ЦЕНТРИФУГА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИИ

Полезная модель относится к центрифугам для разделения жидких неоднородных систем с осадком, в особенности к центрифугам с непрерывным выводом осветленной легкой фракции суспензии - фугата и периодическим выводом сгущенной тяжелой ее фракции - влажного осадка в форме компактной пастообразной струи с концентрацией осадка, больше заданного порогового значения, и может быть использовано в радиохимической, гидрометаллургической, фармацевтической, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен центробежный сепаратор и способ управления периодическим выпуском (патент РФ на изобретение №2577261, В04В1/14, опубликован 10.03.2016 Бюл. №7), содержащий несущую конструкцию, ротор, вращающийся в несущей конструкции вокруг оси вращения и содержащий внутри разделительное пространство с радиально размещенными разделительными пластинами. Центробежный сепаратор содержит впуск, для подачи продукта в виде подлежащей разделению текучей среды, в разделительное пространство, соединенное с впуском посредством давления. Сепаратор содержит первый выпуск из разделительного пространства для выпуска первой фазы продукта, имеющего меньшую плотность, второй выпуск для периодического выпуска второй фазы продукта, имеющего большую плотность, и систему управления выпуском, инициирующую открытие второго выпуска при условии инициирования. Система управления выпуском содержит датчик, для определения входного давления и/или входного расхода продукта. Условие инициирования связано с уменьшением входного потока в связи с входным давлением, указывая увеличение сопротивления потоку ниже по потоку от впуска. Способ для управления периодическим выпуском центробежного сепаратора содержит этапы регистрации давления во впуске центробежного сепаратора, определения расхода продукта, подаваемого в центробежный сепаратор, инициирования открытия второго выпуска, при регистрации условия инициирования, связанного с уменьшением расхода продукта в связи с входным давлением.
Второй выпуск в форме выпускных отверстий в периферийной зоне ротора открывается и закрывается уплотняемым скользящим затвором, аксиально перемещающимся в роторе между двумя граничными позициями, с использованием ввода и вывода вспомогательной технологической жидкости - воды в камерах, расположенных ниже скользящего затвора. Выпуск второй фазы продукта - влажного осадка инициализируется после достижения заданного уровня шлама, собираемого в разделительном пространстве, путем измерения датчиком, зависящих от этого уровня входного давления и/или входного расхода продукта снаружи центробежного сепаратора.
Недостатком центробежного сепаратора и способа управления периодическим выпуском являются усложнение конструкции, обусловленное необходимостью использования вспомогательной технологической жидкости, снижение надежности выпуска второй фазы продукта, в связи с необходимостью уплотнения кольцевых поверхностей скользящего затвора, расположенных на максимальном радиусе ротора, как со стороны вспомогательной технологической жидкости, так и со стороны второй фазы продукта, в особенности, когда она имеет не аморфную, а зернистую и твердую структуру. Кроме того, вторая фаза продукта в форме влажного осадка, вылетая из выпускных отверстий ротора с высокой скоростью, размазывается и налипает по всей окружности стенки и дна несущей конструкции, что вынуждает применять дополнительные скребки и средство их перемещения для сбора и выгрузки осадка из центробежного сепаратора в форме компактного объема с малой удельной на единицу объема площадью поверхности, например, приближенной к форме шара или цилиндра.
Известна центрифуга для разделения жидкой неоднородной смеси (патент РФ на изобретение №2080188, В04В 11/02, опубликован 27.05.1997 Бюл. №15), включающая корпус, имеющий приемную камеру смеси и сборники легкой и тяжелой фракций с отводными патрубками, установленный на вертикальном валу конический ротор, снабженный крышкой, имеющей переливное отверстие для отвода тяжелой фракции, расположенной под крышкой перегородкой, образующей с крышкой камеру отбора тяжелой фракции, сообщенную с зоной разделения ротора посредством переточного отверстия, трубкой для отвода легкой фракции из зоны разделения и транспортирующим средством, расположенным в нижней части ротора и служащим для подвода исходной смеси, и неподвижный трубчатый скребковый элемент для перемешивания тяжелой фракции в камере ее отбора, которая снабжена устройством для подачи сжатого газа в камеру отбора тяжелой фракции, при этом неподвижный трубчатый скребковый элемент подключен к этому устройству и снабжен средством для регулирования количества подаваемого газа в зону камеры, расположенную у переточного отверстия.
Недостатком центрифуги является необходимость использования вспомогательного устройства для подачи сжатого газа, отсутствие контроля концентрации осадка в выводимом из ротора потоке тяжелой фракции суспензии, а также распределение и накопление выводимого из ротора влажного осадка по всей окружности вертикальной стенки и дна сборника тяжелой фракции суспензии, что затрудняет его вывод из этого сборника по выводному патрубку.
Наиболее близкой к предлагаемой является центрифуга для разделения суспензии (патент РФ на изобретение №2027520 В04В 11/02, опубликован 27.01.1995 Бюл. №3), включающая корпус, имеющий приемную камеру суспензии и сборники фугата и легкой фракции осадка с отводными патрубками, установленный на вертикальном валу конический ротор с крышкой, имеющей переливное отверстие, снабженный в нижней части, сообщенной с приемной камерой, транспортирующим средством, расположенным внутри ротора под крышкой разделительным диском, образующим с ней камеру отбора легкой и тяжелой фракций осадка, имеющую входное отверстие, средством для отвода фугата из зоны разделения ротора и трубкой для вывода тяжелой фракции осадка, имеющей горизонтально расположенный в указанной камере отбора заборный участок с входным отверстием и выходной участок, в которой заборный участок этой трубки имеет в поперечном сечении прямоугольную форму и установлен так, что одна из его больших боковых стенок расположена в одной плоскости с осью вращения ротора с противоположной стороны набегающего потока осадка и входное отверстие выполнено в этой стенке. Кроме того, отводной патрубок сборника легкой фракции осадка подключен к приемной камере для ее рециркуляции, а выходной участок трубки для вывода тяжелой фракции осадка снабжен средством для регулирования количества осадка.
Зона разделения ротора - камера разделения образована объемом между ротором и разделительным диском и предопределенно содержит сепарационную насадку, например, в форме нескольких радиальных пластин, предотвращающих азимутальное перемешивание суспензии в ней для ускорения разделения суспензии и увеличения степени ее сгущения - отношения содержания дисперсной фазы суспензии в сгущенном влажном осадке и в исходной суспензии, повышая концентрацию тяжелой фракции осадка при одновременном снижении ее в фугате. Входные отверстия разделительного диска, размещенные в его периферийной зоне, выполняют функцию переточных отверстий, так как предназначены для непрерывной транспортировки через них сгущенного осадка, выделенного в зоне разделения ротора, в том числе транспортирующегося самопроизвольно по конусной поверхности ротора в форме слоя влажного осадка в камеру отбора легкой и тяжелой фракций осадка. Трубка для вывода тяжелой фракции влажного осадка и отводной патрубок сборника легкой фракции осадка входят в состав канала транспортировки осадка из вращающегося ротора наружу центрифуги в форме двух компактных струй. Переливное отверстие крышки, предназначенное для вывода из ротора потока легкой фракции осадка, расположено в ее приосевой зоне и выполнено концентрично валу с образованием кольцевого зазора, в котором размещен заборный участок трубки.
Недостатком центрифуги является уменьшение производительности и степени сгущения суспензии, связанные с рециркуляцией уже отделенной легкой фракции обратно в зону разделения ротора и обусловленные этим увеличение нагрузки на процесс разделения суспензии и уменьшение скорости отделения осадка в связи со стесненным его осаждением, возможность закупорки осадком трубки для вывода тяжелой фракции и нарушения работы центрифуги, связанные с ее неподвижными и протяженными по длине стенками между входным и выходным отверстиями, малой величиной сечения этой трубки и малым перепадом давления между ее входным и выходным отверстиями, а также возможность нарушения работы центрифуги, связанная с возможной закупоркой осадком отверстий разделительного диска в связи с отсутствием постоянного контроля концентрации тяжелой фракции осадка в камере отбора его легкой и тяжелой фракций перед его выгрузкой.
Целью полезной модели является увеличение концентрации выгружаемого влажного осадка и надежности его выгрузки, автоматизация выгрузки осадка с концентрацией, больше заданного порогового значения и независимо от содержания осадка в исходной суспензии, и увеличение производительности центрифуги.
Поставленная цель достигается в центрифуге для разделения суспензии, включающей корпус с приемной камерой суспензии и сборником фугата с входным и отводным патрубками соответственно, подшипниковую опору с фланцем и приводом вала, установленного вертикально в подшипниковой опоре, с жестко закрепленными на нем коническим ротором, разделительным диском с переточными отверстиями, образующим с ротором камеру разделения с размещенными в ней сепарационной насадкой и средством отвода фугата с переливной кромкой и отверстием, крышкой с концентричным валу отверстием, образующей с диском камеру отбора осадка, средством транспортировки суспензии, закрепленным в нижней части ротора и размещенным в приемной камере суспензии, закрепленное в подшипниковой опоре устройство с каналом вывода осадка, включающее внутрироторный участок, размещенный в камере отбора осадка, и сообщающийся с ним внероторный участок с трубкой вывода осадка и средством регулирования его количества с регулирующим элементом, патрубок рециркуляции осадка, за счет того, что внутрироторный участок выполнен в форме кольца, установленного с зазором с крышкой, на которой закреплены радиальные ребра, и с зазором с диском, образующим внутрироторный объем канала вывода осадка, внероторный участок, закрепленный в подшипниковой опоре, выполнен в форме кольцевой втулки, на которой закреплено без зазора кольцо, размещенной в отверстии крышки, с зазором с ней и с зазором с валом, образующим внероторный объем канала вывода осадка, снабженного установленным в нем средством транспортировки осадка и сообщающегося с трубкой вывода осадка, патрубок рециркуляции осадка сообщается с трубкой вывода осадка через средство регулирования количества осадка и с камерой отбора осадка через торец с выходным отверстием этого патрубка, размещенным над крышкой снаружи кольцевой втулки с зазорами с ними, причем радиус размещения этого торца больше радиуса кольцевой втулки и меньше радиуса отверстия крышки, который меньше радиуса размещения переливной кромки средства отвода фугата, а устройство с каналом вывода осадка снабжено датчиком измерения концентрации осадка, приводом регулирующего элемента средства регулирования количества осадка и соединенного с ними блоком управления.
Выделенный в камере разделения осадок рециркулирует по каналу вывода осадка только через камеру отбора осадка и патрубок его рециркуляции, суммарный объем которых существенно, в ~10 раз меньше объема камеры разделения и приемной камеры. Поэтому условия сепарации суспензии в камере разделения улучшаются по сравнению с прототипом, что увеличивает степень сгущения суспензии и производительность центрифуги, а также уменьшает массу рециркулирующего осадка и время его выгрузки. Канал транспортировки осадка, кроме неподвижной трубки для вывода осадка, содержит внутрироторный и внероторный участки с неподвижной и подвижной стенками, а средство транспортировки осадка увеличивает давление во входном отверстии этой трубки, что в совокупности повышает надежность рециркуляции и выгрузки осадка и увеличивает степень сгущения суспензии. Непрерывное или периодическое измерение концентрации рециркулирующего осадка позволяет выгружать его с концентрацией, больше заданного порогового значения и независимо от концентрации осадка в исходной суспензии, что увеличивает степень сгущения суспензии, автоматизирует процесс периодической выгрузки осадка и устраняет необходимость контроля концентрации осадка в исходной суспензии.
На фиг. 1 изображен общий вид центрифуги для разделения суспензии с одним вариантом выполнения средства для транспортировки осадка; на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1 в увеличенном масштабе; на фиг. 3 - общий вид центрифуги для разделения суспензии, аналогичный изображенному на фиг. 1, с другим вариантом выполнения средства для транспортировки осадка.
Центрифуга для разделения суспензии включает корпус 1 с приемной камерой 2 суспензии в нижней его части с входным патрубком 3 и сборником фугата 4 с отводным патрубком 5, подшипниковую опору 6 с приводом 7, например, электроприводом, установленных на фланце 8, закрепленном в верхней части корпуса 1, установленный вертикально в подшипниковой опоре 6 вал 9 с жестко закрепленными на нем коническим ротором 10, разделительным диском 11 с периферийными переточными отверстиями 12, размещенными на радиусе Re, образующим с ротором 10 камеру 13 разделения суспензии. В камере 13 размещены сепарационная насадка, например, в форме радиальных пластин 14, разгораживающих ее объем на секторные зоны, в каждой из которых размещено средство для отвода фугата, например, в форме радиально размещенной трубки 15 с переливным торцом с отверстием 16, размещенным на радиусе R.2, и выходным отверстием 17. На диске 11 закреплена крышка 18 с концентричным валу 9 отверстием 19 радиусом Ri и закрепленными на ней радиальными ребрами 20, образующая с диском 11 камеру 21 отбора осадка, сообщающуюся с камерой 13 через отверстия 12. Радиус Ri отверстия 19 меньше радиуса R2 размещения торца с отверстием 16. В нижней части ротора 10 закреплено средство 22 транспортировки суспензии, размещенное в приемной камере 2, например, в форме нескольких аксиально закрепленных на кольцевой обечайке проточных черпаков-ковшей, инициирующих при вращении и погружении в суспензию транспортировку ее приповерхностного объема вверх и ввод его внутрь ротора 10.
В подшипниковой опоре 6 закреплено устройство с каналом вывода осадка, включающее трубку 23 вывода осадка с входным 24 и выходным 25 отверстиями, со средством 26 регулирования количества осадка с регулирующим элементом, например, в форме трехходового шарового крана, регулирующий элемент которого установлен с возможностью поворота, например, между двумя его граничными позициями, для сообщения одного входного отверстия с одним из двух выходных отверстий.
Внутрироторный участок, размещенный в камере 21, выполнен в форме кольца 27, установленного с зазором 28 с ребрами 20 крышки 18 и с зазором 29 с диском 11, образующим горизонтальный кольцевой внутрироторный объем канала вывода осадка с подвижной и неподвижной стенками. Внероторный участок выполнен в форме кольцевой втулки 30 с наружным радиусом R4, закрепленной в подшипниковой опоре 6 и размещенной в отверстии 19 с кольцевым зазором 31 с ней и с кольцевым зазором 32 с внутренним радиусом R5 с валом 9, образующим вертикальный кольцевой внероторный объем канала транспортировки осадка с подвижной и неподвижной стенками. Кольцо 27 закреплено на втулке 30 без зазора и образуют в совокупности неподвижную стенку канала транспортировки осадка, по которому оба упомянутых участка, и трубка 23 сообщаются между собой.
Средство транспортировки осадка по одному варианту (фиг. 1) выполнено в форме винтовой втулки 33, закрепленной на валу 9 с зазором 32 с втулкой 30, и снабжено наружной резьбой или шнеком, направление которой соответствует транспортировке осадка в зазоре 32 из камеры 21 вверх в напорную камеру 34 кольцевой формы, сообщающейся с входным отверстием 24 трубки 23, в которой размещены закрепленная на валу втулка 35 с радиальными лопастями 36, а оси выходного отверстия камеры 34 и трубки 23 расположены тангенциально ее внутренней стенке (фиг. 2). Средство транспортировки осадка по другому варианту (фиг. З) выполнено в форме двух винтовых втулок нижней 33 и верхней 37, закрепленных встык на валу 9 с зазором 32 с втулкой 30 и снабженных наружной резьбой или шнеком противоположного направления. Направление резьбы нижней втулки 33 соответствует транспортировке осадка в зазоре 32 из камеры 21 вверх в выходное отверстие 39 подшипниковой опоры 6, размещенное в зоне стыка 38 этих втулок и сообщающееся с трубкой 23.
1
1
4
Патрубок 40 рециркуляции осадка сообщается с трубкой 23 через входное отверстие 41 и средство 26, а выходной торец с отверстием 42 этого патрубка, размещенный на радиусе R.3 (фиг. 1), сообщается с камерой 21 через зазор 43 с втулкой 30 и зазор 28. Отверстие 42 патрубка 40 размещено над крышкой 18 с зазором с ней, а радиус R размещения этого торца меньше радиуса R отверстия 19 и больше радиуса R наружной поверхности втулки 30. Патрубок 40 закреплен без зазора в отверстии 44 фланца 8, а средство 26 выполнено в форме вентиля, например, трехходового крана, одно из выходных отверстий которого сообщается с входным отверстием 41 этого патрубка. Закрепление неподвижной втулки 30 в подшипниковой опоре 6 выполнено разъемным, например, в форме резьбового соединения 45, направление резьбы которого соответствует ее закручиванию до упора резьбы при повороте в направлении вращения ротора 10 для предотвращения возможной поломки при случайном касании вращающихся элементов центрифуги.
На трубке 23 установлен датчик 46 измерения концентрации осадка в ней в периодическом или непрерывном режимах, например, бесконтактный радиоизотопный или ультразвуковой плотномер, на участке между подшипниковой опорой 6 и средством 26, которое снабжено вспомогательным приводом 47, например, электроприводом, связанным с регулирующим элементом этого средства 26. Соединенный с датчиком 46 и вспомогательным приводом 47 блок управления 48 инициирует поворот вспомогательного привода 47 в прямом или реверсном направлении по сигналу датчика 46 и может обеспечивать их электропитание. В приемной камере 2 установлены вертикальные пластины (на фиг. 1, 2 и 3 не показаны), для уменьшения объема воронки в зоне транспортирующего средства 22, образующейся при его вращении. Закрепление на фланце 8 привода 7, подшипниковой опоры 6, ротора 10, канала транспортировки осадка со средством его транспортировки, патрубком 40, трубкой 23, датчиком 46 и вспомогательным приводом 47 и объединение их в единый выемной узел упрощает и ускоряет сборку и разборку центрифуги для возможного ремонта и замены всех элементов этого узла.
Центрифуга для разделения суспензии работает следующим образом.
о
ф
ф
о
3
3
3
3
После включения привода 7 исходную суспензию по входному патрубку 3 подают в приемную камеру 2, откуда она средством 22 направляется вверх и внутрь вращающегося ротора 10, где в камере разделения 13 в сепарационной насадке 14 под действием центробежной силы суспензия разделяется на две фракции - фугат с меньшей плотностью и влажный осадок с большей плотностью. Фугат из приосевой части камеры разделения 13 через переливное отверстие 16, трубку 15 и ее выходное отверстие 17 непрерывно выводится с разрывом струи в сборник фугата 4 и под действием силы тяжести по отводному патрубку 5 наружу центрифуги. Осадок концентрируется в небольшом периферийном объеме камеры разделения 13 как во взвешенном состоянии, так и в виде концентрированного слоя уже осевших частиц, транспортирующегося по конусной стенке ротора 10 к периферийным отверстиям 12 диска 11. Проходя далее сквозь отверстия 12, осадок поступает в камеру отбора 21, заполняя ее объем, к неподвижному кольцу 27, где за счет турбулентного завихрения жидкости переходит вновь во взвешенное состояние со средней по объему камеры отбора 21 плотностью влажного осадка ρ, большей плотности фугата ρ, например, ρ=1,0×10 кг/м и ρ=1,2×10 кг/м.
2
1
2
o
ф
Ребра 20 обеспечивают среднюю по объему угловую скорость осадка в верхней зоне камеры отбора 21 между кольцом 27 и крышкой 18 немного меньшую угловой скорости фугата в камере разделения 13, из-за тормозящего действия неподвижного кольца 27. Поэтому уровень свободной поверхности вращающегося кольца осадка с концентрацией большей чем у фугата в этой зоне больше R и тем более больше R<R, в связи с чем осадок из камеры отбора 21 не выводится через отверстие 19. Аналогичная ситуация возникает и в том случае, когда осадка в суспензии нет или очень мало и ρ<ρ, например, на начальном этапе процесса сепарации суспензии. Средняя по объему угловая скорость осадка в нижней зоне камеры отбора 21 в зазоре 29 примерно в 2 раза меньше угловой скорости фугата в камере разделения 13 из-за тормозящего действия неподвижного кольца 27 и отсутствия в зазоре 29 ребер, аналогичных ребрам 20 в зазоре 28. Поэтому осадок транспортируется в зазоре 29 в его приосевую зону, входит в зазор 32 и поднимается по нему под давлением вверх винтовой втулкой 33 (фиг. 1,3).
В одном варианте выполнения нагнетательного средства (фиг. 1) осадок из винтовой втулки 33 направляется в нагнетательную камеру 34, откуда под действием вращающихся лопастей 36 поступает под давлением через входное отверстие 24 в трубку 23. В другом варианте выполнения нагнетательного средства (фиг. 3) осадок из винтовой втулки 33 направляется к стыку 38 с аналогичной винтовой втулкой 37 с противоположным направлением винта и частично заполняет его, в результате чего осадок сдавливается в зоне их стыка 38 и отверстия 39, через которое аналогично предыдущему варианту поступает под давлением через входное отверстие 24 в трубку 23.
При повороте и фиксации в заданной позиции, соответствующей рециркуляции осадка, регулирующего элемента средства 26 осадок направляется через входное отверстие 41 в патрубок 40 и через его выходное отверстие 42 стекает вниз в форме свободной струи под действием силы тяжести в зазоре 43 на верхнюю плоскость кольца 27 и растекается по ней в периферийном направлении. Далее осадок входит в соприкосновение с вращающимися ребрами 20 и под действием центробежной силы отбрасывается ими обратно в периферийную зону камеры отбора 21, где объединяется с исходным потоком осадка и, таким образом, принудительно рециркулирует вокруг неподвижных кольца 27 и кольцевой втулки 30.
За счет постоянного пополнения, ограниченного в камере отбора 21 рециркулирующего объема осадка, новыми порциями отсепарированного в камере разделения 13 слоя осадка, транспортирующегося по конической поверхности ротора 10, с максимальной плотностью через отверстия 12, его концентрация в рециркулирующем потоке монотонно возрастает. При превышении концентрации осадка, периодически или непрерывно измеряемой средством 46, заданного порогового значения блок управления 48, отслеживающий его сигнал, направляет управляющий сигнал на вспомогательный привод 47 средства 26, который обеспечивает поворот и фиксацию регулирующего элемента этого средства в заданную позицию, соответствующую выгрузке осадка. Поэтому рециркуляция осадка прекращается и весь рециркулирующий поток осадка перенаправляется по трубке 23 через ее выходное отверстие 25 наружу центрифуги в форме свободной струи влажного осадка с пастообразной консистенцией, аналогично процессу экструзии - продавливания пастообразного продукта через формующее отверстие. В процессе выгрузки осадка его концентрация монотонно уменьшается за счет разбавления жидкой фазой суспензии, поступающей в камеру 21 через переточные отверстия 12, и при снижении концентрации осадка ниже заданного порогового значения блок управления 48 направляет управляющий сигнал на вспомогательный привод 47 средства 26, обеспечивая поворот регулирующего элемента средства 26 в обратном направлении, прекращая выгрузку осадка и возобновляя его рециркуляцию. При выгрузке осадка непрерывный поток фугата незначительно снижается без ухудшения качества его осветления в связи с кратковременным уменьшением концентрации осадка и давления в камере 21.
При уменьшении упомянутого заданного порогового значения концентрации осадка в предельном случае до нуля выгрузка осадка будет осуществляться чаще и с меньшей концентрацией, в предельном случае с его концентрацией в исходной суспензии, а вывод фугата по трубке 15 может полностью прекратиться в связи с существенным уменьшением давления в камере 21. Этот полезный режим можно использовать для промывки от возможного накопления осадка за счет адгезии на стенках не только всего канала транспортировки осадка, но и на конусной поверхности ротора 10, полным потоком исходной суспензии или специально подаваемого в приемную камеру 2 промывного раствора без разборки центрифуги с выводом промывного раствора по трубке 23 через выходное отверстие 25. При этом патрубок 40 промывается исходной суспензией или промывным раствором путем периодического перенаправления рециркулирующего потока на выгрузку через выходное отверстие 25.
При прекращении подачи исходной суспензии в приемную камеру 2, например, при закрытом входном патрубке 3, и остановки вращения ротора 10 все жидкое содержимое ротора 10 и устройства с каналом вывода осадка стекает под действием силы тяжести вниз в приемную камеру 2, где объединяется с оставшемся в ней объемом исходной суспензии. В результате уровень свободной поверхности образовавшейся жидкой смеси в приемной камере 2 устанавливается выше нижней кромки средства транспортировки суспензии 22. Поэтому при последующем запуске вращения ротора 10, в том числе и без подачи исходной суспензии, первые ее порции, вводимые из приемной камеры 2 в пустой ротор 10, с высокой скоростью смывают в камеру отбора 21 возможные остатки осадка, накопленные на его конической поверхности от предыдущего процесса разделения, освобождая полезный для разделения суспензии объем камеры 13. Проведенные опыты с водной суспензией порошка талька показали, что в режиме динамического равновесия масса осадка, непрерывно транспортирующаяся по конической поверхности ротора в форме концентрированного слоя, не превышает ~ 10% объема камеры разделения 13, частично остается на ней при остановке ротора и практически полностью смывается в камеру отбора 21 при последующем запуске вращения ротора. Этот пусковой режим также является полезным для промывки от возможного накопления осадка на конической поверхности ротора 10.
5
6
2
6
Из условия равенства давлений в периферийной зоне вращающихся колец осадка в камере отбора 21 в зазоре 29 с радиусами R и R с угловой скоростью ~ω/2 и фугата в камере разделения 13 снизу диска 11 с радиусами R и R с угловой скоростью со с учетом дополнительного давления столба осадка высотой Н в зазоре 32, но без учета действия нагнетательного средства и силы трения осадка о неподвижные стенки канала транспортировки, можно получить соотношение, гарантирующее подъем осадка в зазоре 32 в нагнетательную камеру 34:
ф
о
2
5
6
о
ф
2
5
6
6
6
0
ф
г
o
о
ф
г
о
г
о
о
о
г
о
о
о
о
с
с
ф
с
г
ф
г
с
с
с
0
с
о
с
3
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
где ρ, ρ - плотности фугата и влажного осадка, кг/м; ω - угловая скорость вращения ротора 10, рад/с; R - радиус размещения переливного отверстия 16, м; R -внутренний радиус зазора 32, м; R - радиус размещения отверстий 12, м; g≈9.81 м/с-ускорение свободного падения. Для характерных параметров суспензии и соотношений величин в конструкциях аналогичных центрифуг, например, ρ=1,2×10 кг/м, ρ=1,0×10кг/м, ω=293 рад/с≈2800 об/мин, R=0,03 м, R=0,02 м, R=0,1 м, получаем H/R*<122, что существенно больше чем характерные в действительности H/R≈1 и гарантирует подъем и вывод осадка по трубке 23 через выходное отверстие 25 под давлением. Для указанных исходных плотностей ρ и ρ, например, для суспензии диспергированного в воде графита с кристаллической плотностью ρ=2,23×10 кг/м его объемная доля во влажном осадке α(ρ-ρ)/(ρ-ρ)=0,163, массовая доля β=ρ×*а/ρ=0,302, концентрация γ=α×ρ=β×ρ=363 кг/м, а влажность осадка δ=1-β=0,698. При этом для исходной упомянутой суспензии, например, с концентрацией графита γ=9,07 кг/м ее плотность ρ=ρ+γх(ρ-ρ)/ρ=1,005×10 кг/м, массовая доля графита β=γ/ρ=9,02×10, а степень сгущения по концентрации γ/γ≈40 и по массовой доле ρ/ρ≈34.
С увеличением степени сгущения суспензии возрастает плотность, вязкость и сила трения влажного осадка в канале его транспортировки в обоих режимах - рециркуляции и выгрузки. Для преодоления этой силы трения канал транспортировки осадка снабжен винтовыми втулками 33 и 37, работающими аналогично винтовому насосу и нагнетательной камерой 34, работающей аналогично центробежному насосу, выполняя роль нагнетательного средства, способствующего выводу всего потока влажного осадка с пастообразной консистенцией под большим давлением через выходное отверстие 25, аналогично процессу экструзии.
Выполнение внутрироторного участка в форме кольца 27, закрепленного без зазора на кольцевой втулке 30, размещенной в кольцевом отверстии 19 крышки 18, с зазором 31 с ней и зазором 32 с валом 9 формирует канал транспортировки осадка с подвижной и неподвижной стенками, что предотвращает его закупорку осадком и повышает надежность его рециркуляции и выгрузки, в том числе и при большей чем у прототипа степени сгущения суспензии.
Размещение патрубка 40 в отверстии 44 фланца 8 и его выходного торца с отверстием 42 в зоне кольцевого отверстия 31 крышки 18 обеспечивает минимальный объем рециркулирующего через камеру отбора 21 потока осадка, который кроме того не нагружает дополнительно камеру разделения 13, что увеличивает производительность центрифуги и степень сгущения суспензии.
Выполнение средства 26 в форме трехходового крана упрощает процедуру перенаправления всего потока влажного осадка, в том числе и при использовании только двух крайних положений при повороте его регулирующего элемента.
Закрепление кольцевой втулки 30 в подшипниковой опоре 6 в форме резьбового соединения 45 упрощает сборку - разборку центрифуги и повышает надежность ее эксплуатации.
Оснащение центрифуги датчиком 46 для измерения концентрации осадка в трубке 23 на участке между подшипниковой опорой 6 и средством 26, которое снабжено вспомогательным приводом 47, и связанным с ними блоком управления 48, обеспечивает автоматическую выгрузку осадка с концентрацией, большей заданного порогового значения, независимо от возможного изменения концентрации в исходной суспензии, что устраняет необходимость ее контроля и упрощает эксплуатацию центрифуги.
Таким образом, заявленное техническое решение - центрифуга для разделения суспензии по сравнению с прототипом обеспечивает достижение нового технического результата, заключающегося в увеличении производительности центрифуги, концентрации выгружаемого осадка и надежности его выгрузки, а также в обеспечении автоматизации выгрузки осадка с концентрацией, большей заданного порогового значения, совокупность признаков которого неизвестна из настоящего уровня техники, обладает новизной по сравнению с выбранным прототипом, технически выполнимо и промышленно применимо, что соответствует критериям, характеризующим полезную модель.