Способы выгрузки осадка из роторов центрифуг

Классификация центрифуг

Центрифуги классифицируют: 1) по величине фактора разделения; 2) по физической сущности процесса - осадительные и фильтрующие; 3) по характеру работы- периодические и непрерывные; 4) по расположению ротора; 5) по способу выгрузки осадка.

По фактору разделения промышленные центрифуги условно делят на: нормальные центрифуги с фактором разделения Ф_р<3500; скоростные или сверхцентрифуги с фактором разделения Ф_р> 3500.

По способу выгрузки осадка из барабана различают центрифуги с выгрузкой ручной, гравитационной, шнековой, ножами и скребками, пульсирующими поршнями и др. (рисунок 45).

I - суспензия; II - фугат; III - осадок

Рисунок 45 - Способы выгрузки осадка.

По конструкции опор и расположению оси барабана центрифуги делят на подвесные вертикальные (на колонках), вертикальные стоячие (с подпертым валом), горизонтальные, наклонные (рисунок 46).

1	2	3

1 - вал подперт в жестких опорах; 2 - вал, подпертый с упругой опорой; 3 - висячий вал с верхним креплением опор; 4 - вал, подвешенный на колоннах; 5 - горизонтальное крепление вала в жестких опорах; 6 - консольное крепление ротора.

Рисунок 46 - Схемы расположения ротора и крепления валов роторов.

По организации процесса разделяют периодически и непрерывно действующие центрифуги.

Номенклатура базовых моделей центрифуг

Номенклатура базовых моделей центрифуг включает следующие типы:

ФГП - фильтрующая, с горизонтальным ротором и пульсирующей выгрузкой осадка;

ФВИ -фильтрующая, с вертикальным ротором и инерционной выгрузкой осадка;

ФВВ - фильтрующая, с вертикальным ротором и вибрационной выгрузкой осадка;

ФГШ - фильтрующая, с горизонтальным ротором и шнековой выгрузкой осадка;

ФВШ- фильтрующая с вертикальным ротором и шнековой выгрузкой осадка;

ОГШ- осадительная, с горизонтальным ротором и шнековой выгрузкой осадка;

ФГН- фильтрующая, с горизонтальным ротором и ножевым съемом осадка;

ФПН- фильтрующая, подвесная, с ножевой выгрузкой осадка;

ФПС- фильтрующая, подвесная, саморазгружающаяся;

ФМН - фильтрующая, маятниковая с ножевой выгрузкой осадка;

ФМБ -фильтрующая, маятниковая, с ручной выгрузкой осадка через верхний борт;

ФМД- фильтрующая, маятниковая, с ручной выгрузкой осадка черед днище;

ФВБ- фильтрующая, вертикальная, с ручной выгрузкой осадка через верхний борт;

ОТР осветляющая, трубчатая, с ручной выгрузкой осадка.

Как видно из приведенной классификации, подавляющее большинство выпускаемых типов центрифуг- фильтрующие. Это- объясняется тем, что в фильтрующих центрифугах, как правило, обеспечивается большая четкость разделения, получается менее влажный осадок.

По сравнению с фильтрами центрифуги имеют следующие преимущества, обуславливающие их большое распространение: а) высокая интенсивность процесса за счет больших значений фактора разделения; б) компактность (в отличие от фильтров, не требуется вспомогательное оборудование для поддержания движущей силы процесса вакуум-насосов, насосов); в) большие возможности механизации, автоматизации процесса; г) меньшие требования к суспензии и осадку.

Крупным недостатком центрифуг является их сложность, высокие требования к точности изготовления конструкций, большая стоимость.

Выгрузка под действием силы тяжести

Шнековая выгрузка осадка

Поршневая выгрузка осадка

Ножевой съем осадка

Инерционная выгрузка осадка

Вибрационная выгрузка осадка

Выгрузка под действием силы тяжести

Выгрузка под действием силы тяжести является одним из наиболее старых способов и реализуется в центрифугах типа ФПС. Эти центрифуги применяются в химической промышленности (хотя наиболее распространены в сахарной). Основное достоинство выгрузки - отсутствие измельченного осадка. Центрифуги этого типа имеют цилиндроконический ротор, что облегчает перекрытие выпускного отверстия подъемным конусом. Движение частицы массой m вдоль образующей конуса будет иметь место, если сила, действующая вдоль образующей будет больше силы трения:

, (4.5)

Из этого выражения получаем формулу для расчета необходимого угла между осью и образующей конуса:

, (4.6)

Рисунок 47 - Схема гравитационной выгрузки осадка

где f- угол трения осадка о стенку ротора. Чем выше число оборотов в период разгрузки, тем меньше значение должен иметь угол b, что конструктивно неудобно. При w =0 tg b имеет максимальное значение, равное 1/f. В центрифугах ФПС выгрузка осуществляется при полном останове ротора, угол b равен 67°. Выгрузка осадка занимает 25 секунд при общей продолжительности 228 секунд.

Шнековая выгрузка осадка

Центрифуги со шнековой выгрузкой осадка имеют в роторе шнек, число оборотов которого на 0,65 - 2 % отличается от числа оборотов ротора, что и обеспечивает сравнительно медленное движение осадка.

1 - редуктор; 2 - ротор; 3 - шнек; 4 - барабан; 5 - ввод суспензии в ротор; 6 - выход осадка. Рисунок 48 -Шнековая выгрузка.

Шнековая выгрузка применяется как в осадительных, так и в фильтрующих центрифугах. Наличие шнека затрудняет промывку осадка в последних. Недостатки шнековой выгрузки: а) осадок заметно измельчается; б) шнек довольно быстро изнашивается; в) наблюдается значительная, периодически усиливающаяся вибрация

(когда складывается динамическая неуравновешенность шнека и ротора - при их определенном взаимном расположении).

Витки шнека могут выполняться сплошными или ленточными, укрепленными на стойках.

Шнековая выгрузка является одним из наиболее надежных, универсальных и широко применяемых способов.

Поршневая выгрузка осадка

В наиболее простом варианте поршневая выгрузка осадка выглядит следующим образом. Фильтрующий цилиндрический ротор 1 приводится во вращение с помощью полого вала 2. Суспензия подается внутрь ротора из питающей трубы 3. Образующийся на фильтрующей поверхности осадок выталкивается о помощью толкателя 4, который приводится в возвратно-поступательное движение штоком 5, связанным с гидроприводом. Распределительный конус 6, связанный жестко с толкателем, служит для равномерного распределения суспензии до периметру ротора. Длина хода толкателя невелика: 0,1 длины ротора, поэтому при прямом ходе толкатель сбрасывает примерно 0,1 имеющегося в роторе осадка (наиболее отжатого, а при обратном ходе освобождающийся участок сита заполняется суспензией из распределительного конуса 6. Кольцо 7 служит для разравнивания осадка, диаметр это кольца определяет толщину осадка (рисунок 49).

При проектировании центрифуг с поршневой пульсирующей выгрузкой учитывают следующее обстоятельство. Давление толкателя на осадок должно обеспечивать продвижение осадка вдоль образующей ротора с преодолением силы трения осадка о ротор. В то же время из механики грунтов известно, если давление на боковые грани сыпучего тела превосходит некоторое значение s 1, то происходит разрушение равнове-

1 - фильтрующий ротор; 2 - полый вал; 3 - питающая труба; 4 - толкатель; 5 - шток; 6 - распределительный конус; 7 - кольцо. Рисунок 49 - Поршневая выгрузка осадка.

сия между частицами, частицы смещаются друг относительно друга с выпиранием массы вверх (рисунок 50).

Рисунок 50 - Соотношение сил при поршневой выгрузке осадка.

Отсутствие такого выпирания определяется равенством: , (4.7) где s 2 - напряжение, действующее перпендикулярно к направлению бокового давления; a - угол внутреннего трения данного сыпучего материала.

Необходимое усилие толкателя для преодоления силы трения осадка о ротор равно:

, (4.8)

где z- рабочая длина ротора; f- коэффициент трения осадка о ротор; r и R- внутренний и наружный радиусы цилиндрического слоя осадка. Отсюда получаем:

, (4.9)

Подстановка s ₁ в неравенство (4.7) и представление разности квадратов в виде:

, (4.10)

дает

, (4.11)

где h_ос -толщина осадка.

При пользовании формулой (4.10) рекомендуют в числитель правой части вводить опытный поправочный коэффициент, равный 0,6 - 0,7, который увеличивает точность формулы и отражает влияние неучтенных факторов (изменение угла внутреннего трения при уплотнении осадка под действием центробежной силы). С учетом этого имеем:

, (4.12)

Таким образом, отсутствие вспучивания обеспечивается при достаточ-

но большой толщине осадка и не очень большой длине барабана. Современная тенденция развития центрифуг с пульсирующим поршнем - создание многокаскадных центрифуг (рисунок 51). Перемещение осадка осуществляется в первом каскаде - толкателем, во втором каскаде - закраинами ротора 2 и третьем каскаде - закраинами ротора 3.

1 - толкатель; 2,3 - пульсирующие роторы; 4 - непульсирующий ротор; 5 - распределительный конус; I, II, III - каскады. Рисунок 51 -Трехкаскадная фильтрующая центрифуга с поршневой выгрузкой осадка.

Ножевой съем осадка

Ножевой съем осадка применяется в осади- тельных (ОГН) и фильтрующих (ФГН) автоматических центрифугах и некоторых других конструкциях. Особенностью машин ОГН, ФГН является периодичность выполнения операций, заданных программой автоматического управления, при непрерывном вращения ротора.

Широкое применение обусловлено их универсальностью, они могут использоваться в широком интервале дисперсности концентраций твердой фазы. При, этом ФГН используется при дисперсности твердой фазы 30 - 150 мкм, ОГН - при размере зерен 5 - 40 мкм.

Применение фильтрующего ротора предпочтительно, так как осадок получается более сухой, имеется возможность его промывки, поэтому тип ФГН более распространен.

Из ротора осадительных центрифуг осветленная жидкость (фугат) удаляется путем перелива через борт или через специальную отстойную трубу. Применяется механизм среза нескольких типов: а) широким ножом, перемещающимся радиально; б) широким ножом (тоже на всю длину ротора), перемещающимся путем поворота на определенный угол, в) узким ножом, имеющим возвратно-поступательное движение вдоль ротора и, кроме того, совершающим вращательное движение.

Механизм ножевого среза, показанный на рисунке 52 состоит из рамы ножа 1, на которой закреплено режущее лезвие 2, двух направляющих колонок 3 (вдоль которых движется рама), штока 4 и гидропривода 5, прикрепленного к крышке кожуха центрифуг 6. Нож расположен в роторе 7. Ход ножа ограничен двумя электрическими концевыми выключателями, установленными на крышке кожуха. Срезанный ножом осадок попадает в разгрузочный бункер, расположенный в роторе, откуда он и выводится. Все винтовые

1 - рама; 2 - режущее лезвие; 3 - две направляющие колонки; 4 - шток; 5 - гидропривод; 6 - кожух центрифуги; 7 - ротор. Рисунок 52 - Ножевой съем осадка.

крепления механизма среза должны быть хорошо затянуты и застопорены, особенно крепление лезвия. Недостатком ножевого съема является наличие не снимаемого с фильтрующей перегородки слоя осадка (между ней и ножом должен быть зазор во избежание механического повреждения сетки). Этот уплотненный слой повышает сопротивление фильтрации, поэтому предусматривается периодическое удаление уплотненного слоя (растворением).

Инерционная выгрузка осадка

При данном способе разгрузки осадка ротор имеет коническую форму и разгрузка происходит под действием центробежной силы путем сползания осадка при вращении ротора к широкому

основанию конуса. Условия движения материала характеризуются превышением движущей силы (составляющая центробежной силы, направленная вдоль образующей конуса) над силой трения. Рассмотрим схему движения материала при инерционной выгрузке в вертикальном коническом роторе, ориентированным широким основанием вверх.

Рисунок 53 - Инерционная выгрузка осадка

Условия движения материала определяются неравенством:

, (4.13)

Откуда:

, (4.14)

Анализ неравенства (4.9) показывает, что при достаточно больших числах оборотов, когда , необходимый угол b определяется значением коэффициента трения осадка о стенку ротора.

Недостаток: из-за колебания коэффициента f у различных продуктов угол b берется с запасом, что сокращает время пребывания материала в роторе. Более надежной оказывается принудительная транспортировка осадка в роторе за счет разных механизмов - шнека, поршня и т.д.

Вибрационная выгрузка осадка

Вибрационная выгрузка осадка имеет ряд преимуществ: при регламентированном времени пребывания осадка в роторе обеспечивается отсутствие измельчения осадка, снижается износ сит, улучшается фильтрация из-за разрыхления осадка при вибротранспортировке. Основными недостатками являются сложность конструкции, пониженная надежность вследствие тяжелых условий работы амортизаторов.

1 - ротор; 2 - резиновый буфер; 3 - буферная тарелка; 4 - подшипник; 5 - коленвал; 6 - шатун; 7 - резиновые буфера; 8 - головка ротора; 9 - внутренний конус разгрузочного устройства; 10 - наружный конус загрузочного устройства; 11 - электродвигатель; 12 - опора; 13 - труба слива; 14 - кожух. Рисунок 54 -Схема конструкции виброцентрифуги

Фильтрующий ротор 1 представляет собой усеченный конус, обращенный вершиной вниз. Нижнее основание ротора с помощью резиновых буферов 2 упруго связано с буферной тарелкой 3, установленной на подшипниках, которые укреплены в корпусе. Благодаря упругому креплению достигается независимое движение ротора, относительно приводного шкива в осевом направлении при их совместном вращении. Осевые вибрации ротора осуществляются с помощью электродвигателя 11, коленвала 5, шатуна 6, резиновых буферов 7. Буферная тарелка 3 одновременно является приводным шкивом.

Таким образом, ротор, вращаясь, одновременно совершает осевые вибрации.

Исходная суспензия поступает в ротор через зазор между внутренним конусом 9 и наружным конусом 10, что дает возможность равномерно распределить ее по всей окружности ротора. При этом внутренний конус защищает головку ротора от ударов кусков материала.

Со дна ротора материал движется вдоль фильтрующей стенки центробежной силой. Отфуговываемая жидкость по трубе 13 выводится из центрифуги. Центрифуга закрыта кожухом 14 и имеет фундаментные амортизаторы 12. Осадок выбрасывается через верхний слой ротора и падает в днище кожуха.

Рассмотрим условия движения материала в роторе центрифуги. На частицу материала массой m действуют силы: G_m - cила тяжести; Gц -центробежная сила; Gи- сила инерции.(рисунок 55)

Предположим, что в рассматриваемый момент ротор поступательно движется вниз. При обратном направлении движения ротор будет поднимать частицы, преодолевая силу инерции, без относительного скольжения частицы по поверхности ротора. Разложим упомянутые силы на составляющие, направленные вдоль оси конуса (обозначим их буквой Т) и направленные нормально

Рисунок 55 - Условия движения осадка при вибрационной выгрузке.

к образующей конуса (обозначим их буквой N).

Условие движения частицы к широкому концу ротора:

, (4.15)

Причем:

(4.16)

После подстановки получим:

, (4.17)

Для выгрузки осадка только под действием центробежной силы (без вибраций) при условии движения осадка вверх получим:

, (4.18)

Следовательно:

, (4.19)

Это означает, что использование осевых вибраций ротора позволяет уменьшить угол наклона стенок конического ротора к вертикальной оси и соответственно уменьшить диаметр ротора в широкой части при сохранении неизменным диаметра ротора в его узкой части. Кроме того, длина ротора может быть значительно уменьшена по сравнению с машинами с ц/б выгрузкой садка, т.е. вибрация способствует разрыхлению осадка, что ускоряет фильтрацию, поэтому, вибрационные центрифуги имеют сравнительно небольшие габариты.

Обычный угол наклона образующей конуса к вертикали у вибра- ционных центрифуг составляет 10°.

Таблица 4.1 - Сравнение вибро-инерционной центрифуги

Тип центри-фуги	Произво- дитель- ность по углю, т/ч	Вес цен- трифуги, кг	Мощность, кВт	Занимае- мая пло- щадь, м2	Высота
Инерционная Вибрационная				5,8	3,64 1,43