Теоретические сведения. Центрифугированием называют процесс разделения гетерогенных систем, в частности суспензий или эмульсий

Центрифугированием называют процесс разделения гетерогенных систем, в частности суспензий или эмульсий, в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок. Процессы центрифугирования проводят в машинах, называемых центрифугами, где под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу, называемую фугатом, а эмульсия на тяжелую и легкую фазы.

В отстойных центрифугах со сплошными стенками производят разделение гетерогенных систем по принципу осаждения. В фильтрующих центрифугах с проницаемыми стенками процесс разделения суспензий идет по принципу фильтрования.

Центробежное отстаивание применяется для выделения осветленной жидкой фазы из разбавленных суспензий и для осаждения твердой фазы из концентрированных суспензий. Центробежное фильтрование используется чаще всего для выделения твердой фазы из суспензий и шламов с относительно малым содержанием жидкой фазы. Для исследования высокодисперсных систем и высоко-молекулярных соединений (например, белков) используется ультрацентрифугирование.

Отстойные центрифуги предназначены для разделения плохо фильтрующихся суспензий и для разделения эмульсий. Центрифугирование в них складывается из двух физических процессов: осаждения твердой фазы и уплотнения осадка. Так как осаждение частиц происходит в дисперсной среде, оказывающей сопротивление, то частицы через некоторый промежуток времени после начала осаждения движутся с постоянной скоростью, называемой скоростью осаждения в центрифуге υ_оц.

Скорость осаждения шарообразных частиц в ламинарном режиме (Re<0,2) при простом отстаивании под действием гравитационных сил может быть определена из уравнения Стокса:

(5.1)

где υ_от – скорость отстаивания, м/с; d – диаметр частицы, м; ρ_т – плотность частицы, кг/м³; ρ – динамический коэффициент вязкости среды, Па·С; g – ускорение силы тяжести, м/с².

При центробежном отстаивании возникает центробежная сила С, увлекающая более тяжелую фракцию неоднородной системы к стенкам аппарата:

С = m · n ²·R = m ·ω· R, (5.2)

где m – масса осадка и жидкости в центрифуге, кг; n – частота вращения ротора, с^-1; ω–угловая скорость, с^-1; R –радиус центрифуги, м.

(5.3)

При этом давление, действующее на стенки ротора центрифуги, можно определить по уравнению:

Где R₁ – радиус внутреннего слоя жидкости, м; R₂ – внутренний радиус центрифуги, м.

Отношение скоростей осаждения частиц под действием центробежных сил называется фактором разделения:

. (5.4)

По величине фактора разделения центрифуги можно условно разделить на две группы: нормальные центрифуги, применяемые в основном для разделения различных суспензий, и сверхцентрифуги, которые служат для разделения эмульсий и тонких суспензий. Выгрузка осадка из центрифуги производится либо вручную, при помощи ножей или скребков, шнеков и поршней, либо под действием силы тяжести и центробежной силы. Центрифуги различают по устройству (стоячие и подвесные), и в зависимости от организации процесса (периодические и непрерывно действующие).

Для характеристики разделяющей способности отстойных центрифуг вводится величина, равная произведению фактора разделения на поверхность осаждения S – индекс производительности:

(5.5)

Для переходного режима центробежного отстаивания и для турбулентного