Теоретические основы центробежного осаждения.
Сравнительная характеристика ЦБН.
В химической промышленности чаще всего используют ЦБН.
Плюсы ЦБН:
- большая объемная подача;
- непрерывность и равномерность подач;
- простота (отсутствие клапанов передаточного механизма воздушных колпаков);
- компактность;
- низкая металлоемкость;
- возможность непосредственного присоединения к приводу (двигателю);
- возможность перекачивания суспензий (отсутствие клапанов);
- свойство саморегулирования (насос сам отыскивает свою рабочую точку, т.е. настраивается на работу, на данную сеть);
- надежность и долговечность;
- дешевизна.
Минусы ЦБН:
- недостаточно высокий напор;
- уступает по КПД поршневым;
- трудность конструктивного выполнения малых насосов;
- необходимость предварительной заливки насоса перекачиваемой жидкости (отсутствие самовсасывающей способности);
- кавитация (захлопывание газовых или паровых пузырьков в области высокого давления насоса (в спиральном насосе между колесом и корпусом), каверна - пустота, полость).
Кавитация сопровождается шумом, треском, вибрацией. Это объясняется множеством гидравлических микроударов. Она понижает все основные рабочие параметры насосами сокращается срок службы, поэтому при установке насоса необходимо учитывать кавитационную поправку, т.е. насос должен быть установлен не выше определенного уровня.
Плюсы поршневого насоса:
- высокий напор;
- высокое КПД;
- самовсасывающая способность;
- независимость объемной подачи насоса от его напора.
Понятие о компрессорах.
Для компрессорных машин вместо напора применяют степень сжатия Е – это отношение давления газа на выходе компрессора к его давлению на входе в компрессор.
Е= Р2/Р1
В зависимости от степени сжатия различают компрессорные машины:
1) вентиляторы (Е<1,1);
2) газодувки (1,1<Е<3);
3) компрессоры (Е>3).
Кроме того, компрессорные машины используют в качестве вакуум-насосов. основное отличие компрессорных машин от насосов обусловлено сжимаемостью газов.
При резком сжатие газа, особенно для высоких давлений, он сильно разогревается, поэтому возникает необходимость отвода тепла(для уменьшения энергозатрат). По принципу действия центробежные компрессорные машины аналогичны ЦБН, а поршневые компрессоры ПН.
Характеристика неоднородных систем и способов их образования и разделения.
Неоднородная (гетерогенная система) состоит из двух или более фаз. Одна из фаз (в большем количестве) – внешняя несущая, т.е. дисперсионная среда. Другая фаза (в меньшем количестве) – внутренняя раздробленная, т.е. дисперсная фаза.
В химической промышленности чаще всего встречается 2-ые (бинарные) гетерогенные системы:
Г–Ж, Г–Т, Ж–Т, Ж–Ж (не смешивающиеся), т.е. взаимнонерастворимые.
Суспензия – взвесь твердых частиц в жидкости (крошка каучука в воде, известковое молоко);
Эмульсия – взвесь капелек одной жидкости в другой (капля воды в нефти);
Пена – взвесь газовых или паровых пузырьков в жидкости (пена водного раствора алкилсульфоната);
Аэрозоли – взвеси твердых или жидких частиц в газа (пыли, тумана).
Размер частиц в дыме меньше, чем в пыли.
Создать неоднородную систему можно двумя способами:
1) псевдоожижением – перевод неподвижного зернистого слоя в состояние хаотического движения твердых частиц восходящим потоком;
2) перемешивание в жидкой среде.
Разделить гетерогенную систему можно осаждением, фильтрованием и микропылиулавливанием.
Различают 3 вида осаждения:
1. гравитационное (в поле сил тяжести);
2. центробежное (в центробежном поле);
3. электрическое (в электрическом поле под действием сил Кулона).
В свою очередь центробежное осаждение делится на 2 подвида:
1. осадительное центрифугирование;
2. циклонный процесс.
Фильтрование делится на 2 вида:
1. обычное (под действием перепада давления);
2. центробежное (фильтровальное центрифугирование).
Гравитационное осаждение.
Отстаивание (гравитационное осаждение) – разделение суспензий, эмульсий и газов взвеси в поле сил гравитации.
Движущая сила гравитационного осаждения – разность плотностей фаз, т.е. дисперсных частиц и дисперсионной среды.
Суспензия проходит через аппарат со скоростью W. Под действием сил тяжести твердые частицы оседают со скоростью W0 и образуют на дне отстойника осадок (слой твердых частиц с некоторым количеством жидкости). В процессе отстаивания должны выполняться 2 условия:
1) скорость движения суспензий должна уступать скорости осаждения, в противном случае будет происходить взмучивание,т.е. осевшие дисперсные частицы будут вновь взвешиваться;
2) время пребывания неоднородной системы в аппарате должна быть меньше времени стесненного осаждения наименьшей дисперсной частицы, которое необходимо осадить. В противном случае, эта частица попадет в осветленную жидкость.
Скорость осаждения в аппарате падает сверху вниз по двум причинам:
1) оседающие частицы тормозятся жидкостью, вытесняемой со дна отстойника оседающими частицами;
2) оседающие частицы тормозятся взаимно за счет трения и соударения (в зоне стесненного осаждения).
Скорость стесненного осаждения намного меньше, чем скорость осаждения.
Скорость свободного осаждения можно найти по соотношению:
Универсальная формула Тодеса:
Скорость стесненного осаждения находят по преобразованной формуле Тодеса:
Формула Тодеса пригодна для всех 3х режимов осаждения (ламинарного, переходного турбулентного).
С максимальной скоростью оседают частицы сферичной формы (шарообразны). Для частиц другой формы применяют коэффициент сферичности.
Скорость гравитационного осаждения пропорциональна размеру и плотности дисперсной частицы и обратно пропорциональна плотности и вязкости дисперсионной среды (это следует из анализа формул Re и Ar). При отсутствии эмульсий капельки дисперсной фазы оседают или всплывают (в зависимости от разности плотностей), образующих второй слой, который затем удаляют из аппарата.
Конструкция отстойников.
Аппараты для отстаивания называются отстойники или гравитационные осадители, или сгустители. Размеры гравитационного осадителя обратно пропорциональны размерам и плотности дисперсных частиц.
Отстойники бывают непрерывного, полунепрерывного и периодического действия.
Рассмотрим непрерывный отстойник с гребковой мешалкой для разделения суспензий:
1. цилиндроконический корпус;
2. медленно-вращающийся вал (несколько оборотов в мин);
3. лопасть;
4. гребок;
5. кольцевой желоб;
6. труба для суспензий.
Суспензия поступает в аппарат по трубе 6. твердые частицы оседают под действием силы гравитации. Осадок со дна отстойника выгружается с помощью гребков и выводится через нижний щтуцер. Осветвленная жидкость удаляется из аппарата через желоб 5.
Плюсы аппарта: непрерывность, большая производительность, равномерная плотность и хорошее обезвоживание осадка (благодаря гребкам).
Минусы аппарата: медленное отстаивание, громоздкость (диаметр до 120 м).
такие аппараты используют при очистке сточных вод.
Используют также непрерывные отстойники с коническими перегородками и наклонными перегородками для разделения суспензий.
Рассмотрим горизонтальный непрерывный отстойник для разделения эмульсий:
1. цилиндричекий корпус;
2. перфлорированная отбойная перегородка;
3. устройство для разрыва сифон(предотвращает полное опорожнение аппарата).
Этот аппарат называется флорентийский сосуд.
Поперечное сечение отстойника выбирают с расчетом обеспечения ламинарного течения жидкости в нем. Отбойная перфлорированная отбойная перегородка способствует подавлению турбулентности потока.
Плюсы аппарата: непрерывность, простота.
Минусы аппарата: невысокая производительность, громоздкость, недостаточная степень разделения.
Для разделения газовых взвесей (для обеспыливания газов) применяют пылиосадительную камеру полунепрерывного действия:
1. горизонтальная полка;
2. дверца;
3. отражательная перегородка.
При прохождении газа через камеру пыль оседает на полках 1 (расстояние между полками 10-20 см). Пыль удаляется с полок периодически через дверки 2 с помощью скребков. Перегородка 3 способствует дополнительному осаждению пыли за счет сил инерции. Пылиосадительные камеры громоздки, низкоэффективны, малопроизводительны, поэтому постепенно вытесняется циклонами. Кроме того, для очистки газов используют каменные газоходы и жалюзийные пылиуловители.
Плюсы аппарата: простота и дешевизна, небольшие энергозатраты.
Минусы аппарата: медленное отстаивание, громоздкость, низкая степень разделения.
Обычно сгустители применяют для предварительного сгущения суспензий, т.е. отстаивание является более эффективным способом разделения неоднородных систем (фильтрование, циклонному процессу, центрифугированию).
Теоретические основы центробежного осаждения.
Скорость осаждения можно резко повысить при замене гравитационных сил, действующих на дисперсные частицы, на центробежную силу. Объясняется это тем, что центробежная сила может на 2 и более порядка превосходить гравитационную силу. Различают 2 способа центробежного осаждения:
1. осадительное центрифугирование;
2. циклонный процесс.
Осадительное центрифугирование – разделение суспензий и эмульсий в центробежном поле быстро вращающегося ротора .
Циклонный процесс – разделение жидкой или газовой суспензии в центробежном поле аппарата, не имеющего движущихся частей.
Центробежное поле в циклоне можно создать двумя способами:
1. тангенциальным вводом (по касательной к поверхности корпуса) суспензии в аппарат;
2. пропусканием газовзвесей через закручиватель потока (кольцевое пространство между двумя соосными трубами), в которых установлены неподвижные винтовые лопасти.
Дисперсная частица в центробежном поле ротора участвует в сложном движении: перемещается с окружной скоростью Wr и одновременно оседает со скоростью Wоц. Таким образом, эта частица движется с результирующей (абсолютной) скоростью Wабс, описывает траекторию АВС и оседает на стенке ротора.
Количественно оценить интенсификацию осаждения центробежного поля по сравнению с гравитационной можно отношением центробежных и гравитационных сил, т.е. центробежного и гравитационного ускорения:
, Кц – фактор разделения. Он равен отношению центробежного ускорения к ускорению силы гравитации. Эффективность и интенсивность разделения прямо пропорциональны фактору разделения.
Таким образом интенсивность и эффективность центробежного осаждения пропорциональны числу оборотов ротора. При проектировании центрифуги необходимо учитывать прочностные требования к валу ротора. при изготовлении вала ротора всегда появляется эксцентриситет – отклонение геометричекого центра тяжести вала от центра тяжести. Это вызывает дополнительное вращение вала вокруг некоторой оси в пространстве. Если частота дополнительного вращения вала совпадает с частотой основного вращения, то на лицо резонанс. Он способен разрушить вал, т.е. необходимо учитывать критическую скорость вращения вала.