центрифугирование

Теоретические основы процесса центробежных сил.
Фактор разделения.
Центрифугирование – это процесс разделения суспензий и эмульсий с помощью центробежных сил. Основная часть центрифуги – барабан(ротор), вращающийся с большой скоростью.
Центробежные силы в аппаратах можно создать двумя путями:
механическим вращением сосуда, в котором находится неоднородная смесь;
вращением разделяемого потока, вводимого в аппарат (неподвижный) специальной формы с большой скоростью, тангенциально по отношению к системе аппарата.
Аппараты с вращающимся сосудом (барабаном, ротором) называют центри-фугами.
Неподвижные аппараты с вращающимися в них потоками называются циклонами ( при разделении газовых неоднородных систем) и гидроциклонами ( при разделении жидких неоднородных систем).

Принцип действия
Под действием центробежных сил неоднородная система разделяется за счет отбрасывания к стенкам более тяжелых частиц.
Тяжелая фаза собирается непосредственно вблизи стенок ( в периферии), легкая фаза – ближе к центру аппарата.
Стенки центрифуги могут быть:
Сплошными – тогда на них накапливается твердый осадок или тяжелая жидкость, причем твердый осадок (тяжелая жидкость) периодически/непрерывно ( в зависимости от конструкции центрифуги) удаляются. Также центрифуги – отстойные центрифуги.
Перфорированные – на их поверхности размещена фильтровальная ткань, с помощью которой задерживается осадок, а фильтрат проходит через стенку. Такие центрифуги - фильтрующие.

Центробежная сила
При вращении любого тела возникает центробежная сила, и она направлена по радиусу к оси ращения и пропорциональна произведению массы на центробежное ускорение.
(1)
где - центробежное ускорение;
w - окружная скорость;
с – центробежная сила.
(2) , где ω – угловая скорость [об/с или 1/с];
n - число оборотов.
Выразим центробежную силу через уравнения (1) и (2):
(3)
Таким образом, из (3) следует, что С можно увеличить за счет увеличения D,n; причем n увеличивает С значительнее.

Фактор разделения
- коэффициент центрифугирования,
фактор разделения
(5)
Физический смысл Kц
Он показывает, на сколько разделение в поле действия центробежных сил эффективнее, чем в поле действия силы тяжести.

Отстойное центрифугирование
Схема центральной системы (барабана) отстойной центрифуги для разделения СУСПЕНЗИИ
штуцер для вывода осветленной жидкости или фугата

Принцип действия
При подачи суспензии во вращающийся барабан образуется кольцевой слой, его толщина определяется шириной верхних закромен. В слое под воздействием центробежных сил происходит осаждение твердых частиц на стенках барабана.
Фугат переливают через закромны в кожух аппарата, откуда затем отводится. Твердые частицы одновременно с фугатом движутся вверх.
Если время нахождения суспензии в барабане достаточно, то частицы достигнут стенки образуют осадок.

Принцип действия:
В барабане отстойной центрифуги для разделения эмульсий образуются 2 кольца. Кольцо с тяжелой жидкостью на периферии барабана и кольцо с легкой жидкостью ближе к центру барабана. Постепенно и легкая, и тяжелая жидкости могут отводиться. Работает непрерывно.
Схема центральной системы (барабана) отстойной центрифуги для разделения ЭМУЛЬСИИ

Для расчета скорости движения в поле центробежных сил используют те же формулы, что и для скорости осаждения под действием силы тяжести. При этом силу тяжести заменяют на С, или отношением сил – факторм разделения Кц.
(5)
(6) при ламинарном режиме
Для газовых систем
(9)
Для ламинарного режима =>
(8)
(7)

Ламинарный режим более важен, так как он соответствует режиму осаждения наиболее мелких частиц, которые лимитируют производитель-ность центрифуги. В связи с этим производительность центрифуги опреде-ляется именно для ламинарного режима.
Производительность центрифуги
Предположим, что концентрация твердых веществ невелика и частицы не влияют друг на друга. Тогда скорость осаждения будет находится как производная от пути по времени.
Исходя из формулы (6) и учитывая (4)
(10)
(11)

- время осаждения
для разделения суспензии
(13) - время осаждения для разделения эмульсии
Из уравнения (12) определяется время осаждения и оно не должно быть больше времени нахождения частицы в барабане.
(14)
(15)

Из (14) и (15):
(16) - суспензия
Для эмульсий необходимо найти R₁ и D₁:
(17) – эмульсия