Классификация центрифуг

Центрифуги классифицируют: 1) по величине фактора разделения; 2) по физической сущности процесса - осадительные и фильтрующие; 3) по характеру работы- периодические и непрерывные; 4) по расположению ротора; 5) по способу выгрузки осадка.

По фактору разделения промышленные центрифуги условно делят на: нормальные центрифуги с фактором разделения Ф_р<3500; скоростные или сверхцентрифуги с фактором разделения Ф_р> 3500.

По способу выгрузки осадка из барабана различают центрифуги с выгрузкой ручной, гравитационной, шнековой, ножами и скребками, пульсирующими поршнями и др. (рисунок 45).

I - суспензия; II - фугат; III - осадок

Рисунок 45 -Способы выгрузки осадка.

По конструкции опор и расположению оси барабана центрифуги делят на подвесные вертикальные (на колонках), вертикальные стоячие (с подпертым валом), горизонтальные, наклонные (рисунок 46).

1	2	3

1 - вал подперт в жестких опорах; 2 - вал, подпертый с упругой опорой; 3 - висячий вал с верхним креплением опор; 4 - вал, подвешенный на колоннах; 5 - горизонтальное крепление вала в жестких опорах; 6 - консольное крепление ротора.

Рисунок 46 - Схемы расположения ротора и крепления валов роторов.

По организации процесса разделяют периодически и непрерывно действующие центрифуги.

Номенклатура базовых моделей центрифуг

Номенклатура базовых моделей центрифуг включает следующие типы:

ФГП - фильтрующая, с горизонтальным ротором и пульсирующей выгрузкой осадка;

ФВИ -фильтрующая, с вертикальным ротором и инерционной выгрузкой осадка;

ФВВ - фильтрующая, с вертикальным ротором и вибрационной выгрузкой осадка;

ФГШ - фильтрующая, с горизонтальным ротором и шнековой выгрузкой осадка;

ФВШ- фильтрующая с вертикальным ротором и шнековой выгрузкой осадка;

ОГШ- осадительная, с горизонтальным ротором и шнековой выгрузкой осадка;

ФГН- фильтрующая, с горизонтальным ротором и ножевым съемом осадка;

ФПН- фильтрующая, подвесная, с ножевой выгрузкой осадка;

ФПС- фильтрующая, подвесная, саморазгружающаяся;

ФМН - фильтрующая, маятниковая с ножевой выгрузкой осадка;

ФМБ -фильтрующая, маятниковая, с ручной выгрузкой осадка через верхний борт;

ФМД- фильтрующая, маятниковая, с ручной выгрузкой осадка черед днище;

ФВБ- фильтрующая, вертикальная, с ручной выгрузкой осадка через верхний борт;

ОТР осветляющая, трубчатая, с ручной выгрузкой осадка.

Как видно из приведенной классификации, подавляющее большинство выпускаемых типов центрифуг- фильтрующие. Это- объясняется тем, что в фильтрующих центрифугах, как правило, обеспечивается большая четкость разделения, получается менее влажный осадок.

По сравнению с фильтрами центрифуги имеют следующие преимущества, обуславливающие их большое распространение: а) высокая интенсивность процесса за счет больших значений фактора разделения; б) компактность (в отличие от фильтров, не требуется вспомогательное оборудование для поддержания движущей силы процесса вакуум-насосов, насосов); в) большие возможности механизации, автоматизации процесса; г) меньшие требования к суспензии и осадку.

Крупным недостатком центрифуг является их сложность, высокие требования к точности изготовления конструкций, большая стоимость.

Выгрузка под действием силы тяжести

Выгрузка под действием силы тяжести является одним из наиболее старых способов и реализуется в центрифугах типа ФПС. Эти центрифуги применяются в химической промышленности (хотя наиболее распространены в сахарной). Основное достоинство выгрузки - отсутствие измельченного осадка. Центрифуги этого типа имеют цилиндроконический ротор, что облегчает перекрытие выпускного отверстия подъемным конусом. Движение частицы массой m вдоль образующей конуса будет иметь место, если сила, действующая вдоль образующей будет больше силы трения:

, (4.5)

Из этого выражения получаем формулу для расчета необходимого угла между осью и образующей конуса:

, (4.6)

Рисунок 47 - Схема гравитационной выгрузки осадка

где f- угол трения осадка о стенку ротора. Чем выше число оборотов в период разгрузки, тем меньше значение должен иметь угол b , что конструктивно неудобно. При w =0 tg b имеет максимальное значение, равное 1/f. В центрифугах ФПС выгрузка осуществляется при полном останове ротора, угол b равен 67°. Выгрузка осадка занимает 25 секунд при общей продолжительности 228 секунд.

Шнековая выгрузка осадка

Центрифуги со шнековой выгрузкой осадка имеют в роторе шнек, число оборотов которого на 0,65 - 2 % отличается от числа оборотов ротора, что и обеспечивает сравнительно медленное движение осадка.

1 - редуктор; 2 - ротор; 3 - шнек; 4 - барабан; 5 - ввод суспензии в ротор; 6 - выход осадка. Рисунок 48 -Шнековая выгрузка.

Шнековая выгрузка применяется как в осадительных, так и в фильтрующих центрифугах. Наличие шнека затрудняет промывку осадка в последних. Недостатки шнековой выгрузки: а) осадок заметно измельчается; б) шнек довольно быстро изнашивается; в) наблюдается значительная, периодически усиливающаяся вибрация

(когда складывается динамическая неуравновешенность шнека и ротора - при их определенном взаимном расположении).

Витки шнека могут выполняться сплошными или ленточными, укрепленными на стойках.

Шнековая выгрузка является одним из наиболее надежных, универсальных и широко применяемых способов.

Поршневая выгрузка осадка

В наиболее простом варианте поршневая выгрузка осадка выглядит следующим образом. Фильтрующий цилиндрический ротор 1 приводится во вращение с помощью полого вала 2. Суспензия подается внутрь ротора из питающей трубы 3. Образующийся на фильтрующей поверхности осадок выталкивается о помощью толкателя 4, который приводится в возвратно-поступательное движение штоком 5, связанным с гидроприводом. Распределительный конус 6, связанный жестко с толкателем, служит для равномерного распределения суспензии до периметру ротора. Длина хода толкателя невелика: 0,1 длины ротора, поэтому при прямом ходе толкатель сбрасывает примерно 0,1 имеющегося в роторе осадка (наиболее отжатого, а при обратном ходе освобождающийся участок сита заполняется суспензией из распределительного конуса 6. Кольцо 7 служит для разравнивания осадка, диаметр это кольца определяет толщину осадка (рисунок 49).

При проектировании центрифуг с поршневой пульсирующей выгрузкой учитывают следующее обстоятельство. Давление толкателя на осадок должно обеспечивать продвижение осадка вдоль образующей ротора с преодолением силы трения осадка о ротор. В то же время из механики грунтов известно, если давление на боковые грани сыпучего тела превосходит некоторое значение s 1 , то происходит разрушение равнове-

1 - фильтрующий ротор; 2 - полый вал; 3 - питающая труба; 4 - толкатель; 5 - шток; 6 - распределительный конус; 7 - кольцо. Рисунок 49 - Поршневая выгрузка осадка.

сия между частицами, частицы смещаются друг относительно друга с выпиранием массы вверх (рисунок 50).

Рисунок 50 - Соотношение сил при поршневой выгрузке осадка.

Отсутствие такого выпирания определяется равенством: , (4.7) где s 2 - напряжение, действующее перпендикулярно к направлению бокового давления; a - угол внутреннего трения данного сыпучего материала.

Необходимое усилие толкателя для преодоления силы трения осадка о ротор равно:

, (4.8)

где z- рабочая длина ротора; f- коэффициент трения осадка о ротор; r и R- внутренний и наружный радиусы цилиндрического слоя осадка. Отсюда получаем:

, (4.9)

Подстановка s ₁ в неравенство (4.7) и представление разности квадратов в виде:

, (4.10)

дает

, (4.11)

где h_ос -толщина осадка.

При пользовании формулой (4.10) рекомендуют в числитель правой части вводить опытный поправочный коэффициент, равный 0,6 - 0,7, который увеличивает точность формулы и отражает влияние неучтенных факторов (изменение угла внутреннего трения при уплотнении осадка под действием центробежной силы). С учетом этого имеем:

, (4.12)

Таким образом, отсутствие вспучивания обеспечивается при достаточ-

но большой толщине осадка и не очень большой длине барабана. Современная тенденция развития центрифуг с пульсирующим поршнем - создание многокаскадных центрифуг (рисунок 51). Перемещение осадка осуществляется в первом каскаде - толкателем, во втором каскаде - закраинами ротора 2 и третьем каскаде - закраинами ротора 3.

1 - толкатель; 2 ,3 - пульсирующие роторы; 4 - непульсирующий ротор; 5 - распределительный конус; I , II , III - каскады. Рисунок 51 -Трехкаскадная фильтрующая центрифуга с поршневой выгрузкой осадка.

Ножевой съем осадка

Ножевой съем осадка применяется в осади- тельных (ОГН) и фильтрующих (ФГН) автоматических центрифугах и некоторых других конструкциях. Особенностью машин ОГН, ФГН является периодичность выполнения операций, заданных программой автоматического управления, при непрерывном вращения ротора.

Широкое применение обусловлено их универсальностью, они могут использоваться в широком интервале дисперсности концентраций твердой фазы. При, этом ФГН используется при дисперсности твердой фазы 30 - 150 мкм, ОГН - при размере зерен 5 - 40 мкм.

Применение фильтрующего ротора предпочтительно, так как осадок получается более сухой, имеется возможность его промывки, поэтому тип ФГН более распространен.

Из ротора осадительных центрифуг осветленная жидкость (фугат) удаляется путем перелива через борт или через специальную отстойную трубу. Применяется механизм среза нескольких типов: а) широким ножом, перемещающимся радиально; б) широким ножом (тоже на всю длину ротора), перемещающимся путем поворота на определенный угол, в) узким ножом, имеющим возвратно-поступательное движение вдоль ротора и, кроме того, совершающим вращательное движение.

Механизм ножевого среза, показанный на рисунке 52 состоит из рамы ножа 1, на которой закреплено режущее лезвие 2, двух направляющих колонок 3 (вдоль которых движется рама), штока 4 и гидропривода 5, прикрепленного к крышке кожуха центрифуг 6. Нож расположен в роторе 7. Ход ножа ограничен двумя электрическими концевыми выключателями, установленными на крышке кожуха. Срезанный ножом осадок попадает в разгрузочный бункер, расположенный в роторе, откуда он и выводится. Все винтовые

1 - рама; 2 - режущее лезвие; 3 - две направляющие колонки; 4 - шток; 5 - гидропривод; 6 - кожух центрифуги; 7 - ротор. Рисунок 52 - Ножевой съем осадка.

крепления механизма среза должны быть хорошо затянуты и застопорены, особенно крепление лезвия. Недостатком ножевого съема является наличие не снимаемого с фильтрующей перегородки слоя осадка (между ней и ножом должен быть зазор во избежание механического повреждения сетки). Этот уплотненный слой повышает сопротивление фильтрации, поэтому предусматривается периодическое удаление уплотненного слоя (растворением).

Инерционная выгрузка осадка

При данном способе разгрузки осадка ротор имеет коническую форму и разгрузка происходит под действием центробежной силы путем сползания осадка при вращении ротора к широкому

Условия движения материала определяются неравенством:

, (4.13)

Откуда:

, (4.14)

Анализ неравенства (4.9) показывает, что при достаточно больших числах оборотов, когда , необходимый угол b определяется значением коэффициента трения осадка о стенку ротора.

Недостаток: из-за колебания коэффициента f у различных продуктов угол b берется с запасом, что сокращает время пребывания материала в роторе. Более надежной оказывается принудительная транспортировка осадка в роторе за счет разных механизмов - шнека, поршня и т.д.

Вибрационная выгрузка осадка

Вибрационная выгрузка осадка имеет ряд преимуществ: при регламентированном времени пребывания осадка в роторе обеспечивается отсутствие измельчения осадка, снижается износ сит, улучшается фильтрация из-за разрыхления осадка при вибротранспортировке. Основными недостатками являются сложность конструкции, пониженная надежность вследствие тяжелых условий работы амортизаторов.

1 - ротор; 2 - резиновый буфер; 3 - буферная тарелка; 4 - подшипник; 5 - коленвал; 6 - шатун; 7 - резиновые буфера; 8 - головка ротора; 9 - внутренний конус разгрузочного устройства; 10 - наружный конус загрузочного устройства; 11 - электродвигатель; 12 - опора; 13 - труба слива; 14 - кожух. Рисунок 54 -Схема конструкции виброцентрифуги

Фильтрующий ротор 1 представляет собой усеченный конус, обращенный вершиной вниз. Нижнее основание ротора с помощью резиновых буферов 2 упруго связано с буферной тарелкой 3, установленной на подшипниках, которые укреплены в корпусе. Благодаря упругому креплению достигается независимое движение ротора, относительно приводного шкива в осевом направлении при их совместном вращении. Осевые вибрации ротора осуществляются с помощью электродвигателя 11, коленвала 5, шатуна 6, резиновых буферов 7. Буферная тарелка 3 одновременно является приводным шкивом.

Таким образом, ротор, вращаясь, одновременно совершает осевые вибрации.

Исходная суспензия поступает в ротор через зазор между внутренним конусом 9 и наружным конусом 10, что дает возможность равномерно распределить ее по всей окружности ротора. При этом внутренний конус защищает головку ротора от ударов кусков материала.

Со дна ротора материал движется вдоль фильтрующей стенки центробежной силой. Отфуговываемая жидкость по трубе 13 выводится из центрифуги. Центрифуга закрыта кожухом 14 и имеет фундаментные амортизаторы 12. Осадок выбрасывается через верхний слой ротора и падает в днище кожуха.

Рассмотрим условия движения материала в роторе центрифуги. На частицу материала массой m действуют силы: G_m - cила тяжести; Gц -центробежная сила; Gи- сила инерции.(рисунок 55)

Предположим, что в рассматриваемый момент ротор поступательно движется вниз. При обратном направлении движения ротор будет поднимать частицы, преодолевая силу инерции, без относительного скольжения частицы по поверхности ротора. Разложим упомянутые силы на составляющие, направленные вдоль оси конуса (обозначим их буквой Т) и направленные нормально

Рисунок 55 - Условия движения осадка при вибрационной выгрузке.

к образующей конуса (обозначим их буквой N ).

Условие движения частицы к широкому концу ротора:

, (4.15)

Причем:

(4.16)

После подстановки получим:

, (4.17)

Для выгрузки осадка только под действием центробежной силы (без вибраций) при условии движения осадка вверх получим:

, (4.18)

Следовательно:

, (4.19)

Это означает, что использование осевых вибраций ротора позволяет уменьшить угол наклона стенок конического ротора к вертикальной оси и соответственно уменьшить диаметр ротора в широкой части при сохранении неизменным диаметра ротора в его узкой части. Кроме того, длина ротора может быть значительно уменьшена по сравнению с машинами с ц/б выгрузкой садка, т.е. вибрация способствует разрыхлению осадка, что ускоряет фильтрацию, поэтому, вибрационные центрифуги имеют сравнительно небольшие габариты.

Обычный угол наклона образующей конуса к вертикали у вибра- ционных центрифуг составляет 10°.

Таблица 4.1 - Сравнение вибро-инерционной центрифуги

Маятниковые центрифуги.

1 - колонны; 2 - корпус привода; 3 - ротор; 4 - вал; 5 - электродвигатель; 6 - фундаментная плита; 7 - тормоз.

Рисунок 56 - Маятниковая центрифуга типа ФМБ (Б- через борт) с верхней выгрузкой осадка.

Эти центрифуги изготовляют в двух основных конструктивных исполнениях: ФМБ- с верхней (через борт ротора) выгрузкой осадка и ФМД- с нижней (через днище ротора) выгрузкой осадка.

Фильтрующие центрифуги ФМБ, ФМД являются универсальными машинами. В химических производствах они применяются для разделения суспензий со средне- и малозернистой (размер частиц более 10 мкм) твердой фазой и широким диапазоном концентраций. Наиболее эффективно применение этих машин в специализированных малотоннажных производствах, а также для разделения труднофильтруемых суспензий, когда требуется получение осадка с минимальной влажностью и весьма высокой эффективностью его промывки. Центрифуги успешно используют для разделения суспензий как с растворимой, так и нерастворимой твердой фазой (в том числе с твердой фазой, имеющей повышенную абразивность), особенно, когда недопустимо ее измельчение.

Осадительные центрифуги ОМБ и ОМД предназначены для разделения суспензий с высокодисперсной твердой фазой и объемной концентрацией более 1 %, когда применение осадительных центрифуг непрерывного действия или центрифуг с механизированной выгрузкой осадка невозможно или экономически неэффективно. К таким случаям относятся: а) образование тиксотропных осадков, не транспортируемых шнеком; б) необходимость выделения из суспензии частиц менее 5 мкм (в этом случае центрифуги ОМБ и ОМД работают с порционной выгрузкой суспензии без перелива фугата через борт ротора); в) разделение суспензии с высокоабразивной твердой фазой; г) необходимость переработки небольших порций суспензии.

К достоинствам маятниковых центрифуг следует отнести простоту конструкции, малую массу и низкую стоимость машины.

Существенным недостатком центрифуг этого типа является применение ручного труда для выгрузки осадка и периодические остановки центрифуги для осуществления этой операции.

Общим конструктивным признаком маятниковых центрифуг с ручной выгрузкой осадка является вертикальное расположение оси ротора 3, вал 4 которого вращается в подшипниках качения, расположенных в корпусе привода 2. Станина подвешена на трех тягах с шаровыми шарнирами в колонках 1, установленных на фундаментной плите 6, что позволяет валу ротора самоустанавливаться и уменьшает динамическую нагрузку на подшипники при возникновении дисбаланса. Привод центрифуги - от электродвигателя 5 через клиноременную передачу. Тормоз 7 центрифуги сблокирован с электродвигателем. Описанная конструкция получила наибольшее распространение и считается стандартной для маятниковых центрифуг с ручной выгрузкой осадка.

При работе центрифуги суспензия подается в ротор обычно на ходу машины через питатель или отверстие в крышке кожуха. Суспензия высокой концентрации, а также суспензия с абразивной твердой фазой загружаются в неподвижный ротор до пуска центрифуги. Фильтрат и промывной фильтрат выводятся из кожуха через сливной штуцер, расположенный в станине. Осадок выгружается вручную через борт или днище ротора. В химических производствах центрифуги с верхней выгрузкой применяются преимущественно с диаметром ротора 400 - 1250 мм, а с нижней выгрузкой - с диаметром ротора 800 - 1600 мм.

Подвесные центрифуги с верхним приводом

Область применения этих машин практически та же что и маятниковых центрифуг. (рисунок 57).

Общий конструктивный признак подвесных центрифуг -верти-кальное расположение оси перфорированного ротора 1 и вала- веретена 3. Вал верхним концом подвешен в шаровой опоре, расположенной значительно выше центра тяжести вращающейся системы. Шаровая опора-головка привода центрифуги- представляет собой систему подшипников качения, размещенных в стакане, свободно опирающемся своей сферической поверхностью на корпус головки привода. Отклонения вала ограничиваются резиновым амортизатором, в результате чего уменьшается динамическая нагрузка на

1 - ротор; 2 - стойки; 3 - вал; 4 - привод; 5 - опора привода; 6 - кожух. Рисунок 57 - Конструктивная схема подвесных центрифуг.

подшипники при возникновении дисбаланса. Такое шарнирное расположение опоры и нижнее крепление с резиновым амортизатором обеспечивают самоцентрирование вращающейся системы и ее устойчивость при работе.

При работе фильтрующих центрифуг суспензия подается сверху при пониженной частоте вращения ротора. Затем частоту вращения ротора доводят до максимальной, при которой осадок отжимают, промывают и повторно отжимают. В осадительных центрифугах суспензия подается при рабочей частоте вращения ротора.

Подвесные центрифуги изготовляют с ручной и механизированной выгрузкой осадка. У механизированных центрифуг выгрузка осадка производится при пониженной частоте вращения ротора, у центрифуг с ручной выгрузкой - при остановленном роторе.

Подвесная центрифуга с нижней механизированной выгрузкой осадка представлена нарисунке 58.

а)

б)

а) загрузка; б) выгрузка

Рисунок 58 - Конструктивная схема подвесной центрифуги с поршневой выгрузкой осадка.

Центрифуга имеет кольцевую выгрузку осадка, которая обеспечивается продольным движением поршня на всю длину ротора. К поршню прикреплен запорный конус, закрывающий нижнее отверстие ротора во время операций загрузки, центрифугирования и промывки. При выгрузке осадка запорный конус опускается, отрывая проход для выталкиваемого кольцевым поршнем осадка. Центрифуга снабжена пятискоростным электродвигателем, что позволяет выполнить все операции цикла при оптимальной частоте вращения ротора.

Горизонтальные центрифуги с ножевой выгрузкой осадка

Фильтрующие центрифуги(ФГН) (рисунок 59) применяются для разделения суспензий со средне- и мелкозернистой (размер частиц более 30 мкм), преимущественно растворимой твердой фазой, когда допускается дробление частиц осадка.

Работа центрифуг наиболее эффективна при объемном содержании суспензии более 10 %. В их конструкциях предусмотрена возможность хорошего отжима и эффективной промывки осадка Конструктивные модификации центрифуги с осадительным ротором предназначены для разделения малокон-

1 - разгрузочный бункер; 2 - питающая труба; 3 - механизм среза осадка; 4 - кожух; 5 - ротор; 6 - опоры вала; 7 - вал; 8 - станина; 9 - привод. Рисунок 59 - Конструктивная схема центрифуг типа ФГН с консольным ротором.

центрированных плохо фильтрующихся суспензий с нерастворимой твердой фазой (размер частиц 5 - 40 мкм).Осадок в этих центрифугах не промывается.

Основное преимущество центрифуг типа ФГН состоит в возможности проведения всех стадий процесса в автоматическом режиме и при постоянной частоте вращения ротора. К их недостаткам следует отнести измельчение кристаллов при срезе осадка, большие трудности регенерации фильтрующей перегородки при обработке суспензий с нерастворимой твердой фазой.

Общий конструктивный признак центрифуг (рисунок 59)-горизонтальное расположение оси ротора 5, вал 7 которого вращается в подшипниках качения, установленных в станине 8. Привод центрифуги от электродвигателя через клиноременную передачу. В передней крышке центрифуги смонтирован механизм среза осадка 3, разгрузочный бункер 1, питающая труба 2, трубапромывки и регенерации (для фильтрующих центрифуг), регулятор уровня слоя загрузки и переключатель хода ножа. Повоpoтная крышка подвешена на петлях, уплотнена резиновой прокладкой. Описанная конструкция является наиболее распространенной для центрифугс консольным расположением ротора.

В отличие от фильтрующих, у осадительных центрифуг имеется механизм отвода фугата из ротора, состоящий из черпающей трубки с силовым гидроцилиндром , снабженным дросселем для регулирования скорости ввода трубки в ротор. У осадительных центрифуг нет клапанов промывки и регенерации а также разделительных клапанов.

Приработе фильтрующей центрифуги суспензия через регулируемый загрузочный клапан и питающую трубу поступает во вращающийся с полной скоростью ротор и равномерно распределяется по поверхности сит.

Фильтрат, промывной фильтрат и жидкость после регенерации сит отводятся раздельно. При достижении заданной толщины слоя осадка в роторе подача суспензии автоматически прекращается, после чего происходит отжим и промывка осадка. Отжатый после промывкиосадок срезается ножом (или скребком) и выгружается из центрифуги.

Типовой цикл работы фильтрующих центрифуг состоит из операции фильтрования суспензии с образованием осадка, его промывки, центробежного отжима осадка после промывки, выгрузки осадка и регенерации фильтрующей перегородки. Последняя операция в зависимости от проницаемости слоя, остающегося после среза осадка, может производится в каждом цикле или через несколько циклов.

Фильтрующие центрифуги непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка предназначены главным образом для разделения суспензий с крупнозернистой твердой фазой, в которой преобладают частицы размером свыше 0,15 мм. Возможна также обработка суспензий с крупнозернистой твердой фазой. Наиболее эффективна работа центрифуг при объемном содержании суспензии выше 40%.

Конструктивные особенности фильтрующих шнековых центрифуг (рисунок 60) таковы, что не позволяют получать фильтрат с малым содержанием твердой фазы. Их применяют обычно в таких процессах, где фильтрат возвращается в производственный цикл или же дополнительно осветляется.

Достоинства: высокаяпроизводительность, хорошая степень обезвоживания осадков, низкие затраты энергии и малая масса являются отличительными особенностями фильтрующих центрифуг со шнековой выгрузкой осадка. К недостаткам этих машин относятся: возможность обработки только крупнозернистой неабразивной твердой фазы, значительный унос твердой фазы с фильтратом, недостаточно высокая эффективность промывки осадка и существенное измельчение твердой фазы.

1 - предохранительное устройство; 2 - редуктор; 3 - камера для фильтрата; 4 - шнек; 5 - питающая труба; 6 - ротор; 7 - сито; 8 - кожух-станина; 9 - камера для осадка; 10 - электродвигатель. Рисунок 60 - Конструктивная схема вертикальных центрифуг типа ФВШ.

По сравнению с фильтрующими центрифугами с пульсирующей выгрузкой осадка фильтрующие шнековые центрифуги имеют значительно меньший удельный расход энергии и металла на единицу производительности, а благодаря высокому значению фактора разделения и проведению процесса в тонком слое могут обеспечить получение осадка более низкой влажности. Вместе с тем на центрифугах с пульсирующей выгрузкой осадка достигаются более качественная промывка осадка, меньшее измельчение твердой фазы и унос ее с фильтратом.

Фильтрующие центрифуги со шнековой выгрузкой осадка можно разделить на две группы: быстроходные малой и средней производительности и сравФильтрующие центрифуги непрерывного действия с инерционной выгрузкой осадка

Отличительной особенностью и несомненным преимуществом этих центрифуг является отсутствие у них каких-либо выгружающих устройств, перемещающих осадок вдоль ротора. Эти центрифуги подразделяют на два типа: центрифуги с центробежной выгрузкой, разгружающиеся при действии на осадок центробежных сил инерции,превосходящих по величине силы трения осадка о ситаили направляющие устройства; центрифуги вибрационные, из которых осадок выгружается действием на него, кроме центробежных сил, также сил инерции, возникающих благодаря вибрации ротора.

Центрифуги с террасным коническим ротором (рисунок 61) предназначены для обезвоживания гранул полимеров крупностью 2 ¸ 3 мм, которое проводится непосредственно после грануляции и охлаждения гранул водой.

1 - вал с опорами; 2 - сито предварительного обезвоживания; 3 - ротор; 4 - кожух; 5 - электродвигатель; А - загрузка; Б - выход осадка.

Рисунок 61 - Схема центрифуги с коническим террасным ротором.

Центрифуга состоит из вертикально расположенного ротора, вала с опорами, кожуха и привода (рисунок 61). Ротор имеет несколько последовательно расположенных конических обечаек (колец) и приемную ситчатую корзину. Угол наклона образующих обечаек к оси ротора больше угла трения осадка о стенки ротора.

Отличительной особенностью конструкции ротора (рисунок 62) является наличие на верхнем крае каждого кольца торового участка, к периферийной поверхности которого с определенным зазором прилегает кромка нижнего края следующего кольца.

Упомянутые горизонтальные щелевые зазоры служат для выхода из ротора жидкости, отделяемой от гранул полимера. Расположенные по окружности ротора лопасти создают вентиляционный эффект, в результате которого влажный воздух засасывается в сборник фильтрата, а свежий воздух поступает по штуцерам в крышке кожуха. Продувка воздухом внутренних полостей ротора способствует снижению остаточной влажности гранул. Принцип действия центрифуги заключается в следующем. Суспензия непрерывно подается в ротор через загрузочную воронку.

1 - ротор; 2 - пленка жидкости; 3 - обезвоживаемая частица. Рисунок 62 - Принципиальная схема конического террасного ротора.

Попадая в приемную корзину ротора, суспензия освобождается от воды, вследствие чего на первое отражательное кольцо выбрасываются уже отдельные влажные гранулы. При ударе о поверхность кольца гранулы теряют часть поверхностной влаги, под действием составляющей центробежной силы перемещаются к широкому краю и выбрасываются на следующее кольцо. Отдельная влага образует на поверхности кольца тонкую пленку, которая под действием составляющей центробежной силы движется также к широкому краю кольца, но в результате действия сил адгезии пленка не срывается с верхнего края торовой поверхности, a продолжает двигаться по этой поверхности дальше, проходят зазор между кольцами и срывается лишь с кромки, которой оканчивается торовая поверхность. Из рисунка 62видно, что гранулы перескакивают через щель. Алогичный процесс отделения влаги повторяется на всех кольцах ротора. В центрифуге этой конструкции для обезвоживания гранул используются как центробежные силы инерции, так и силы адгезии.

нительно тихоходные крупнотоннажные.

Отстойные центрифуги периодического действия

Полный объем барабана центрифуги :

, (4.20)

где L - длина (высота) барабана центрифуги.

Внутренний радиус слоя материала в барабане ври 50 %загрузке:

, (4.21)

Объем материала в барабане:

, (4.22)

Скорость осаждения материала в центрифуге пропорциональна радиусу вращения r, поэтому при подсчете фактора разделения Фр вместо переменного радиуса rподставляют средний радиус:

, (4.23)

Тогда фактор разделения рассчитывается:

, (4.24)

При осаждении частиц в условиях, соответствующих закону Стокса, скорость осаждения в м/с подсчитывается по формуле:

, (4.25)

где d- заданный минимальный размерулавливаемых твердых частиц ,м; r ₁ и r ₂ -плотность соответственно твердых частиц и жидкости. кг/м³; m - динамическая вязкость жидкости, Па·с.

Длительность процесса осаждения:

, (4.26)

Общая длительность всего цикла центрифугирования для отстойных машин периодического действия составляет:

, (4.27)

где - длительность периодов соответственно пуска, торможения и разгрузки центрифуги ,с.

Таким образом , производительность отстойных центрифуг периодического действия при 50 %-ной загрузке материалом:

, (4.28)

Мощность электродвигателя центрифуг периодического действия выбирают по пусковой мощности:

, (4.29)

Составляющие пусковой мощности определяют по следующим соотношениям. Мощность в кВт, затрачиваемая на преодоление инерции массы барабана:

, (4.30)

где G_б -вес барабана, кгс; -окружная скорость барабана, м/с.

Мощность в кВт, затрачиваемая на преодоление инерции массы материала:

, (4.31)

здесь r _с- объемная масса разделяемой суспензии, кг/м³.

Мощность в кВт, затрачиваемая на преодоление трения валав подшипниках:

, (4.32)

где - коэффициент трения; G - общий вес всех вращающихся частей центрифуги вместе с загруженным в нее материалом, Н; w _в- окружная скорость цапфы вала, м/с.

Мощность в кВт, затрачиваемая на преодоление трения барабана о воздух:

, (4.33)

Мощность электродвигателя:

, (4.34)

Автоматические центрифуги с ножевым съемом осадка (фильтрующие)

Производительность фильтрующих центрифуг можно определить по зависимостям, используемым для расчета производительности фильтров. Однако успешное применение этих уравнений связано с экспериментальным определением ряда величин в условиях центробежной фильтрации.

Несколько надежнее и проще методика расчета, основанная на использовании результатов исследований на лабораторной модели центрифуги.

По результатам предварительного исследования на лабораторной модели подсчитывают необходимую продолжительность цикла центрифугирования:

, (4.35)

где t - время центрифугирования, необходимое для достижения заданной влажности осадка; t _в - продолжительность выгрузки осадка.

Кроме того, находят полное время цикла центрифугирования:

, (4.36)

здесь t _ср -продолжительность среза (выгрузки) осадка, обычно

По данным технических характеристик выбранной машины и лабораторной модели подсчитывают производительность в м³/ч промышленной центрифуги (обозначения с индексом "л" относятся к лабораторной центрифуге, остальные к промышленной):

, (4.37)

где Vл- производительность, м³/ч ; D и D1-внутренний диаметр ротора, м; L и l-внутренняя длина ротора соответственно промышленной и лабораторной центрифуги , м; Фр и Фрл - фактор разделения; Vп и Vпл -полезный объем ротора, м³ ; t ₁ и t _1л - продолжительность питания лабораторной центрифуги при постоянном давлении фильтрации, мин.

Объемную массу в кг/м³ разделяемой суспензии можно определить по формуле:

, (4.38)

здесь r ₁ и r ₂ -плотность соответственно твердой фазы и жидкости, кг/м³; Вс- концентрация твердой фазы в суспензии в %масс .

Объемная масса осадка, кг/м³ :

, (4.39)

где bк - конечная влажность осадка в %масс.

Тогда объемная доля жидкой фазы в суспензии:

, (4.40)

а объемная доля жидкой фазы во влажном осадке:

, (4.41)

Отношение рабочего (полезного) объема V_п к полному объему ротора V_б :

, (4.42)

где d₀ - внутренний диаметр кольцевого днища.

Мощность в кВт, затрачиваемая на сообщение кинетической энергии обрабатываемой суспензии:

, (4.43)

y ₁ - коэффициент заполнения осадком рабочего объема ротора; t -продолжительность загрузки, с.

Масса осадка, находящегося в роторе центрифуги:

, (4.44)

Масса ротора с загрузкой:

, (4.45)

где Gр- масса незагруженного ротора.

Мощность в кВт, затрачиваемая на преодоление трения в подшипниках:

, (4.46)

здесь f = 0,01- коэффициент трения; d_ц- диаметр цапф вала, м; Р-динамическая нагрузка на подшипники, Н; w - угловая скорость, 1/с.

Нагрузка на подшипники слагается из веса загруженного ротора и динамических сил неуравновешенности вращающихся масс. Величина неуравновешенности (или дебаланса) загруженного ротора зависит от начальной неуравновешенности ротора и степени неравномерности распределения осадка на поверхности ротора. Величина неуравновешенности, вызванной неравномерным распределением осадка зависит от свойств суспензии, способа питания равномерности поступления суспензии в ротор, постоянства концентрации суспензии и т.д. В связи с этим неуравновешенность ротора нельзя учесть заранее.

Динамическую нагрузку на подшипники в Н определяют по формуле:

, (4.47)

где Q-статическая нагрузка на подшипники от веса загруженного ротора, Н.

Мощность в кВт, затрачиваемая на преодоление трения ротора и суспензии о воздух:

, (4.48)

где r _в- плотность воздуха, кг/м³ ; L₁ -наружная длина ротора, м; r-внутренний радиус кольцевого слоясуспензии, м; R₁- наружный радиус ротора, м.

Толщина слоя осадка:

, (4.49)

здесь r_ос- внутренний радиус осадка, м, -объем осадка, м³.

Мощность в кВт, .затрачиваемая на срез осадка:

, (4.50)

где b- длина режущей кромки ножа, м; К=0,4 Н/мм² - удельное сопротивление резанию; t _ср -время среза, с.

Таким образом, мощность, необходимая для нормальной работы центрифуги, составляет:

во время загрузки:

, (4.51)

во время среза осадка:

, (4.52)

Мощность, затрачиваемую центрифугой во время холостого хода, подсчитывают по уравнению:

, (4.53)

где - мощность, затрачиваемая на трение в подшипниках при незагруженном роторе.

Значение подсчитывают по формуле (3.46), при этом величину Р определяют по уравнению (3.47), где вместо Qподставляют вес незагруженного ротора.

Отстойные центрифуги

Производительность (по питанию) отстойных центрифуг с ножевым съемом осадка рассчитывают также по экспериментальным данным, полученным при центрифугировании суспензии на лабораторной модели машины.

Площадь поверхности зеркала суспензии

лабораторной модели:

, (4.54)

промышленной центрифуги:

, (4.55)

в этих выражениях и - радиус цилиндра ротора соответственно лабораторной модели и промышленной центрифуги; -длина цилиндра ротора соответственно лабораторной модели и промышленной центрифуги.

Производительность промышленной центрифуги по питанию:

, (4.56)

где h = 0,4- показатель эффективности работы машин, т.е. отношение действительной производительности центрифуги к теоретической; Vл - производительность по питанию лабораторной модели центрифуги, при которой достигается заданный унос твердой фазы фугатом.

Энергетический расчет отстойных центрифуг аналогичен приведенному выше для фильтрующих машин.

Шнековые осадительные центрифуги

По заданному фактору разделения при максимальной скорости определяют частоту вращения барабана центрифуги в 1/с :

, (4.57)

где D_max- максимальный диаметр барабана, м.

Тогда производительность центрифуги в м³/ч по питанию:

, (4.58)

где Dсл- диаметр “сливного цилиндра”, м; L₁- длина “сливного цилиндра”, м; r ₁ и r ₂ -плотность соответственно твердых частиц и жидкой фазы суспензии, кг/м³; d- крупность разделения (минимальный размер частиц, по которым происходит разделения твердого вещества суспензии между сливом и осадком). м; m - динамическая вязкость жидкой фазы, Па·с.

Производительность центрифуги в кг/ч по питанию:

, (4.59)

где - плотность суспензии в кг/м³.

При одинаковых условиях разделения производительность шнековых осадительных центрифуг пропорциональна кубу отношения их линейных размеров и квадрату отношения частоты вращения барабанов или квадрату отношения их линейных размеров и первой степени отношения возникающих в них центробежных сил, т.е.:

, (4.60)

где l -отношение любых сходственных геометрических размеров центрифуг, например

Из уравнений материального баланса можно определить производительность центрифуги в кг/ч по сухому твердому веществу:

, (4.61)

и производительность центрифуги в кг/ч по сливу (фугату):

, (4.62)

В этих выражениях Вс- концентрация твердого вещества в суспензии в % масс; В-влажность осадка в %масс; Вф-содержание твердой фазы в фугате в % масс.

Принимая плотность фугата , получим:

, м³/ч , (4.63)

Предельный размер в мкм твердых частиц, движение которых в поле центробежных сил соответствует закону Стокса, можно с достаточной точностью определить по формуле:

, (4.64)

Минимальную возможную влажность осадка в % можно ориентировочно подсчитать по уравнению:

, (4.65)

где r _н- кажущаяся плотность осадка (насыпная масса), кг/м³.

Общий расход энергии шнековой осадительной центрифуги непрерывного действия слагается из мощности: N₁- на сообщение кинетической энергии сливу (фугату) и осадку, выбрасываемым из машины; N₂ - на преодоление сил трения при транспортировании осадка внутри машины; N₃- на преодоление вредных сопротивлений в машине.

Мощность в кВт, .затрачиваемая на сообщение кинетической энергии сливу и осадку, которые выбрасываются из барабана центрифуги:

, (4.66)

где Rк- радиус расположения окон для выгрузки осадка из барабана центрифуги, м.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения при транспортировании осадка внутри машины, включает мощности: - на преодоление составляющей центробежной силы; N₂'' -на преодоление сил трения, возникающих между стенками барабана и осадком; ^- на преодоление сил трения между витками шнека и осадком, т.е :

, (4.67)

Мощность в кВт, затрачиваемая на преодоление составляющей центробежной силы, которая направлена вдоль образующей барабана машины к его широкому концу:

, (4.68)

где Rср- средний радиус барабана, м; L- длина барабана центрифуги, м; b - угол между осью и образующей барабана.

Мощность в кВт, затрачиваемая на преодоление сил трения между осадком и стенками барабана:

, (4.69)

здесь К₁- коэффициент трения осадка о стенки машины (обычно К₁=0,3 ¸ 0,8)

Мощность в кВт, затрачиваемая на преодоление сил трения между осадком и витками шнека:

(4.70)

где К₂- коэффициент трения осадка о поверхность витков шнека (обычно К₂ = 0,15 ¸ 0,40); z- число витков шнека.

Подставив значения , и в уравнение 4.67) , получим N₂ в кВт:

(4.71)

Мощность N₃ , затрачиваемая на преодоление вредных сопротивлений в машине, также включает три составляющие , , .

Мощность в кВт на преодоление сил трения внутри редуктора:

, (4.72)

где h - коэффициент полезного действия редуктора (для обычного редуктора h = 0,95 ¸ 0,98); i- отношение частоты вращения барабана и шнека (обычно i=30 ¸ 50).

Для сокращения потерь в редукторе можно устанавливать специальные планетарные редукторы или редукторы с внутренним зацеплением. В этом случае уравнение (4.72) принимает вид:

, (4.73)

здесь h ₁-коэффициент полезного действия планетарного редуктора (обычно h ₁=0,60 ¸ 0,85).

Из положенного следует, что решающим фактором, определяющим величину потерь мощности в редукторе, является принятая схема редуктора. Степень влияния этого фактора выясняется только при конструировании конкретной машины, в связи с чем точное определение возможно только после выбора или разработки конструкции редуктора.

Мощность, затрачиваемую на преодоление сил трения в цапфах и уплотнениях, можно ориентировочно подсчитать по формуле:

, (4.74)

где , кВт; G-вес вращающихся частей центрифуги, кг; D_б- максимальный диаметр конического барабана центрифуги, м; К₃- коэффициент, учитывающий потери холостого хода машины (можно принимать К₃= 3 ¸ 6); К₄- коэффициент трения в цапфах (для шариковых и роликовых подшипников К₄ = 0,005 ¸ 0,020, для подшипников скользящего трения К₄= 0,05 ¸ 0,10).

Мощность в кВт, затрачиваемая на преодоление сил трения барабана машины о воздух:

, (4.75)

Таким образом, полная мощность, потребляемая шнековой осадительной центрифугой непрерывного действия:

, (4.76)

Из приведенных уравнений видно, что составляющие N₁ , N₂ и энергетического баланса пропорциональны квадрату частоты вращения n , составляющая - ее первой степени, а составляющая пропорциональна кубу величины n. Это позволяет (при прочих равных условиях) вычислить мощность, расходуемую центрифугой при различных частотах вращения, если известна мощность, расходуемая машиной при какой-либо определенной частоте , по уравнению:

, (4.77)

где N_x - потребляемая мощность при частоте вращения n_x; n₀ - частота вращения, при которой определены составляющие энергетического баланса.

Нагрузка, действующая на ротор

Основной деталью большинства конструкций роторов центрифуг является цилиндрическая или коническая обечайка. Напряжения в обечайке ротора возникают под действием: а) центробежных сил инерции собственных масс конструкции; б) гидравлического давления центрифугируемой жидкости, вращающейся вместе с ротором.

Нагрузка от собственных сил инерции ротора. Пусть интенсивность сил инерции массы обечайки- сила инерции массы обечайки, приходящаяся на единицу ее боковой поверхности. Она равна:

Рисунок 63 - Схема ротора.

, (4.78)

Нагрузка от сил инерции жидкости

Найдем теперь удельное давление вращающейся жидкости на обечайку ротора.

Рисунок 64 - Форма свободной поверхности жидкости во вращающемся цилиндре

Рассмотрим прямой круговой цилиндр, закрытый снизу днищем, а сверху- кольцевой крышкой и вращающийся с угловой скоростью w вокруг своей вертикальной оси. Ввиду симметрии системы ограничимся рассмотрением осевого сечения цилиндра с системой координат x , y (рисунок 64).

Предполагаем, что жидкость вращается вместе с цилиндром, не перемещаясь относительно его стенок. На элементарную массу dm на свободной поверхности вращающейся жидкости действует центробежная сила и сила тяжести , результирующая которых должна быть перпендикулярна поверхности, являющейся поверхностью уровня. Если касательная к сечению поверхности, то:

, (4.79)

Интегрируя находим уравнение сечения свободной поверхности поверхностью xy :

, (4.80)

Полученное выражение- уравнение параболы, отнесенной к осевой оси. Следовательно, свободная поверхность жидкости- параболоид вращения.

При , имеем , следовательно и :

, (4.81)

При имеем и

, (4.82)

Из уравнения (3.82), положив находим, что скорость, при которой жидкость поднимается на высоту h , равна:

, (4.83)

Положим теперь, что скорость вращения . Жидкость будет стремиться подняться на высоту и при отсутствии крышки начнет переливаться через край. Так как крышка этого не допускает, жидкость начнет скапливаться под крышкой и покроет ее по кольцу с внутренним радиусом r (рисунок 65). Рассуждая совершенно так же, как в случае открытого цилиндра, мы приходим к выводу, что уравнение (4.80) остается в том же виде, другим будет лишь значение постоянной С, которое мы найдем, положив в уравнение (4.80) при

Рисунок 65 - Форма свободной поверхности жидкости во вращающемся цилиндре с крышкой

, (4.84)

Подставляя значение С в уравнение (4.80) , получим:

, (4.85)

Из уравнения (3.85) имеем:

, (4.86)

При получаем:

, (4.87)

т.е. при достаточно больших скоростях вращения ротора (соответствующих рабочим условиям) свободная поверхность жидкости может считаться цилиндрической.

Установив форму свободной поверхности во вращающемся цилиндре, найдем теперь давление ее на обечайку.

Нагрузка от сил инерции жидкости

Найдем теперь удельное давление вращающейся жидкости на обечайку ротора.

Рисунок 64 - Форма свободной поверхности жидкости во вращающемся цилиндре

Рассмотрим прямой круговой цилиндр, закрытый снизу днищем, а сверху- кольцевой крышкой и вращающийся с угловой скоростью w вокруг своей вертикальной оси. Ввиду симметрии системы ограничимся рассмотрением осевого сечения цилиндра с системой координат x , y (рисунок 64).