Область применения.

Центрифуги периодического дей­ствия используют для обработки жидких неоднородных смесей, различных штучных товаров, волокнистых материалов. Первоначально эти машины имели ручную выгрузку осадка обработанного продукта при остановленном роторе. Центрифуги периодического действия могут изготавливаться осадительными и фильтрующими.

Осадительные центрифуги периодического действия используют для обработки суспензий с размерами частиц твердой фазы до 40 мкм при их концентрации в жидкости (5 – 30 %).

Фильтрующие центрифуги периодического действия применяют для обработки суспензий с растворимой и нерастворимой твердой фазой при концентрации ее от 5 до 70 %; при этом влажность получаемого осадка может достигать 1—5 % при крупно- и среднезернистых осадках, и 5 – 40 % — при мелкозернистых осадках.

Рабочий цикл центрифуг периодического действия.

Обработка суспензии в центрифугах периодического действия происходит пооперационно. В целом рабочий цикл τ_ц состоит из затрат времени на операции: подачу суспензии в центрифугу τ_пч, выполнение основных операций τ_осн (центрифугирование τ_ф, промывка τ_пр, сушка осадка τ_с), осуществление вспомогательных операций τ_в, (разгон и торможение ротора), выгрузку осадка τ_вг.

В общем виде цикл работы фильтрующей центрифуги периодического действия включает в себя продолжительность всех перечисленных этапов:

τ_ц = τ_пч + τ_осн + τ_в + τ_вг . (J)

При этом коэффициент использования центрифуги η = (τ_пч + τ_осн + τ_вг)/ τ_ц. Величина η в значительной мере зависит от вида центрифуги (осадительная или фильтрующая), свойств обрабатываемой суспензии и требований к готовому продукту. Увеличение в рабочем цикле продолжительности вспомогательных операций ведет к снижению эффективности работы центрифуги периодического действия по сравнению с центрифугами непрерывного действия, в которых доля вспомогательных операций незначительна.

Несмотря на очевидные преимущества, непрерывно действующих центрифуг, число выпускаемых машин периодического действия велико. В ряде производств химической промышленности невыгодно использовать дорогостоящие высокопроизводительные центрифуги непрерывного действия. Машины периодического действия позволяют благодаря простоте их регулирования обрабатывать материалы в течение любого заданного времени, а также проводить многократные промывку и сушку осадка.

В конкретных процессах некоторые операции могут отсутствовать; при этом цикл сокращается. Если в технологическом цикле центрифуги можно объединить центрифугирование и отжим, то выражение для времени цикла упростится.

Продолжительность τ_р операции «разгон ротора» зависит от мощности привода, размеров ротора, его формы, конструкции пусковых устройств. Аналитически τ_р определяют на стадии энергетического расчета; при технологическом расчете принимают для центрифуг с ручной выгрузкой осадка при диаметре ротора до 1000 мм τ_р = 90 с; при диаметре больше 1000 мм ─ τ_р = 150 с; для центрифуг с механической выгрузкой осадка τ_р= 120 с.

В общем случае длительность подачи суспензии в ротор:

, (H)

где μ — динамическая вязкость суспензии, Па·с; β — сопротивление фильтрующей перегородки, отнесенное к единице вязкости, м^-1; F — площадь фильтрующей поверхности, м²; ψ=0,75 ... 0,85 —коэффициент заполнения ротора; V_ж — жидкостной объем ротора, м³; _ср — среднее удельное объемное сопротивление осадка, м²; u — отношение объемов отфильтрованного осадка и суспензии; ω — угловая скорость ротора, рад/с; r_рт — внутренний радиус ротора, м; _ж — плотность жидкой фазы, кг/м³.

Сопротивление фильтрующей перегородки β зависит от угловой скорости ротора и степени забивания пор перегородки частицами фильтруемого материала. В большинстве случаев значение β относительно мало по сравнению с сопротивлением осадка и им можно пренебречь.Тогда выражение (Н) упрощается:

.

Среднее удельное объемное сопротивление осадка _ср =(4 ... 45)·10¹⁰ м^-2 зависит от гранулометрического состава твердой фазы, вязкости жидкой фазы, угловой скорости ротора, формы частиц, деформируемости осадка и т. п. Меньшие значения соответствуют кристаллическим продуктам, большие - суспензиям с мелкоизмельченной твердой фазой (гидроокси металлов, полимеры, пастообразные материалы и т.п.). Отношение u объемов осадка и суспензии можно принять равным объемной концентрации суспензии. Значения τ_пч предпочтительно определять опытным путем.

Длительность операции «промывка осадка» приближенно:

,

где V'_пр = (1,0 ... 2,5)·10^-3 м³/кг — отношение объема промывной жидкости к массе влажного осадка; ρ_т и ρ_ж — плотность твердой и жидкой фаз, кг/м³; ε — порозность осадка (ε = 0,15 ... 0,35 для несжимаемых осадков, ε = 0,05 ...0,15 для сжимаемых осадков). Время операции «отжим осадка» для кристаллических материалов приближенно можно найти в зависимости от их влажности, длительности центрифугирования и фактора разделения. В центрифугах с выгрузкой осадка с помощью ножа длительность операции «срез и выгрузка» подсчитывают из эмпирического выражения для времени среза осадка при τ_вг ≈ τ_ср :

, (J

гдe S_oc — толщина слоя осадка, срезаемого за один оборот, мм; r_ос — внутренний радиус срезаемого осадка, мм; r_в — внутренний радиус кольцевого слоя срезаемого осадка, мм. Приближенно для центрифуг с ручной выгрузкой осадка принимают τ_вг =(0,3 ... 0,6) r_рт.

В справочной литературе для выпускаемых центрифуг приведена продолжитель­ность отдельных операций при обработке ряда материалов.

Рабочий цикл осадительных центрифуг включает в основном те же операции, что и цикл фильтрующих центрифуг, лишь фильтрование (τ_ф) заменяется осаждением (τ₀). Цикл всего процесса обработки суспензии в осадительных машинах:

τ_ц = τ_пч + τ_осн + τ_в + τ_вг

Время разгона ротора до рабочей скорости определяют, как и для фильтрующих центрифуг периодического действия, из энергетического расчета; предварительно его можно принять по данным, приведенным выше для фильтрующих центрифуг.

Время загрузки находят на основании опытных данных: для центрифуг с диаметром ротора до 1000 мм τ_пч = 30 с, для машин с большим диаметром ротора τ_пч = 60 с.

Длительность центрифугирования суспензии рассчитывают из условия, что твердая фаза должна переместиться от свободной поверхности слоя суспензии к внутренней стенке ротора; тогда

,

где μ —динамическая вязкость суспензии, Па·с; r_ср— средний радиус кольцевого слоя суспензии в роторе, м; d — минимальным диаметр осаждаемых частиц, м; ─ скорость осаждения частицы осадка диаметром d в ламинарном режиме в центробежном поле. Время механизированного среза осадка и его выгрузки можно определять по выражению (J').

Для предварительных расчетов рабочего цикла можно принять длительность центрифугирования и выгрузки осадка в виде суммы (на основе опытных данных) τ₀ + τ_вг = 150 с для центрифуг с диаметром ротора до 1000 мм; при больших диаметрах ротора принимают τ ₀ + τ_вг = 200 с.