Центрифугирование

разделение в поле центробежных сил жидких дисперсных систем с частицами размером более 100 нм. Используют для выделения составляющих фаз (жидкая - фугат или фильтрат, твердая - осадок) из двухкомпонентных (суспензии, эмульсии) и трехкомпонентных (эмульсии, содержащие твердую фазу) систем. Методы и аппаратура. Различают два метода Ц. Центробежное осаждение и фильтрование. Ц. Проводят в центробежных машинах - центрифугах и жидкостных центробежных сепараторах. Осн. Рабочий орган этих машин - осесимметричная оболочка, или ротор (барабан), вращающийся с большой частотой с -1, благодаря чему создается поле центробежных сил до 2 х 104g в промышленных и до 35 х 104 gв лабораторных машинах (g - ускорение своб. Падения в гравитац.

Поле). В зависимости от метода Ц. Осуществляется в сплошных (осадительных. Рис. 1, а)или перфорированных (покрытых фильтрующим материалом. Рис. 1, б)роторах. Рис. 1. Роторы машин для центробежного осаждения (а) и фильтрования ( б). С - суспензия, Ф - фугат (фильтрат), О - осадок. Пояснение в тексте, r ж -радиус свободной поверхности жидкости. Ц. Характеризуется рядом технол. Параметров, определяющих качество процесса и его кинетику. К ним относятся. Фактор разделения (r рт - макс. Внутр. Радиус ротора), отражающий интенсивность центробежного поля. Скорость Ц. - производительность центробежной машины по исходной жидкой системе или составляющим ее компонентам. Унос - содержание твердой фазы в фугате (фильтрате). Насыщенность осадка жидкой фазой (в т.

Ч. Влажность осадка) после Ц. Крупность разделения - миним. Размер частиц, улавливаемых при центробежном осаждении. Кинетика Ц. Зависит от мн. Факторов, классифицируемых на две группы. Факторы первой группы определяются физ.-хим. Cв-вами разделяемой системы (разность плотностей фаз, гранулометрич. Состав твердой фазы, вязкость жидкой фазы, уд. Сопротивление осадка при фильтровании). Факторы второй группы, обусловленные конструкцией и частотой вращения ротора центробежной машины (структура внутрироторного потока, его гидродинамика и поле скоростей), оказывают решающее влияние на центробежное осаждение и отчасти на центробежное фильтрование. В свою очередь гидродинамич. Режим зависит от производительности машины. Мат. Описание потока дается ур-ниями Навье - Стокса и неразрывности (см.

Гидромеханические процессы), к-рые составляются с учетом геометрии ротора и граничных условий. Решение зачастую находится методами подобия теории. Центробежное осаждение включает осветление, сгущение, а также осадительное Ц. Осветление - удаление твердой фазы из суспензий с содержанием частиц не более 5% по объему. Используют для очистки, напр., нефтяных масел. Сгущение - процесс, при к-ром частицы дисперсной фазы группируются в относительно малом объеме дисперсионной среды. Позволяет осуществлять концентрирование суспензий (напр., водная суспензия каолина). Осадительное Ц. -разделение суспензий с содержанием твердой фазы более 5-10% по объему. Применяют преим. Для обезвоживания твердых компонентов (напр., CaSO4).

При центробежном осаждении движение твердых частиц происходит под действием центробежной силы (d - диаметр частицы;- разность плотностей твердой и жидкой фаз. R - расстояние от частицы до оси вращения ротора) и силы сопротивления жидкой среды S. Соотношение этих сил определяет скорость осаждения w. При ламинарном режиме, характерном для осветления, сила Sвыражается законом Стокса. И где динамич. Вязкость жидкой фазы. Для турбулентного режима при осаждении крупных частиц высококонцентрир. Суспензий сила Sнаходится из ур-ния:(- коэф. Лобового сопротивления. Р ж - плотность жидкой фазы). Гидродинамика потока определяет время пребывания частиц в роторе, aw- время осаждения. Сопоставление этих величин позволяет найти крупность разделения.

Центробежное фильтрование происходит с образованием или без образования осадка на фильтровальной перегородке, а также при одновременном протекании в ее зонах обоих процессов. Наиб. Эффективно для получения осадков с миним. Влажностью. Процесс принято делить на три периода. Образование осадка, удаление из него избыточной жидкости и удаление жидкости, удерживаемой межмол. Силами (мех. Сушка осадка). Первый период охватывает центробежное осаждение и фильтрование через слой образовавшегося осадка. Для расчета кинетики процесса используют закон Дарси - Вейсбаха. Движущая сила (перепад давления ) определяется центробежным полем, действующим на суспензию. Где - плотность суспензии. R ж - радиус своб. Пов-сти жидкости (рис. 1, б).

На оказывает влияние проскальзывание жидкости над слоем осадка. Период может протекать при разл. Режимах. Наиб. Характерны режимы при постоянных и производительности по суспензии. Второй и третий периоды зависят от большого числа факторов, связанных с уплотнением осадка, формой его поровых каналов и др. Построение их мат. Моделей крайне затруднено. Из-за сложности Ц. Производительность центробежных машин оценивают чаще всего путем моделирования по т. Наз. Индексу производительности подразумевая под Fв первом приближении площадь боковой пов-сти ротора. Физ. Смысл заключается в том, что по аналогии с осаждением в отстойниках производительность центрифуг также пропорциональна площади рабочей пов-сти, однако за счет центробежного поля увеличивается на фактор Fr.

В зависимости от конструктивных особенностей ротора для машин каждого типа определяется своим ур-нием и используется при перерасчете производительности с одного типоразмера центрифуги на иной. Моделирование осуществляется при геом. Подобии роторов и идентичности определяющих критериев процесса. Рис. 2. Центрифуга непрерывного действия. а - осадительная шнековая. б - фильтрующая шнековая. в - с пульсирующей выгрузкой осадка. Г - инерционная. д - вибрационная. е - прецессионная. 1 - ротор. 2 -механизм выгрузки. По сравнению с др. Методами разделения (отстаивание, фильтрование) Ц. Позволяет получать осадки с меньшей влажностью. При центробежном осаждении в отличие от фильтрования удается разделять суспензии (напр., в произ-вах лакокрасочных материалов) с тонкодисперсной твердой фазой, миним.

Размер частиц к-рой составляет 5-10 мкм. Важное достоинство Ц. - возможность его проведения в аппаратуре относительно малых объемов. Недостаток - высокая энергоемкость. Пром. Центрифуги различают. По принципу разделения -осадительные, фильтрующие и комбинированные. По конструктивному исполнению - преим. По расположению ротора и системе выгрузки осадка (шнек. Толкатель, или поршень. С использованием сил инерции). По организации процесса -периодического или непрерывного действия. Ц. В машинах периодич. Действия осуществляется циклически в роторах с иногда регулируемой ножевой или ручной выгрузкой осадка. На рис. 2 представлены принципиальные схемы разделения суспензий в машинах непрерывного действия. Осадительные шнековые центрифуги (рис.

2,а) предназначены для разделения суспензий с нерастворимой твердой фазой (напр., полиэтилен, полистирол, осадки сточных вод), обезвоживания кристаллич. И зернистых продуктов, классификации (напр., ТiO2), сгущения (напр., активный ил). Процесс происходит в сплошном роторе. Осадок непрерывно выгружается шнеком, вращающимся с частотой Для этих центрифуг Fr600-3500. Фильтрующие шнековые центрифуги (рис. 2, б)распространены при разделении высококонцентрир. Суспензий с крупнозернистой твердой фазой (размер частиц более 0,2 мм, напр. Глауберова соль). Ц. Производится в каркасном роторе с листовым ситом, через к-рое отводится фильтрат. Осадок выводится из ротора шнеком под действием разности частот вращения Высокие значения Fr (1200-1800) позволяют получать продукты с миним.

Влажностью. Фильтрующие центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка (рис. 2, в)применяют в осн. Для тех же целей, что и фильтрующие шнековые. Благодаря наличию толстого слоя осадка на колосниковом сите одно- или многокаскадного ротора удается осуществлять глубокую промывку продукта (напр., КС1, сахар-рафинад). Осадок выгружают посредством толкателя, совершающего возвратно-поступат. Движение с линейной скоростью v. Fr300-700. В инерционных центрифугах (рис. 2, г) осадок из ротора удаляется за счет составляющей центробежного поля. В вибрационных центрифугах (рис. 2, д) - благодаря вибрации ротора вдоль оси со скоростью v. Впрецессионных центрифугах (рис. 2, е) - вследствие гироскопич. Движения ротора с частотами вращения и Машины всех типов используют для центробежного фильтрования высококонцентрир.

Суспензий с крупнокристаллич. Твердой фазой (напр., минеральные удобрения, уголь гидродобычи, сахарный песок). Разновидность Ц. Разделение суспензий и эмульсий в центробежных сепараторах. Их роторы снабжены пакетом конич. Тарелок, установленных по отношению друг к другу с небольшим зазором (0,4-1,5 мм). Высокая степень разделения достигается благодаря его протеканию в тонком слое межтарелочного зазора при ламинарном режиме. Тонкодисперсные суспензии (присадки к маслам, гормональные препараты, антибиотики и др.), содержащие 0,5-4,0% по объему мех. Примесей, осветляются в сепараторах-очистителях (рис. 3, а). Твердая фаза, собираясь в шламовом пространстве ротора, периодически удаляется из него при открытии днища (поршня).

Центробежное сгущение (напр., кормовые и пекарские дрожжи) производится в сепараторах-сгустителях (рис. 3, б). Сгущенная фракция непрерывно выводится через сопла по периферии ротора, а осветленная - через верх. Зону. Для разделения эмульсий (напр., нефтяные шламы, эпоксидные смолы) применяют сепараторы-разделители (рис. 4), в роторах к-рых предусмотрен пакет тарелок с отверстиями, расположенными на границе раздела тяжелой и легкой жидкостей. Компоненты (фугаты Ф 1 и Ф 2) выводятся раздельно. При наличии в эмульсии твердой фазы используют универсальные роторы с выгрузкой осадка в соответствии с рис. 3, аили вручную. По аналогии с центрифугами разделяющая способность сепараторов оценивается индексом производительности где z - число тарелок в пакете;- половина угла конуса тарелки при вершине.

R макс, R мин - наружный и внутр. Радиусы тарелки. Моделирование процессов в сепараторах осуществляется, как и в центрифугах, по индексу производительности Рис. 3. Сепараторы для разделения суспензий. На рис. Совмещены сепаратор-очиститель (а)и сепаратор-сгуститель ( б). 1 - ротор. 2 - пакет тарелок. 3 - подвижное днище. Рис. 4. Сепаратор для разделения эмульсий. 1 - ротор. 2 - пакет тарелок. Ф 1 и Ф 2 - фугаты. Э - эмульсия. Для изучения центрифугальных процессов в лаборатории используют модели пром. Центрифуг и сепараторов с диаметром ротора 150-250 мм, а также т. Наз. Стаканчиковые центрифуги (ротор состоит из ряда пробирок - стаканчиков). Эти малогабаритные образцы позволяют экспериментально определять не только производительность пром.

Машин, но и возможность выгрузки осадков из роторов, конечную влажность продукта, унос. Исследования проводятся с небольшими объемами продуктов на спец. Стендах. Стаканчиковые центрифуги используют для оценки времени осаждения частиц при разл. Fr. Совр. Центрифугальная техника имеет тенденцию к росту частот вращения роторов, повышению производительности, снижению уд. Металле- и энергоемкости. Производительность машин возрастает благодаря совершенствованию гидродинамики роторов, увеличению их длины (в осадительных центрифугах) и высоты пакета (в сепараторах). Возрастают диаметры роторов в крупнотоннажных машинах. Создаются ком-бинир. Роторы, в конструкциях к-рых совмещаются разл. Методы Ц. Внедряются микропроцессорные системы управления и регулируемые приводы, обеспечивающие Ц.

В оптим. Режимах. Ц. Широко распространено в технол. Процессах хим.-лесного комплекса, пищевых, текстильных и др. Произ-вах. Ц. Играет важную роль в решении экологич. Проблем (очистка коммунальных и пром. Стоков), в ресурсосберегающих технологиях. Лит. Соколов В. И., Центрифугирование, М., 1976. Шкоропад Д. Е., Новиков О. П., Центрифуги и сепараторы для химических производств, М., 1987. И. А. Файнерман. Ультрацентрифугирование - метод разделения и исследования частиц размером менее 100 нм (макромолекул органелл животных и растит. Клеток, вирусов и др.) в поле центробежных сил. Позволяет разделять смеси частиц на фракции или индивидуальные компоненты, находить мол. Массу и ММР полимеров, плотность их сeльватов. Дает возможность оценивать форму и размеры макромолекул в р-ре (см.

Дисперсионный анализ), влияние статич. Давления на стабильность частиц, параметры взаимод. Типа ассоциация - диссоциация макромолекул друг с другом или с молекулами низкомол. Компонентов и ионами, влияние природы р-рителя на кон-формации макромолекул и др. Осуществляется с помощью ультрацентрифуг, снабженных полыми роторами, полости к-рых бывают замкнутыми и проточными. Различают скоростное и равновесное ультрацентрифугирование. В первом случае частицы движутся по радиусу ротора соотв. Своим коэф. Седиментации, в первом приближении пропорциональным массе частицы, разности плотностей частицы и жидкости при частицы перемещаются от оси вращения ротора к периферии (седиментируют), при - в сторону оси вращения (флотируют).

При равновесном ультрацентрифугировании перенос частиц по радиусу продолжается до тех пор, пока сумма хим. Потенциала и молярной потенциальной энергии в каждой точке системы не станет постоянной величиной, после чего распределение частиц перестанет изменяться. Т. Наз. Аналит. Ультрацентрифугирование применяется при анализе р-ров, дисперсий и производится посредством аналит. Ультрацентрифуг, снабженных роторами с оптически прозрачными замкнутыми резервуарами и оптич. Системами для определения концентрации или ее градиента по радиусу ротора во времени. Исследуемые объемы - от 0,01 до 2 мл при массе частиц от неск. Мкг до мг. Препаративное ультрацентрифугирование используют для выделения компонентов из сложных смесей.

Объем жидкости и масса исследуемого образца м. Б. На неск. Порядков больше, чем при аналит. Ультрацентрифугировании. Центробежные ускорения в ультрацентрифугах достигают 5 x 105g. Первая аналит. Ультрацентрифуга была создана Т. Сведбергом (1923. 5 x 103g). Лит. Боуэн Т., Введение в ультрацентрифугирование, пер. С англ., М., 1973. А. Д. Морозкин.