Трубчатые центрифуги (сверхцентрифуги).

Трубчатые центрифуги применяют для осветления суспензий с тонкодисперсной твердой фазой при размерах частиц 0,5—5 мкм, концентрации около 1 %, а также для обработки трудноразделяемых эмульсий, часто с незначительным содержанием твердой фазы. В этих случаях требуются высокие факторы разделения Fr' до 17 000 (для исследовательских целей Fr' до 60 000). Диаметры роторов промышленных трубчатых центрифуг 80—150 мм, лабораторных — 40—50 мм; производительность 0,2—2 м³. В химической, пищевой, медицинской промышленности применяют в основном два типа центрифуг:

- ОТР – осветляющие вертикальные трубчатые центрифуги с ручной разборкой ротора;

- РТР – разделительные (сепарирующие) вертикальные трубчатые центрифуги с ручной разборкой ротора.

В трубчатых центрифугах неоднородные жидкие смеси обрабаты­ваются в толстом слое при большом пути L их следования и отношении L/r_ср = 10 ... 14 (где r_ср - радиус среднего слоя жидкости в роторе). При осветлении суспензий центрифуги работают в периодическом режиме в течение 10—20 мин, так как необходима ручная периодическая выгрузка осадка. Разделение эмульсий при отсутствии в них твердых частиц ведут непрерывным способом. Тем не менее, при наличии в исходной устойчивой разделяемой эмульсии незначительных количеств засоряющих её твёрдых дисперсных частиц трубчатые разделительные (сепарирующие) центрифуги также приходится периодически останавливать, разбирать ротор и вручную удалять образовавшийся в процессе отстойного центрифугирования осадок, выделившийся на внутренней поверхности трубчатого ротора. В химической промышленности чаще проводят процессы осветления, чем разделения.

Рис. 192. Схема процесса центробежного разделения в осветляющем роторе центрифуг типа ОТР:

1. форсуночный ввод исходной суспензии; 2- отражательная пластина; 3- уровень выходных отверстий фугата; 4- приемный карман осветленной жидкости.

Рассмотрим конструкции разделительных и осветляющих трубчатых центрифуг. Рассмотрим подробнее принцип работы роторов трубчатых осветляющих центрифуг типа ОТР (см. схему рис.192). Обрабатываемая жидкая гетерогенная система – суспензия подаётся через форсуночный ввод 1 в нижнюю часть вертикального ротора, разбивается об отражательную пластину 2, отбрасывается на внутреннюю стенку ротора и увлекается им во вращение. Центробежное отстаивание в осветляющем роторе сопровождается растеканием суспензии по внутренней поверхности трубчатого ротора и образованием цилиндрического жидкостного слоя, из которого твёрдые частицы осаждаются на внутренней стенке ротора, образуя слой осадка. Этот слой осветляемой суспензии накапливается в роторе до тех пор, пока его внутренняя цилиндрическая поверхность не достигнет уровня верхних выходных отверстий фугата 3. Затем осветлённая жидкость выбрасывается из выходных отверстий ротора в приёмный карман 4. Осадок накапливается до тех пор, пока его количество не достигнет установленного опытным путем оптимального количества. После этого ротор останавливают, разбирают и вручную удаляют накопившийся осадок. Необходимо отметить, что выходные отверстия в осветляющих роторах, как правило, располагаются в центре верхней крышки ротора в виде одного кольцевого осесимметричного ряда.

Рис. 193. Схема процесса разделения эмульсии в сепарирующем роторе:

1. форсуночный ввод исходной суспензии; 2- отражательная пластина; 3- приемный канал тяжелой жидкости; 4- приемный канал легкой жидкости; 5- сменное регулировочное кольцо; 6- дисковая перегородка.

Центробежное разделение эмульсий в сепарирующем (разделительном) роторе (см. схему рис. 193) осуществляется следующим образом. Во вращающийся ротор через форсунку непрерывно вводится подлежащая разделению суспензия, отбрасываемая отражательной пластиной 2 на внутренние стенки ротора. Заполнение вращающегося ротора эмульсией сопровождается её сепарированием и образованием разделительной цилиндрической границы раздела между внешним слоем тяжёлой жидкости и внутренним слоем отсепарированной лёгкой жидкости. Высота внутреннего слоя лёгкой жидкости ограничивается дисковой перегородкой 6, которая имеет внешний диаметр D_r. В месте слива тяжелой отсепарированной жидкости крепится сменное регулировочное кольцо, имеющее диаметр слива D_т . Этот диаметр можно менять, заменяя сменные кольца в зависимости от свойств разделяемых эмульсий.

Цилиндрическая поверхность раздела между слоями жидкости занимает устойчивое положение, сооветствующее некоторому диаметру D_н . При этом давление от центробежных сил в цилиндрическом слое тяжелой жидкости, расположенные выше дисковой перегородки 6, уравновешивается давлением от центробежных сил в двойном цилиндрическом слое тяжелой и легкой отсепарированных жидкостей, расположенных ниже перегородки 6. При таком равновесии внутренняя граница легкой жидкости, соответствующая диаметру D_л , достигает уровня ближайших к оси вращения ротора выходных отверстий, предназначенных для непрерывного отвода отсепарированной легкой жидкости в приемный канал легкой жидкости 4. Непрерывный ввод в ротор исходной эмульсии вызывает непрерывный слив в соответствующие отверстия отсепарированных легкой и тяжелой жидкости, при этом тяжелая жидкость направляется в приемный канал тяжелой жидкости 3.

Возможность разделения эмульсий в роторе трубчатой разделительной центрифуги определяется соотношением плотностей тяжелой ρ_т и легкой ρ_л фаз и конструктивными особенностями ротора. Способность ротора к разделению эмульсий определяется коэффициентом сепарации К:

где обозначения см.на рис.193.

В силу конструктивных особенностей разделительных центрифуг типа РТР диаметры D_r и D_л постоянны. Можно лишь изменять в узких пределах диаметры D_т сменного регулировочного кольца 5 (рис.193). При этом коэффициент сепарации на практике изменяется в пределах 10 12%.

В практике разделение эмульсий в центрифугах типа РТР известно, что отношение плотности тяжелого компонента к плотности легкого компонента должно быть не меньше коэффициента сепарации К, т.е.

В каждом конкретном варианте разделяемой суспензии, исходя из полученного соотношения предварительно определяют ориентировочный внутренний диаметр регулировочного кольца D_т. Этот диаметр уточняется экспериментально путем подбора сменного регулировочного кольца 5 с оптимальным диаметром D_т.

Отметим, что степень разделения эмульсии зависит от скорости течения ее вдоль ротора центрифуги: при малой скорости степень разделения увеличивается, при высокой скорости увеличивается вероятность выноса мельчайших капель дисперсной фазы из ротора.

На процесс разделения эмульсий влияет соотношение гидравлических сопротивлений, возникающих в выходных отверстиях отсепарированных легкой и тяжелой жидкостей. Эти трудно учитываемые сопротивления вызывают ощутимые подпоры жидкостей и смещение поверхности их раздела, что также требует экспериментального уточнения D_т .

Учитывая идентичность конструктивных схем трубчатых центрифуг типа ОТР и РТР (незначительная разница имеется лишь в конструкциях верхних крышек роторов и приёмников жидкой фазы) рассмотрим их устройство на примере конструкции разделительной (сепарирующей) трубчатой центрифуги типа РТР (рис. 194).

Р ис. 194. Конструкция трубчатой центрифуги РТР:

1-шкив плоскоременной передачи вращения на веретене центрифуги; 2- веретено; 3- верхняя крышка ротора; 4- камера для отвода легкой жидкости; 5- выходные отверстия легкой жидкости; 6- камера для отвода тяжелой жидкости; 7- выходные отверстия тяжелой жидкости;8- ротор; 9- ленточный тормоз; 10- шкив ручного привода тормоза; 11- трех- или четырехлопастная крыльчатка для раскрутки жидкости; 12- отражательная пластина; 13- стойка отражательной пластины; 14- нижняя полая цапфа ротора; 15- форсунка нижнего ввода исходной смеси в ротор; 16- трубопровод подвода исходной смеси; 17- подвод смазки к нижней плавающей опоре ротора; 18- станина; 19- электродвигатель привода; 20- ограждение плоскоременной передачи; 21- ведущий шкив; 22- натяжной ролик плоскоременной передачи; 23- подвод смазки к вращающимся опорам; 24- верхняя опора центрифуги.

Общим конструктивным признаком трубчатых центрифуг является наличие длинного трубчатого ротора 8, упруго подвешенного на вертикальном веретене (валу) 2 и имеющего внизу плавающую нижнюю опору. Внутри ротора 8 жестко крепится трёх- или четырёх – лопастная крыльчатка 11, препятствующая проскальзыванию жидкости относительно стенок ротора 8.Станина 18 одновременно выполняет роль защитного кожуха. Привод центрифуги осуществляется от электродвигателя 19 с помощью повышающей плоскоременной передачи с натяжным роликом 22, заключённого в ограждение 20. Торможение ротора после отключения электродвигателя 19 осуществляется с помощью тормоза 9, приводимого в действие шкивом 10. Смазка верхней и нижней быстровращающихся опор осуществляется путём подвода смазки по магистралям 17 и 23.

Поскольку принцип работы роторов трубчатых центрифуг уже был рассмотрен выше, остановимся на устройстве верхней и нижней опор роторов этих машин.

На рис. 195 приводится типовой конструктивный вариант верхней опоры ротора центрифуг типа ОТР или РТР.

Рис. 195. Типовая конструкция верхней опоры роторов центрифуг типа ОТР и РТР:

1-соединительная накидная гайка крепления головки ротора (на рисунке не показан) к веретену 2; 2- веретено; 3- станина; 4- верхняя расточка станины; 5- несущая втулка опоры; 6- фланцевое крепление втулки 5 к станине 3; 7- полая резьбовая стойка

крепления шарикоподшипников 10 и 20; 8- плоский приводной ремень повышающей передачи; 9- наружная дистанционирующая проставка между шарикоподшипниками;10- верхний шарикоподшипник опоры; 11- штифты упругой резинометаллической муфты 16; 12- верхняя резьбовая гайка-корпус; 13- звездочка для передачи вращения веретену 2; 14- специальный болт; 15- защитный колпак; 16- упругая резинометаллическая муфта; 17- стяжная гайка; 18- внутренняя дистанционирующая проставка между шарикоподшипниками; 19- ведомый шкив плоскоременной передачи; 20- нижний шарикоподшипник опры; 21- резьбовая защитная гильза.

Опора устанавливается в верхней расточке 4 станины в массивной несущей втулке 5 с помощью фланцевого разъёма 6. В центральное резьбовое отверстие несущей втулки 5 устанавливается полая резьбовая стойка 7, на которую с использованием дистанционирующей проставки 18 насажены внутренними обоймами радиальные шарикоподшипники 10 и 20. Шарикоподшипники стягиваются до упора в буртик стойки 7 гайкой 17. На наружные обоймы шарикоподшипников 10 и 20 предварительно напрессовывается своей внутренней цилиндрической поверхностью ведомый шкив 19 плоскоременной передачи, при этом подшипники дистанционируются внешней проставкой 9. После сборки шарикоподшипникового узла в верхнее резьбовое отверстие ведомого шкива 19 заворачивается до упора резьбовая гайка – корпус 12, внутри которой концентрично закреплена упругая резино-металлическая муфта 16. Эта муфта обеспечивает эластичное соединение веретена с вращающейся опорой, что снижает низшую критическую частоту вращения ротора и способствует достижению работающей центрифугой режима самоцентрирования. С помощью специального болта 14 и шлицевой звёздочки 13 к муфте 16 крепится веретено 2. Таким образом, верхняя опора помимо радиальных нагрузок полностью воспринимает и осевые нагрузки от ротора, т.к. нижняя опора является плавающей опорой, воспринимающей лишь радиальные нагрузки и являющейся комбинацией упругого радиального амортизатора и демпфера сухого трения.

Смазка подшипников быстроходной верхней опоры осуществляется жидкой смазкой, подаваемой дозатором (см. рис. 194, позиция 23) и отводимой из кольцевого сборника полой стойки 7.

В качестве типичной конструкции нижней опоры роторов трубчатых центрифуг рассмотрим конструкцию опоры, приведённую на рис. 196.

Рис. 196. Типовая конструкция нижней опоры роторов центрифуг типа ОТР и РТР в сборе с нижней цапфой ротора:

1-цилиндрический корпус опоры; 2- кольцевая пята;3- внешняя втулка радиального подшипника скольжения, жесткоскрепленная с пятой 2 с помощью накидной гайки 4; 4- накидная гайка; 5- резьбовая крышка корпуса опоры с центральным отверстием; 6- резьбовое съемное днище ротора с патрубком-цапфой; 7- отражательная пластина; 8- стойка отражательной пластины; 9- спиральная прижимная пружина пяты 2; 10- резьбовой внутренний вкладыш радиального подшипника скольжения; 11- радиальные пружинные буферы (6 ед.), равномерно размещенные в отверстиях по внешней цилиндрической поверхности пяты; 12- дренажное отверстие; 13- труба для подвода исходной смеси; 14- форсуночный ввод исходной смеси в ротор; 15- ограничительный штифт (6 ед.).

Цилиндрический корпус нижней опоры запрессовывается в нижнюю расточку станины центрифуги. При изготовлении сопряжённые поверхности плоского днища корпуса 1 и пяты 2 тщательно обрабатываются и притираются друг к другу. Через соответствующие каналы к сопряжённым поверхностям корпуса 1 и пяты 2, а так же к поверхностям трения втулки 3 и вкладыша 10 радиального подшипника скольжения подводится и отводится смазка. Втулка 3 жестко закреплена в кольцевой проточке пяты 2 с помощью накидной гайки 4. Вкладыш 10 с помощью резьбового соединения жестко закреплён на патрубке – цапфе днища ротора. Пята 2 постоянно прижимается спиральной пружиной 9 к опорной (сопряжённой) поверхности корпуса 1 таким образом, что пята не может получать вертикальные перемещения, но способна совершать небольшие перемещения в радиальном направлении в пределах зазоров, определяемых конструкцией ограничительных штифтов 15 (обычно в пределах 1,0 – 1,2 мм). Пята 2 равномерно и непрерывно поджимается по направлению к оси вращения ротора шестью пружинными буферами 11, равномерно разнесёнными по внешней цилиндрической поверхности пяты и установленными во внешних её сверлениях. За счёт установки пружинных буферов 11, нажимной пружины 9 и возможности осевого перемещения патрубка – цапфы ротора во втулке 3 возникает возможность существенно снизить жесткость этой опоры, увеличить её упругие свойства и обеспечить работу ротора в закритической области в условиях самоцентрирования. Необходимо подчеркнуть, что нижняя опора приведённого типа по существу является плавающим самоустанавливающимся опорным подшипником скольжения, воспринимающим радиальные нагрузки, но не воспринимающим осевые нагрузки.

В заключение отметим, что производительность осветляющих трубчатых центрифуг рассчитывают по общепринятым методикам расчёта производительности осадительных центрифуг периодического действия. В рабочий цикл, кроме времени осаждения и заполнения ротора осадком, включается время разгона, время торможения, время разборки и сборки ротора и время выгрузки осадка. По наибольшему времени длительности цикла оценивают производительность осветляющей трубчатой центрифуги.

Контрольные вопросы по теме: «Центрифуги и сепараторы».

1. Почему влажность осадков, получаемых в осадительных центрифугах периодического действия существенно выше влажности осадков, получаемых в фильтрующих центрифугах?

2. Каков физический смысл фактора разделения применительно к центробежному разделению суспензий или эмульсий?

3. В чем принципиальная разница между процессами центробежного осветления и центробежного разделения?

4. Почему центробежное осветление суспензий осуществляется в осадительных, а не в фильтрующих центрифугах?

5. Кратко охарактеризуйте систему классификации центрифуг. Поясните особенности конструкций центрифуг в зависимости от принципа разделения гетерогенных сред, от способа ориентации ротора в пространстве, от способа выгрузки осадка, от способа крепления ротора центрифуги в станине и от других важных конструктивных и воздействующих факторов для центрифуг типов: ОВБ, ФМД, ОГН, РТР.

6. То же для центрифуг типов: ФМБ, ОГШ , ФВВ, ОТР, ОМБ.

7. То же для центрифуг типов: ФПН, ФВШ, ФГП.

8. Охарактеризуйте инженерный метод оценки производительности осадительных центрифуг с использованием параметра «индекс производительности», предложенный профессором В.И. Соколовым.

9. Поясните физический смысл применения упругих опор для горловых подшипников роторов центрифуг различных типов. Почему упомянутые опоры не применяются в маятниковых центрифугах?

10. Поясните сущность статической и динамической балансировки быстровращающихся элементов центрифуг.

11. Схема расчета мощности центрифуг периодического и непрерывного действия. Основные составляющие суммарной мощности упомянутых центрифуг?

12. Охарактеризуйте структуру рабочего цикла центрифуг периодического действия и пути повышения коэффициента использования центрифуг.

13. В силу каких причин рабочий цикл маятниковых центрифуг типа ФМБ (при прочих равных условиях) более продолжителен по сравнению с рабочим циклом центрифуг типа ФГН?

14. Почему в приводе крупнотоннажных центрифуг (типа ФМБ, ФГН и др.) часто применяют центробежные муфты и гидромуфты. Кратко поясните принцип действия этих муфт.

15. С помощью какого приспособления можно контролировать степень заполнения суспензией ротора центрифуги периодического действия?

16. При фильтровании суспензий в вертикальных центрифугах периодического действия, содержащих волокнистые материалы, применяют перфорацию роторов в виде щелей, длинные оси которых распологаются параллельно горизонту, а не вертикально. Почему?

17. В чем смысл уменьшения в отдельных случаях по высоте витков шнека в центрифугах типа ФВШ и ФГШ (или их полное удаление) на участке сушки осадка перед выгрузкой из ротора?

18. За счет каких преимуществ происходит постепенное вытеснение центрифуг типа ФВШ центрифугами типа ФГШ?

19. Почему в центрифугах периодического действия типа ФМД, ФПН и аналогичных необходимо загружать исходную суспензию при вращении ротора, а не в остановленный ротор?

20. Почему центрифуги и сепараторы в инженерной практике относят к категории особо опасного оборудования?

21. Почему в центрифугах типа ФНГ и ОГН с роторами, расположенными между опорами, применяют механизмы среза осадка с широкими радиально перемещающимися или поворотными ножами, а в центрифугах этого же типа, но с консольно расположенными роторами применяют механизмы среза осадка с поворотным и возвратно – поступательным движением узких ножей?

22. Какой принцип безопасного торможения центрифуг используется во взрывоопасных производствах, в которых использование торможения за счет трения запрещается по условиям ТБ свледствии опасности искрообразования и нагрева?

23. Почему в режиме среза осадка в большинстве конструкций ценртрифуг периодического действия (кроме центрифуг типа ФГН и ОГН) снижают скорость вращения ротора?

24. Центрифуги типа ФГН и ОГН работают длительное время без остановки с постоянной скоростью вращения роторов, но относятся к машинам периодического действия. Почему?

25. В чем смысл применения в ряде конструкций фильтрующих центрифуг подкладочных плетенных или штампованных сит или сеток, размещаемых между внутренней стенкой перфорированного ротора и собственно фильтрующей перегородкой?

26. Каким образом удается обезопасить ответственное резьбовое крепление роторов центрифуг и сепараторов к приводным валам, а также резьбовое крепление крышек сепараторов к цилиндрическим и коническим обечайкам роторов посредством резьбовых колец–гаек, от саморазвинчивания?

27. Каков принцип смазки пар трения узла подвески ротора подвесных центрифуг типа ФПС, ФПН и аналогичных?

28. Поясните (с использованием атласа) особенности конструкций верхней и нижней опор трубчатых сверхцентрифуг.

29. Какие основные физико – механические воздействия используются для выгрузки осадка из роторов центрифуг типа ФВВ и ФГВ?

30. Как влияет температура суспензии или эмульсии на производительность центрифуг и сепараторов?

31. Почему необходимо соблюдать определенное соотношение между длиной фильтрующего ротора и толщиной слоя осадка на сите центрифуги ФГП для конкретного типа суспензии?

32. Почему не рекомендуется фильтрование мелкокристаллических, малоконцентрированных суспензий, а также суспензий с нерастворимой твердой фазой в центрифугах ФГП?

33. Основные преимущества многокаскадных центрифуг ФГП по сравнению с однокаскадными?

34. Каким образом можно управлять временем пребывания осадка в роторах центрифуг типа ФВВ и ФГВ?

35. С какой целью разрабатываются и выпускаются центрифуги ОГШ с увеличенным отношением до 3,6 4,0 ?

36. Поясните, почему для центрифугирования с высокими значениями фактора разделения целесообразно использовать роторы малого диаметра?

37. Какой технологический прием используется при необходимости промывки осадка, получаемого в центрифугах ОГШ и в чем его сущность?

38. Поясните принцип действия системы смазки центрифуги ФВВ и ФГВ и способов подводки смазки к узлам трения.

39. Как скажется на работе фильтрующей центрифуги непрерывного действия увеличение производительности по исходной суспензии при превышении ее подачи сверх проектной величины?

40. Перечислите и кратко охарактеризуйте основные способы выгрузки осадка в центробежных жидкостных сепараторах.

41. Укажите преимущества центробежных жидкостных сепараторов с пакетами конических коаксиальных тарелок по сравнению с камерными сепараторами.

42. В чем преимущество применения в большинстве конструкций жидкостных сепараторов винтовой передачи вращения на вал – веретено?

43. С какой целью используют нейтральные буферные жидкости в работе саморазгружающихся жидкостных сепараторов?

44. Поясните принцип действия напорных дисков для отвода из роторов сепараторов жидких продуктов центробежного разделения.

45. С помощью каких конструктивных элементов можно регулировать толщину слоя суспензии в сепараторах с цилиндрическими вставками?

46. Какие особенности конструкций многокамерного сепаратора с цилиндрическими вставками делают его пригодным для классификации суспензий по размерам частиц?

47. Поясните принцип действия трехфазной центрифуги.