Горизонтальные фильтрующие центрифуги непрерывного действия с пульсирующей выгрузкой осадка (фгп).

Горизонтальные фильтрующие центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка (ФГП) применяют для обработки суспензий с кристаллической твердой фазой, размеры частиц которой больше 100 мкм, а концентрация твердой фазы превышает 25 % (сульфаты аммония, железа, натрия, хлориды калия и натрия, фосфаты кальция, медный купорос, минеральные удобрения).

Центрифуги ФГП отличаются высокой производительностью, низкой металло- и энергоемкостью, качественной промывкой. Применение центрифуг ФГП эффективно при обработке высококонцентрированных суспензий и при условии минимального разрушения частиц в процессе выгрузки осадка.

Поясним эти особенности работы центрифуг ФГП. Во первых, суспензия периодически при возвратном перемещении толкателя, поступает на небольшой, практически очищенный толкателем от осадка участок щелевидного фильтрующего сита. Следовательно, часть времени фильтрация, соответствующая возвратному движению толкателя, происходит на практически чистом щелевидном сите, что связано с интенсивном уносом твёрдой фазы суспензии с размером частиц менее ширины щелей на фильтрующих ситах ротора. Поэтому фильтрование мелкокристаллических малоконцентрированных суспензий в центрифугах ФГП нецелесообразно.

Во вторых, регенерация сит центрифуг ФГП производится в основном путём промывки их регенерирующими жидкостями, растворяющими забивший их обрабатываемый материал. Это объясняется тем, что механическая очистка сит весьма трудоемка и по этой причине практически не применяется. Поэтому на центрифугах типа ФГП обрабатываются только суспензии с растворимой твёрдой фазой.

В третьих, плохо фильтрующиеся суспензии, дольше сохраняющие свою текучесть, могут покидать ротор в жидкотекучем состоянии, что повышает влажность осадков таких суспензий. По этой же причине в центрифугах ФГП не могут обрабатываться аморфные и леофильные вещества.

В четвёртых, частицы осадка, обладающие высоким коэффициентами внешнего трения по фильтровальному ситу, при своём выталкивании требуют повышенного расхода энергии. Кроме этого повышенное сцепление таких осадков с внутренней поверхностью сит приводит вспучиванию осадка, появлению дисбаланса ротора и повышенных вибраций.

Обычно центрифуги ФГП имеют цилиндрический перфорированный ротор (d_рт = 160 ... 1400 мм), внутренняя поверхность которого покрыта сборными щелевидными ситами; фактор разделения 200—1000. Внутри ротора находится толкатель, совершающий возвратно-поступательное движение с числом двойных ходов в минуту 10—100; ход толкателя обычно l_т=0,lL. (где L — длина ротора). Толкатель смещает осадок от загрузочного к разгрузочному концу ротора; при обратном ходе освобождается пространство для новой порции суспензии. Рассмотрим устройство наиболее простой фильтрующей однокаскадной центрифуги непрерывного действия типа ФГП, типовая конструкция которой приведена на рисунке 173.

Рис.173.Типовая конструкция однокаскадной пульсирующей центрифуги ФГП:

1. электродвигатель основного привода;

2. поршень;

3. клиноременная передача;

4. электродвигатель насоса гидравлической станции;

5. механизм управления;

6. шток поршня;

7. полый вал;

8. толкатель;

9. конический питатель;

10. ротор;

11. загрузочная труба;

12. кожух;

13. труба для подачи промывной жидкости;

14. станина.

Центрифуга имеет ротор 10, жёстко закреплённый на торце полого вала 7, приводимого во вращение электродвигателем 1 посредством клиноремённой передачи со шкивом 3. В ротор 10 строго коаксиально запрессовано щелевидное фильтрующее сито. Внутри барабана находится толкатель 8, который помимо вращения вместе с ротором совершает возвратно-поступательное осевое движение для смещения осадка к разгрузочному краю барабана под действием поршня 2, соединённого с толкателем 8 посредством штока 6. Работой толкателя 8 управляет система гидравлики, масляный насос с отдельным электродвигателем 4 и система управления 5. Частота пульсаций толкателя, влияющая на производительность центрифуги ФГП варьируется от 25 до 70 ходов в минуту при длине хода толкателя от 25 до 75 мм. Конический питатель 9 равномерно распределяет исходную суспензию из подающей трубы 11 по внутреннему периметру ротора. В кожухе машины проходит труба 13 для подачи промывной жидкости. Толщину слоя осадка регулируют с помощью сменного кольца, закреплённого по периметру конического питателя 9. Однокаскадные центрифуги имеют относительно низкую производительность при неравномерном и повышенном расходе энергии. В настоящее время в основном выпускаются двух-, четырех- и шестикаскадные центрифуги. В них равномернее расходуется энергия при прямом и обратном ходе, выше производительность, лучше промывается и сушится осадок. При сбрасывании с каскада меньшего диаметра на каскад большего диаметра осадок встряхивается, перемешивается, что способствует лучшему отделению жидкости.

Появление многокаскадных центрифуг, в частности, было связано с тем обстоятельством, что для каждого конкретного вида обрабатываемой суспензии существует оптимальная толщина h₀ слоя осадка: при толщине слоя больше или меньше h₀ появляются неравномерность толщины слоя осадка и вибрации. Кроме того, при h > h₀ осадок невозможно сдвинуть с места из-за вспучивания его в месте нажатия толкателя на торцовую часть кольца осадка.

Сила трения Т, которую преодолевает толкатель при выгрузке осадка в осевом направлении равна:

где r_ср – радиус средней поверхности осадка, м; _ос — плотность осадка, кг/м³; L – длина слоя осадка.

Из представленной формулы следует, что сила Т, которую преодолевает толкатель при выгрузке осадка линейно зависит от L – длины слоя осадка. Но от величины L также зависит производительность рассматриваемого типа центрифуг.

Анализ экспериментальных и теоретических исследований работы центрифуг ФГП показал, что увеличение их производительности за счёт простого удлинения ротора имеет существенное ограничение, обусловленное ростом усилия толкателя, вспучиванием сдвигаемого слоя осадка, возникновением дисбаланса ротора и увеличение его вибраций. Это обстоятельство определило создание многокаскадных центрифуг типа ФГП.

Представляет интерес оценить оптимальное значение толщины слоя осадка , а точнее, оптимальное соотношение на один каскад центрифуги ФГП. Для этого воспользуемся результатами ряда экспериментальных реологических исследований, на основании которых была получена экспериментальная зависимость:

(j)

где - предельное значение бокового давления, свыше которого происходит нарушение предельного равновесия со смещением частиц сыпучего тела, выпиранием их вверх по плоскостям, наклонным под определенным углом к большему из главных напряжений.

-главное нормальное напряжение, действующее в вертикальном направлении (перпендикулярном к направлению бокового давления).

- угол внутреннего трения (угол естественного откоса данного сыпучего тела.

В ходе предполагаемого анализа необходимо определить такую длину осадка L, при которой давление на боковые грани осадка было бы меньше главного нормального давления , действующего в вертикальном направлении перпендикулярно к боковому давлению.

Определим величину главного нормального напряжения . Поскольку осадок находится во вращающемся роторе центрифуги, значение равно давлению, создаваемому в осадке полем центробежных сил в радиальном направлении. Найдем величину для зоны осадка, наиболее удаленной от оси вращения ротора. Для этого найдем объем осадка, находящегося в роторе: ,

где внутренний радиус слоя осадка в роторе, L длина ротора или секции ротора.

Масса осадка .

Нормальное радиальное давление на внутреннюю поверхность вращающегося ротора со стороны осадка определяем делением суммы центробежных сил на внутреннюю поверхность ротора:

где . Найдем силу действия толкателя Т на слой осадка в горизонтальном направлении. Эта сила должна преодолеть силу трения осадка о внутреннюю поверхность ротора.

где коэффициент трения осадка о внутреннюю поверхность ротора.

Тогда боковое давление будет равно отношению силы Т к поверхности поршня, соприкасающейся с осадком:

.

Подставляем найденные значения и в исходное эмпирическое уравнение (j) для критической величины бокового давления получаем:

;

Откуда

Но с учетом того, что , , .

Тогда или , где толщина слоя осадка в роторе.

Откуда . (

Полученное уравнение ( является приближенным, так как исходная расчетная схема не учитывает ряд усложняющих эту схему условий: изменение угла внутреннего трения , при изменении влажности осадка, влияние вибраций на осадок.

Зависимость расчетных результатов (уравнения ( ) от фактора центробежного разделения и т.д..

В расчетной практике обычно вводят в зависимость ( полученный на основании экспериментальных исследований и промышленных испытаний поправочный коэффициент а=0,6 0,7. В этом случае

. (

Р ис.174. Схема многокаскадной центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка:

1-поршень; 2- цилиндр гидравлического привода; 3- подшипник;

4- полый вал; 5- шток; 6- кожух; 7- первая ступень; 8- фильтрующая поверхность; 9-вторая ступень; 10- третья ступень; 11- четвертая ступень;

12- труба для подачи промывной жидкости; 13- питающая труба;

14- загрузочная воронка; 15- толкатель.

Рассмотрим схему многокаскадной центрифуги рис.174.

Барабан такой центрифуги секционируется на ряд последовательно расположенных по пути перемещения осадка ступеней с короткими роторами. Ступени расположены коаксиально телескопически, обрабатываемая суспензия последовательно проходит все ступени – роторы. Отдельные роторы, совершающие циклические возвратно-поступательные движения, своими торцевыми кромками как толкателями перемещают осадок в осевом направлении при каждом движении вперёд к разгрузочному отверстию барабана. Такая конструкция многокаскадного барабана позволяет сохранить устойчивость цилиндрического слоя осадка (избежать вспучивания) и при этом соблюсти необходимое время пребывания обрабатываемых суспензий в центрифуге. Серийно выпускаются много- каскадные центрифуги ФГП с числом каскадов от 2 до 6.

В химической промышленности наиболее распространены двухкаскадные центрифуги (ГОСТ 6078—80).

Технические характеристики центрифуг ФГП приведены в справочной литературе.

Р ассмотрим конструкцию двухкаскадной центрифуги типа ФГП, изображённой на рисунке 175.

Рис.175. Фильтрующая непрерывно-действующая двухкаскадная центрифуга ФГП с пульсирующей выгрузкой осадка:

1- питающая труба; 2- ротор; 3- толкатель; 4- кожух; 5- вал толкателя;

6- полый вал; 7- гидроцилиндр толкателя; 8-станина; 9- приемник фильтрата; 10- приемник промывной жидкости; 11- приемник осадка;

12- распределительный конус суспензии; 13- труба подачи промывной жидкости в ротор.

Двухкаскадная центрифуга ФГП общего назначения (рис. 175) состоит из ротора 2, закрепленного на полом валу 6, и толкателя 3, установленного на валу 5. Возвратно-поступательное движение толкателя обеспечивает гидроцилиндр 7. Ротор закрыт кожухом 4, имеющим приемники фильтрата 9, промывной жидкости 10 и осадка 11. Все основные узлы крепятся на станине 8. Суспензия подается по питающей трубе 1 в распределительный конус 12, где разгоняется до частоты вращения ротора. Жидкость отделяется на сите толкателя 3; при обратном ходе толкателя осадок сдвигается на сито ротора 2. При прямом ходе толкатель сбрасывает осадок с сита ротора в приемник 11. Жидкость для промывки осадка подается в ротор по трубе 13.

Кроме стандартных узлов (насос, фильтр, клапаны и гидравлический привод) центрифуги ФГП имеют единую для этих машин систему исполнительного гидроцилиндра и золотникового управления, смонтированную вместе с клапанами в поршне гидроцилиндра. Производительность центрифуг по осадку, кг/ч:

где ψ_п — коэффициент прессуемости осадка (для кристаллических осадков ψ_п = 0,5 ... 0,7, для волокнистых — ψ_п = 0,2 ... 0,3); d₁ — диаметр первого каскада, м; h₀ = (25 ... 40) 10^-3 м — толщина слоя осадка в роторе; l_т — длина хода толкателя, м; _ос—плотность осадка, кг/м³; ε_ос — порозность осадка; n_дх — число двойных ходов толкателя в секунду.

Унос твердой фазы фугатом и влажность осадка находят экспериментально. Энергетический расчет выполняют по общей методике.

Мощность при выгрузке осадка:

где Q_oc — производительность по осадку, кг/с; f — коэффициент трения осадка о стенку ротора; Fr' —фактор разделения; ∆_ос = 0,75 — относительная начальная деформация осадка; m=t₀/t_п (t₀ и t_п — время обратного и прямого хода толкателя, с).

При четном числе каскадов в роторе мощности при прямом и обратном ходе почти равны.

В роторе центрифуг ФГП к массивному днищу крепится крупно перфорированная обечайка с отверстиями диаметров 20—60 мм. На ее внутренней поверхности находится наборное сито из прутков трапецеидального профиля, надетых на цилиндрические кольцевые шпильки. Размер щели между соседними прутками определяет минимальный диаметр задерживаемых ситом частиц. Реже сита изготовляют фрезерованием.

Тенденции развития центрифуг ФГП заключаются во внедрении машин со сдвоенным ротором, создании центрифуг для суспензии с концентрацией твердой фазы 20—45 %, а также машин с перфорированной конической приемной частью ротора для предварительного обезвоживания.