ЛЕКЦИЯ №2.СТРОМАЛЬНО-СОСУДИСТЫЕ ДИСТРОФИИ 7 страница
Рис. 48. Трубчатая сверхцентрифуга периодического действия для осветления жидкостей, содержащих тонкодисперсные частицы твердой фазы.
1. Трубчатый барабан диаметром до 200 мм, вращающийся со скоростью до 45000 об/мин, а после накопления осадка и остановки центрифуги вынимаемый для чистки. 2. Кожух. 3. Радиальные лопасти. 4. Подпятник. 5. Питающая труба. 6. Шкив. 7. Опора. 8. Шпиндель. 9. Труба для вывода осветленной жидкости. 10. Отверстия для вывода жидкости.
Рис. 49. Трубчатая сверхцентрифуга для непрерывного разделения тонкодисперсионных эмульсий: устройство /а/ и разрез /б/.
1. Трубчатый барабан. 2. Кожух. 3. Радиальные лопасти. 4. Отражатель. 5. Труба для подачи исходной эмульсии. 6. Шкив. 7. Вывод более тяжелой жидкости, располагающейся ближе к стенке. 8. Вывод более легкой жидкости. 9. Тормоз.
Рис. 50. Устройство головки барабана сверхцентрифуги для разделения эмульсий.
Рис. 51. Гидроциклон.
1. Цилиндрическая часть корпуса. 2. Коническая часть корпуса. 3. Тангенциальный ввод суспензии. 4. Перегородка. 5. Патрубок. 6. Вывод осветленной жидкости. 7. Вывод шлама.
Рис. 52. Принцип устройства отстойной /а/ и фильтрующей /б/ центрифуг периодического действия с ручной выгрузкой осадка.
1. Вращающийся с большой скоростью вал /вертикальный или горизонтальный/. 2. Сплошной /а/ или дырчатый /б/ барабан. 3.Кожух. 4. Фильтрующая ткань.
ФИЛЬТРОВАНИЕ
Классификация фильтров
ФИЛЬТРЫ
| ПОД ДАВЛЕНИЕМ | ПОД ВАКУУМОМ | ||
| Периодического действия | Непрерывного действия | Периодического действия | Непрерывного действия |
| 1. Нутч-фильтр закрытый | 5. Барабанный | 7. Нутч-фильтр открытый | 9. Барабанный |
| 2. Мешочный | 6. Дисковый | 8. Мешочный | 10. Дисковый |
| 3. Патронный | 11. Карусельный | ||
| 4. Фильтрпресс | 12. Ленточный | ||
| 13. Динамический |
Различают перегородки.
а/ Тканевые – сукно, бязь, бельтинг, лавсан и др.
б/ Металлические – сталь, легированная сталь, латунь и др.
в/ Керамические – фарфор, поролит и др.
г/ Зернистые – кварцевый песок, мрамор, уголь, известняк и др.
Различают осадки.
а/ Несжимаемые – кварцевый песок, кристаллы солей и др.,
размер частиц больше 100 мкм.
б/ Сжимаемые – студни, гели, гидроокиси и др.,
размер частиц меньше 10 мкм.
Для рассмотрения теории фильтрования принимаем закрытый нутч-фильтр при допущении, что осадок и фильтровальная перегородка являются несжимаемыми.
Схема фильтра представлена на рис. 53.
Рис. 53. Схема закрытого нутч-фильтра.
1 – суспензия, 2 – сжатый воздух, 3 – фильтрат, F – сечение фильтра, l – высота слоя осадка, p1, p2 – давление, V – объем полученного фильтрата, 4 – ткань /сукно/, 5 – дырчатый диск.
Движущая сила процесса фильтрования
Δp = p1 – p2 Па /26/
Скорость фильтрования
м/с /27/
Обозначим:
x – доля осадка в 1 м3 фильтрата.
Из рис. 53. следует, что
F · l – объем осадка в м3.
Тогда
F · l = V · x; 
/28/
Обозначим:
– удельная производительность фильтра, м3/м2. /29/
Тогда
/30/
Для скорости фильтрования применяем основную кинетическую закономерность
/31/
где μ – вязкость фильтрата, Па.с,
Rос. – сопротивление слоя осадка, 1/м,
Rф.п. – сопротивление фильтровальной перегородки, 1/м.
Представляем
Rос. = r · l /32/
где r – удельное сопротивление слоя осадка, 1/м2.
С учетом /30/ имеем
/31а/
Или
μrx · VdV + μF · Rф.п. · dV = Δp · F2 · dτ /33/
Выражение /33/ представляет дифференциальное уравнение процесса фильтрования. Различают следующие режимы фильтрования.
1. Режим постоянного давления, Δp = const /основной промышленный режим/.
Интегрируем уравнение /33/ от 0 до V и от 0 до τ.
Умножаем на 2 и делим на μrxF2
Обозначим константы
С учетом /29/ получаем
q2 + 2 · C · q = K · τ /34/
Уравнение /34/ широко применяется в расчетной практике, в частности для элементного моделирования. Например, константы С и К, а также продолжительность фильтрования τ, полученные на лабораторном открытом нутч-фильтре, позволяют сразу рассчитать поверхность промышленного барабанного вакуум-фильтра по формуле
/35/
где V0 – производительность фильтра по водной суспензии, м3/с,
x0, x2 – содержание твердой фазы в суспензии и осадке, % масс.,
ρсусп; ρж – плотность суспензии и фильтрата, кг/м3.
Конструкция барабанного вакуум-фильтра представлена на рис. 54-56.
Уравнение /34/ является квадратичным, что не совсем удобно для обработки опытных данных. Поэтому его преобразовывают.
Уравнение /34/ делим на K · q и запишем наоборот
Обозначим новые константы
Тогда получим
/36/
Выражение /36/ является уравнением прямой линии. Опытные данные по уравнению /36/ представляются на графике, который показан на рис. 57.
Рис. 54. Барабанный вакуум-фильтр.
1. Медленно вращающийся металлический барабан с отверстиями. 2. Волнистая проволочная
сетка. 3. Фильтровальная ткань. 4. Осадок на барабане. 5. Нож для съема осадка. 6. Корыто для суспензии. 7. Качающаяся мешалка. 8. Устройство для подвода промывной жидкости. 9. Камеры барабана. 10. Трубы, объединенные во вращающуюся часть 11 распределительной головки, поочередно соединяющие камеры 9 барабана 1 с секциями неподвижной части 12 распределительной головки.
Зоны, в которые поочередно попадают секции барабана при вращении: I – фильтрования и отсоса фильтрата; II – промывки осадка и отсоса промывных вод; III – разрыхления и отдувки осадка сжатым воздухом; IV – очистки ткани продувкой воздухом или паром.
Секции неподвижной части распределительной головки: I – сообщающаяся с приемником фильтрата, находящимся под вакуумом; II – сообщающаяся с приемником промывных вод, также находящимся под вакуумом; III – сообщающаяся с источником сжатого воздуха; IV – сообщающаяся с источником сжатого воздуха или водяного пара.
Рис. 55. Распределительная головка барабанного вакуум-фильтра.
1. Вращающаяся цапфа. 2. Соединительные трубы. 3. Вращающаяся шайба. 4. Отверстия во вращающейся шайбе. 5. Неподвижный корпус. 6. Неподвижная съемная шайба. 7-10. Прорези в неподвижной шайбе, соответствующие секциям I-IV на рис. 32. 11. Трубопровод для удаления фильтрата. 12. Трубопровод для удаления промывной жидкости. 13. Трубопроводы для подачи сжатого воздуха и пара. 14. Вакуумметры. 15. Пружина.
Рис. 56. Барабанный вакуум-фильтр со снятой фильтровальной тканью.
Рис. 57. График для обработки опытных данных по фильтрованию
при постоянном давлении.
Представлены три опыта, для которых Δp3 > Δp2 > Δp1,
а доля осадка "x" у всех опытов одинакова.
Для одного опыта из графика определяют отрезок В и тангенс А. Далее рассчитывают сопротивление фильтровальной перегородки.
/37/
Удельное сопротивление слоя осадка
/38/
Запишем выражение для отрезка CD /рис. 57/
/39/
Как видно из /39/, величина отрезка CD не зависит от Δp, поэтому при постоянном "х" прямые линии всех трех опытов на рис. 57 сойдутся в одной точке C. C увеличением "x" отрезок CD будет уменьшаться.
В режиме постоянного давления возрастает толщина слоя осадка, следовательно, возрастает сопротивление, что согласно уравнению /31/ уменьшает скорость фильтрования.
2. Режим постоянной скорости.
В этом случае 
.
В уравнении /33/ отбрасываем знаки дифференциала
μ · rx · V2 + μ · Rф.п. · F · V= Δp· F2 ·τ
Делим на F2 · τ и записываем наоборот
Или
Δp = μrxWq + μRф.п.W
Обозначим константы
M = μ · r · x · W; N = μ · Rф.п. · W
Тогда получим уравнение
Δp = M · q + N /40/
Уравнение /40/ графически представлено на рис. 58.
Рис. 58. График для обработки опытных данных по фильтрованию
при постоянной скорости.
Из графика определяются отрезок N и тангенс M.
Сопротивление фильтровальной перегородки
/41/
Удельное сопротивление слоя осадка
/42/
Для обеспечения постоянной скорости фильтрования необходимо увеличивать движущую силу от Δp нач. до Δp кон. синхронно увеличению Rос. /т.е. l/ согласно уравнению /31/, что не совсем удобно для практики /для закрытых фильтров толщина слоя осадка не просматривается/.
3. Режим постоянного давления и постоянной скорости.
Применяется для промывки осадка методом вытеснения фильтрата из пор осадка. В этом случае
Δp = const; 
Уравнение /31/ принимает вид:
Откуда
/43/
Уравнение /43/ графически представлено на рис. 59.
Рис. 59. График для обработки опытных данных по фильтрованию
при постоянном давлении и постоянной скорости.
До сих пор рассматривалось идеальное фильтрование для несжимаемых осадка и фильтровальной перегородки. В действительности они могут быть сжимаемы.
Учет сжимаемости осадка.
Проводится уравнением
r = r0 · ΔpS /44/
где S – показатель сжимаемости, S = 0 – 1, реже S > 1,
r0 – удельное сопротивление слоя осадка при Δp = 1.
Зависимость /31/ будет иметь вид:
/45/
Уравнение /45/ графически представлено на рис.60.
Рис. 60. Графическое представление скорости фильтрования
с учетом сжимаемости осадка.
1 – для несжимаемого осадка, 2 – для сжимаемого осадка, 3 – малоизученная область.
Из графика на рис. 60 определяется оптимальная движущая сила фильтрования Δp опт.
Учет сжимаемости фильтровальной перегородки.
Производится уравнением
/46/
Тогда уравнение /31/ примет вид
/47/
С учетом сжимаемости осадка и фильтровальной перегородки уравнение /47/ на графике рис. 58 примет вид, показанный на рис. 61.
Рис. 61. Учет сжимаемости осадка и фильтровальной перегородки
для режима постоянной скорости фильтрования.
1 – для несжимаемых осадка и фильтровальной перегородки,
2 – для сжимаемых осадка и фильтровальной перегородки.
В этом случае потребуется существенное увеличение перепада давлений для обеспечения постоянной скорости фильтрования.
Пути интенсификации процесса фильтрования
По уравнению /31/ скорость фильтрования
Откуда следуют три способа увеличения скорости фильтрования:
1/ увеличение движущей силы до Δp опт. /для сжимаемых осадков/,
2/ уменьшение вязкости фильтрата μ путем увеличения температуры /горячее фильтрование/,
3/ уменьшение толщины слоя осадка l /в динамических фильтрах осадок вообще отсутствует, там проводится сгущение суспензий/.
Другие методы фильтрования.
До сих пор рассматривалось фильтрование с образованием осадка. Возможно фильтрование с закупориванием пор фильтровальной перегородки. Закономерности фильтрования с закупориванием пор изучены слабо и расчеты проводятся на основе опытных данных.
К фильтрованию без образования осадка относят также ультрафильтрование и обратный осмос.
Ультрафильтрование – процесс концентрирования растворов высокомолекулярных веществ /молекулярная масса больше 500/ с одновременной их очисткой от низкомолекулярных веществ /очистка коллоидных растворов, масел и др., задерживаются частицы до 1/30 мкм/. Применяется давление 0,3-1 МПа.
Обратный осмос – процесс концентрирования раствора /включая все растворенные компоненты/ с одновременным выделением чистого растворителя /обессоливание воды/.
Фильтровальные перегородки – пористые мембраны /ацетат целлюлозы и др./.
Ультрафильтрование и обратный осмос относятся к процессам на молекулярном уровне, поэтому являются компетенцией курса физической химии.
Часть 4
Центрифугирование и псевдоожижение
ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ
Центрифуги нашли очень широкое применение на предприятиях пищевой и фармацевтической промышленности, а также в медицине, по сути дела вытеснив и отстойники, и фильтры.
Например, центрифуги применяются для сепарирования молока, крови, растительных масел, осветления душистых ингредиентов для пива, зеленого пива, фруктовых и овощных соков, вина, бочкового шампанского, сиропов, экстрактов чая и кофе, растворов инсулина, лечебной сыворотки, концентрирования и промывки дрожжей, идущих для выпечки хлеба, для пивоварения и кормовых дрожжей, а также пшеничного, кукурузного, картофельного, рисового и корневого крахмала, очистки и обезвоживания сливочного, оливкового, пальмового масел, а также рыбьего и китового жира и т.д.
Центрифуги классифицируются в первую очередь по фактору разделения:
/48/
где R – радиус ротора, м,
n – число оборотов ротора, об/мин.
ЦЕНТРИФУГИ
| Нормальные Кр 3500 | Сверхцентрифуги Кр до 60000 | Ультрацентрифуги Кр до 1,2 млн. | |||||
| Фильтрующие | Осадительные | Осадительные | Осадительные | ||||
| Период. | Непрер. | Период. | Непрер. | Трубч. | Сепараторы | Лаборат. | |
| 1, 2, 4 | 3, 5, 6, 8 | 1, 3, 4 | Период. | Период. | Непр. | Период. | |
| По выгрузке осадка. | 1, 7 | 1, 7 |
Выгрузка осадка
1. Ручная. 2. Гравитационная. 3. Инерционная. 4. Ножами. 5. Пульсирующим поршнем. 6. Шнеком. 7. Гидравлическая. 8. Вибрационная.
Маркировка центрифуг
По принципу разделения:
осадительные /осветляющие/ – 0,
разделяющие /сепарирующие/ – Р,
фильтрующие – Ф,
комбинированные – К.
По расположению и виду ротора:
горизонтальные – Г,
вертикальные – В,
наклонные – Н,
с упругой верхней опорой – У,
трубчатые – Т,
подвесные – П,
маятниковые – М.
По способу разгрузки:
ручная через борт – Б,
ручная через днище – Д,
ручная с разборкой – Р,
кассетная – К,
ножевая – Н,
гравитационная /саморазгрузка/ – С,
шнековая – Ш,
поршневая – Д,
инерционная – И,
вибрационная – В,
вибрационно-поршневая – Вп,
гидравлическая – Г.
По типу металла ротора:
углеродистая сталь – У,
легированная сталь – Л,
коррозионно-стойкая сталь – К,
титан – Т,
цветные металлы – М,
другие материалы – С.
Например, центрифуга марки НОГШ – 500К – 5 расшифровывается:
Н – нормальная,
0 – осадительная,
Г – горизонтальная,
Ш – шнековая выгрузка осадка,
500 – диаметр ротора в мм,
К – коррозионно-стойкая сталь,
5 – номер модели.
В медицинской практике широко используются ультрацентрифуги, ротор которых вращается в вакуумной камере с остаточным давлением 0,001 мм рт. ст. Применяются для разделения белков, вирусов, пигментов, бульонов с бактериями и др. Размер вируса составляет 0,01 мкм. В настоящее время известны около 200 вирусов у человека и животных и столько же у растений.
Для выбора центрифуги необходимо знать:
а/ диаметр частиц,
б/ концентрацию суспензии,
в/ тип суспензии,
г/ производительность.
Производительность центрифуг
Осадительные
Схема центрифуги представлена на рис. 62.
Рис. 62. Схема осадительной центрифуги.
1 – суспензия, 2 – фугат, 3 – осадок, 4 – ротор, 5 – кожух.
1. Рабочий объем центрифуги
м3 /49/
2. Часовая производительность по суспензии:
/50/
3. Продолжительность цикла /пуск, осаждение, торможение, разгрузка/
/51/
4. Продолжительность осаждения.
Скорость осаждения частиц
/52/
Откуда
/53/
Продолжительность осаждения по формуле /53/ определяется по графику, который представлен на рис. 63.
Рис. 63. График для определения продолжительности осаждения.
S – площадь под кривой, а – масштаб графика.
Для оценки эффективности работы осадительных центрифуг применяется индекс производительности
/54/
где n = 1 для ламинарного режима осаждения,
Fср = π · H · (R1 + R2)
∑ – поверхность отстойника, производительность которого одинакова с центрифугой.
Общий диапазон
∑ = 50-100000 м2
Для трубчатых сверхцентрифуг ∑ = 1350-2500 м2
для сепараторов ∑ = 5000-50000 м2
Фильтрующие
Схема центрифуги представлена на рис. 64.
Рис. 64. Схема фильтрующей центрифуги.
1 – суспензия, 2 – фильтрат, 3 – ткань, 4 – осадок, 5 – ротор.
1. Часовая производительность центрифуги
Vчас = 3600 · V/τ цикла
где V – объем пропущенного фильтрата, м3.
2. Продолжительность цикла /пуск – фильтрование – промывка – торможение – разгрузка/
τцикла = τп + τф + τпр. + τт + τр
3. Давление фильтрования
Па /55/
4. Продолжительность фильтрования
Δpц = const; Rф.п. = 0, тогда С = 0
Уравнение фильтрования принимает вид
q2 = K · τ, откуда 
; 
/56/
Прочность роторов центрифуг
Давление на стенку ротора
Па, /57/
может достигать 5 МПа.
Коэффициент заполнения ротора
/обычно 0,5/ /58/
'Толщина стенки ротора
м /59/
где
; 
σ – допускаемое напряжение /118 МПа /.
ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ОСАЖДЕНИЕ
Разделение жидких неоднородных систем под действием центробежных сил осуществляется также в гидроциклонах. Принцип действия последних аналогичен циклонам. Схема гидроциклона представлена на рис. 65.
Рис. 65. Схема гидроциклона.
1 – суспензия, 2 – осветленная жидкость, 3 – шлам.
Обычные габариты гидроциклона D = 300-350 мм, H = 1-1,2 м /грубый классификатор/.
С диаметром D = 100 мм и менее – сгуститель суспензии.
С диаметром D = 100-15 мм – мультигидроциклоны – применяются для осветления тонких суспензий.
Разделяются частицы размеров 5-150 мкм.
Производительность
м3/час /60/
где dсл – диаметр сливного патрубка, м,
D – диаметр корпуса, м,
Δp – перепад давления в гидроциклоне, Па.
Достоинства: низкая стоимость, большая производительность, отсутствие вращающихся частей.
3/ ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ
В общем под псевдоожижением понимают превращение слоя зернистого материала в псевдооднородную систему, которой присущи многие свойства капельных жидкостей.
Псевдоожижение широко применяется в пищевой и фармацевтической промышленности: получение воздушной кукурузы, сушка зерна, поваренной соли, покрытие оболочкой лекарственных таблеток и сельскохозяйственных семян и др.
Характеристики слоя твердых частиц
Представим на рис. 66 в крупном плане слой зернистого материала, расположенный на решетке в цилиндрическом аппарате. Снизу подается газ или жидкость.
Рис. 66. Схема слоя зернистого материала в цилиндрическом аппарате.
Обозначим:
d – диаметр частиц, м,
– сечение аппарата, м2,
W0 – фиктивная скорость газа /в свободном сечении/, м/с,
W – действительная скорость /в каналах слоя/, м/с,
V = S · H – объем слоя, м3,
V = Vч + Vж – объем частиц и жидкости /газа/ в слое, м3,
Мт – масса частиц в слое, кг,
– плотность частиц, кг/м3,
– насыпная плотность, кг/м3.