге және беріліс пен электрқозғалтқыштағы жоғалтулар орнын толтыруға кететін энергия шығыны ескеріледі. Электрқозғалтқыш қуаты есептік қуаттан 10-20%-ға артық болуы қажет, бұл бастапқы кезде барлық айналушы бөлшектердің инерциялық күштерін жеңу қажеттілігімен түсіндіріледі.