Коническая тарельчатая центрифуга (также известная как чаша диска центрифуга или тарельчатого сепаратор ) представляет собой тип центрифуги , который имеет ряд конических дисков , что обеспечивает параллельную конфигурацию центрифугирования пространств. [1]
Центрифуга с коническими тарелками используется для удаления твердых частиц (обычно примесей) из жидкостей или для отделения двух жидких фаз друг от друга с помощью чрезвычайно высокой центробежной силы. Более плотные твердые вещества или жидкости, которые подвергаются этим силам, перемещаются наружу к вращающейся стенке барабана, в то время как менее плотные жидкости перемещаются к центру. Специальные пластины (известные как стопки дисков) увеличивают площадь осаждения на поверхности, что ускоряет процесс разделения. Для разных процессов используются разные конструкции, расположение и формы штабелей в зависимости от типа используемого корма. Концентрированное более плотное твердое вещество или жидкость затем удаляется непрерывно, вручную или периодически, в зависимости от конструкции центрифуги с коническими пластинами. [2]Эта центрифуга очень подходит для осветления жидкостей с небольшой долей взвешенных твердых частиц. [1]
Базовые основы
Центрифуга работает по принципу отстойника с наклонной пластиной . Для уменьшения расстояния оседания частиц установлен набор параллельных пластин с углом наклона θ относительно горизонтальной плоскости. Причина наклона заключается в том, что осевшие твердые частицы на пластинах могут скользить вниз под действием силы тяжести, чтобы они не накапливались и не забивали канал, образованный между соседними пластинами. [3]
Доступные дизайны
Центрифуга соплового типа
Этот тип центрифуги удаляет твердые частицы из жидкого сырья с пластин. Центробежный насос создает давление для слива прозрачной жидкости из центрифуги . Твердое вещество непрерывно извлекается через форсунки [1], как показано на рисунке 2 [ требуется пояснение ] . Количество концентрата зависит от скорости вращения барабана, количества сопел на центрифугу, радиуса положения сопла и диаметра сопла. Качество зависит от объема выгружаемого концентрата, а также концентрации и объема жидкости, подаваемой в центрифугу. Концентрация разряда через сопло варьируется путем регулирования диаметра сопла и начального объема подачи жидкости. [1]
Предварительная обработка включает фильтры в подающих линиях, чтобы предотвратить засорение форсунок крупными твердыми примесями. Обычно диаметр отверстий фильтра предварительной обработки примерно на 10% меньше диаметра сопла . [1]
Центрифуга с ручной очисткой
Центрифуга с ручной очисткой имеет «сплошную чашу» (также известную как сплошная удерживающая чаша). Он применим в промышленных процессах разделения, где основной целью является разделение двух жидких фаз с минимальным содержанием твердых частиц или без них.
Более легкие и тяжелые жидкости выходят отдельно через соответствующие выпускные отверстия в верхней части центрифуги. Твердые частицы, если таковые имеются, задерживаются в барабане центрифуги, и их необходимо вручную удалить, остановив центрифугу и очистив пространство для шлама внутри барабана. Более простая конструкция не имеет гидравлического механизма для выброса ила, что устраняет необходимость в рабочей воде. [4] [5]
Самоочищающаяся центрифуга
Более легкая и более тяжелая жидкость выходит отдельно через верх центрифуги, в то время как ил периодически выходит через сопла. Другой тип самоочищающейся центрифуги имеет съемное дно камеры. Оба метода могут управляться независимо или автоматически, либо по времени, либо в зависимости от качества разряда через сопло [1]
В зависимости от конструкции корм поступает через верхнее или нижнее входное отверстие. После осветления на конических пластинах продукт выгружается под давлением через выпускное отверстие. Отделенные твердые частицы или шлам накапливаются в коническом пространстве, прилегающем к соплу. После заполнения (без превышения площади пластин) поршень настраивается так, чтобы гидравлически открывать каждое отверстие форсунки, выбрасывая шлам. Обычно в качестве рабочей жидкости используется вода, действующая как поршень для управления форсункой. Во время отстоя вода впрыскивается, чтобы открыть сопло, и сливается, чтобы закрыть его. [1]
Герметичная центрифуга
Этот тип сепаратора представляет собой закрытую (герметичную) центрифугу; это может быть камерная или коническая тарелка. [1] Эта центрифуга может работать с системой с максимальным давлением 8 бар. Входные и разгрузочные патрубки прикреплены к вращающейся чаше. Головка центрифуги содержит встроенные роторные подающий и отводящий насосы. Это очень полезно для:
- Жидкое кормление, которое не может иметь понижающегося давления
- Жидкий корм, который не выдерживает ударов на входе, когда твердые частицы требуют «деликатного прикосновения» (например, протеина).
- Жидкий корм, который легко окисляется
- Жидкие корма, которые выделяют газ или испаряются (например, пиво и холодное сусло)
Область применения
Нефтегазовая промышленность
Центрифуга с коническими пластинами может использоваться для удаления воды , солей и твердых частиц с целью кондиционирования топлива для газовых турбин . Он также удаляет часть жидкой тяжелой фазы и мелкие твердые частицы для получения жидкого топлива высокой чистоты. С другой стороны, центрифуга также полезна для очистки воды, нефти и газа, как побочных продуктов, путем удаления нефтяных загрязнителей перед сбросом в море, как того требует закон. Более того, эмульсия масла и воды может быть дополнительно обработана для получения большего количества масла путем отделения масла, воды и примесей с помощью центрифуги с коническими тарелками. [2]
Центрифуга с дисковым стеком также полезна при производстве биодизеля в качестве инициативы по альтернативным источникам энергии . Центрифуга отделяет топливо от метанола или воды для преобразования масел из сырья (например, семян рапса) в дизельное топливо . Присадки к маслу используются для улучшения характеристик топлива, а чтобы удалить как можно больше загрязняющих веществ, центрифуги этого типа используются для отделения лишних мелких твердых частиц, таких как соли металлов и известь. [2]
Обрабатывающая промышленность
При нанесении покрытия на бумагу центрифуга с коническими пластинами очищает и сортирует « каолин » (материал, придающий бумаге глянцевый вид для определенных сортов бумаги) в соответствии с размером частиц. Конструкция сепаратора для этого процесса должна выдерживать истирание, вызванное каолином. Кроме того, эта центрифуга также используется для удаления воды, примесей и других металлических частиц из масел и смазок, используемых для динамических процессов, таких как двигатели , компрессоры и гидравлические системы. Эта обработка надежно продлевает срок службы оборудования. [2]
Биологическая наука
Центрифуга с коническими планшетами является легко стерилизуемым и полностью герметичным оборудованием, поэтому она является отличным выбором для производства вакцин и антител в стерильных и гигиенических условиях. [6]
Герметичная центрифуга для культивирования клеток используется для сбора культур клеток млекопитающих . Корм поступает в нижнюю часть заполненной жидкостью центрифуги (обеспечивая отсутствие воздуха для разделения клеток), а полый шпиндель предотвращает мгновенное ускорение подачи, сводя к минимуму повреждение чувствительной клеточной мембраны. Выпускное отверстие не содержит воздуха, чтобы уменьшить пенообразование. Эту центрифугу также можно чистить и продезинфицировать на месте (системы SIP и CIP) без серьезного демонтажа, чтобы гарантировать гигиеничность операций. [6]
Переработка пищевых продуктов
В пивоварении кизельгур (не совсем белый порошок, известный как диатомовая земля) используется для фильтрации воды из алкогольных напитков. Добавление центрифуги с коническими тарелками сократит использование кизельгура, станет более экономичным и эффективным по времени, а также сведет к минимуму потери продукта. [2]
В производстве оливкового масла широко используются высокоскоростные сепараторы, поэтому настоятельно рекомендуется использовать центрифуги с коническими тарелками, поскольку они обеспечивают эффективное разделение с минимальным нагревом и окислением масла. Для лимонного масла холодного отжима (эфирного масла) требуется сепаратор, специально разработанный для обработки нежной природы и ценности масла. Герметичная центрифуга лучше всего подходит для этой цели, поскольку она может предотвратить загрязнение и потери продукта. [2]
Преимущества и ограничения перед конкурентными процессами
Центрифуга с трубчатой чашей
Как центрифуги с коническими пластинами, так и центрифуги с трубчатым барабаном можно использовать для разделения жидкость / жидкость и твердое тело / жидкость. Однако преимущество центрифуги с конической тарелкой перед центрифугой с трубчатым барабаном состоит в том, что выгрузка твердых частиц возможна в конической тарелке, но извлечение твердых частиц в трубчатой чаше затруднено, а емкость твердого вещества ограничена. Поскольку выпуск жидкости в центрифуге с коническими тарелками находится под высоким давлением, это исключает пенообразование, но пенообразование присутствует в центрифугах с трубчатым барабаном, если не используются специальные откачивающие или центростремительные насосы. Центрифуги с трубчатым барабаном легче чистить и обеспечивают хорошее обезвоживание осадка по сравнению с центрифугами с коническими тарелками. [7] [8]
Центрифуга с камерой или сплошной чашей
И центрифуга с коническими пластинами, и центрифуга с камерной чашей могут использоваться для разделения жидкость / жидкость и твердое тело / жидкость. Однако преимущество центрифуги с конической тарелкой перед центрифугой с камерной чашей состоит в том, что в конической тарелке возможна выгрузка твердых частиц. Чаша камеры имеет большую емкость для твердых частиц, но не имеет разгрузки твердых частиц. Охлаждение чаши возможно как для центрифуг с коническими тарелками, так и для центрифуг с камерной чашей. Однако очистка в центрифуге с камерной чашей проще, а также лучшее обезвоживание осадка по сравнению с центрифугой с коническими пластинами. [7] [8]
Основные характеристики процесса
Для центрифуги с дисковым пакетом требуются следующие технологические характеристики:
Угол диска
Типичный угол от 35 до 50 ° (относительно вертикальной оси) диска используется в центрифуге с количеством дисков от 50 до 200. Это, в свою очередь, обеспечивает центробежное ускорение G в диапазоне от 5000 до 15000 g. [3]
Эффект перегрузки
Эффективность отделения твердых частиц может быть увеличена путем приложения относительно умеренной перегрузки в 3000 Gs в центрифуге, обрабатывающей карбонат кальция (с размерами менее 8 и 12 микрон). [9] Эта эффективность снижается при более высоком перегрузке около 6000 Gs, потому что высокие скорости жидкости у стенки могут вымывать осевшие более крупные частицы в легкую фазу, уменьшая время удерживания для отделения частиц. Однако это зависит от размера обрабатываемых твердых частиц. [9]
Расстояние между дисками
[3] Обычно расстояние между соседними дисками составляет от 0,32 до 1 мм. Это зависит от области применения и обрабатываемого корма, а также от концентрации корма, как показано в примерах ниже.
- Обработка дрожжей: для дрожжей с содержанием сухих веществ 30% требуется свободное пространство в 1 мм.
- E. coli и лизат: при более низком содержании сухого вещества в корме наиболее подходящим является более узкое расстояние 0,5 мм.
- Бульон клеток млекопитающих: расстояние между дисками 0,32 мм можно использовать при низком содержании твердых веществ в корме с концентрацией 3–4%.
Как показывает практика, отношение внешнего диаметра чаши к ее высоте должно быть примерно равно 1.
Подача твердых веществ
Для этой центрифуги используются два типа загружаемых твердых частиц:
- Взвешенные вещества
Обычно для биофармацевтического применения корм содержит от 2 до 4% об. / Об. (От общего объема) для клеток млекопитающих. Это может увеличиться до 4-6% об. / Об. Или даже выше в будущем из-за увеличения емкости твердых частиц от предшествующих процессов, таких как биореакторы. В отличие от этого, корм содержит до 30% об. / Об. Насыпного объема для дрожжей. [3]
- Растворенные твердые вещества
Сырье может содержать растворенные твердые вещества, состоящие из ценного белкового продукта и других растворимых примесей, которые необходимо удалить при последующей очистке. [3]
Угол конуса для разгрузки
Угол разгрузки твердого вещества важен, поскольку он влияет на скорость разгрузки концентрата. Чем круче угол конуса, тем больше перегрузочная сила, создаваемая для удаления твердых частиц со стенок конуса. [3] Кроме того, крутой угол конуса способствует уплотнению концентрата, что предотвращает проблемы с выгрузкой, что приводит к разгрузке большего количества твердого концентрата.
Частота разряда
[3] Для центрифуги с прерывистым режимом разгрузки определение частоты разгрузки важно для максимальной производительности. Время,, для заполнения дисковой центрифуги выражается выражением:
[3]
Где
- объем твердого груза в л,
- - эффективность разряда,
- скорость подачи в л / мин,
- объем подачи в л / мин.
Первоначальное предположение реализуется, иначе вычисляется и из вычисленного , частота разряда может быть приближена. Контролируя мутность концентрата, можно выполнить дальнейшую точную настройку.
Слив жидкости
В чаше соплового диска концентрат (выход твердого вещества) или сточную жидкость можно отводить центростремительным насосом или насосом для очистки сточных вод. Это дает преимущество в снижении энергии выпускного потока, позволяет контактировать с воздухом, а также снижает пенообразование, особенно когда в жидкости растворен белок. [3]
Эвристика
Эвристические методы проектирования процесса
[10] В процессе проектирования многие важные решения принимаются на основе опыта и эвристики. На разработку процесса влияет множество факторов. Кроме того, процессы будут модифицированы в соответствии с производственными, рыночными и экологическими требованиями. Доступный эвристический метод, помогающий спроектировать процесс разделения (центрифуга с конической тарелкой), называется методологией Дугласа (1988).
Методология Дугласа использует трехуровневую иерархическую систематическую процедуру, в которой может применяться эвристика. Трехуровневые схемы процесса:
- 1. Основное внимание уделяется технологической схеме, которая включает расчет характерных размеров.
- 2. Подробный проект технологического процесса (P&ID), который обеспечивает поток массы и энергии, а также технические характеристики оборудования.
- 3. Механическое проектирование (конструкция оборудования).
Метод Дугласа подходит для моделирования центробежного процесса с конической пластиной, поскольку он разбивает сложную конструктивную задачу на простые части.
Возможные эвристики для центрифуги с коническими тарелками
Модификация конкретного проекта в соответствии с эвристикой (эмпирическим правилом) для конкретного процесса является одним из эффективных методов, которые необходимо применить. Возможные эвристики, которые можно использовать при проектировании определенных частей центрифуги с коническими пластинами:
Оборудование
- Требуется хорошая жесткость, которая может быть достигнута за счет большого количества конических дисков с соответствующей толщиной стенки. [1]
- Расстояние между дисками составляет от 0,4 до 0,75 мм, точное расстояние определяется обрабатываемой жидкостью и ее совместимостью с твердыми частицами, которые необходимо отделить от жидкости. [10]
- Для фильтрации со средней скоростью используются центрифуги дискового типа. [11]
- Для медленной фильтрации шламов используются центрифуги-отстойники. [11]
Насадки
- Диапазон размеров сопла составляет от отверстий диаметром 0,5 мм (для небольших центрифуг) до отверстий диаметром 3,2 мм (для центрифуг большего размера). [12]
- Количество сопел на центрифугу зависит от размера центрифуг, который обычно составляет от 12 до 24 мм. Количество форсунок должно быть выбрано таким образом, чтобы избежать скопления твердых частиц между соседними форсунками, которые могут накапливаться в стопке дисков и нарушать ее эффективность осветления. [12]
- Минимально допустимый размер сопла как минимум в два раза больше диаметра самой крупной частицы, которая должна быть выброшена. [12]
Кормить
- Жидкости с небольшой долей взвешенных веществ. [13]
- Твердо-жидкую смесь, выходящую из трехфазного реактора, разделяют с помощью центрифуги с коническими тарелками. Твердое вещество направляется в систему отделения твердых частиц, а жидкость - в систему отделения жидкости. [13]
Продукт
- Низкое содержание влаги во влажных лепешках. [14]
- Допускаются твердые частицы в маточном растворе (шламе). [14]
Материал конструкции
- Для высокоскоростной сепарации и высококоррозионного процесса суспендирования используется высокопрочная нержавеющая сталь (такая как дуплекс и дуплекс более высокого качества) для изготовления чаши и принадлежностей. [12]
- Для жидкости , которая содержит абразивные мелкие частицы, участки , которые склонны к износу и разрыв необходимости должны быть защищено от вольфрама карбида и никеля основанного сплавов. Уплотнение с использованием специального керамического материала также необходимо при работе с жидкостью с мелкими абразивными частицами. [12]
Производство потока отходов
Центрифуга с коническими пластинами производит шлам, который необходимо обработать перед утилизацией. Обработка осадка представляет собой сгущение, обезвоживание, сбраживание, сушку и разрушение, которые могут действовать как последующая обработка процесса центрифугирования на конической тарелке. Дальнейшая проработка этих постобработок:
Сгущение осадка
Сгущение ила путем гравитационного осаждения и динамического используется для минимизации объема ила. Сырье с содержанием твердого вещества 0,8% может быть сгущено до содержания твердого вещества 4%, что означает пятикратное уменьшение объема осадка. Это, в свою очередь, помогает оптимизировать следующие этапы за счет уменьшения размера конструкции и эксплуатационных расходов. [15] [16]
Сгущение осадка с помощью центробежной силы является одним из наиболее распространенных процессов. Существует два типа центрифуг, предназначенных для сгущения ила, и оба метода зависят от одного и того же принципа разделения твердой и жидкой фаз. Первый метод - это « центрифуга с твердой чашей », горизонтально расположенный винтовой шнек, который пропускает ил, удаляет твердые частицы противотоком, позволяя жидкостям проходить. Подвижный вал состоит из набора спиральных спиралей, которые толкают твердые отходы против потока поступающего ила. По мере того, как твердое содержимое начинает накапливаться, оно становится слишком тяжелым и затем падает в сборную корзину. Видео иллюстрирует этот процесс.
Конструкция центрифуги в основном зависит от критериев производительности и потока твердых частиц. [15] [16]
Обезвоживание осадка
Обезвоживание осадка можно осуществить с помощью электроосмоса или центрифугирования. Перед обезвоживанием загустевший ил сначала кондиционируется. Это необходимо для увеличения размера частиц и нарушения сцепления между веществом и водой для лучшего обезвоживания. [15]
Пищеварение
Целью сбраживания является уменьшение количества ила, увеличение его сухости и стабилизация ила. Кроме того, он обеспечивает оценку зеленой энергии за счет производства биогаза . Условия переваривания зависят от количества и характера осадка. [15]
Сушка осадка
Сушка осадка необходима для удаления оставшейся воды, доступной из-за механических ограничений во время обезвоживания осадка. На процесс термической сушки влияет конкретное поведение (зависит от достигаемой степени сушки) осадка. [15]
Уничтожение осадка
При уничтожении ила все органические вещества, присутствующие в иле, разрушаются, а во время разрушения образуется пар и электричество . [15]
Новая разработка
Высокая эффективность разделения центрифуги является результатом сочетания центробежной силы и встроенной пластины уплотнения, как правило, конической дисковой пластины. Таким образом, новые разработки обычно делают упор на эти две области.
Производство биодизеля
Новая полугерметичная центрифуга была спроектирована таким образом, чтобы давление на входе в систему могло быть как можно более низким за счет сохранения выходных отверстий открытыми, что снижает перепад давления в сепараторе. Стационарный напорный диск, установленный на выходе, также позволяет работать при низком давлении. Еще одним преимуществом этой конструкции является низкий уровень шума за счет резинового демпфирующего узла, рамы с кожухом и внешнего стакана. [17]
Очистки сточных вод
Еще одна недавняя разработка центрифуги с коническими тарелками - это обезвоживание осадка. Благодаря широкому диапазону вариантов конструкции, позволяющих изменять конкретные конструкции для соответствия различным применениям, на стороне разгрузки твердых частиц декантера были установлены перегородки . Чаша становится почти полной твердыми частицами вместо того, чтобы иметь неглубокий слой на периферии барабана, и выпуск твердых частиц становится более сухим. [18]
Нефтегазовая промышленность
Общество инженеров-нефтяников (SPE) разработало новый пакет пластин с вертикальными пластинами, изготовленными из 360 пластин из нержавеющей стали, удерживаемых опорной втулкой пластин. Он расположен параллельно оси центрифуги. Повышение центробежной эффективности достигается на основе предварительно запущенной программы компьютерного моделирования. Это доказано экспериментально, когда концентрация нефти в сточных водах снизилась примерно на 25%. Дальнейшее улучшение пакета пластин может привести к снижению концентрации нефтесодержащих стоков более чем на 40% и кажется возможным. [19]
Рекомендации
- ^ a b c d e f g h я Диккенсон, К. (1994). Справочник по фильтрам и фильтрации . Великобритания: Elsevier Advanced Technology.
- ^ а б в г д е «Технология дискового сепаратора Альфа Лаваль».(доступно в Интернете: http://www.alfalaval.com/industries/food-dairy-beverages/food/Documents/PCHS00022%20Disc%20Stack%20Centrifuges.pdf [ постоянная мертвая ссылка ] ) [получено 10 октября 2013 г.] [ мертвая ссылка ]
- ^ Б с д е е г ч I Леунг, В. (2007). «Дисковые центрифуги в центробежном разделении в биотехнологии». Центробежное разделение в биотехнологии : 59–94. DOI : 10.1016 / B978-185617477-0 / 50004-5 . ISBN 9781856174770.
- ^ ван дер Линден, Йоханнес Петрус (5 февраля 1987 г.). «Жидкостно-жидкостное разделение в центрифугах с тарельчатыми дисками» . Колледж ван Деканен.
- ^ Типы и области применения промышленных центрифуг .
- ^ а б Альфа Лаваль (2010 г.). «Альфа Лаваль добавляет герметичную центрифугу для культивирования клеток». Химик-производитель. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ а б Catalano, S .; и другие. «Центрифуги» . Энциклопедия химико-технологического оборудования.(Доступно в Интернете по адресу: http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsMechanical/Centrifuges/Centrifuges.html ) [получено 13 октября 2013 г.]
- ^ а б Р.Г., Харрисон; и другие. (2003). «Наука и техника биоразделений». Издательство Оксфордского университета .
- ^ а б Wang, Y .; и другие. (2003). «Китайская партикуология». Непрерывная ультратонкая классификация в центрифуге с дисковым пакетом и соплом - влияние перегрузок и геометрии диска . 1 (2): 70–75. DOI : 10.1016 / S1672-2515 (07) 60111-0 .
- ^ а б Валас, С. (1990). «Эвристика в химической технологии». Баттерворт Хайнеманн .
- ^ а б Чен, К. «Эвристика для синтеза процессов». Кафедра химического машиностроения Тайваня .
- ^ а б в г д «Центробежная сепарация в биотехнологии». Дисковая центрифуга. Отсутствует или пусто
|url=
( справка ) - ^ а б Rajagopal, S .; Дуглас, Н. (1992). «Иерархическая процедура для концептуального проектирования процесса твердых тел» (Департамент химического машиностроения). Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ а б Шантини, Р. (2013). «Последующая обработка (восстановление и очистка)».
- ^ а б в г д е Дегремонт. «Сбраживание ила, образующегося при очистке воды». Суэцкая среда .
- ^ а б «Процесс сгущения центробежного осадка». Система сточных вод . 2013.
- ^ Альфа Лаваль. "Центрифуга с дисковым штабелем большой емкости для производства биодизеля".
- ^ Сазерленд (июнь 2009 г.). «Что нового в центрифугах?». Технология фильтрации и сепарации .
- ^ Plat, R .; В. Ван ден Брук (1991). «Новая конструкция пакета планшетов приводит к повышению эффективности разделения центрифуги». Общество инженеров-нефтяников. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь )(с: http://www.onepetro.org/mslib/servlet/onepetropreview?id=00022832 )