Proiectarea Centrifugei de Filtrare

1. Tema şi datele de proiectare

Să se proiecteze o centrifugă de sedimentare verticală cu 3 coloane

cu următoarele caracteristici:

- diametrul tamburului D=1300 mm;

- înălţimea tamburului H=950 mm;

- turaţia tamburului n=500 rot/min;

- densitatea fazei solide s=2200 kg/m3;

- densitatea fazei lichide l=1050 kg/m3;

- concentraţia fazei solide în suspensie =33 %;

- umiditatea finală a sedimentului f=13 %;

- materialul de construcţie al tamburului: oţel inoxidabil.

2. Noţiuni generale

Centrifugarea este un procedeu mecanic care permite accelerarea

Separării unor sisteme eterogene, ca: suspensii (solide dispersate în lichide), emulsii(dispersia, sub formă de picături fine, a unui lichid în altul), amestecuri de gaze etc. Maşinile care realizează centrifugarea pot fi centrifuge, supracentrifuge sau ultracentrifuge.

Forţa centrifugă poate fi utilizată însă şi pentru separarea fazelor în procesul de concentrare prin evaporarea unor substanţe termolabile. Forţa centrifugă asigură în acest caz un contact pe durată mică (sub o secundă) a filmului subţire de lichid (sub 0,1 mm) cu suprafaţa fierbinte a tamburului.

Separarea componentelor unei suspensii se poate face prin:

- sedimentare, adică prin acţiunea diferenţială a gravitaţiei asupra fazelor suspensiei având densităţi diferite; după cum faza dispersă a suspensiei are densitatea mai mare sau mai mică decât faza dispersantă (continuă), particulele suspensiei se depun sau se ridică;

Fig. 1. Separarea componentelor unui amestec solid – lichid prin sedimentare

1 - recipient; 2 - suspensie; 3 - sediment; 4 - strat filtrant.

- filtrare, cu ajutorul unei suprafeţe sau unui strat poros prin care poate trece numai faza fluidă; spre deosebire de sedimentare, filtrarea nu este condiţionată de diferenţa dintre densităţile fazelor care se separă, ci de diferenţa dintre presiunile pe cele două feţe ale stratului filtrant; filtrarea se produce în mod obişnuit în câmpul forţelor de presiune care se realizează datorită presiunii hidrostatice a stratului de suspensie; presiunii pe faţa superioară a stratului filtrant obţinută prin pomparea suspensiei sau cu aer comprimat deasupra stratului de suspensie; depresiunii pe faţa inferioară a stratului filtrant.

Fig. 2. Separarea componentelor unui amestec solid – lichid prin filtrare

1 - recipient; 2 - suspensie; 3 - sediment; 4 - strat filtrant.

La mişcarea pe traiectoria circulară de rază r a unei particule cu

masa m, forţa centrifugă este:

unde este viteza unghiulară, iar este acceleraţia câmpului centrifugal.

Spre deosebire de câmpul de forţe gravitaţional, câmpul forţelor centrifuge este neomogen pe rază (intensitatea lui creşte în lungul razei), iar direcţia forţei centrifuge este radială şi se roteşte cu viteza unghiulară . Intensitatea câmpului de forţe centrifuge poate fi variat prin modificarea lui r sau a lui .

Efectele câmpului de forţe centrifuge sunt calitativ aceleaşi cu cele ale câmpului gravitaţional, intensitatea celui dintâi fiind însă mult mai mare. Raportul intensităţilor celor două câmpuri, exprimat prin raportul acceleraţiilor corespunzătoare, poartă numele de factor de separare (sau factor de eficacitate)

şi arată de câte ori este mai mare intensitatea câmpului centrifugal faţă de cel gravitaţional.

Mărimea adimensională reprezintă inversul criteriului de similitudine Froude (Fr=ql/w2=g/a, unde w – viteza fluidului, a – acceleraţia, l – dimensiune caracteristică procesului de curgere). Centrifugele, în funcţie de valoarea lui pot fi: centrifuge normale ( 3000), supra- şi ultracentrifuge ( >3000).

Cu ajutorul forţei centrifuge se poate accelera sedimentarea, filtrarea, se poate realiza eliminarea înaintată a lichidului dintr-un material solid (de secare), sau sedimentarea unui lichid cu conţinut foarte mic de fază solidă (limpezire centrifugală).

La centrifugare, amestecul eterogen se află în mişcare de rotaţie separarea componentelor efectuându-se fie pe baza diferenţei de densitate dintre faze (sedimentarea centrifugală), fie pe baza presiunii generate de forţa centrifugă a lichidului asupra unui strat filtrant (filtrare centrifugală).

În general centrifugarea se aplică la separarea particulelor mai fine separarea sistemelor disperse cu diferenţă mică între densităţile fazelor. De exemplu, separarea centrifugală a emulsiilor se face fără greutate dacă diferenţa densităţilor fazelor este peste 30%. Dacă această diferenţă scade sub 1% vârtejurile şi curenţii de lichid formaţi perturbă procesul.

Centrifugele sunt maşini care permit realizarea procesului de centrifugare. Partea lor principală o constituie tamburul (cilindric, tronconic, cilindro-conic) în interiorul căruia se introduce suspensia: tamburul este antrenat în mişcare de rotaţie cu viteza unghiulară . La separarea după principiul filtrării, tamburul centrifugei este perforat spre a permite evacuarea filtratului. La separarea după principiul sedimentării tamburul este neperforat. Centrifugarea de sedimentare se aplică în general pentru separarea suspensiilor greu fitrabile, separarea emulsiilor, iar, în unele cazuri pentru separarea componentelor amestecurilor gazoase.

Separarea centrifugală a fazelor poate fi aplicată atât la sisteme macroscopice, cât şi la sisteme microscopice şi coloidale.