Непрерывное разделение одной твердой и двух жидких фаз

Для разделения двух смешанных жидкостей под действием силы тяжести и одновременно для отделения от этой смеси перемешанных с ней твердых частичек можно использовать устройство, подобное изображенному на рис. 6.2.12.

Смесь поступает сверху вниз через входное отверстие B. Затем она движется в горизонтальном направлении на уровне В. На этом уровне твердые частицы, имеющие большую плотность, чем обе жидкости, оседают на дно сосуда.

Та из двух жидких фаз, чья плотность меньше, поднимается к поверхности и переливается через верхнее выходное отверстие B1. Более плотная жидкая фаза стекает вниз, проходит под экраном В2 и выливается наружу через нижнее отверстие. Экран В2 предотвращает течение жидкости с меньшей плотностью в неверном направлении.

Разделение под действием центробежной силы

Скорость осаждения

Если сосуд наполнили жидкостью и начали вращать, возникает поле центробежной силы. Оно создает центробежное ускорение a.

В отличие от силы тяжести g в стационарном сосуде, центробежное ускорение не есть постоянная величина. С увеличением расстояния от оси вращения (радиус r) и скорости вращения, обозначенной как

Следующую формулу 3 получаем, если центробежное ускорение a, выраженное как rw², подставить вместо ускорения силы тяжести g в ранее приведенной формуле 1, выведенной из закона Стокса. Уравнением 3 можно воспользоваться для расчета скорости осаждения, v, каждой частицы, находящейся в центрифуге.

Скорость всплытия жирового шарика

Ранее примененное уравнение 1 показало, что скорость всплытия одного жирового шарика диаметром 3 мкм под воздействием силы тяжести равняется 0,6 мм/ч или 0,166 х 10–6 м/сек.

Теперь можно прибегнуть к уравнению 3, чтобы вычислить скорость всплытия жирового шарика того же диаметра, находящегося на радиальном удалении 0,2 м, при вращении центрифуги со скоростью n = 5400 об/мин. Угловая скорость рассчитывается следующим образом:

Если 2 π = 1 обороту и n – обороты в минуту,

при скорости вращения (n) = 5400 об/мин угловая скорость (w) составит 564,49 рад/сек.

Скорость осаждения (v) в таком случае будет:

v = x 0,2 × 564,492 = 0,108 × 10–2 м/сек

то есть 1,08 мм/сек или 3896 мм/ч.

Разделив скорость осаждения в зоне действия центробежной силы на скорость осаждения под воздействием силы тяжести, получаем представление об эффективности сепарации в центрифуге по сравнению с осаждением под действием силы тяжести.

Скорость осаждения в центрифуге в 6500 раз выше (3896,0/0,6 = 6500).

Непрерывное центробежное отделение твердых частиц (кларификация, или очистка)

На рис. 6.2.15 показана центрифуга для непрерывного отделения твердой фракции от жидкой. Эта операция называется кларификацией (осветлением или очисткой). Представим себе, что сосуд для осаждения, изображенный на рис. 6.2.10, повернули на 90 градусов и запустили, как волчок вокруг оси вращения. То, что мы увидим при этом, будет выглядеть как центробежный сепаратор в разрезе.

Разделительные каналы

На рис. 6.2.15 также видно, что у барабана центрифуги имеются вставки в виде конических тарелок. Это увеличивает площадь для осаждения.

Тарелки опираются друг на друга и создают конструкцию, известную под названием “пакет тарелок”. К тарелкам приварены радиальные полосы, которые создают между ними необходимые зазоры. Так формируются каналы. Их ширина определяется толщиной радиальных полос.

На рис. 6.2.16 показано, как жидкость поступает в канал по наружному краю (радиус r1), стекает по внутреннему краю (радиус r2) и движется к выходу. Во время a = r ω2 2.

Ускорение можно рассчитать с помощью нижеследующей формулы 2.

Если повернуть на 90 градусов и начать вращать снабженный перегородками (экранами) сосуд, то мы получим барабан центрифуги для непрерывного отделения твердых частиц от жидкости.

Кларификация – это отделение твердых частиц от жидкости.

w = рад/сек (радиан в секунду)

d2 (ρp – ρl) 18η vc = rω2 3. 602 π × n 18 × 1,42 × 10–3 (3 × 10–6)2 × 48

движения по каналу частички стремятся наружу, оседая в направлении тарелки, которая играет роль внешней границы канала. Скорость движения жидкости w не одинакова в каждой точке канала. Она изменяется от почти нулевой в непосредственной близости к тарелкам до максимальной в центре канала. Центробежная сила действует на все частички, выталкивая их на периферию сепаратора со скоростью осаждения v. В результате частичка движется одновременно и со скоростью всего потока w, и со скоростью осаждения v в радиальном направлении – на периферию.

Результирующая скорость vp является суммой двух этих движений. Частичка движется в направлении, указанном вектором vp. (Для упрощения схемы предполагается, что частичка движется по прямой, как показано на иллюстрации пунктирной линией.)

Для того чтобы отделиться от жидкости, частичка должна осесть на верхнем экране до прихода к точке ВI, то есть на радиусе, равном или большем, чем r2.

После того как частичка осела, ее уже не может унести с собой поток жидкости, поскольку его скорость у поверхности тарелки очень мала. Поэтому она выскальзывает наружу по нижней поверхности диска под воздействием центробежной силы, попадает на внешний край у точки В и оседает на стенке барабана центрифуги.

Микрочастица

Микрочастица – это частица такого размера, что если она начнет двигаться от наиболее неблагоприятного места, а именно от точки А (см. рис. 6.2.17), то она только дойдет до верхней тарелки в точке ВI. Все более крупные частички будут уже отделены.

На рисунке видно, что и некоторые более мелкие, чем предельная, частички тоже будут отделены, если они попадут в каналв точке С, где-то между А и В.

Чем мельче частичка, тем ближе С должно быть к В, чтобы произошло отделение.

Непрерывное центробежное сепарирование молока

Кларификация (очистка)

В центробежном очистителе молоко попадает в разделительные каналы со стороны внешнего края тарелочного пакета, течет внутрь по каналам в радиальном направлении в сторону оси вращения и вытекает наружу через выпускное отверстие в верхней части, как показано на рис. 6.2.18. В процессе движения потока через тарелочный пакет твердые примеси отделяются и направляются в обратную сторону вдоль нижних поверхностей тарелок – на периферию барабана очистителя. Там они скапливаются в отстойнике. По мере прохождения молока по всей радиальной ширине тарелок от него отделяются и очень мелкие частицы. Наиболее типичным различием между центробежным очистителем и сепаратором является конструкция пакета тарелок: у очистителя отсутствуют распределительные отверстия и имеется всего одно выходное отверстие, в то время как у сепаратора их два.

Сепарирование

Пакет тарелок центробежного сепаратора снабжен вертикально совмещенными распределительными отверстиями. На рис. 6.2.19 схематично показано, как жировые шарики отделяются от молока в дисковом пакете центробежного сепаратора. Более подробно этот процесс проиллюстрирован на рис. 6.2.20. Молоко подается через вертикально совмещенные распределительные отверстия в тарелках на определенном расстоянии от края пакета тарелок. Под воздействием центробежных сил в межтарелочном пространстве траектория движения механических примесей и жировых шариков изменяется в зависимости от соотношения плотности данных фракций и плазмы молока.

Как и в кларификаторе, более плотные твердые примеси будут быстро выноситься в направлении периферии сепаратора и собираться в отстойнике.

Осаждению твердой фракции также способствует то обстоятельство, что в этом случае обезжиренное молоко в каналах движется в направлении периферии пакета тарелок.

Сливки, т.е. жировые шарики, имеют меньшую плотность, чем обезжиренное молоко, и поэтому движутся в каналах по направлению внутрь, к оси вращения и далее к осевому выходному отверстию.

Обезжиренное молоко движется к периферии, за пределы пакета тарелок, проходит по каналу, образованному поверхностями барабана сепаратора и разделительной тарелкой, к концентрическому выходу для обезжиренного молока.

Степень обезжиривания

Степень обезжиривания молока зависит от конструкции сепаратора, скорости прохождения через него молока и размеров жировых шариков.

Самые мелкие жировые шарики (диаметр <1 мкн) не успевают всплыть при данной скорости потока и уносятся из сепаратора вместе с обезжиренным молоком. Обычно содержание жира в таком молоке составляет от 0,04 до 0,07%, и говорят, что установка обеспечивает степень обезжиривания молока от 0,04 до 0,07.

Если уменьшить скорость потока молока через сепаратор, уменьшится скорость его прохождения по разделительным каналам. Это предоставит жировым шарикам больше времени для всплытия и выхода наружу через отверстие для сливок. Соответственно с уменьшением производительности сепаратора степень обезжиривания молока будет увеличиваться, и наоборот.

Жирность сливок

Цельное молоко, направляемое в сепаратор, выходит из него в виде двух потоков – обезжиренного молока и сливок. Сливки обычно составляют около 10% от всего объема. Жирность сливок определяет их количественное соотношение с молоком.

Если жирность цельного молока составляет 4%, а пропускная способность сепаратора равна 20 000 л/ч, общее количество жира, проходящего через сепаратор, будет:

4 × 20 000 / 100 = 800 л/ч

Допустим, требуется получить сливки жирностью 40%. Это количество жира должно быть растворено в определенном объеме молока. Общее количество жидкости, которое для этого потребуется, в этом случае будет:

800 × 100 / 40 = 2000 л/ч

800 л/ч – это чистый молочный жир, а остальные 1200 л – обезжиренное молоко.

Установка дроссельных заслонок на патрубках выхода сливок и обезжиренного молока позволяет регулировать относительные объемы двух потоков с тем, чтобы получить требуемую жирность сливок.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: