Centrifugele sunt proiectate pentru a îngroșa sau a filtra suspensiile, ceea ce duce la două clase generale de mașini: sedimentarea centrifugelor și filtrarea centrifugelor.
Termeni asociați:
- Ingineria energetică
- Uraniu
- Azot
- Evaporator
- Proteină
- Metoda standard de testare
- Supernatant
Descărcați în format PDF
Despre această pagină
Tehnologii de separare solid-lichid pentru cărbune
13.4.1 Aplicații ale centrifugelor
Centrifugele cu coș vibrant, denumite și centrifuge cu cărbune grosier, sunt utilizate pentru deshidratarea cărbunelui grosier (în principal din procesele de mediu dens) după pre-deshidratarea ecranului. Sunt cel mai frecvent tip utilizat la prepararea cărbunelui. Centrifugele cu defilare a ecranului, denumite și centrifuge de cărbune fin, deshidratează cărbunele fin (în principal din spirale și separatoare de pat cu balamale), în timp ce centrifugele cu decantor cu bol cu ecran (SBC) sunt aplicate concentratelor de flotație. Centrifugele de decantare cu bol solid, similare cu SBC-urile, dar fără secțiunea ecranului, sunt mai puțin utilizate pentru concentrarea de flotație și pentru sterilul de cărbune.
Echilibrarea componentelor mașinilor ☆
A doua problemă: dezechilibrarea vibrațiilor în centrifuge
Centrifugele sunt mașini de mare viteză. Vitezele de rotație ridicate necesită o calitate ridicată a echilibrului pieselor rotative, în principal tamburul centrifugii, melcul, scripetele curelei etc. Echilibrarea rotoarelor individuale pe o mașină de echilibrare nu este întotdeauna suficientă pentru a atinge dezechilibrul rezidual necesar. Toleranțe și potriviri ale componentelor, erori la rulmenții cu role, variații ale grosimii peretelui tamburului etc. poate însemna că vibrația dezechilibrului centrifugii complet asamblate depășește valorile admise. Necesitatea de a corecta acest lucru poate apărea atunci când se testează o nouă centrifugă și după repararea și revizia instalațiilor mai vechi.
Acizi grași microalgați - De la recoltare până la extracție
16.2.4.2 Centrifugele de decantare
S-a constatat că centrifugele cu decantor sunt la fel de eficiente ca și centrifugele cu bol solid pentru separarea microalgelor (Goh, 1984), obținând o concentrație de biomasă în descărcare solidă în ordinea a 22%, cu toate acestea, consumul de energie al centrifugelor cu decantor este mai mare decât cel al centrifugelor cu bol la 8 kW hm - 3 (Molina-Grima și colab., 2003). Totuși, acest echipament poate produce o producție mai concentrată decât centrifugele cu bol de disc, care este mai potrivită pentru suspensii solide mai mari decât cele generate de iazurile de creștere a microalgalelor (Mohn, 1988). Se sugerează că centrifugele de decantare ar putea fi utile pentru concentrarea suplimentară a nămolurilor microalgice din alte metode de recoltare, de exemplu, atunci când sunt precedate de o etapă de floculare sau sedimentare pentru a îmbunătăți recuperarea (Molina-Grima și colab., 2003).
Operațiuni de unitate
11.4 Centrifugare
Centrifugarea este utilizată pentru separarea materialelor cu densitate diferită prin aplicarea unei forțe mai mari decât gravitația. În procesarea din aval, centrifugarea este utilizată pentru a îndepărta celulele din bulionele de fermentație, pentru a elimina resturile celulare, pentru a colecta precipitate și cristale și pentru a separa fazele după extracția lichidului. Centrifugarea poate fi aplicată și în alte domenii ale bioprocesării, cum ar fi clarificarea melasei utilizate în mediile de fermentare și în producția de must pentru fabricarea berii.
Centrifugele sterilizabile cu abur sunt aplicate atunci când celulele separate sau fermentația lichidă sunt reciclate înapoi în fermentator sau când trebuie prevenită contaminarea produsului. Centrifugele industriale generează cantități mari de căldură datorită fricțiunii; de aceea este necesar să aveți o bună ventilație și răcire. Aerosolii creați de centrifugele cu rotire rapidă sunt cunoscute pentru a provoca infecții și reacții alergice la lucrătorii din fabrică, astfel încât dulapurile izolatoare sunt necesare pentru anumite aplicații.
Centrifugarea este cea mai eficientă atunci când diferența de densitate dintre particule și lichid este mare, particulele sunt mari și vâscozitatea lichidului este scăzută. De asemenea, este asistat de o rază mare de centrifugă și o viteză de rotație mare. Cu toate acestea, în centrifugarea solidelor biologice, cum ar fi celulele, particulele sunt foarte mici, vâscozitatea mediului poate fi relativ mare și densitatea particulelor este foarte similară cu cea a fluidului de suspendare. Aceste dezavantaje sunt depășite cu ușurință în laborator cu mici centrifuge acționate cu viteză mare. Cu toate acestea, apar probleme în centrifugarea industrială atunci când trebuie tratate cantități mari de material.
Capacitatea centrifugii nu poate fi mărită prin simpla creștere a dimensiunii echipamentului fără limită; solicitările mecanice din centrifugă cresc proporțional cu (raza) 2, astfel încât viteza de funcționare sigură este substanțial mai mică în echipamentele mari. Necesitatea unui flux continuu de material în aplicații industriale limitează, de asemenea, viteza practică de funcționare. Pentru a depăși aceste dificultăți, a fost dezvoltată o serie de centrifuge pentru bioprocesare. Tipurile de centrifugă utilizate în mod obișnuit în operațiuni industriale sunt descrise în secțiunea următoare.
11.4.1 Echipament de centrifugare
Figura 11.6. Separarea solidelor într-o centrifugă cu vas tubular.
Un tip de centrifugă cu tub tubular îngust este ultracentrifuga. Acest dispozitiv este utilizat pentru recuperarea precipitatelor fine din soluții de densitate mare, pentru descompunerea emulsiilor și pentru separarea particulelor coloidale, cum ar fi ribozomii și mitocondriile. Produce forțe centrifuge de 10 5 până la 10 de 6 ori forța gravitațională. Vasul este de obicei acționat de aer și acționat la presiune scăzută sau într-o atmosferă de azot pentru a reduce generarea de căldură prin frecare. Principala aplicație comercială a ultracentrifugelor a fost în producerea de vaccinuri pentru separarea particulelor virale de resturile celulare. De obicei, ultracentrifugele sunt acționate în modul discontinuu, astfel încât capacitatea lor de procesare este restricționată de necesitatea de a goli manual bolul. Ultracentrifugele continue sunt disponibile comercial; cu toate acestea, vitezele de funcționare sigure pentru aceste mașini nu sunt la fel de mari ca pentru echipamentele discontinue.
O alternativă la centrifuga tubulară este centrifuga bolului cu discuri. Centrifugele stivei de discuri sunt frecvente în bioprocesare. Există multe tipuri de centrifugă pe disc; principala diferență dintre ele este metoda utilizată pentru descărcarea solidelor acumulate. La centrifugele simple pe disc, solidele trebuie îndepărtate periodic manual. Descărcarea continuă sau intermitentă a solidelor este posibilă într-o varietate de centrifuge cu disc fără a reduce viteza bolului. Unele centrifuge sunt echipate cu duze periferice pentru îndepărtarea continuă a solidelor; altele au supape pentru descărcare intermitentă. O altă metodă constă în concentrarea solidelor în periferia bolului și apoi descărcarea lor în partea superioară a centrifugii folosind un dispozitiv de parare; configurația echipamentului pentru acest mod de funcționare este prezentată în Figura 11.7. Un dezavantaj al centrifugelor cu descărcare automată a solidelor este că solidele trebuie să rămână suficient de umede pentru a curge prin mașină. Pot fi prevăzute duze suplimentare pentru curățarea bolului în cazul în care se produce blocarea sistemului.
Figura 11.7. Centrifugă cu bol de stivă cu disc cu descărcare continuă de solide.
Figura 11.8. Mecanismul de separare a solidelor într-o centrifugă a bolului cu discuri.
De la C.J. Geankoplis, 1983, Procese de transport și operațiuni unitare, ediția a II-a, Allyn și Bacon, Boston.
Caracteristicile de performanță ale vaselor tubulare și a centrifugelor cu discuri utilizate pentru separări industriale sunt rezumate în Tabelul 11.2. În general, pe măsură ce dimensiunea centrifugei crește, viteza de funcționare practică este redusă și forța centrifugă maximă scade.
Tabelul 11.2. Caracteristici de performanță ale centrifugelor tubulare cu bol și disc
| Castron tubular | 10 | 15.000 | Cea mai frecventă 13.200 | 0,4-40 | 1.5 | |
| 13 | 15.000 | 15.900 e cel mai frecvent | 0,8–80 | 2.2 | ||
| Stiva de discuri | 18 | 12.000 | 14.300 e cel mai frecvent | 0,4-40 | 0,25 | |
| 33 | 7500 | 10.400 este cel mai frecvent | 20–200 | 4.5 | ||
| 61 | 4000 | 5500 | 80–800 | 5.6 | ||
| Stivă de discuri cu descărcare a duzei | 25 | 10.000 | Cel mai frecvent 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 |
Date din Perry’s Chemical Engineers ’Handbook, 1997, ediția a 7-a, McGraw-Hill, New York.
11.4.2 Teoria centrifugării
Viteza particulelor obținute într-o anumită centrifugă comparativ cu viteza de decantare sub gravitație caracterizează eficacitatea centrifugării. Viteza terminală în timpul decantării gravitaționale a unei particule sferice mici în suspensie diluată este dată de legea lui Stoke:
unde ug este viteza de sedimentare sub gravitație, ρp este densitatea particulei, ρL este densitatea lichidului, μ este vâscozitatea lichidului, Dp este diametrul particulelor și g este accelerația gravitațională. Într-o centrifugă, viteza terminală corespunzătoare este:
unde uc este viteza particulelor în centrifugă, ω este viteza unghiulară a bolului în unități de rad s -1, iar r este raza tamburului centrifugii. Raportul dintre viteza din centrifugă și viteza sub gravitație se numește efect de centrifugă sau numărul g și este de obicei notat Z. Prin urmare:
Forța dezvoltată într-o centrifugă este de Z ori forța gravitațională și este adesea exprimată ca atât de multe forțe g. Centrifugele industriale au factori Z de până la aproximativ 16.000; pentru centrifugele mici de laborator, Z poate fi de până la 500.000 [4] .
Sedimentarea are loc într-o centrifugă pe măsură ce particulele care se îndepărtează de centrul de rotație se ciocnesc cu pereții bolului centrifugii. Creșterea vitezei de mișcare va îmbunătăți rata de sedimentare. Din ec. (11.20), viteza particulelor într-o anumită centrifugă poate fi mărită cu:
Creșterea vitezei centrifugii, ω
Creșterea diametrului particulelor, Dp
Creșterea diferenței de densitate între particule și lichid, ρp - ρL
Scăderea vâscozității fluidului de suspendare, μ
Dacă particulele ajung la pereții vasului depinde și timpul expunerii la forța centrifugă. La centrifugele în serie, cum ar fi cele utilizate în laborator, timpul de centrifugare este crescut prin rularea echipamentului mai mult timp. În dispozitivele cu flux continuu, cum ar fi centrifugele cu discuri echipate pentru descărcarea continuă a solidelor, timpul de ședere este crescut prin scăderea debitului de alimentare.
Performanța centrifugelor de dimensiuni diferite poate fi comparată folosind un parametru numit factor sigma Σ. Din punct de vedere fizic, Σ reprezintă aria secțiunii transversale a unui decantor gravitațional cu aceleași caracteristici de sedimentare ca și centrifuga. Pentru centrifugele continue, legătura este legată de viteza de alimentare a materialului după cum urmează:
unde Q este viteza de alimentare volumetrică și ug este viteza terminală a particulelor dintr-un câmp gravitațional, dată de ecuație. (11.19). Dacă două centrifuge au performanțe la fel de eficiente:
unde indicii 1 și 2 denotă cele două centrifuge. Ecuația (11.23) poate fi utilizată pentru mărirea echipamentelor de centrifugare. Ecuațiile pentru evaluarea Σ depind de proiectarea centrifugii. Pentru o centrifugă cu bol de stivă de discuri [5]:
unde ω este viteza unghiulară în rad s −1, N este numărul de discuri din stivă, r2 este raza exterioară a discurilor, r1 este raza interioară a discurilor, g este accelerația gravitațională și θ este jumătatea -unghiul conului discurilor. Pentru o centrifugă cu vas tubular, următoarea ecuație este exactă în limita a 4% [6]:
unde b este lungimea bolului, r1 este raza suprafeței lichidului și r2 este raza peretelui interior al bolului (Figura 11.6). Deoarece r1 și r2 într-o centrifugă cu vas tubular sunt aproximativ egale, echiv. (11.25) poate fi aproximat ca:
unde r este o rază medie aproximativ egală cu r1 sau r2.
Ecuațiile pentru Σ se bazează pe condiții ideale de funcționare. Deoarece diferite tipuri de centrifugă se abat în diferite grade de la funcționarea ideală, ecuația. (11.23) nu poate fi utilizat în general pentru a compara diferite configurații de centrifugă. Performanța oricărei centrifuge se poate abate de la cea prevăzută teoretic din cauza unor factori precum forma particulei și distribuția mărimii, agregarea particulelor, distribuția fluxului neuniform în centrifugă și interacțiunea dintre particule în timpul sedimentării. Testele experimentale trebuie efectuate pentru a ține cont de acești factori.
Recuperarea celulei într-o centrifugă de stivă de disc
O centrifugă continuă cu discuri este operată la 5000 rpm pentru separarea drojdiei de brutar. La o viteză de alimentare de 60 l min -1, 50% din celule sunt recuperate. Pentru funcționarea la viteza constantă a centrifugii, recuperarea solidelor este invers proporțională cu debitul. (A)
Ce debit este necesar pentru a obține 90% recuperarea celulei dacă viteza centrifugei este menținută la 5000 rpm?
Ce viteză de funcționare este necesară pentru a obține o recuperare de 90% la o viteză de avans de 60 l min -1 ?
Soluţie
Dacă recuperarea solidelor este invers proporțională cu viteza de alimentare, debitul necesar este:
Ecuația (11.23) relatează caracteristicile de funcționare ale centrifugelor care realizează aceeași separare. Din (a), 90% recuperare se realizează la Q1 = 33,3 l min -1 și ω1 = 5000 rpm. Pentru Q2 = 60 l min −1, din ecuație. (11.23):
Deoarece se utilizează aceeași centrifugă și toți parametrii geometrici sunt la fel, din ecuație. (11.24):
Raportul dintre ω 1 2 și ω 2 2 este de 0,56, indiferent de unitățile utilizate pentru a exprima viteza unghiulară. Prin urmare, folosind unități de rpm:
Luând rădăcina pătrată, ω2 = 6680 rpm.
Centrifugarea
9.1 Introducere
Centrifugarea și decantarea (sedimentare, decantare, flotație) sunt procese de separare a amestecurilor eterogene de faze care diferă între ele prin densitatea lor. Principiile fizice care guvernează aceste procese sunt aceleași. Decantarea are loc sub efectul gravitației pământului. În cazul centrifugării, separarea accelerată este posibilă prin efectul forțelor centrifuge, care pot fi de multe ori mai puternice decât gravitația pământului.
Centrifugarea și decantarea pot fi utilizate pentru a separa particulele solide de un lichid sau două lichide nemiscibile cu densități diferite una de alta, sau ambele.
Separarea centrifugă se realizează nu numai cu centrifugele, ci în orice sistem în care amestecului i se conferă o mișcare de rotație. Unul dintre dispozitivele pentru separarea centrifugă fără o centrifugă mecanică este ciclonul, discutat pe scurt la sfârșitul acestui capitol. Cu toate acestea, cea mai mare parte a prezentului capitol se va ocupa numai de centrifugarea mecanică și centrifugele.
Centrifugele sunt mașini relativ scumpe, atât în cheltuielile de capital, cât și în costurile de funcționare (consum de energie, uzura pieselor care se mișcă rapid, necesitatea unei construcții robuste capabile să reziste forțelor și presiunilor foarte mari). În ciuda costului lor, centrifugele sunt utilizate pe scară largă în industrie. Următoarele sunt câteva dintre numeroasele aplicații ale centrifugării mecanice în industria alimentară:
Separarea laptelui: una dintre cele mai vechi și mai răspândite utilizări ale centrifugei în industria alimentară este separarea laptelui integral de lapte degresat și smântână. Centrifugele utilizate în acest scop sunt cunoscute sub numele de „separatoare” (Walstra și colab., 2005)
Producția de brânzeturi: în fabricile lactate moderne, centrifugele sunt utilizate pentru separarea rapidă a cașului de zer
Controlul pulpei în sucurile de fructe și legume: centrifugarea este utilizată pentru reducerea conținutului de pulpă din sucurile de fructe și pentru producerea sucurilor limpezi prin îndepărtarea totală a pulpei
Prelucrarea uleiului alimentar: mai multe operațiuni în producerea și rafinarea uleiurilor comestibile implică separarea uleiului de o fază apoasă. Centrifugarea este metoda preferată de separare
Recuperarea uleiului esențial: uleiurile esențiale de citrice sunt recuperate prin separarea centrifugă a amestecurilor apoase formate în cursul extracției sucului
Producerea amidonului: una dintre metodele de separare a amidonului din suspensii este centrifugarea mecanică
Producția de drojdie: centrifugele sunt utilizate pentru separarea drojdiei comerciale de mediul de creștere lichid.
- Gelatina - o prezentare generală Subiecte ScienceDirect
- Gălbenuș de ou - o prezentare generală Subiecte ScienceDirect
- Cheese Yield - o prezentare generală a subiectelor ScienceDirect
- Izolarea electrică - o prezentare generală Subiecte ScienceDirect
- Germaniul - o prezentare generală Subiecte ScienceDirect