ФИЛЬТРУЮЩАЯ ЦЕНТРИФУГА

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для очистки высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей в центробежном поле и может найти применение в химической, микробиологической, фармакологической, металлургической, строительной, энергетической, машиностроительной, атомной и других отраслях промышленности, а также при очистке сточных шламовых вод промпредприятий и коммунальных служб.
В известных конструкциях фильтрующих центрифуг, состоящих из перфорированного ротора с закрепленным на его боковой поверхности фильтровальным материалом, предусматривается непрерывное срезание осадка с помощью ножа, скребка, диска, шнека, поршня и т.п. с последующей транспортировкой осадка механическими средствами или сжатым воздухом [Соколов В.И. Центрифугирование. - М.: Химия, 1976, с. 312-350].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится высокое гидравлическое сопротивление, так как при механическом срезании осадка в поры фильтровального материала втираются частицы тонкодисперсной фазы, уплотненной центробежной силой, что приводит к необходимости остановки центрифуги на регенерацию фильтровального материала и снижению скорости фильтрования, и в целом к снижению производительности центрифуги.
Известна фильтрующая центрифуга, содержащая корпус, расположенный в нем перфорированный ротор, привод вращения ротора, патрубки подачи суспензии и слива жидкой фазы и средство для регенерации, размещенное в зазоре между корпусом и боковой поверхностью ротора и закрепленное на валу, связанном с отдельным приводом, при этом средство для регенерации выполнено в виде валика, имеющего форму овала, а его вал установлен  параллельно  боковой  поверхности  ротора,  и  сама  фильтрующая центрифуга и приводы закреплены на платформе, закрепленной на цилиндрических пружинах [П. м № 172712, В04В 3/06, 2017].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится большая масса платформы, закрепленной на цилиндрических пружинах, что, соответственно, увеличивает необходимую упругость пружин, уменьшая амплитуду колебания и скорость регенерации, что в целом снижает производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятым за прототип является фильтрующая центрифуга, содержащая корпус, установленный внутри него ротор, и размещенное внутри ротора кольцо, при этом кольцо жестко закреплено на верхней части корпуса и имеет равномерно перфорированную боковую поверхность, при этом отношение радиуса кольца к радиусу ротора постоянно по высоте и составляет:
где r и R - соответственно радиусы кольца и ротора, м. [Патент № 88292, B04B3/00, 2009].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая скорость фильтрования, из-за недостаточной регенерирующей способности средства разрушается структура высоковязких структурированных жидкостей и уменьшается эффективная вязкость неньютоновских жидкостей, что в целом не обеспечивает высокой производительности.
Техническим результатом предлагаемой конструкции фильтрующей центрифуги является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что фильтрующая центрифуга, содержащая корпус, установленный внутри него ротор и размещенное внутри ротора кольцо, имеющее равномерно перфорированную боковую поверхность, отношение радиуса кольца к радиусу ротора постоянно по высоте и составляет:
,                                (1)
где r и R – соответственно радиусы кольца и ротора, м; причем между корпусом и кольцом установлены цилиндрические пружины, равномерно распределенные по окружности кольца, верхний торец пружин жестко закреплен на корпусе, а нижний торец пружин соединен с кольцом, при этом упругость каждой пружины определяется по формуле:
,                                (2)
где a - упругость пружины, Н/м;
ω - скорость вращения ротора, 1/с;
m - общая масса кольца, кг;
n - число пружин.
Установка между корпусом и кольцом цилиндрических пружин, равномерно распределенных по окружности кольца, причем верхний торец пружин жестко закреплен на корпусе, а нижний торец пружин соединен с кольцом, обеспечивает непрерывные колебания кольца и находящейся в роторе фильтруемой жидкости, и в случае высоковязкой, структурированной, неньютоновской жидкости ее структура от вибрации разрушается, эффективная вязкость снижается, что приводит к увеличению скорости фильтрования. Кроме того, непрерывная вибрация кольца обеспечивает очистку пор от уловленных частиц, что также способствует увеличению скорости фильтрования, а значит, увеличивается и производительность.
Упругость цилиндрической пружины, определяемая по выражению (2), позволяет обеспечить собственную частоту колебаний кольца с массой m, равную частоте вращения ротора с жидкостью, находящейся в зоне, образующейся между боковой поверхностью перфорированного ротора и поверхностью кольца. Это способствует резонансному колебанию кольца с высокой амплитудой, что приводит к тиксотропному разрушению структуры и снижению вязкости фильтруемой жидкости, а также к снижению концентрационной поляризации на поверхности мембраны, а значит, увеличивается скорость фильтрования, повышая тем самым производительность.
На чертеже изображена схема предлагаемой конструкции фильтрующей центрифуги.
Фильтрующая центрифуга состоит из неподвижного корпуса 1, внутри которого на валу 2 установлен перфорированный ротор 3. Внутри ротора 3 установлена труба 4 для подачи фильтруемой жидкости. Внутри ротора 3, осесимметрично с ним установлено кольцо 5, имеющее равномерно перфорированную боковую поверхность. При этом отношение радиуса кольца r к радиусу ротора R постоянно и соответствует соотношению (1). Между корпусом 1 и кольцом 5 установлены цилиндрические пружины 6, равномерно распределенные по окружности кольца 5, верхний торец пружин 6 жестко закреплен на корпусе 1, а нижний торец пружин 6 соединен с кольцом 5. Упругость цилиндрических пружин 6 соответствует выражению (2). В верхней части ротора 3 и кольца 5 с внутренней стороны герметично установлены кольцевые отражатели 7 и 8, чтобы предотвращать перелив неотфильтрованной жидкости из ротора 3 и кольца 5. Для слива фильтрата из корпуса 1 в его днище установлен патрубок 9.
Фильтрующая центрифуга работает следующим образом.
При вращении вала 2 с угловой скоростью ω вместе с ним вращается ротор 3. По трубе 4 подают очищаемую жидкость, которая под действием центробежной силы равномерно распределяется внутри ротора 3 по его боковой перфорированной поверхности.
Под действием центробежного давления жидкая фаза фильтруется через перфорированную поверхность ротора 3, а частицы осадка накапливаются на его внутренней поверхности, при этом мелкие частицы вдавливаются в поры перфорации и заклинивают их. Однако под действием колебания кольца 5 от цилиндрических пружин 6 создается вибрация, которая выбивает мелкие частицы, застрявшие в порах перфорированной поверхности ротора 2, одновременно разрушая слой осадка. Часть жидкости, проходя через отверстия перфорированной стенки неподвижного кольца 5 в отсутствии центробежной силы на нем, опускается под действием силы тяжести вниз. Слив фильтрата происходит по патрубку 9.
Так как упругость пружин 6 для обеспечения резонансного режима определяется выражением (2), то число гидроударов жидкости, находящейся в зоне, образующейся между боковой поверхностью перфорированного ротора 3 и поверхностью кольца 5, совпадает с собственной частотой колебания кольца 5. Поэтому амплитуда колебаний кольца 5 при таком совпадении частот в режиме резонанса резко возрастает, разрушая структуру структурированных жидкостей, поступающих по трубе 4, или уменьшает эффективную вязкость неньютоновских жидкостей, что приводит к возрастанию скорости фильтрования таких высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей. Кроме того, высокая амплитуда колебаний поверхности перфорированного ротора 3 способствует удалению частиц, заклинивших поры фильтровальной поверхности перфорированного ротора 3.
Пример расчета.
Скорость вращения ротора 3 составляет ω = 100 рад/с.
Число пружин n = 4.
3
в
н
Кольцо 5 изготовлено из металла плотности  = 8000 кг/м, имеет геометрические размеры: внутренний радиус R = 0,2 м; внешний радиус R = 0,25 м; высота H = 0,5 м; толщина δ = 1 мм.
Масса кольца 5 определяется по формуле:
Упругость цилиндрической пружины 6 согласно выражению (2) равна:
Таким образом, установка между корпусом 1 и кольцом 5 цилиндрических пружин 6, равномерно распределенных по окружности кольца 5, причем верхний торец пружин 6 жестко закреплен на корпусе 1, а нижний торец пружин 6 соединен с кольцом 5, при этом упругость каждой пружины для обеспечения резонансного режима соответствует выражению (2), позволяет за счет увеличения амплитуды колебаний поверхности перфорированного ротора 3 разрушать структуру структурированных жидкостей, поступающих по трубе 4 или уменьшать эффективную вязкость неньютоновских жидкостей и снижать концентрационную поляризацию, что приводит к возрастанию скорости фильтрования, и в целом к увеличению производительности фильтрующей центрифуги.