Центрифугирование

Центрифугирование — разделение неоднородных систем (напр., жидкость — твердые частицы) на фракции по плотности при помощи центробежных сил. Центрифугирование осуществляется в аппаратах, называемых центрифугами. Центрифугирование применяется для отделения осадка от раствора, для отделения загрязненных жидкостей, производится также центрифугирование эмульсий (напр., сепарирование молока). Для исследования высокомолекулярных веществ, биологических систем применяют ультрацентрифуги. Центрифугирование используют в химической, атомной, пищевой, нефтяной промышленностях.

Центрифугирование применяется в следующих областях пищевой промышленности: молочной промышленности (отделение бактерий из молока центрифугированием), масложировых предприятиях (отделение масел и жиров от примесей), в сахарной промышленности (центрифугирование утфеля) и т.д.

Центрифугирование характеризуется рядом технологических параметров, определяющих качество процесса и его кинетику.

Интенсификация процесса разделения обусловлена увеличением ускорения продукта. Для оценки этого увеличения применяют показатель, называемый фактором разделения F, который представляет собой отношения ускорений в поле центробежных и гравитационных сил:

где - центробежное ускорение, м/с2; - угловая скорость, рад/с; - радиус вращения, м - ускорения свободного падения.

По величине фактора разделения Fp центрифуги условно делят на три класса: тихоходные (Fp<1000), скоростные (высокоскоростные, или сверхцентрифуги (Fp>5000).

Центрифуги могут быть с горизонтальным и вертикальным расположением вала и барабана, периодического действия (подвод суспензии и выгрузка осадка производятся периодически), полунепрерывного (суспензия передается непрерывно, а осадок выгружается периодически) и непрерывного действия (подача суспензии и выгрузка осадка осуществляется непрерывно).

Разнообразие применяемых в пищевой промышленности центрифуг нашло отражение в приведенной на рис. 1 классификационной схеме.

Рис.1. Классификационная схема.

Для осаждения и фильтрования применяют отстойники, центрифуги, сепараторы и фильтры.

С целью интенсификации разделения пыли, суспензии и эмульсий процесс осаждения проводят под действием центробежной силы.

Для создания поля центробежных сил используются два технических приема: поток жидкости или газа вращается в неподвижном аппарате, затем поступает во вращающийся аппарат и вращается вместе с ним. В первом случае процесс называется циклонным, а аппарат – циклоном, во втором – отстойным центрифугированием, а аппарат – отстойной центрифугой или сепаратором. Центрифуги по технологическому назначению делятся на фильтрующие, осадительные, осветляющие, разделяющие и концентрирующие.

В зависимости от метода центрифугирования осуществляется в сплошных (осадительных; рис. 2, а) или перфорированных (покрытых фильтрующим материалом; рис. 2, б) роторах.

Рис. 2. Роторы машин для центробежного осаждения (а) и фильтрования (б): С - суспензия, Ф - фугат (фильтрат), О - осадок; пояснение в тексте, rж - радиус свободной поверхности жидкости.

Кинетика центрифугирования зависит от многих факторов, классифицируемых на две группы. Факторы первой группы определяются физико-химическими свойствами разделяемой системы (разность плотностей фаз, гранулометрический состав твердой фазы, вязкость жидкой фазы, удельное сопротивление осадка при фильтровании). Факторы второй группы, обусловленные конструкцией и частотой вращения ротора центробежной машины (структура внутрироторного потока, его гидродинамика и поле скоростей), оказывают решающее влияние на центробежное осаждение и отчасти на центробежное фильтрование; в свою очередь гидродинамический режим зависит от производительности машины. Математическое описание потока дается уравнениями Навье - Стокса и неразрывности, которые составляются с учетом геометрии ротора и граничных условий; решение зачастую находится методами подобия теории.

Центробежное осаждение включает осветление, сгущение, а также осадительное центрифугирование. Осветление - удаление твердой фазы из суспензий с содержанием частиц не более 5% по объему; используют для очистки, например, нефтяных масел. Сгущение - процесс, при котором частицы дисперсной фазы группируются в относительно малом объеме дисперсионной среды; позволяет осуществлять концентрирование суспензий (например, водная суспензия каолина). Осадительное центрифугирование -разделение суспензий с содержанием твердой фазы более 5-10% по объему; применяют преим. для обезвоживания твердых компонентов (например, CaSO4).

При центробежном осаждении движение твердых частиц происходит под действием центробежной силы (d - диаметр частицы; - разность плотностей твердой и жидкой фаз; r - расстояние от частицы до оси вращения ротора) и силы сопротивления жидкой среды S. Соотношение этих сил определяет скорость осаждения w. При ламинарном режиме, характерном для осветления, сила S выражается законом Стокса: и где динамическая вязкость жидкой фазы. Для турбулентного режима при осаждении крупных частиц высококонцентрированных суспензий сила S находится из уравнения: (- коэффициент лобового сопротивления; рж - плотность жидкой фазы). Гидродинамика потока определяет время пребывания частиц в роторе, aw- время осаждения; сопоставление этих величин позволяет найти крупность разделения.

Центробежное фильтрование происходит с образованием или без образования осадка на фильтровальной перегородке, а также при одновременном протекании в ее зонах обоих процессов; наиболее эффективно для получения осадков с минимальной влажностью. Процесс принято делить на три периода: образование осадка, удаление из него избыточной жидкости и удаление жидкости, удерживаемой межмолекулярными силами (механическая сушка осадка). Первый период охватывает центробежное осаждение и фильтрование через слой образовавшегося осадка. Для расчета кинетики процесса используют закон Дарси-Вейсбаха; движущая сила (перепад давления) определяется центробежным полем, действующим на суспензию: где- плотность суспензии; rж - радиус свободной поверхности жидкости (рис. 2, б). На оказывает влияние проскальзывание жидкости над слоем осадка. Период может протекать при различных режимах; наиболее характерны режимы при постоянных и производительности по суспензии. Второй и третий периоды зависят от большого числа факторов, связанных с уплотнением осадка, формой его поровых каналов и др.; построение их мат. моделей крайне затруднено.

Рис. 3. Центрифуга непрерывного действия: а - осадительная шнековая; б - фильтрующая шнековая; в - с пульсирующей выгрузкой осадка; г - инерционная; д - вибрационная; е - прецессионная; 1 - ротор; 2 -механизм выгрузки.

В пищевой промышленности используются центрифуги разнообразных конструкций и различного технологического назначения: фильтрующие, осадительные (отстойные), осветляющие, разделяющие и концентрирующие.

Современные промышленные центрифуги относятся к наиболее сложному технологическому оборудованию, характеризующемуся высокими скоростями и имеющему  сложные системы управления.

На предприятиях пищевой промышленности в основном используют фильтрующие и осадительные центрифуги.

Принцип действия отстойных (осадительных) центрифуг периодического действия заключается в следующем. Обрабатываемая суспензия через трубу питания поступает в ротор центрифуги, где под действием центробежных сил происходит разделение твердой и жидкой фаз. По способу отвода жидкой фазы и осадка различают центрифуги с переливом и без перелива фугата (жидкой фазы) через борт ротора.

В первой случае центрифугированию подвергается определенный объем суспензии, которая непрерывно подается в ротор, вращающийся с постоянной частотой. Вследствие вытеснения поступающей суспензией жидкой фазы из рабочего объема ротора фугат переливается через борт ротора, при заполнении осадком которого загрузка прекращается, а осадок удаляется механическим способом. Во втором случае обработке также подвергается определенный объем суспензии, а продукты разделения удаляются по окончании процесса: сначала жидкая фаза, а затем твердая.

К отстойным шнековым центрифугатам непрерывного действия относится центрифуга ОГШ-321К (рис. 4).

Рис. 4. Отстойная центрифуга ОГШ-321К

На масложировых предприятиях она применяется для очистки масел и жиров от примесей.

Основной узел центрифуги – ротор 2 цилиндроконической формы, расположенный горизонтально на двух опорах-подшипниках 5. С торцов ротор закрыт цапфами-крышками, которыми он опирается на подшипники качения. Главные опорные подшипники смонтированы на станине 7.

Вращение ротора осуществляется от электродвигателя через клиноременную передачу 8. Внутри ротора соосно расположен шнек 3 для перемещения твердого осадка к выгрузочным окнам ротора.

Шнек состоит из полого цилиндрического барабана, на наружной поверхности которого расположены спирали. Внутри полого барабана приварены перегородки, которые образуют три камеры, служащие для приема суспензии. Камеры имеют по три разгрузочных окна. К торцам барабана шнека прикреплены цапфы, образующие опорные шейки шнека. Левая цапфа шнека снабжена шлицами, которыми она соединяется с водилом второй ступени планетарного редуктора.

Вращение шнеку передается от ротора через специальный планетарный редуктор 1, который обеспечивает вращение шнека в одну сторону с ротором с отстаиванием около 1 % частоты вращения ротора.

Разность угловых скоростей шнека и ротора создает условия принудительного перемещения осадка вдоль внутренней поверхности барабана ротора.

Через полые цапфы ротора и шнека проходит питающая труба 6, по которой суспензия вводится во внутреннюю полость барабана шнека, откуда она через окна выбрасывается во внутреннюю полость ротора.

Технологический процесс в осадительной центрифуге происходит следующем образом. Под действием центробежных сил в роторе твердая фаза отделяется от жидкой, причем твердая фаза осаждается на стенках ротора, а затем шнеком подается к разгрузочным окнам, расположенным в узкой стороне ротора. На пути продвижения осадка к разгрузочным окнам в зоне обезвоживания из осадка удаляется влага. Жидкость устремляется к широкой стороне ротора и через сливные окна в правой цапфе выбрасывается в приемный отсек кожуха 4 центрифуги и затем сливается в сборник.

Твердая фаза через разгрузочные окна ротора попадает в приемный отсек кожуха, откуда под действием собственной массы падает вниз. Загрузка, процесс отделения твердой фракции от жидкой, выгрузка осадка и слив фугата происходит непрерывно.

Материал, из которого изготовлены основные детали центрифуги, контактирующие с жидкостью, - кислостойкая сталь 12Х18Н10Т.

Режим работы центрифуги можно регулировать изменением скорости подачи суспензии, частоты вращения ротора, диаметра сливного борта.

К числу основных преимуществ центрифуг данного типа можно отнести высокую производительность при малых габаритных размерах и непрерывность технологического процесса, надежность в работе, удобство эксплуатации, возможность получения продукта постоянного качества.

Недостатками этих машин являются невысокая степень обезвоживания осадка, невозможность его эффективной промывки, сравнительно быстрый износ шнека и ротора.

Фильтрующие центрифуги.

Принцип действия фильтрующих центрифуг заключается в прохождении под действием поля центробежных сил жидкой фазы через дисперсный осадок, фильтрующие сита и перфорированную обечайку ротора. Суспензия через питательную трубу подается в ротор, вращающийся с рабочей частотой, до заполнения его рабочего объема. В результате центрифугирования происходят отделения фугата, уплотнение дисперсного осадка и удаление из него жидкости. Осадок удаляется по окончании процесса вручную после остановки ротора. В результате этого процесса осадок получается более сухой, чем при осадительном центрифугировании.

В крахмалопаточной, масложировой и других отраслях пищевой промышленности получили распространение вертикальные подвесные самоустанавливающиеся фильтрующие центрифуги периодического действия.

Автоматическая центрифуга ФПН-1251Л-2 (рис.5.). Получила распространение в сахарном производстве для центрифугирования утфеля. Это подвесная центрифуга циклического действия; состоит из ротора, подвешенного на валу в верхней опоре, привода, механизма среза и вспомогательных устройств. В качестве привода в центрифуге используется специальный пятискоростной асинхронный электродвигатель, обеспечивающий частоту вращения ротора 1500, 1000, 750, 300 и 100 мин-1. Электродвигатель позволяет производить рекуперативное торможение ротора с 1500 до 300 мин-1 с возвратом электрического тока в сеть и осуществлять противоточное торможение с 300 до 1000 мин-1.

Центрифуга имеет автоматическое, полуавтоматическое и ручное управление. Полуавтоматическое и ручное управление используется при наладочных работах и отработке технологического режима центрифугирования данного утфеля.

Рис. 5.  Автоматическая центрифуга ФПН-1251Л-2

Ротор 12 приводится во вращение электродвигателем 3. На подвеске 4 смонтирован пневматический тормоз для торможения центрифуги при аварии. Ротор закрыт кожухом 11, на котором установлены электропневматический механизм 2 среза сахара, лоток 19 подачи утфеля с шибером, управляемый пневмоцилиндром 20, узел 1 для промывки сахара, датчик 9 для загрузки утфеля, пневматический сегрегатор 18 для направления оттеков в соответствующие желоба.

Для равномерного наполнения ротора утфелем на валу 7 установлен распределительный диск 10, который совместно с запорным конусом 14 поднимается пневматическим механизмом 8. Управление пневмоцилиндрами исполнительных механизмов осуществляется с пульта 6 через блок электромагнитных клапанов (пневмораспределителей), находящихся в коробке 5. С пульта производится также управление электродвигателями центрифуги. Для пропарки и промывки в кожух через трубу 17 подают пар, а через трубу 15 – воду. Отвод образующихся паров на вентиляционную установку производится через патрубок 16. Центрифуга установлена в металлоконструкции 13.

Технологический процесс в центрифуге протекает следующим образом. Включают приводной электродвигатель 3. По достижении частоты вращения ротора 230 мин-1 открывается шиберная заслонка утфелераспределителя и утфель по лотку 19 поступает в ротор центрифуги. После загрузки ротора до заданного объема датчик 9 загрузки утфеля дает команду на закрытие шиберной заслонки утфелераспределителя. Затем электродвигатель набирает максимальное количество оборотов, при которых происходит центрифугирование утфеля. Время центрифугирования регулируется при помощи реле времени, определяющего общую продолжительность центрифугирования.

После окончания центрифугирования через некоторый промежуток времени включается электромагнитный клапан и вода поступает в устройство для промывки сахара. Одновременно сегрегатор переключается на отвод белой патоки.

После промывки и пропарки сахара электродвигатель переключается на меньшую скорость и центрифуга начинает тормозить. При частоте вращения 50 мин-1 включается механический тормоз, а электродвигатель выключается. После остановки ротора двигатель переключается на обратное вращение ротора. По достижении ротором асинхронной частоты вращения 70-100 мин-1 поднимается запорный конус и к слою сахара при помощи пневмоцилиндра подводится нож. По вертикали нож перемещается при помощи электродвигателя. По окончании выгрузки механизм среза занимает первоначальное положение, запорный конус опускается, сита промываются водой и начинается следующий цикл работы.

В процессе эксплуатации центрифуги типа ФПН-1251Л-2 необходимо следить за давлением воды, воздуха и масла в приводе. Температура корпуса подшипников привода ротора не должна превышать 700С. регулярно один раз в десять дней необходимо смазывать все трущиеся поверхности деталей центрифуги. Расстояние между кромкой лезвия ножа и поверхностью фильтрующего сита должно быть равным 3-5 мм. При меньшем расстоянии нож будет истирать сито, при большем на сите останется слой сахара, который вызовет неравномерный отход оттеков, что приведет к вибрации ротора. В этом случае через 15-20 циклов необходимо очистить ротор от оставшегося сахара, произведя холостой цикл.

Центрифуга ФГШ-401К-4 (рис.6.). Применяется при производстве концентрированного томатного и яблочного соков с мякотью. Это фильтрующая горизонтальная центрифуга со шнековой выгрузкой осадка состоит из станины 2, ротора 4, шнека 5, планетарного редуктора 1, главного вала 3 с коренными опорами, трубы 6 для подвода продукта, привода (электродвигателя, центробежной муфты, клиноременной передачи), штуцеров (для подвода пара в кожух, ротор и коллектор, подвода воды в коллектор, выхода осадка, слива промывной жидкости).

Основным элементом центрифуги является конический ротор, в стенках которого расположены сквозные щели. К внутренней поверхности ротора прилегает сито с отверстиями диаметром 0,06-0,09 мм.

Внутри ротора соосно с ним находится шнек, непрерывно удаляющий из ротора осадок. Шнек и ротор вращаются в одном направлении, но с разной частотой, которая у шнека на 45 мин-1 меньше, чем у ротора, вследствие использования планетарного редуктора. Зазор между шнеком и ротором может быть от 0,4 до 0,7 мм.

Рис. 6. Центрифуга ФГШ-401К-4

Технологический процесс работы центрифуги ФГШ-401К-4 протекает следующим образом. Витки шнека расположены на коническом корпусе, внутрь которого подается центрифугируемый продукт. Через отверстия в конусе шнека дробленная масса под действием центробежной силы поступает в полость между шнеком и ситом. жидкая масса и самые мелкие частицы мякоти проходят сквозь сито, а осадок удаляется из машины.

Пар, подводимый в рубашку вокруг загрузочной трубы и через окна шнека, облегчает процесс центрифугирования и способствует частичному удалению воздуха. 

Фильтрующие центрифуги непрерывного действия с инерционной выгрузкой осадка работают по принципу непрерывного перемещения продукта по поверхности вращающегося фильтрованного конического ротора под действием касательной составляющей центробежной силы. Преимуществом центрифуг такого типа является отсутствие выгружающих устройств, соприкасающихся с осадком.

Отделение жидкой фазы от твердой под действием центробежных сил осуществляется в тонком слое перемещающегося материала, толщина которого в процессе движения уменьшается и достигает минимального значения при сходе с конического ротора.

Для перемещения осадка по поверхности ротора под действием центробежной силы необходимо, чтобы угол наклона образующей конического ротора к вертикали был больше угла трения осадка о поверхность ротора.

Машины данного типа просты по конструкции, экономичны и  надежны в эксплуатации. Однако их широкое применение в промышленности сдерживается в некоторой степени отсутствием надежных способов регулирования времени пребывания материала на фильтрующей поверхности конического ротора.

Конические центрифуги непрерывного действия при установке не требуют специального фундамента, так как работают без вибраций, присущих автоматизированным центрифугам периодического действия.

Конический ротор центрифуги выполняется сварным или литым из высококачественной стали; в нем имеются канавки, выступы между которыми являются опорной поверхностью фильтрующих сит. Ротор тщательно полируется и динамически балансируется.

Фильтрующие сита изготавливают из чистой никелевой стали методом электролитического осаждения. Для повышения износоустойчивости рабочая поверхность сит хромируется.

Средняя производительность (в кг/с) центрифуг периодического действия по исходной суспензии определяется по формуле

где - фактическое количество материала, загружаемого в барабан, кг; - длительность одного цикла центрифугирования, с.

Производительность фильтрующих центрифуг периодического действия может определяться и по фугату, и по осадку. В этом случае в формуле (1) под понимается количество либо фугата, либо осадка, получаемых из загруженного количества суспензии.

Для ориентировочного расчета производительности (в м3/ч) непрерывнодействующей отстойной центрифуги описанного выше типа со шнековой выгрузкой осадка может быть рекомендована формула

где и - диаметр и длина сливного цилиндра, м; и  - плотность частиц и среды, кг/м3; – крупность разделения (диаметр наименьших осаждаемых частиц), м; - частота вращения ротора, мин-1; - динамическая вязкость среды, Па*с.

Энергия, подводимая к центрифуге непрерывного действия, расходуется на сообщение массе суспензии частоты вращения ротора; на перемещение осадка вдоль образующей ротора; на преодоление сил трения осадка о витки шнека; на преодоление сил трения суспензии о витки шнека, перемешивании суспензии и гидравлические потери в роторе; на преодоление сил трения ротора о воздух; на преодоление сил трения в подшипниках и редукторе.

Список литературы

1.      Азаров Б.М., Аурих Х., Дичев С. и др. Технологическое оборудование пищевых производств. Учебное пособие для студентов высш. учеб. заведений. – М.: Агропромиздат, 1988. – 463 с.: ил.

2.      Драгилев А.И., Дроздов В.С. Технологическое оборудование предприятий перерабатывающих отраслей АПК. Учебное пособие для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования. – М.: Колос, 2001. – 352 с.: ил.

3.      Кавецкий Г.Д., Филатов О.К., Шленская Т.В. Оборудование предприятий общественного питания. Учебное пособие для студентов высш. учеб. заведений. – М.: КолосС, 2004. – 304 с.: ил.

4.      Шкоропад Д. Е., Новиков О.П. Центрифуги и сепараторы для химических производств. – М.: Химия, 1987. – 256 с.

1