CAPITOLUL 10
SEPARĂRI MECANICE (continuare)

SEPARĂRI CENTRIFUGALE

procesarea


Separarea lichidului
Echipamente de centrifugare


Separarea prin sedimentare a două lichide nemiscibile, sau a unui lichid și a unui solid, depinde de efectele gravitației asupra componentelor. Uneori, această separare poate fi foarte lentă, deoarece greutatea specifică a componentelor poate să nu fie foarte diferită sau din cauza forțelor care țin componentele în asociere, de exemplu, așa cum apar în emulsii. De asemenea, în circumstanțele în care are loc sedimentarea, este posibil să nu existe o delimitare clară între componente, ci mai degrabă o fuziune a straturilor.

De exemplu, dacă laptele integral este lăsat să stea, crema se va ridica la vârf și în cele din urmă există o separare clară între smântână și laptele degresat. Cu toate acestea, acest lucru durează mult, de ordinul unei zile, și astfel este potrivit, probabil, pentru bucătăria fermei, dar nu și pentru fabrică.

Forțe mult mai mari pot fi obținute prin introducerea acțiunii centrifuge, într-o centrifugă. Gravitația acționează în continuare, iar forța netă este o combinație a forței centrifuge cu gravitația ca în ciclon. Deoarece în majoritatea centrifugelor industriale, forțele centrifuge impuse sunt mult mai mari decât gravitația, efectele gravitației pot fi de obicei neglijate în analiza separării.

forța centrifugă pe o particulă care este constrânsă să se rotească într-o cale circulară este dată de

Unde Fc este forța centrifugă care acționează asupra particulei pentru a o menține în calea circulară, r este raza căii, m este masa particulei și w (omega) este viteza unghiulară a particulei.

Sau, din moment ce w = v/r, Unde v este viteza tangențială a particulei

Viteza de rotație este în mod normal exprimată în rotații pe minut, astfel încât eqn. (10.6) poate fi, de asemenea, scris, ca w = 2 p N/ 60 (deoarece trebuie să fie în s - 1, împărțiți la 60)

Fc = Domnul(2 pag N/ 60) 2 = 0,011 mrN 2 (10,7)

Unde N este viteza de rotație în rotații pe minut.

Dacă acest lucru este comparat cu forța de greutate (Fd) pe particula, care este Fg = mg, se poate observa că accelerația centrifugă, egală cu 0,011 pH 2, a înlocuit accelerația gravitațională, egală cu g. Forța centrifugă este adesea exprimată în scopuri comparative ca atâția "g".


EXEMPLUL 10.3. Forța centrifugă într-o centrifugă.
Cat de mult "g"poate fi obținut într-o centrifugă care poate roti un lichid la 2000 rpm/min pe o rază maximă de 10 cm?

Fc = 0,011 mrN 2
Fg = mg

Fc/Fg = (0,011 pH 2)/g
= (0,011 x 0,1 x 2000 2)/9,81
= 450

Forța centrifugă depinde de raza și viteza de rotație și de masa particulei. Dacă raza și viteza de rotație sunt fixe, atunci factorul de control este greutatea particulei, astfel încât cu cât particula este mai grea, cu atât este mai mare forța centrifugă care acționează asupra ei. În consecință, dacă două lichide, dintre care unul este de două ori mai dens decât celălalt, sunt plasate într-un bol și bolul este rotit în jurul unei axe verticale la viteză mare, forța centrifugă pe unitate de volum va fi de două ori mai mare pentru lichidul mai greu în ceea ce privește bricheta. Prin urmare, lichidul greu se va deplasa pentru a ocupa inelul la periferia bolului și va deplasa lichidul mai ușor spre centru. Acesta este principiul separatorului de lichid centrifugal, ilustrat schematic în FIG. 10.3.


Figura 10.3 Separarea lichidului într-o centrifugă


Rata de separare


Viteza la starea de echilibru a particulelor care se mișcă într-un flux de curgere sub acțiunea unei forțe de accelerare este, de la eqn. (10.1),

Dacă se produce un flux rațional într-o centrifugă, putem scrie, din eqns. (10.6) și (10.7) ca a este accelerația tangențială;

vm = D 2 r(2 pag N/ 60) 2 (r p - r f)/18 m

= D 2 N 2 r(r p - r f)/1640 m (10,8)


EXEMPLUL 10.4. Separarea centrifugă a uleiului în apă
O dispersie de ulei în apă trebuie separată folosind o centrifugă. Să presupunem că uleiul este dispersat sub formă de globule sferice cu diametrul de 5,1 x 10 -5 m și că densitatea sa este de 894 kg m -3. Dacă centrifuga se rotește la 1500 t/min și raza efectivă la care are loc separarea este de 3,8 cm, calculați viteza uleiului prin apă. Luați densitatea apei de 1000 kg m -3 și vâscozitatea acesteia
0,7 x 10 -3 N s m -2. (Separarea în această problemă este aceeași cu cea din Exemplul 10.2, în care a fost calculată rata de sedimentare sub gravitație.)

vm = (5,1 x 10 -5) 2 x (1500) 2 x 0,038 x (1000 - 894)/(1,64 x 10 3 x 0,7 x 10 -3)
= 0,02 m s -1 .

Verificarea faptului că este rezonabil să presupunem legea lui Stokes

Re = (Dv r/m)
= (5,1 x 10 -5 x 0,02 x 1000)/(7,0 x 10 -4)
= 1.5
astfel încât fluxul să fie raționalizat și ar trebui să respecte legea lui Stokes.


Separarea lichidului

Separarea unui component al unui amestec lichid-lichid, în care lichidele sunt nemiscibile, dar fin dispersate, ca într-o emulsie, este o operație obișnuită în industria alimentară. Este deosebit de frecvent în industria laptelui în care emulsia, laptele, este separată de o centrifugă în lapte degresat și smântână. Din această cauză, pare a fi util să examinăm poziția celor două faze în centrifugă în timp ce funcționează. Laptele este alimentat continuu în mașină, care este, în general, un bol care se rotește în jurul unei axe verticale, iar laptele smântână și degresat provine din descărcările respective. La un moment dat în castron trebuie să existe o suprafață de separare între smântână și laptele degresat.


Figura 10.4 Centrifugă lichidă (a) diferență de presiune (b) zonă neutră


Luați în considerare un cilindru diferențial subțire, cu grosime dr și înălțime b așa cum se arată în Fig. 10.4 (a): forța centrifugă diferențială pe grosimea dr este dată de ecuația (10.5):

unde DFc este forța diferențială peste peretele cilindrului, dm este masa cilindrului diferențial, w este viteza unghiulară a cilindrului și r este raza cilindrului. Dar,
dm = 2 pr rbdr
unde r este densitatea lichidului și b este înălțimea cilindrului. Zona peste care forța dFc acte este de 2 p rb, astfel încât:

dFc/2 p rb = dP = r w 2 rdr

unde DP este presiunea diferențială peste peretele cilindrului diferențial.

Pentru a găsi presiunea diferențială într-o centrifugă, între rază r1 și r2, ecuația pentru dP poate fi integrat, lăsând presiunea la rază r1 fi P1 și asta la r2 fi P2 și așa

Ecuația (10.9) arată variația radială a presiunii peste centrifugă.

Luați în considerare acum Fig. 10.4 (b), care reprezintă vasul unei centrifuge verticale continue de lichid. Alimentarea intră în centrifugă aproape de axă, lichidul mai greu A se descarcă prin deschiderea superioară 1 și lichidul mai ușor B prin deschiderea 2. Să r1 să fie raza la conducta de refulare pentru lichidul mai greu și r2 pentru lichidul mai ușor. La o altă rază rn va exista o separare între cele două faze, cea mai grea și cea mai ușoară. Pentru ca sistemul să fie în echilibru hidrostatic, presiunile fiecărei componente la raza rn trebuie să fie egale, astfel încât să se aplice eqn. (10.9) pentru a găsi presiunile fiecărei componente la rază rn, și echivalând acestea avem:

unde r A este densitatea lichidului mai greu și r B este densitatea lichidului mai ușor.

Ecuația (10.10) arată că pe măsură ce raza de descărcare pentru lichidul mai greu se micșorează, atunci raza zonei neutre trebuie, de asemenea, să scadă. Atunci când zona neutră este mai aproape de axa centrală, componenta mai ușoară este expusă doar la o forță centrifugă relativ mică comparativ cu lichidul mai greu. Aceasta se aplică în cazul în care, ca și în cazul separării smântânii de lapte, trebuie îndepărtată cât mai multă cremă și, prin urmare, raza neutră este menținută mică. Alimentarea către o centrifugă de acest tip ar trebui să fie cât mai aproape posibil în zona neutră, astfel încât să intre cu cea mai mică perturbare a sistemului. Prin urmare, această relație poate fi utilizată pentru a plasa intrarea de alimentare și ieșirile de produs în centrifugă pentru a obține o separare maximă.


EXEMPLUL 10.5. Separarea centrifugă a laptelui și a smântânii
Dacă un separator de cremă are raze de descărcare de 5 cm și 7,5 cm și dacă densitatea laptelui degresat este de 1032 kg m -3 și cea a cremei este de 915 kg m -3, calculați raza zonei neutre astfel încât intrarea de alimentare să poată să fie proiectat.
Pentru lapte degresat, r1 = 0,075m, r A = 1032 kg m -3, smântână r2 = 0,05 m, rB = 915 kg m -3

rn 2 = [1032 x (0,075) 2 - 915 x (0,05) 2]/(1032 - 915)
= 0,03 m 2
rn = 0,17 m
= 17 cm


Echipamente de centrifugare

Cea mai simplă formă de centrifugă constă într-un bol care se rotește în jurul unei axe verticale, așa cum se arată în Fig. 10.4 (a). Lichidele sau lichidele și solidele sunt introduse în aceasta și sub forță centrifugă lichidul sau particulele mai grele trec în regiunile exterioare ale bolului, în timp ce componentele mai ușoare se deplasează spre centru.

Dacă alimentarea este complet lichidă, atunci se poate aranja o colecție adecvată de țevi pentru a permite separarea componentelor mai grele și mai ușoare. Diverse aranjamente sunt folosite pentru a realiza această colectare în mod eficient și cu o perturbare minimă a modelului de curgere în mașină. Pentru a înțelege funcția acestor aranjamente de colectare, este foarte adesea util să ne gândim la acțiunea centrifugă ca fiind analogă cu decantarea gravitațională, diferitele diguri și deborduri acționând în același mod ca într-un rezervor de decantare, chiar dacă forțele centrifuge sunt foarte mult mai mare decât gravitația.

În centrifugele de separare lichid/lichid, plăcile conice sunt aranjate așa cum se ilustrează în FIG. 10.5 (a) iar acestea oferă un flux mai lin și o separare mai bună.


FIG. 10.5 Centrifuge lichide: (a) castron conic, (b) duză


În timp ce fazele lichide pot fi îndepărtate cu ușurință dintr-o centrifugă, solidele prezintă mult mai multe probleme.

În separarea lichid/solid, plugurile staționare nu pot fi utilizate, deoarece acestea creează o perturbare prea mare a modelului de curgere de care depinde centrifuga pentru separarea sa. O metodă de manipulare a solidelor este de a furniza duze pe circumferința bolului centrifugii, așa cum este ilustrat în Fig. 10.5 (b). Aceste duze pot fi deschise la intervale de timp pentru a descărca solidele acumulate împreună cu o parte din lichidul greu. Alternativ, duzele pot fi deschise continuu, bazându-se pe dimensiunea și poziția lor pentru a descărca solidele cu cât mai puțin posibil din lichidul mai greu. Aceste mașini separă astfel alimentarea în trei fluxuri, lichid ușor, lichid greu și solide, solidele transportând și ele o parte din lichidul greu. O altă metodă de manipulare a solidelor din alimentarea continuă este de a utiliza o acțiune telescopică în bol, secțiuni ale bolului deplasându-se unul peste altul și transportând solidele care s-au acumulat spre ieșire, așa cum este ilustrat FIG. 10.6 (a).


FIG. 10.6 Centrifuge lichide/solide (a) vas telescopic, (b) vas orizontal, descărcare cu role

Castronul orizontal cu descărcare de tip scroll, centrifugă, așa cum este ilustrat în Fig.10.6 (b), se poate descărca continuu. În această mașină, coloana orizontală (sau șurubul) se rotește în interiorul vasului cu capăt conic al mașinii și transportă solidele cu aceasta, în timp ce lichidul se descarcă peste un revărsat spre centrul mașinii și la capătul opus solidului. descărcare. Caracteristica esențială a acestor mașini este că viteza de derulare, în raport cu bolul, nu trebuie să fie mare. De exemplu, dacă viteza bolului este de 2000 rpm/min, o viteză adecvată pentru derulare ar putea fi de 25 rotații/min față de bol, ceea ce ar însemna o viteză de derulare de 2025 sau 1975 rotație/min. Vitezele diferențiale sunt menținute prin angrenarea între arborii de antrenare ai bolului și scroll. Aceste mașini pot gestiona în mod continuu alimentări cu conținut solid de până la 30%.

O discuție despre acțiunea centrifugelor este dată de Trowbridge (1962) și sunt tratate și în McCabe și Smith (1975) și Coulson și Richardson (1977).

Separări mecanice> FILTRARE