Відцентрові методи розподілу неоднорідних систем

У першому випадку відбувається циклонний процес, а у дру­гому — відцентрове осідання або відцентрове фільтрування.

Фізична суть процесу осідання під дією відцентрової сили по­лягає в тому, що в обертовому потоці на завислу частинку діє відцентрова сила, яка спрямовує цю частинку до периферії від осі обертання по радіусу з швидкістю, що дорівнює швидкості осідання (рис. 4.16). Колова швидкість потоку, що несе частинку, дорівнює Частинка рухається з результуючою

швидкістю по траєкторії і осідає на стінках апарата. Процес осідання відбувається під дією відцентрової сили

H, (4.15)

де — маса частинки, кг;

— відцентроване прискорення, ;

— радіус обертання частинки, ;

— кутова швидкість обертання частинки, рад/с;

п — число обертів (частота обертання) частинки, 1/с. Опір осіданню, так само як і у випадку осідання під дією сили тяжіння, чинить сила опору середовища.

Рис. 4.1 б. Схема осідання під дією відцентрової сили

Для оцінки ефективності осідання під дією відцентрових сил порівняємо відцентрову силу з силою тяжіння, що діє на частин­ку. Сила тяжіння без урахування підйомних (архімедових) сил становить

H, (4.16)

Зіставлення рівнянь (4.15) і (4.16) дає

 

 

Або

 

(4.17)

 

хпРітп тйттттенттювана сила більша від сили тяжіння в Fr раз. Тут

 

— число Фруда, яке називають фактором розділення.

Фактор розділення показує, у скільки разів відцентрове при­скорення більше від прискорення сили тяжіння. Записавши куто­ву швидкість у виразі для критерію Фруда (фактора розділення)

через число обертів і поклавши , дістанемо

(4.18)

З цього виразу випливає, що збільшення числа обертів частин­ки значно більше впливає на зростання фактора розділення, ніж збільшення радіуса обертання. Виходячи з виразів (4.17) і (4.18), можна сказати, що для збільшення відцентрової сили доцільніше збільшити кількість обертів частинки, ніж радіус її обертання.

Фактор розділення — це важлива характеристика відцентро­вих апаратів, оскільки, за інших умов, розділяюча дія відцентро­вих апаратів зростає пропорційно величині Fr. Швидкість осідання у полі відцентрових сил можна розрахувати за рівнян­ням для визначення швидкості осідання під дією сили тяжіння з урахуванням розділення

(4.19)

 

Де - швидкість осідання, визначена за рівнянням для швид-

кості осідання під дією сили тяжіння, м/с.

На відміну від осідання у полі сил тяжіння швидкість відцент­рового осідання — величини змінна, оскільки рухома частинка переміщується з одного радіуса обертання на інший і значення Fr змінюється. Межі режимів руху, як і раніше (під час осідання у полі сил тяжіння), визначають числовими значеннями критерію

Рейнолдса, тобто для ламінарного режиму для перехідного

і для турбулентного Re>500.

Під час обертання робочого органа центрифуги (ротора) в рідині утворюється воронка (рис. 4.17, а), поверхня якої, як відо­мо з гідравліки, є поверхнею параболоїда обертання. Із збільшен­ням швидкості обертання висота параболоїда (глибина воронки) також збільшується і стає в багато разів більшою від висоти ро­тора, дно ротора оголюється (рис. 4.17, б). З рис. 4.17 видно, що ротор (барабан) центрифуги повинен мати на торці обмежуваль­не кільце, щоб рідина утримувалась у барабані і не вихлюпува­лась через край із збільшенням висоти параболоїда за рахунок збільшення числа обертів. Ширина цього кільця визначає макси­мальну товщину шару рідини, яка може вміщатися у барабані. Для циліндричних барабанів ширину кільця з практичних мірку­вань беруть такою, щоб відношення об'єму барабана (коефіцієнт наповнення) було в межах 0,4-0,65.

Внутрішня поверхня кільцевого шару рідини для технічних розрахунків може бути прийнята циліндричною, оскільки кри­визна поверхні кільця рідини визначається відношенням величини відцентрової сили до сили тяжіння якщо числові величини фактора розділення Fr дорівнюють практично кільком сотням чи тисячам, рівнодіина АВ, до якої в даній точці перпендику­лярна поверхня рідини, практично буде горизонтальною.

Оскільки вплив сили тяжіння в барабані центрифуги мізерний порівняно з дією відцентрової сили, барабан можна при бажанні обертати навколо горизонтальної осі; це зручно для механізації і автоматизації вивантаження осадів з центрифуги.

У відстійних (осаджувальних) відцентрових пристроях розділю-вана емульсія або суспензія відкидається відцентровою силою до стінок робочого органа (ротора центрифуги або корпуса гідроцик-лона), причому рідка або тверда фаза як більш густа осідає ближче до периферії, утворюючи на внутрішній поверхні стінок робочого органа рідинний шар або шар осаду. Інша фаза (меншої густини) розміщується кільцевим шаром ближче до його осі і може перели­ватись через обмежувач шару проясненої рідини у вигляді кільця 2 (рис. 4.18) або відводиться за допомогою спеціальних відвідних (черпальних) трубок 1 і діафрагми 3 або центральної відвідної тру­би в гідроциклонах. Тверда фаза у вигляді кільцевого шару осаду переміщується по стінках робочого органа (ротора центрифуги або корпуса гідроциклона) в зону вивантаження. Для збільшення ефек­тивності розподілу важкої і легкої рідини зазвичай використову­ють тарілчасті барабани, в яких рідина рухається між тарілками у вигляді струменя в ламінорному режимі (рис. 4.19).

Розділення емульсій у відстійних центрифугах розрізняють процеси відцентрового прояснення і відцентрового відстоюван-

ня. При відцентровому проясненні з рідини видаляють тверді домішки, що містяться в ній у незначній кількості, наприклад при проясненні пива, соку і т.п. При відцентровому відстоюванні розділяється суспензія, що містить значну кількість твердої фази.

Найпростішими пристроями для відцентрового розподілу газо­вих і рідинних систем є циклони і гідроциклони. Циклон для очи­щення газу (рис. 4.20) складається з вертикального корпуса 2 з конічним дном 1 і кришкою 3. Запилений газ надходить тан­генціально з великою швидкістю через патрубок 5 у верхню части­ну корпуса циклона. В корпусі цей потік запиленого газу рухається вниз по спіралі вздовж внутрішньої поверхні стінки циклона. При цьому важчі частинки пилу під дією відцентрової сили відкидають­ся на периферію, осідають на внутрішні поверхні корпуса, а потім сповзають у конічне дно і видаляються з апарата через патрубок.

Звільнений від завислих частинок потік виводиться з циклона через вивідну трубу 4. Для поліпшення роботи циклонів застосо­вують вставки у вигляді гвинтової поверхні, розміщеної між кор­пусом апарата і вивідною трубою. Щоб підвищити роздільну дію, замість циклона великого діаметра використовують кілька

циклонних елементів меншого діаметра, які встановлені в одно­му корпусі і працюють паралельно. Такі циклони називають ба­тарейними, або мультициклонами.