ЦЕНТРИФУГА

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для разделения жидких неоднородных систем - суспензий или эмульсий в центробежном поле и может найти применение в химической, нефтехимической, горнодобывающей, машиностроительной, металлургической и фармацевтической промышленности, строительной индустрии, а также в экологических процессах очистки промышленных и хозяйственных сточных вод.
Известны конструкции трубчатых центрифуг, включающих корпус в виде массивной станины, длинный трубчатый ротор, упругоподвешенный на валу с вертикальной осью вращения и плавающей нижней опорой. Внутри ротора находится трех- или четырехлопастная крыльчатка, вращающаяся вместе с ротором от электродвигателя через привод, обеспечивающий частоту вращения ротора от 10 до 20 тысяч оборотов в минуту. При работе центрифуги суспензия (или эмульсия) попадает через сопло питающей трубы в нижнюю часть ротора и вращаясь вместе с ним течет вдоль стенок ротора в осевом направлении, а очищенная жидкость - фугат - через выходные отверстия в головке ротора выводится в сливную камеру. Положение поверхности слоев очищенной жидкости и осадка в роторе регулируется сменным кольцом на выходе. (Шкоропад Д.Е. Центрифуга для химических производств. - М: Машиностроение, 1975, 246 с, с 139-141).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится сложность конструкции, связанная с высокими скоростями вращения ротора и его балансировки.
Известна конструкция центрифуги, применяемая в способе сгущения суспензии с использованием рециркуляции части потока сгущенной фракции. Центрифуга включает в себя корпус, патрубок с отверстием ввода исходной суспензии, кольцевую камеру сбора с выходным патрубком 5 осветленной фракции и кольцевую камеру сбора сгущенной фракции и рециркулята в кольцевом разрыве между которыми размещена кольцевая камера сбора концентрата с наклонным дном и выходным отверстием в его нижней части, подшипниковую опору и привод с муфтой. В опоре закреплены вертикальный вращающийся вал с конусообразным ротором, и транспортирующим устройством с осевым отверстием и конусообразной обечайкой. (Патент РФ №2049521, В07Д 21/26, В04В 11/02, 1995 г.)
К причинам, препятствующим достижению данного технического результата, относится сложность конструкции, связанная с трудностями многочисленного рецикла сгущенной суспензии, вязкость которой непрерывно повышается с ростом концентрации частиц дисперсной фазы в каждой следующей ступени рецикла. Кроме того, это приводит к высоким энергозатратам и малой производительности по очищенной жидкости из-за периодичности самого процесса сгущения суспензии.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является фильтрующая центрифуга, содержащая корпус, установленный внутри него ротор, и размещенное внутри ротора кольцо и трубу для подачи фильтруемой жидкости, при этом кольцо жестко закреплено на верхней части корпуса и имеет равномерно перфорированную боковую поверхность, а отношение радиуса кольца к радиусу ротора постоянно по высоте и составляет
r/R=0,85÷0,96,
где r и R соответственно радиусы кольца и ротора (Патент на полезную модель №88292 РФ, В04В 3/00, 2009 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность конструкции, связанная с регенерацией фильтровальной боковой поверхности ротора и трудности регулирования качества фугата, связанные с заменой фильтровальной поверхности.
Техническим результатом предлагаемой центрифуги является увеличение степени очистки от дисперсной фазы путем рецикла фугата.
Поставленный технический результат достигается тем, что в центрифуге, содержащей корпус, установленный внутри него ротор, размещенное внутри ротора кольцо и трубу для подачи фильтруемой жидкости, при этом кольцо жестко закреплено в нижней части ротора и к нижнему торцу кольца герметично прикреплен диск с центральным отверстием, а над диском дополнительно установлена труба для рецикла фугата.
Жесткое закрепление кольца в нижней части ротора позволяет подводить к стенке ротора жидкость с частицами или каплями дисперсной фазы как в обычной отстойной центрифуге с отделением частиц или капель на стенку ротора под действием центробежной силы при максимальной длине и времени пребывания фугата в центробежном поле, что увеличивает степень очистки от дисперсной фазы.
Герметичное прикрепление диска с центральным отверстием к нижнему торцу кольца позволяет, во-первых, подавать очищаемую жидкость под кольцо в нижнюю часть ротора, а во-вторых, фугат подавать в виде рецикла над кольцом, не смешивая их. Дополнительная установка трубы для рецикла фугата над диском позволяет стабилизировать потоки очищаемой жидкости и фугата, подаваемого на рецикл на стенке кольца, с образованием на выходе из кольца устойчивого кольцевого течения очищаемой жидкости у стенки ротора, и фугата, подаваемого на рецикл, на свободной поверхности очищаемой жидкости, что увеличивает степень очистки от дисперсной фазы.
Все вышесказанное в предлагаемой конструкции центрифуги приводит к уменьшению относительной толщины слоя очищаемой жидкости внутри ротора, а значит и времени центробежного осаждения, что приводит к увеличению степени очистки очищаемой жидкости от частиц или капель дисперсной фазы без увеличения скорости вращения ротора, или использования менее проницаемой для частиц фильтровальной поверхности.
Таким образом, увеличение степени очистки жидкости обеспечивается простым изменением расхода, а значит толщиной слоя фугата, подаваемого на рецикл через дополнительно установленную трубу для фугата, что позволяет увеличить степень очистки без применения фильтровальной поверхности ротора и высокого числа его оборотов.
На фигуре представлен общий вид в разрезе центрифуги с коническим ротором.
Центрифуга состоит из неподвижного корпуса 1 для приема фугата, внутри которого на валу 2 установлен конический ротор 3. Внутри ротора 3 установлена труба 4 для подачи очищаемой жидкости и труба 5 для рецикла фугата. Внутри ротора 3 осесимметрично с ним в нижней части установлено кольцо 6 на стойках 7. К нижнему торцу кольца 6 герметично прикреплен диск 8 с центральным отверстием. Нижний конец трубы 4 опущен через это центральное отверстие под диск 8, а нижний конец трубы 5 установлен над диском 8, чтобы предотвратить попадание осевших на стенку ротора 3 частиц суспензии в фугат. В верхней части ротора 3 установлен отражатель 9 для предотвращения попадания уловленных частиц или капель в фугат. Для отвода фугата из корпуса 1 установлен патрубок 10. Для сбора фугата установлен бак 11. Для отвода части фугата из бака 11 на рецикл установлен насос 12, а для регулирования расхода этого рецикла установлен вентиль 13.
0
Центрифуга работает следующим образом. При вращении вала 2 с угловой скоростью w вместе с ним вращается ротор 3. По трубе 4 подают очищаемую жидкость под диск 8, которая под действием центробежной силы прижимается к боковой стенке ротора 3 и поднимается по ней вверх. Частицы или капли дисперсной фазы при этом осаждаются на боковую стенку ротора 3 и накапливаются в нем как в обычной отстойной центрифуге, так как кольцевой отражатель 9 предотвращает перетекание этих частиц через верхний край ротора 3 в фугат. Сама очищаемая жидкость имеет переменную толщину д в коническом роторе (показана пунктирной линией).
По дополнительной трубе 5 выше диска 8 подают на рецикл фугат из емкости 11 с помощью насоса 12, расход которого регулируют вентилем 13.
p
В соответствии с расходом рецикла фугата, подаваемого по трубе 5, он центробежной силой прижимается к внутренней стенке кольца 6 и поднимается вверх, образуя внутренний слой фугата на поверхности очищаемой жидкости кольцевой слой переменной толщины д.
0
0
0
р
Так как в фугате, подаваемом на рецикл, нет частиц или капель дисперсной фазы, то частицы осаждаются в центробежном поле только из слоя очищаемой жидкости, толщиной д. Путь осаждения этих частиц равен д и он меньше пути осаждения при обычном отстойном центрифугировании и равном суммарной толщине д=д+д. Значит и время осаждения частиц дисперсной фазы в центрифуге предлагаемой конструкции меньше, чем в обычной отстойной центрифуге. Так как основное условие улавливания частиц при осаждении, в том числе в центрробежном поле описывается формулой
пр
0
ф≥ф,
пр
0
где ф и ф - соответственно время пребывания и время осаждения частиц,
то уменьшение пути и времени осаждения частиц позволяет улавливать в предлагаемой центрифуге частицы более тонких фракций.
Степень улавливания частиц легко регулируется изменением расхода фугата, подаваемого на рецикл, с помощью вентиля 13. В обычных центрифугах для этого требуется изменить число оборотов ротора 3, что технически сложнее и требует увеличения прочности ротора.
Таким образом, предлагаемая конструкция центрифуги позволяет увеличить степень очистки суспензий и эмульсий путем изменения расхода фугата, подаваемого на рецикл, а не изменением числа оборотов ротора, что гораздо сложнее и применяется в отстойных центрифугах.
Предлагаемая конструкция центрифуги позволяет несложно модернизировать существующие конструкции отстойных центрифуг, используемых в промышленности. Для этого достаточно дополнительно установить трубу 5 для подачи части фугата на рецикл из бака фугата 11 и регулировать расход фугата вентилем 13 так, чтобы обеспечивать заданную степень очистки очищаемой жидкости.