Центрифуга

Центрифуги призначені для загущення або фільтрування суспензій, що призводить до двох загальних класів машин: центрифуги для осадження та фільтруючі центрифуги.

Пов’язані терміни:

Енергетична інженерія
Уран
Азот
Випарник
Білок
Стандартний метод випробування
Супернатант

Завантажити у форматі PDF

Про цю сторінку

Твердорідинні технології розділення вугілля

13.4.1 Застосування центрифуг

Центрифуги з вібраційними кошиками, які також називають центрифугами з вугільним вугіллям, використовуються для зневоднення грубого вугілля (переважно в процесі щільних середовищ) після попереднього зневоднення екрану. Вони є найпоширенішим видом, що використовується при підготовці вугілля. Сітчасті прокручувальні центрифуги, які також називаються центрифугами з дрібним вугіллям, зневоднюють дрібне вугілля (головним чином із спіралей та стоячих сепараторів шару), тоді як сітчасті декантерні центрифуги (SBC) застосовуються для флотаційних концентратів. Центрифуги з твердими чашами, подібні до SBC, але без ситової секції, рідше використовуються для флотаційного концентрату та відходів вугілля.

Балансування деталей машин ☆

Друга проблема: дисбаланс вібрації в центрифугах

Центрифуги - це високошвидкісні машини. Високі швидкості обертання вимагають високої якості балансу обертових деталей, головним чином барабана центрифуги, черв'яка, ремінного шківа тощо. Балансування окремих роторів на балансувальній машині не завжди достатньо для досягнення необхідного залишкового дисбалансу. Допуски та припасування компонентів, помилки в роликових підшипниках, зміни товщини стінки барабана тощо можуть означати, що коливання рівноваги повністю зібраної центрифуги перевищує допустимі значення. Потреба у виправленні цього може виникнути під час пробного запуску нової центрифуги та після ремонту та капітального ремонту старих установок.

Жирні кислоти з мікроводоростями - від збору врожаю до вилучення

16.2.4.2 Центрифуги-декантери

Встановлено, що декантерні центрифуги є настільки ж ефективними, як і центрифуги з твердими чашами для відділення мікроводоростей (Goh, 1984), що досягають концентрації біомаси у твердому розряді близько 22%, однак енергоспоживання декантерних центрифуг вище, ніж у дискових центрифуг. при 8 кВт · гм - 3 (Molina-Grima et al., 2003). Тим не менше, це обладнання може забезпечити більш концентрований вихід, ніж дискові центрифуги, які краще підходять для більш високих твердих суспензій, ніж ті, що утворюються у ставках для росту мікроводоростей (Мон, 1988). Вважається, що центрифуги-декантери можуть бути корисними для подальшої концентрації суспензій мікроводоростей з інших методів збирання, наприклад, коли їм передує етап флокуляції або седиментації для поліпшення відновлення (Molina-Grima et al., 2003).

Операційні підрозділи

11.4 Центрифугування

Центрифугування застосовується для розділення матеріалів різної щільності шляхом прикладання сили, більшої за силу тяжіння. При подальшій обробці центрифугування використовується для видалення клітин з ферментаційних бульйонів, для усунення клітинних залишків, збору осадів і кристалів і для розділення фаз після екстракції рідини. Центрифугування може також застосовуватися в інших областях біообробки, наприклад, для уточнення меляси, що використовується у ферментаційних середовищах та у виробництві сусла для заварювання.

Центрифуги, що стерилізуються парою, застосовуються, коли або відокремлені клітини, або бродильна рідина повертаються назад у ферментер, або коли необхідно запобігти забрудненню продукту. Промислові центрифуги генерують велику кількість тепла через тертя; тому необхідно мати хорошу вентиляцію та охолодження. Відомо, що аерозолі, створені швидкісними обертовими центрифугами, викликають інфекції та алергічні реакції у заводських працівників, тому для певних застосувань потрібні ізоляційні шафи.

Центрифугування найефективніше, коли різниця щільності між частинками та рідиною велика, частинки великі, а в'язкість рідини низька. Цьому також сприяє великий радіус центрифуги та висока швидкість обертання. Однак при центрифугуванні біологічних твердих речовин, таких як клітини, частинки дуже малі, в'язкість середовища може бути відносно високою, а щільність частинок дуже подібна до щільності суспензійної рідини. Ці недоліки легко долаються в лабораторії за допомогою невеликих центрифуг, що працюють на високій швидкості. Однак проблеми виникають при промисловому центрифугуванні, коли необхідно обробляти великі кількості матеріалу.

Потужність центрифуги не можна збільшити простим збільшенням розміру обладнання без обмежень; механічні напруження в центрифугах збільшуються пропорційно (радіусу) 2, так що безпечні робочі швидкості істотно нижчі у великому обладнанні. Необхідність постійної пропускної здатності матеріалу в промислових цілях також обмежує практичні швидкості роботи. Для подолання цих труднощів було розроблено цілий ряд центрифуг для біообробки. Типи центрифуг, які зазвичай використовуються в промислових операціях, описані в наступному розділі.

11.4.1 Обладнання для центрифугування

Малюнок 11.6. Поділ твердих речовин у трубчастій мисці центрифуги.

Різновидом вузької трубчастої чашкової центрифуги є ультрацентрифуга. Цей пристрій використовується для вилучення дрібнодисперсних осадів з розчинів високої щільності, для розщеплення емульсій та для розділення колоїдних частинок, таких як рибосоми та мітохондрії. Він виробляє відцентрові сили, які в 10 - 10 6 разів перевищують силу тяжіння. Чаша зазвичай працює на повітрі та працює при низькому тиску або в атмосфері азоту, щоб зменшити виділення тертя тертя. Основне комерційне застосування ультрацентрифуг було у виробництві вакцин для відокремлення вірусних частинок від залишків клітин. Як правило, ультрацентрифуги експлуатуються в періодичному режимі, тому їх обробна здатність обмежується необхідністю спорожнення чаші вручну. Безперервні ультрацентрифуги доступні у продажу; проте безпечні робочі швидкості для цих машин не настільки високі, як для пакетного обладнання.

Альтернативою трубчастій центрифузі є дискова чаша центрифуги. Дискові центрифуги часто зустрічаються в біообробці. Існує багато типів дискових центрифуг; Принципова різниця між ними - метод, що використовується для скидання накопичених твердих речовин. У простих дискових центрифугах тверді речовини потрібно періодично видаляти вручну. У різних дискових центрифугах можливе безперервне або періодичне скидання твердих речовин без зменшення швидкості чаші. Деякі центрифуги оснащені периферійними насадками для безперервного видалення твердих речовин; інші мають клапани для періодичного розряду. Інший спосіб полягає у концентруванні твердих речовин на периферії чаші, а потім у їх випуску у верхню частину центрифуги за допомогою пристрою для очищення; конфігурація обладнання для цього режиму роботи наведена на рисунку 11.7. Недоліком центрифуг з автоматичним скиданням твердих речовин є те, що тверді речовини повинні залишатися достатньо вологими, щоб протікати через машину. Можуть бути передбачені додаткові форсунки для очищення чаші, якщо система заблокується.

Малюнок 11.7. Центрифуга для дискового стеку з постійним скиданням твердих речовин.

Малюнок 11.8. Механізм поділу твердих речовин у дисковій чаші центрифуги.

Geankoplis, 1983, Транспортні процеси та експлуатація підрозділів, 2-е видання, Allyn and Bacon, Бостон.

Характеристики експлуатаційних характеристик трубчастих центрифуг для чаш і дисків, що використовуються для промислових сепарацій, зведені в таблицю 11.2. Як правило, із збільшенням розміру центрифуги зменшується практична робоча швидкість і зменшується максимальна відцентрова сила.

Таблиця 11.2. Характеристики продуктивності трубчастих чашних і дискових центрифуг

Тип центрифуги Діаметр чаші (см) Швидкість (об/хв) Максимальна відцентрова сила (× гравітація) Пропускна здатність рідини (л хв -1) Пропускна здатність твердих речовин (кг хв -1) Розмір двигуна (кВт)

Трубчаста чаша	10	15000	13 200	0,4–40	1.5
13	15000	15900	0,8–80	2.2
Стек дисків	18	12000	14 300	0,4–40	0,25
33	7500	10400	20–200	4.5
61	4000	5500	80–800	5.6
Дисковий стек із розрядом форсунки	25	10 000	14 200	40–150	1,5–15	15
41	6250	8900	100–550	7–70	30
69	4200	6750	150–1500	15–190	95
76	3300	4600	150–1500	15–190	95

Дані з Довідника хімічних інженерів Перрі, 1997, 7-е видання, McGraw-Hill, Нью-Йорк.

11.4.2 Теорія центрифугування

Швидкість частинок, досягнута в певній центрифузі порівняно зі швидкістю осідання під дією сили тяжіння, характеризує ефективність центрифугування. Кінцева швидкість під час гравітаційного осідання невеликої сферичної частинки в розбавленій суспензії задана законом Стока:

де ug - швидкість седиментації під дією сили тяжіння, ρp - щільність частинки, ρL - щільність рідини, μ - в'язкість рідини, Dp - діаметр частинки, g - гравітаційне прискорення. У центрифузі відповідна кінцева швидкість:

де uc - швидкість частинок у центрифузі, ω - кутова швидкість чаші в одиницях рад s -1, а r - радіус барабана центрифуги. Відношення швидкості в центрифузі до швидкості під дією сили тяжіння називається ефектом центрифуги або g-числом і зазвичай позначається Z. Тому:

Сила, що розвивається в центрифузі, в Z перевищує силу тяжіння і часто виражається як стільки g-сил. Промислові центрифуги мають коефіцієнт Z приблизно до 16000; для невеликих лабораторних центрифуг Z може становити до 500 000 [4] .

Осідання відбувається в центрифузі, коли частинки, що віддаляються від центру обертання, стикаються зі стінками чаші центрифуги. Збільшення швидкості руху покращить швидкість осідання. З рівняння (11.20), швидкість руху частинок у даній центрифузі може бути збільшена на:

Збільшення швидкості центрифуги, ω

Збільшуючи діаметр частинок, Dp

Збільшуючи різницю щільності між частинкою та рідиною, ρp − ρL

Зниження в'язкості суспендуючої рідини, мкм

Чи потраплять частинки до стінок чаші, також залежить від часу впливу відцентрової сили. У періодичних центрифугах, таких як ті, що використовуються в лабораторії, час центрифуги збільшується за рахунок тривалої роботи обладнання. У пристроях безперервного потоку, таких як дискові центрифуги, обладнані для безперервного вивантаження твердих речовин, час перебування збільшується за рахунок зменшення витрати подачі.

Ефективність центрифуг різного розміру можна порівняти за допомогою параметра, який називається сигма-коефіцієнт Σ. Фізично Σ являє собою площу поперечного перерізу гравітаційного відстійника з тими ж характеристиками седиментації, що і центрифуга. Для безперервних центрифуг Σ пов’язана із швидкістю подачі матеріалу наступним чином:

де Q - об'ємна швидкість подачі, ug - кінцева швидкість частинок у гравітаційному полі, яка задана рівнянням. (11.19). Якщо дві центрифуги працюють з однаковою ефективністю:

де індекси 1 і 2 позначають дві центрифуги. Рівняння (11.23) може бути використано для масштабування обладнання центрифуг. Рівняння для оцінки Σ залежать від конструкції центрифуги. Для дискової центрифуги у чаші [5]:

де ω - кутова швидкість в рад s −1, N - кількість дисків у стосі, r2 - зовнішній радіус дисків, r1 - внутрішній радіус дисків, g - гравітаційне прискорення, θ - половина -кут конуса дисків. Для трубчастої чашкової центрифуги наступне рівняння з точністю до 4% [6]:

де b - довжина чаші, r1 - радіус поверхні рідини, а r2 - радіус внутрішньої стінки чаші (рис. 11.6). Оскільки r1 і r2 у трубчастій чаші центрифуги приблизно рівні, рівняння (11.25) можна наблизити як:

де r - середній радіус, приблизно дорівнює або r1, або r2.

Рівняння для Σ базуються на ідеальних робочих умовах. Оскільки різні типи центрифуг різним чином відхиляються від ідеальної роботи, рівняння (11.23) загалом не можна використовувати для порівняння різних конфігурацій центрифуг. Ефективність будь-якої центрифуги може відхилятися від прогнозованої теоретично через такі фактори, як форма та розподіл частинок, агрегація частинок, нерівномірний розподіл потоку у центрифузі та взаємодія між частинками під час осідання. Для обліку цих факторів необхідно провести експериментальні тести.

Відновлення клітин у дисковій центрифузі

Для відділення пекарських дріжджів працює безперервна дискова центрифуга зі швидкістю 5000 об/хв. При швидкості подачі 60 л хв -1, 50% клітин відновлюється. Для роботи на постійній швидкості центрифуги відновлення твердих речовин обернено пропорційне швидкості потоку. (а)

Яка швидкість потоку необхідна для досягнення 90% відновлення клітини, якщо швидкість центрифуги підтримується на рівні 5000 об/хв?

Яка робоча швидкість необхідна для досягнення 90% відновлення при швидкості подачі 60 л хв -1 ?

Рішення

Якщо відновлення твердих речовин обернено пропорційне швидкості подачі, необхідний витрата:

Рівняння (11.23) стосується робочих характеристик центрифуг, що досягають однакового розділення. З (а) 90% відновлення досягається при Q1 = 33,3 л хв -1 і ω1 = 5000 об/хв. Для Q2 = 60 л хв -1, з рівняння (11.23):

Оскільки використовується одна і та ж центрифуга і всі геометричні параметри однакові, з рівняння (11.24):

Співвідношення ω 1 2 до ω 2 2 дорівнює 0,56, незалежно від одиниць виміру, що використовуються для вираження кутової швидкості. Отже, використовуючи одиниці об/хв:

Беручи квадратний корінь, ω2 = 6680 об/хв.

Центрифугування

9.1 Вступ

Центрифугування та декантація (седиментація, відстоювання, флотація) - це процеси розділення неоднорідних сумішей фаз, що відрізняються одна від одної своєю щільністю. Фізичні принципи, що керують цими процесами, однакові. Злиття відбувається під впливом земного тяжіння. У разі центрифугування прискорене розділення стає можливим завдяки дії відцентрових сил, які можуть бути в рази сильнішими за земне тяжіння.

Центрифугування та декантація можуть використовуватися для відокремлення твердих частинок від рідини або двох не змішуються рідин різної щільності одна від одної, або обох.

Відцентрове розділення досягається не тільки за допомогою центрифуг, але і в будь-якій системі, де суміші надається обертальний рух. Одним із пристроїв для відцентрового поділу без механічної центрифуги є циклон, коротко обговорений в кінці цього розділу. Однак більша частина цієї глави стосуватиметься лише механічного центрифугування та центрифуг.

Центрифуги - це відносно дорогі машини як за капітальними витратами, так і за витратами на експлуатацію (енергоспоживання, знос швидко рухомих деталей, потреба в міцній конструкції, здатній протистояти дуже високим силам і тиску). Незважаючи на їх вартість, центрифуги широко використовуються в промисловості. Нижче наведено деякі з багатьох застосувань механічного центрифугування в харчовій промисловості:

Відділення молока: одним із найдавніших і найпоширеніших застосувань центрифуги у харчовій промисловості є поділ незбираного молока на знежирене молоко та вершки. Центрифуги, що використовуються для цієї мети, відомі як "сепаратори" (Walstra et al., 2005)

Виробництво сиру: на сучасних молочних заводах центрифуги використовують для швидкого відділення сиру від сироватки

Контроль м’якоті у фруктових та овочевих соках: центрифугування використовується для зменшення вмісту м’якоті у фруктових соках та для виробництва прозорих соків шляхом повного видалення м’якоті

Переробка їстівної олії: кілька операцій з виробництва та переробки харчових олій передбачають відділення олії від водної фази. Центрифугування є кращим методом поділу

Вилучення ефірної олії: ефірні олії цитрусових відновлюються шляхом відцентрового розділення водних сумішей, що утворюються в процесі екстракції соку

Виробництво крохмалю: одним із методів відділення крохмалю від суспензій є механічне центрифугування

Виробництво дріжджів: центрифуги використовуються для відділення товарних дріжджів від рідкого середовища зростання.