Центрифуга с коническими пластинами - Conical plate centrifuge

А центрифуга с коническими пластинами (также известный как центрифуга с дисковым барабаном или же дисковый сепаратор стопки) является разновидностью центрифуга который имеет серию конических дисков, которые обеспечивают параллельную конфигурацию пространств центрифугирования.^[1]

Центрифуга с коническими тарелками используется для удаления твердых частиц (обычно примесей) из жидкостей или для отделения двух жидких фаз друг от друга с помощью чрезвычайно высокой центробежной силы. Более плотные твердые вещества или жидкости, которые подвергаются этим силам, перемещаются наружу к вращающейся стенке барабана, в то время как менее плотные жидкости перемещаются к центру. Специальные пластины (известные как стопки дисков) увеличивают площадь осаждения на поверхности, что ускоряет процесс разделения. Для разных процессов используются разные конструкции, расположение и формы штабелей в зависимости от типа используемого корма. Концентрированное более плотное твердое вещество или жидкость затем удаляется непрерывно, вручную или периодически, в зависимости от конструкции центрифуги с коническими пластинами.^[2] Эта центрифуга очень подходит для осветления жидкостей с небольшой долей взвешенных твердых частиц.^[1]

Базовые основы

Центрифуга работает с использованием наклонный пластинчатый отстойник принцип. Для уменьшения расстояния оседания частиц установлен набор параллельных пластин с углом наклона θ относительно горизонтальной плоскости. Причина наклона заключается в том, что осевшие твердые частицы на пластинах могут скользить вниз под действием силы тяжести, чтобы они не накапливались и не забивали канал, образованный между соседними пластинами.^[3]

Доступные дизайны

Центрифуга соплового типа

Этот тип центрифуги удаляет твердые частицы из жидкого сырья с пластин. Центробежный насос создает давление для слива прозрачной жидкости из центрифуга. Твердое вещество извлекается через насадки постоянно,^[1] как показано на рисунке 2^{[требуется разъяснение ]}.Количество концентрата зависит от скорости вращения дежи, количества насадки центрифуги, радиус положения сопла и диаметр сопла. Качество зависит от объема выгружаемого концентрата, а также от концентрации и объема жидкости, подаваемой в центрифугу. Концентрация разряда через сопло варьируется путем регулирования диаметра сопла и начального объема подачи жидкости.^[1]

Предварительная обработка включает фильтры в линиях подачи, чтобы предотвратить засорение форсунок крупными твердыми частицами. Обычно диаметр отверстий фильтра предварительной очистки примерно на 10% меньше, чем у сопло диаметр.^[1]

Центрифуга с ручной очисткой

Центрифуга с ручной очисткой имеет «сплошную емкость» (также известную как сплошная удерживающая емкость). Он применим в промышленных процессах разделения, в которых основной целью является разделение двух жидких фаз с минимальным содержанием твердых частиц или без них.

Более легкие и тяжелые жидкости выходят отдельно через соответствующие выпускные отверстия в верхней части центрифуги. Твердые частицы, если таковые имеются, задерживаются в барабане центрифуги, и их необходимо вручную удалить, остановив центрифугу и очистив пространство для шлама внутри барабана. Более простая конструкция не имеет гидравлического механизма для выброса ила, что устраняет необходимость в рабочей воде.^[4][5]

Самоочищающаяся центрифуга

Более легкая и тяжелая жидкость выходит отдельно через верх центрифуги, в то время как ил выходит периодически через сопла. Другой тип самоочищающейся центрифуги имеет съемное дно камеры. Оба метода могут управляться независимо или автоматически, либо по времени, либо в зависимости от качества разгрузки через сопло.^[1]

В зависимости от конструкции корм поступает через верхнее или нижнее входное отверстие. После осветления на конических пластинах продукт выгружается под давление через розетку. Отделенные твердые частицы или шлам накапливаются в коническом пространстве рядом с соплом. После заполнения (без превышения площади пластин) поршень настроен на гидравлическое открывание каждого отверстия форсунки, выбрасывая осадок. Обычно в качестве рабочей жидкости используется вода, которая действует как поршень для управления форсункой. Во время отстоя вода впрыскивается, чтобы открыть сопло, и сливается, чтобы закрыть его.^[1]

Герметичная центрифуга

Этот тип сепаратора представляет собой закрытую (герметичную) центрифугу; это может быть камерная или коническая тарелка.^[1] Эта центрифуга подходит для системы с максимальным давлением 8 бар. Входные и разгрузочные патрубки прикреплены к вращающейся чаше. В головку центрифуги встроены роторные подающий и отводящий насосы. Это очень полезно для:

• Жидкое кормление, которое не может иметь понижающегося давления
• Жидкий корм, который не выдерживает ударов на входе, когда твердые частицы требуют «деликатного прикосновения» (например, протеина).
• Жидкий корм, который легко окисляется
• Жидкие корма, которые выделяют газ или испаряются (например, пиво и холодное сусло)

Область применения

Нефтегазовая промышленность

Центрифуга с коническими пластинами может использоваться для удаления воды, соли и твердые вещества для кондиционирования топливо за газовая турбина. Он также удаляет часть жидкой тяжелой фазы и мелкие твердые частицы для получения жидкого топлива высокой чистоты. С другой стороны, центрифуга также полезна для очистки воды, нефти и газа, как побочных продуктов, путем удаления нефтяных загрязнителей перед сбросом в море, как того требует закон. Более того, эмульсия масла и воды можно дополнительно обработать для получения большего количества масла путем отделения масла, воды и примесей с помощью центрифуги с коническими тарелками.^[2]

Центрифуга с дисковым штабелем также полезна при производстве биодизель, как инициатива альтернативные источники энергии. Центрифуга отделяет топливо от метанол или вода для преобразования масел из сырья (например, семян рапса) в дизельное топливо. Присадки к маслу используются для улучшения характеристик топлива, а чтобы удалить как можно больше загрязняющих веществ, центрифуги этого типа используются для отделения лишних мелких твердых частиц, таких как соли металлов и известь.^[2]

Обрабатывающая промышленность

При нанесении покрытия на бумагу центрифуга с коническими тарелками очищает и сортирует "каолин ’(Материал, который придает бумаге глянцевый вид для определенных сортов бумаги) в зависимости от размера частиц. Конструкция сепаратора для этого процесса должна выдерживать истирание, вызванное каолином. Кроме того, эта центрифуга также используется для удаления воды, примесей и других металлических частиц из масел и смазочные материалы используется для динамических процессов, таких как моторы, компрессоры и гидравлика. Эта обработка надежно продлевает срок службы оборудования.^[2]

Биологическая наука

Центрифуга с коническими пластинами, которая легко стерилизуется и полностью герметизируется, является отличным выбором для производства вакцина и антитела в стерильных и гигиенических условиях.^[6]

Герметичная центрифуга для культур клеток используется для сбора культур клеток из млекопитающие. Сырье поступает в нижнюю часть заполненной жидкостью центрифуги (обеспечивая отсутствие воздуха для разделения клеток), а полый шпиндель предотвращает мгновенное ускорение подачи, сводя к минимуму повреждение чувствительной клеточной мембраны. На выходе отсутствует воздух, чтобы уменьшить пенообразование. Эту центрифугу также можно очищать и продезинфицировать на месте (системы SIP и CIP) без серьезного демонтажа, чтобы обеспечить гигиеничность операций.^[6]

Переработка пищевых продуктов

В пивоварении кизельгур (не совсем белый порошок, известный как диатомовая земля) используется для фильтрации воды из алкогольных напитков. Добавление центрифуги с коническими тарелками сократит использование кизельгура, станет более экономичным и эффективным по времени, а также сведет к минимуму потери продукта.^[2]

В производстве оливкового масла широко используются высокоскоростные сепараторы, поэтому настоятельно рекомендуется использовать центрифуги с коническими тарелками, поскольку они обеспечивают эффективное разделение с минимальным нагревом и окислением масла. Для лимонного масла холодного отжима (эфирного масла) требуется сепаратор, специально разработанный для обработки нежной природы и ценности масла. Герметичная центрифуга лучше всего подходит для этой цели, поскольку она может предотвратить загрязнение и потери продукта.^[2]

Преимущества и ограничения перед конкурентными процессами

Центрифуга с трубчатой ​​чашей

Как центрифуги с коническими пластинами, так и центрифуги с трубчатым барабаном можно использовать для разделения жидкость / жидкость и твердое / жидкое. Однако преимущество центрифуги с конической тарелкой перед центрифугой с трубчатым барабаном состоит в том, что выгрузка твердых частиц возможна в конической тарелке, но извлечение твердых частиц в трубчатой ​​чаше затруднено, а емкость для твердых частиц ограничена. Поскольку выпуск жидкости в центрифуге с коническими тарелками находится под высоким давлением, это исключает пенообразование, но пенообразование присутствует в центрифугах с трубчатым барабаном, если не используются специальные откачивающие или центростремительные насосы. Центрифуги с трубчатым барабаном легче чистить и хорошо обезвоживают осадок по сравнению с центрифугами с коническими тарелками.^[7][8]

Центрифуга с камерой или сплошной чашей

И центрифуга с коническими пластинами, и центрифуга с камерной чашей могут использоваться для разделения жидкость / жидкость и твердое вещество / жидкость. Однако преимущество центрифуги с конической тарелкой перед центрифугой с камерной чашей состоит в том, что в конической тарелке возможен выброс твердых частиц. Чаша камеры имеет высокую вместимость для твердых частиц, но не имеет разгрузки твердых частиц. Охлаждение чаши возможно как для центрифуг с коническими пластинами, так и для центрифуг с камерной чашей. Тем не менее, очистка проще, так же как и лучший осадок. обезвоживание в центрифуге с чашей камеры по сравнению с центрифугой с коническими тарелками.^[7][8]

Основные характеристики процесса

Следующие технологические характеристики необходимы для центрифуги с дисковым пакетом:

Угол диска

Типичный угол от 35 до 50 ° (относительно вертикальной оси) диска используется в центрифуге с количеством дисков от 50 до 200. Это, в свою очередь, обеспечивает центробежный ускорение G в диапазоне от 5000 до 15000 г.^[3]

Эффект перегрузки

Эффективность отделения твердых частиц может быть увеличена путем приложения относительно умеренной перегрузки в 3000 Gs в центрифуге, обрабатывающей карбонат кальция (с размерами менее 8 и 12 микрон).^[9] Эта эффективность снижается при более высокой перегрузке около 6000 Gs, потому что высокие скорости жидкости у стенки могут вымывать осевшие более крупные частицы в легкую фазу, уменьшая время удерживания для отделения частиц. Однако это зависит от размера обрабатываемых твердых частиц.^[9]

Расстояние между дисками

^[3] Обычно расстояние между соседними дисками составляет от 0,32 до 1 мм. Это зависит от области применения и обрабатываемого корма, а также от концентрации корма, как показано в примерах ниже.

• Обработка дрожжей: дрожжи с содержанием сухих веществ 30% по объему требуют открытого зазора в 1 мм.
• E. coli и лизат: при более низком содержании сухого вещества в корме наиболее подходящим является более узкое расстояние 0,5 мм.
• Бульон клеток млекопитающих: расстояние между дисками 0,32 мм можно использовать при низком содержании твердых веществ в корме с концентрацией 3–4%.

Как показывает практика, отношение внешнего диаметра чаши к ее высоте должно быть примерно равно 1.

Подача твердых веществ

Для этой центрифуги используются два типа твердых частиц:

• Взвешенные вещества

Обычно для биофармацевтического применения корм содержит от 2 до 4% об. / Об. (От общего объема) для клеток млекопитающих. Это может возрасти до 4-6% об. / Об. Или даже выше в будущем из-за увеличения емкости твердых частиц от предшествующих процессов, таких как биореакторы. В отличие от этого, корм содержит до 30% об. / Об. Насыпного объема для дрожжей.^[3]

• Растворенные твердые вещества

Сырье может содержать растворенные твердые вещества, состоящие из ценного белкового продукта и других растворимых примесей, которые необходимо удалить при последующей очистке.^[3]

Угол конуса для разгрузки

Угол выброса твердых частиц важен, поскольку он влияет на скорость разгрузки концентрата. Чем круче угол конуса, тем больше G-сила, создаваемая для удаления твердых частиц со стенок конуса.^[3] Кроме того, крутой угол конуса способствует уплотнению концентрата, что предотвращает проблемы с выгрузкой, в результате чего выгружается больше твердого концентрата.

Частота разряда

^[3] Для центрифуги с прерывистым режимом разгрузки определение частоты разгрузки важно для максимальной производительности. Время, ${\displaystyle t_{d}}$, для заполнения дисковой центрифуги выражается выражением:

${\displaystyle t_{d}={v_{s}\eta _{d} \over Q_{f}\Phi _{f}}}$^[3]

Где

${\displaystyle v_{s}}$ - объем твердого груза в л,

${\displaystyle \eta _{d}}$ - эффективность разряда,

${\displaystyle Q_{f}}$ скорость подачи в л / мин,

${\displaystyle \Phi _{f}}$ объем подачи в л / мин.

Первоначальное предположение реализуется, иначе рассчитывается и из вычисленного ${\displaystyle t_{d}}$, частота разряда может быть приближена. Дальнейшая точная настройка может быть произведена путем контроля мутности концентрата.

Слив жидкости

В чаше диска форсунки центрат (выход твердого вещества) или сточная жидкость могут отводиться центростремительным насосом или насосом для отвода сточных вод. Это дает преимущество в снижении энергии выпускного потока, позволяет контактировать с воздухом, а также снижает пенообразование, особенно когда в жидкости растворен белок.^[3]

Эвристика

Эвристические методы проектирования процесса

^[10] При проектировании процесса многие важные решения принимаются на основе опыта и эвристики. На разработку процесса влияет множество факторов. Кроме того, процессы будут модифицированы в соответствии с производственными, рыночными и экологическими требованиями. Доступный эвристический метод, помогающий спроектировать процесс разделения (центрифуга с коническими тарелками), называется методологией Дугласа (1988).

Методология Дугласа использует трехуровневую иерархическую систематическую процедуру, в которой может применяться эвристика. Эти трехуровневые схемы процесса:

1. Основное внимание уделяется технологической схеме, которая включает расчеты характерных размеров.

2. Подробный проект технологического процесса (P&ID), который обеспечивает поток массы и энергии, а также технические характеристики оборудования.

3. Механическое проектирование (конструкция оборудования).

Метод Дугласа подходит для моделирования центробежного процесса с конической пластиной, поскольку он разбивает сложную конструктивную проблему на простые части.

Возможные эвристики для центрифуги с коническими тарелками

Модификация конкретного проекта в соответствии с эвристикой (эмпирическим правилом) для конкретного процесса является одним из эффективных методов, которые следует применять. Возможные эвристики, которые могут быть использованы при проектировании определенных частей центрифуги с коническими пластинами:

Оборудование

• Требуется хорошая жесткость, которой можно добиться за счет большого количества конических дисков с соответствующей толщиной стенки.^[1]
• Расстояние между дисками составляет от 0,4 до 0,75 мм, точное расстояние определяется обрабатываемой жидкостью и ее совместимостью с твердыми частицами, которые нужно отделить от жидкости.^[10]
• Для фильтрации со средней скоростью используются центрифуги дискового типа.^[11]
• Для медленной фильтрации шламов используются центрифуги-отстойники.^[11]

Насадки

• Диапазон размеров сопла составляет от отверстий диаметром 0,5 мм (для небольших центрифуг) до отверстий диаметром 3,2 мм (для центрифуг большего размера).^[12]
• Количество сопел на центрифугу зависит от размера центрифуг, который обычно составляет от 12 до 24 мм. Количество форсунок должно быть выбрано таким образом, чтобы избежать скопления твердых частиц между соседними форсунками, которые могут накапливаться в стопке дисков и нарушать ее эффективность осветления.^[12]
• Минимально допустимый размер сопла как минимум в два раза больше диаметра самой крупной частицы, которая должна быть выброшена.^[12]

Подача

• Жидкости с небольшой долей взвешенных веществ.^[13]
• Твердо-жидкую смесь, выходящую из трехфазного реактора, разделяют с помощью центрифуги с коническими тарелками. Твердое вещество направляется в систему отделения твердых частиц, а жидкость - в систему отделения жидкости.^[13]

Товар

• Низкое содержание влаги во влажных лепешках.^[14]
• Допускаются твердые частицы в маточном растворе (шламе).^[14]

Материал конструкции

• Для высокоскоростной сепарации и высококоррозионного процесса суспендирования для изготовления чаши и принадлежностей используется высокопрочная нержавеющая сталь (например, дуплекс и дуплекс более высокого качества).^[12]
• Для жидкости, содержащей высокоабразивные мелкие частицы, участки, подверженные износу, должны быть защищены вольфрам карбид и никель сплавы на основе. Герметизация с использованием специальных керамика материал также необходим для процессов, связанных с жидкостью с мелкими абразивами.^[12]

Производство потока отходов

Центрифуга с коническими пластинами производит шлам, который необходимо обработать перед утилизацией. Обработка осадка - это сгущение, обезвоживание, сбраживание, сушка и разрушение, которые могут действовать как последующая обработка процесса центрифугирования на конической тарелке. Дальнейшая проработка этих постобработок:

Сгущение осадка

Сгущение ила путем гравитационного осаждения и динамического используется для минимизации объема ила. Сырье с содержанием твердого вещества 0,8% может быть сгущено до содержания твердого вещества 4%, что означает пятикратное уменьшение объема шлама. Это, в свою очередь, помогает оптимизировать следующие шаги за счет уменьшения размера конструкции и эксплуатационных расходов.^[15][16]

Сгущение осадка с помощью центробежной силы - один из наиболее распространенных способов. Существует два типа центрифуг, предназначенных для сгущения ила, и оба метода зависят от одного и того же принципа разделения твердой и жидкой фаз. Первый метод "центрифуга с твердой чашей ", горизонтально расположенный винтовой шнек, пропускающий ил, удаляет твердые частицы противотоком, позволяя проходить жидкостям. Движущийся вал состоит из набора спиральных спиралей, которые толкают твердые отходы против потока поступающего ила. начинает накапливаться, становится слишком тяжелым, а затем падает в мусорный бак. A видео иллюстрирует этот процесс.

Конструкция центрифуги в основном зависит от критериев производительности и потока твердых частиц.^[15][16]

Обезвоживание осадка

Обезвоживание осадка можно осуществить с помощью электроосмоса или центрифугирования. Перед обезвоживанием загустевший ил сначала кондиционируется. Это необходимо для увеличения размера частиц и нарушения сцепления между веществом и водой для лучшего обезвоживания.^[15]

Пищеварение

Целью сбраживания является уменьшение количества ила, повышение его сухости и стабилизация ила. Кроме того, он обеспечивает оценку зеленой энергии, производя биогаз. Условия переваривания зависят от количества и характера осадка.^[15]

Сушка осадка

Сушка ила необходима для удаления оставшейся воды, доступной из-за механических ограничений во время обезвоживания ила. На процесс термической сушки влияет особое поведение (зависит от достигаемой степени сушки) шлама.^[15]

Уничтожение осадка

При уничтожении ила все органические вещества, присутствующие в иле, разрушаются, а во время разрушения пар и электричество генерируется.^[15]

Новая разработка

Высокая эффективность разделения центрифуги является результатом сочетания центробежной силы и встроенной пластины уплотнения, как правило, конической дисковой пластины. Таким образом, новые разработки обычно делают упор на эти две области.

Производство биодизеля

Новая полугерметичная центрифуга была спроектирована таким образом, чтобы давление на входе в систему могло быть как можно более низким за счет сохранения выходных отверстий открытыми, что снижает перепад давления в сепараторе. Стационарный напорный диск, установленный на выходе, также позволяет работать при низком давлении. Еще одним преимуществом этой конструкции является низкий уровень шума за счет резинка -демпфированная сборка, рама в кожухе и наружная чаша.^[17]

Очистки сточных вод

Еще одна недавняя разработка центрифуг с коническими тарелками - обезвоживание осадка. Благодаря широкому диапазону вариантов конструкции, доступных для изменения конкретных конструкций в соответствии с различными приложениями, перегородки были установлены на стороне нагнетания твердых частиц. графин. Чаша становится почти полной твердыми частицами вместо того, чтобы иметь неглубокий слой на периферии барабана, и выпуск твердых частиц более сухой.^[18]

Нефтегазовая промышленность

Общество нефтяного инженера (SPE) разработало новый пакет пластин с вертикальными пластинами из 360 пластин из нержавеющей стали, проведенных с помощью пластины опорной гильзы. Он расположен параллельно оси центрифуги. Повышение центробежной эффективности достигается на основе предварительно запущенной программы компьютерного моделирования. Это доказано экспериментально, когда концентрация нефти в сточных водах снизилась примерно на 25%. Дальнейшее улучшение пакета пластин может привести к снижению концентрации нефтесодержащих стоков более чем на 40% и представляется возможным.^[19]

Рекомендации

1. Дикенсон, К. (1994). Справочник по фильтрам и фильтрации. Великобритания: передовые технологии Elsevier.
2. "Технология дискового сепаратора Альфа Лаваль".(доступно онлайн: http://www.alfalaval.com/industries/food-dairy-beverages/food/Documents/PCHS00022%20Disc%20Stack%20Centrifuges.pdf^{[постоянная мертвая ссылка ]}) [получено 10 октября 2013 г.]^{[мертвая ссылка ]}
3. Люнг, В. (2007). «Дисковые центрифуги в центробежном разделении в биотехнологии». Центробежное разделение в биотехнологии: 59–94. Дои:10.1016 / B978-185617477-0 / 50004-5. ISBN  9781856174770.
4. ван дер Линден, Йоханнес Петрус (5 февраля 1987 г.). «Жидкостное разделение в центрифугах с тарельчатым блоком». Колледж ван Деканен.
5. Типы и область применения промышленных центрифуг.
6. Альфа Лаваль (2010 г.). «Альфа Лаваль добавляет герметичную центрифугу для культивирования клеток». Химик-технолог.
7. Catalano, S .; и другие. «Центрифуги». Энциклопедия химико-технологического оборудования.(Доступно в Интернете по адресу: http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsMechanical/Centrifuges/Centrifuges.html ) [получено 13 октября 2013 г.]
8. Р.Г., Харрисон; и другие. (2003). "Наука и техника биоразделений". Oxford University Press.
9. Wang, Y .; и другие. (2003). "Китайская партикуология". Непрерывная сверхтонкая классификация в центрифуге с дисковым пакетом и соплом - влияние перегрузок и геометрии диска. 1 (2): 70–75. Дои:10.1016 / S1672-2515 (07) 60111-0.
10. Валас, С. (1990). «Эвристика в химической технологии». Баттерворт Хайнеманн.
11. Чен, К. «Эвристика для синтеза процессов». Кафедра химического машиностроения Тайваня.
12. «Центробежная сепарация в биотехнологии». Дисковая центрифуга. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
13. Rajagopal, S .; Дуглас, Н. (1992). «Иерархическая процедура концептуального проектирования процесса твердых тел» (Департамент химической инженерии).
14. Шантини, Р. (2013). «Последующая обработка (восстановление и очистка)».
15. Дегремонт. «Сбраживание ила, образующегося при очистке воды». Суэцкая среда.
16. «Процесс сгущения центробежных осадков». Система сточных вод. 2013.
17. Альфа Лаваль. "Центрифуга с дисковым стеком большой емкости для производства биодизеля".
18. Сазерленд (июнь 2009 г.). «Что нового в центрифугах?». Технология фильтрации и разделения.
19. Plat, R .; В. Ван ден Брук (1991). «Новая конструкция пакета пластин приводит к повышению эффективности разделения центрифуги». Общество инженеров-нефтяников. (из:http://www.onepetro.org/mslib/servlet/onepetropreview?id=00022832 )