Centrifugarea

Consideratii teoretice

Centrifugarea se aplica la separarea sistemelor eterogene de lichide. Într-o masa aflata în miscare pe o traiectorie curba se naste o forta centrifuga:

.

Pentru miscarea circulara:

,

unde: - forta centrifuga;

m - masa mobilului;

R - raza de curbura a traiectoriei;

ω - viteza unghiulara;

n - turatia.

Forta centrifuga, la fel ca greutatea, este o forta de masa, masica, care ce aplica unei mase. Comparând ecuatiile de mai sus cu ecuatia care exprima valoarea masei m în câmpul gravitational caracterizat prin acceleratia g, se poate considera ca expresiile: , sau reprezinta acceleratia câmpului centrifug.

Desi efectele câmpului centrifug sunt calitativ aceleasi cu cele ale câmpului gravitational, exista diferenta importante între cele doua câmpuri de forte, astfel:

înauntrul unui sistem î 18218w2213s n miscare, câmpul centrifug nu este omogen, ci variaza în lungul normalei la traiectoria sistemului;

directia fortelor centrifuge este radiala, ele nu sunt paralele ca fortele gravitationale;

intensitatea câmpului de forte centrifuge poate fi variata, variind viteza mobilului si distanta la axa de rotatie.

Raportul dintre intensitatile celor doua câmpuri, exprimat prin raportul dintre acceleratiile lor, se numeste factor de eficacitate:

.

Factorul de eficacitate z are valorile:

la centrifugale de mica eficacitate: 30;

la centrifugarea cristalinelor: 100 . 1500;

la centrifugarea zaharului: 450 . 650;

la centrifuge de mare capacitate: 3000;

la ultracentrifuge: .

La separarea componentilor sistemelor eterogene, centrifugarea este folosita pentru urmatoarele efecte:

accelerarea sedimentarii;

accelerarea filtrarii;

eliminarea lichidului îmbibat într-un material solid granular.

Factorii fizico-chimici ai procesului de separare centrifuga

Principiul fizic al procesului de separare al emulsiei ca si în orice alt sistem eterogen de grasimi se bazeaza pe refularea fazei disperse sub actiunea fortelor centrifuge.

Legea lui Stokes, privind viteza de miscare a particulelor în separator, ne arata ca:

,

unde: a - acceleratia miscarii de rotatie;

- densitatea fazei de baza (principal);

- densitatea fazei disperse;

μ - coeficient al interactiunii dinamice din sistemul eterogen;

d - diametrul particulelor.

Aplicarea miscarii particulelor disperse în sisteme eterogene, si cu atât mai mult a legii lui Stokes, nu scoate în evidenta particularitatile procesului de separare centrifugala.

Formula anterioara reprezinta viteza de ridicare la suprafata a particulelor în concordanta cu legea lui Stokes si poate fi modificata înlocuind pe a cu valoarea sa, :

.

În legatura cu particularitatile separarii se poate analiza expresia anterioara si determina influentele diferitilor parametrii asupra vitezei de miscare a particulelor. De exemplu, valoarea marimii r a particulelor în dispersie intra la patrat, ceea ce înseamna ca odata cu cresterea dimensiunilor particulelor în dispersie creste viteza lor de sedimentare (depunere). Asupra vitezei de sedimentare în câmp centrifug influenteaza doi factori, legati de constructia separatoarelor:

viteza de rotatie a tamburului separatorului, n;

raza sa de rotatie, R.

Legea lui Stokes se poate aplica în conditii reale ale decantarii centrifuge, conditii de limita, care se pot împartii în doua grupe:

Legate de ipoteza, prin deducerea egalitatii lui Stokes.

Ce reies din specificarea particularitatii obiectelor studiate si considerarea influentei factorilor exteriori.

Prima grupa de conditii. Particulele trebuie sa aiba forma sferica, viteza constanta de asezare, sa fie solide si netede, asezate nelimitat la mijloc, în spatiul dintre fundul si peretele recipientului. Miscarea particulelor trebuie sa fie laminara; alunecarea dintre particule si circumferinta ambientala (mediu ambiant) în procesul de depunere trebuie sa lipseasca. Dimensiunea particulelor trebuie sa fie suficient de mare în comparatie cu dimensiunile moleculelor fazei disperse, ceea ce este evident.

A doua grupa de conditii. Sistemul de separare trebuie sa asigure o stabilitate a procesului de sedimentare astfel încât sa se evite coagularea în procesul de sedimentare. Dispersia mediului în procesul de decantare trebuie sa se afle în stare de repaus, asa cum miscarea ei da nastere la o sedimentare lenta a particulelor. Particula separata trebuie sa aiba aceeasi densitate pentru toate volumele, si sa nu aiba pe suprafata sa straturi stabilizatoare de protectie si straturi de solventi.

Este necesar de a asigura stabilitatea temperaturii în sistemul de separare astfel încât valoarea ce intra în ecuatia lui Stokes sa nu se schimbe. În sistem nu trebuie sa fie particule a caror miscare sa fie în sens contrar directiei de miscare a fazei disperse.

Din toate conditiile de mai sus puse pentru legea lui Stokes, în procesul de separare, o importanta deosebita o are miscarea de întâlnire - forta de impact - a diferitelor particule. Asa cum prin, separarea sistemelor multicomponente, miscarea de întâlnire (ciocnirea) a particulelor fazei usoare si grele este inevitabila, tot asa se poate vedea la antrenarea în depunere a fazei usoare si a antrenarii particulelor grele în faza usoara; este necesar de vazut probabilitatea ciocnirii particulelor, divizate prin separare.

Probabilitatea ciocnirii si a coagularii particulelor din fazele disperse în spatiile interstitiale ale talerelor separatoarelor

Aparitia coagularii în procesul de separare reprezinta procese fizico-chimice complexe. Sistemele dispersie pot coagula sub actiunea celor mai diverse forte.

Valoarea regimului termic influenteaza fenomenul de coagulare, ca urmare a cresterii miscarii Browniene. O astfel de coagulare se numeste adesea coagularea paracinetica.

Coagularea particulelor prin determinarea directiilor de miscare, sub actiuni hidrodinamice, electrice, gravitationale, centrifugale si alte asemenea se numeste coagulare ortocinetica.

Pentru tehnica separarii o însemnatate deosebita o are coagularea ortocinetica ca factor predominant al limitarii miscarii particulelor si practic numai aceasta determina viteza de coagulare. În acest caz procesele de coagulare paracinetica nu influenteaza substantial în constructia agregatelor.

În principalele teorii privind coagularea, se tine cont de faptul ca particulele coaguleaza la fiecare contact reciproc. În spatiile interstitiale ale talerelor separatoarelor prin divizarea (separarea) uneia sau a mai multor componente ale sistemelor disperse se produce ciocnirea si atingerea particulelor. Notiunea de ciocnire si atingere în teoria coagulatiei are diferite sensuri. În sistemele disperse datorita actiunii de amortizare a mediului este posibila ciocnirea particulelor (tamponarea particulelor fara atingere, fara contact). Numai atingerea particulelor poate duce la fenomene de coagulare fie prin aderenta sau fuziunea lor.

Principalele cauze ce determina ciocnirea si atingerea particulelor în spatiile interstitiale dintre talerele separatorului, sunt urmatoarele:

Prima cauza este determinata de directia de miscare a fazei (fractiei) separate catre centrul sau catre periferia tamburului separatorului sub actiunea fortelor centrifuge. Prin aceasta. Viteza miscarii particulelor separate poate fi diferita din cauza diferentei marimilor. În concordanta cu formula lui Stokes, particulele cele mai mari au o viteza mult mai mare decât cele mai mici, ceea ce duce la lipirea (aderenta, cuplarea) lor. Aceasta coagulare sub actiunea câmpului centrifug poate fi denumita ortocinetica sau cum a numit-o Quks, cinematica.

A doua cauza a ciocnirii si atingerii particulelor consta în miscarea lor în sens opus. Prin deplasarea particulelor mai usoare spre centrul de rotatie se observa miscarea în sens opus catre periferie a particulelor grele.

A treia cauza consta în valori diferite ale vitezei de deplasare în straturi a lichidului fata de o sectiune normala a fluxului. Prin existenta gradientului transversal al vitezei în fluxul de coagulare sau prin ciocnirea particulelor în fluidul în miscare, a primit denumirea de gradient. Aceasta se observa la regimul laminar cât si la cel turbulent de curgere a lichidului în interstitiile dintre talerele separatorului. Se vede ca ciocnirea si atingerea particulelor duc la o rezultanta a osculatiilor tamburului materializata în vibratiile separatorului.

Spatiul interstitial al separatorului se poate împarti în patru zone, în fiecare din ele ciocnirea si atingerea particulelor având loc datorita unor cauze diferite.

Fig. 7 Pag. 22

ZONA I - ciocnirile particulelor cu sens contrar de deplasare si a celor ce însotesc miscarea dupa dimensiunile si marimea lor este determinanta. În aceasta zona particulele grele si usoare se ciocnesc în urma miscarii lor în sens contrar si de asemenea în acelasi timp ca urmare a miscarii de însotire, când particulele cele mai mari urmaresc si se ciocnesc cu cele mai mici. În felul acesta are loc coagulatia gradientala.

ZONA II - este zona în care are loc miscarea particulelor fazei usoare. Aici particulele mari ajung si se ciocnesc cu cele mici. Se observa aici, la limita dintre zone (I si II) ciocnirea particulelor fazei grele si usoare. În apropierea suprafetei talerului, ciocnirea ca urmare a miscarii în sens contrar este posibila, asa cum aici nu sunt sau nu trebuie sa se afle particule ale fazei grele.

ZONA III - este zona în care are loc miscarea particulelor fazei grele. În aceasta zona particulele mari, în urma ciocnirii, au o viteza mai mare de sedimentare decât particulele mici. Astfel ca în stratul din zona doi, care este dispus în apropiere de zona unu se observa cum particulele fazei grele se ciocnesc cu particulele fazei usoare.

ZONA IV - gradientul coagularii cuprinde portiunea unde se observa sensul de curgere a curentului de fluid. Pentru spatiile interstitiale ale separatoarelor cu alimentare centrala a fluidului, zona patru cuprinde zona unu si doi. Pentru determinarea miscarii în sens contrar a particulelor fazei disperse, se pune ipoteza de a delimita probabilitatea ciocnirii particulelor. Astfel se stabileste acea probabilitate conform careia într-un volum în decurs de o secunda se ciocnesc particule în miscare de sens contrar a celor doua sisteme disperse, formându-se m perechi de particule coagulate.

Legile hidraulice si hidrodinamice ale procesului separarii

Fluidul, ce intra în tamburul separatorului, îsi va schimba directia de miscare în mod diferit, în functie de caracteristicile constructive ale tamburului separatorului. Viteza medie a miscarii lichidului între talere este:

,

unde: - viteza medie;

m - cantitatea lichidului, ce trece prin interstitiile dintre talere,

;

R - raza curentului de fluid în talere pentru care se determina viteza,

;

h - distanta dintre talerele pe normala, .

Dar:   ,

unde:   M - productivitatea separatorului, ;

z - numarul talerelor.

Viteza de curgere a lichidului în spatiile dintre talerele separatorului se prezinta ca o marime variabila, ea se micsoreaza de la centru catre periferie. Pentru studiul legilor hidraulice aproximative ce se pot aplica spatiului de separare (de slam) la separatoarele cu autodescarcare sa urmarim liniile de curent, ale curgerii lichidului în tamburul separatorului din figura VEZI.

Fig. 8 Pag. 29

Pentru determinarea vitezei miscarii lichidului în camera de separare a separatorului cu alimentare centrala (purificatoare) de fluid, se poate folosi urmatoarea formula:

,

unde:   - viteza lichidului în camera de separare - purificare;

M - productivitatea separatorului, ;

- diametrul corpului sau capacului tamburului în sectiunea de

sarcina a camerei de slam (de separare), ;

- diametrul talerului împreuna cu bordura rasfrânta.

În separatoarele cu alimentarea fluidului la periferie (clarificatoare), viteza medie de miscare a fluidului în oricare sectiune a camerei de separare (de slam) tine seama, ca în toate talerele intra aceeasi cantitate de lichid, se poate determina cu urmatoarea formula:

,

unde: T - numarul interstitiilor dintre talerele separatoarelor aflate mai jos (sub sectiunea studiata);

z - numarul total al spatiilor dintre talerele separatorului;

- raza curentului de fluid în tamburul separatorului;

- raza periferica a talerelor.

Factorii constructivi ce influenteaza procesul de separare

Factorii constructivi de baza care creeaza o influenta substantiala asupra eficientei procesului de separare, reies din formulele pentru determinarea productivitatii separatoarelor. Cea mai simpla formula (expresie) este cea propusa de Luchianov:

,

unde:  n - turatia tamburului separatorului, ;

z - numarul spatiilor dintre talerele separatorului;

d - unghiul de înclinare al talerului în grade;

R, r - raza mare, mica, ;

d - diametrul particulei considerate a fazei disperse, d [cm]

μ - viscozitatea fluidului;

;

- densitatea fazei grele, usoare, .

Expresia productivitatii pentru separatoarele cu alimentare periferica a lichidului (clarificator) în cea mai simpla forma a sa este cea propusa de Lipatov:

,

unde: - diferenta dintre densitatea fazei grele si usoare,.

Cele doua formule de mai sus ne arata numai miscarea particulelor în prima etapa.

Pentru cea de-a doua etapa prezinta interes expresia propusa de Myrkes

.

Expresia anterioara a fost obtinuta din studiul experimental a miscarii particulelor dispersiei.

Printre acesti factori se numara: turatia tamburului, dimensiunile tamburului si talerelor, distanta dintre talere. În afara de aceasta, experienta arata ca eficienta separarii este influentata substantial de distribuirea echilibrata a lichidului în setul de talere si de echilibrarea tamburului separatorului. Unii din principalii parametrii, ce determina direct procesul de separare este turatia tamburului. La cresterea turatiei separatorului, pentru intensificarea procesului este necesar a tine cont de rezistenta si de rezistenta la uzura a partilor mobile ale separatorului. La cresterea numarului de turatii ale separatorului, concomitent cu cresterea acceleratiei radiale eficienta conditionata a separarii creste si forta centrifuga tinde sa rupa tamburul.

Productivitatea separatoarelor, asa cum rezulta din formule depinde în mare masura de dimensiunile talerelor. Cresterea diametrului exterior si micsorarea diametrului interior al talerelor duce în mod neconditionat la cresterea eficientei separarii. Totusi aceasta cale se prezinta mai putin eficienta asupra procesului de separare. Cresterea diametrului exterior al talerelor implica cresterea diametrului tamburului ceea ce influenteaza negativ asupra consumului de energie mecanica necesar separarii. Cresterea marimii tamburului duce la cresterea tensiunii din peretii acestuia. Marimea diametrului interior al talerelor duce la dificultati constructive si nu totdeauna aceasta este justificata.

Dintre factorii constructivi ai talerelor ce influenteaza asupra eficientei separarii, o însemnatate mare o are marimea distantei dintre talere. În conceptia generala actuala exista convingerea ca procesul de separare depinde în mare masura de distanta dintre talerele separatorului. Distanta optima dintre talere poate fi determinata analitic, initial din studiul fortelor ce actioneaza asupra particulei la periferia talerului si compararea dimensiunilor limita si ( - dimensiunea limita a particulei ce patrunde prin grosimea lamei în spatiul dintre doua talere, - dimensiunea limita a particulei ce avanseaza pe taler spre centrul tamburului.

Pentru separatoarele cu alimentare centrala (purificatoare) a lichidului, conditia de patrundere a particulelor usoare prin masa mediului dispers si deplasarea lor catre centrul tamburului pe generatoarea talerului poate fi comparata cu dimensiunea minima a particulei ce patrunde prin grosimea lamei si se deplaseaza pe suprafata talerului catre centrul tamburului. Exista trei situatii:

În cazul în care prin grosimea lamei nu pot patrunde toate particulele ce ar putea sa se mentina pe suprafata talerului si care înainteaza si spre centrul tamburului.

În cazul în care se observa ca afluierea particulelor de diametru ce patrund prin grosimea lamei si se depun pe taler, dar nu pot fi separate toate particulele ce trec prin spatiul dintre talere.

În cazul în care particulele ce au patruns prin grosimea lamei se vor deplasa catre centrul tamburului. Prin aceasta se realizeaza conditiile optime pentru procesul de separare.

Numeroase cercetari experimentale, au aratat ca în rândul cauzelor greu evitabile, cantitatea lichidului, ce intra în diferite spatii dintre talerele separatorului nu este aceeasi. Aceasta se explica prin inegalitatea înaltimii nervurilor si placilor fixate la distanta între talere, profilul capacului de închidere al tamburului separatorului, prin conditiile de intrare a lichidului în spatiile dintre talere si marimii spatiului de separare.

În legatura cu distribuirea inegala a lichidului separat, pe talerele separatorului trebuie avut în vedere existenta pragurilor bordurate.

Fig. 13 Pag. 46

Schema dispunerii acestor borduri pe talerele separatorului este redata în figura VEZI. Bordurile formeaza pragul, datorita caruia lichidul se distribuie egal în întreg volumul spatiilor dintre talere si pe toata înaltimea tamburului. Aceasta duce la o eficienta ridicata a separarii. Astfel pierderile cu fractiile separate se reduc la 50 - 70%.

Cercetarile experimentale privind separarea amestecurilor multicomponente au aratat legatura reciproca între echilibrul tamburului separatorului si calitatea separarii. Astfel, o functionare neuniforma (dezechilibrata) a tamburului separatorului duce la înrautatirea gradului de extractie (de separare) din lichid a fazei disperse.

Legile acumularii depunerilor

Problemele acumularii si proprietatile depunerilor în functie de diferite conditii si, de asemenea, determinarea perioadei de descarcare impun serioase probleme de cercetare experimentala.

S-a observat ca nu exista o dependenta proportionala între marimea perioadei de acumulare a depunerilor, durata procesului de descarcare si cantitatea de depuneri descarcata.

Cresterea duratei intervalului dintre doua descarcari succesive - perioada de acumulare a depunerilor - la o marime constanta a procesului de descarcare, poate duce în mod întâmplator nu la marirea ci la micsorarea cantitatii de depuneri descarcate. Sensul fizic al acestei influente se poate explica prin aceea ca pe masura acumularii depunerilor, cresc odata cu densitatea si viscozitatea la periferia tamburului, si presiunea în aceasta zona a spatiului de slam.

Predominarea unui factor sau altul duce la cresterea sau micsorarea cantitatii depunerilor, centrifugate la o singura descarcare.

Pentru determinarea densitatii si viscozitatii depunerilor pe peretii tamburului este necesara determinarea timpului pentru limitarea fortelor de coeziune a depunerilor pe peretii tamburului si trecea depunerilor prin fantele de descarcare. De aceea o crestere neînsemnata a procesului de descarcare nu poate duce la o crestere însemnata a cantitatii depunerilor centrifugate.

Influenta prelungirii intervalelor între ciclurile de descarcare asupra continutului de slam al depunerilor descarcate este aratata în figura VEZI.

Fig. 14 Pag. 52

Caracterul curbei se explica prin doi factori. Primul consta în aceea ca variatia marimii intervalului dintre doua descarcari duce la cresterea sau micsorarea cantitatii depunerilor centrifugate la o descarcare iar al doilea în aceea ca, continutul de slam, în depuneri variaza pe directia de la centrul tamburului catre periferie si firesc apare variatia continutului de grasime în depunerile descarcate, în dependenta de marimea intervalului dintre descarcari dupa o lege apropiata de sinusoida. Aceasta influenta a marimii procesului descarcarii asupra continutului de impuritati în depunerile de impuritati în depunerile centrifugate este indicata în figura de mai jos:

Fig. 16 Pag. 53

Cercetarile lui Movicov au urmarit corelatia dintre calitatea clarificarii (limpezirii) produsului separarii centrifugale si timpul de lucru neîntrerupt dintre doua descarcari succesive. Aceasta a dus la observatia privind gradul de functionare identic al setului de talere.

Intervalul de timp dintre luarea probelor s-a schimbat în functie de marimea debitului fixat în experienta respectiva. S-a determinat, astfel, gradul de plenitudine al depunerilor descarcate din camera de separare si din recipientul de depunere.

La marirea vitezei de miscare a lichidului, la o micsorare constanta a spatiului de slam a tamburului separatorului cifra Reynolds atinge valoarea critica. Marind în continuare viteza de curgere a fluidului nu se observa o influenta substantiala a miscarii particulelor în suspensie la iesirea din setul de talere spre spatiul de slam al separatorului.

Epurarea prin centrifugare

Pentru a pune în evidenta avantajele separarii pe baza fortelor centrifuge fata de decantarea gravitationala trebuie sa evidentiem valoarea fortelor ce actioneaza într-un caz si într-altul.

Consideram de apa continut în masa unui combustibil având . Greutatea aparenta a apei, adica forta ce antreneaza acest lichid în jos este:

.

În cazul în care se înlocuieste efectul gravitatiei prin efectul centrifugal, prin rotirea cantitatii de apa de cu viteza unghiulara ω în jurul unei axe verticale la o distanta r se obtine:

,

unde:   .

Daca: r = 0,03 [m],

n = 6000 [rot/min],

,

avem:

.

Raportând:

.

Deci, forta centrifuga în exemplul considerat este de circa 11000 de ori mai mare decât aceea generata de actiunea gravitatiei. Rezulta si un timp scurt, o viteza mare de separare. Având în vedere consumul mare al motoarelor Diesel navale (tone sau zeci de tone pe zi) separarea prin decantare gravitationala, neputând face fata unor asemenea debite mari de combustibil, a fost înlocuita prin separarea centrifugala. Principial, separarea centrifugala se bazeaza pe folosirea fortelor centrifuge ce înlocuiesc forta gravitationala într-un vas de tip florentin, rabatut la 90° ce se roteste în jurul unei axe verticale x-x cu viteza unghiulara. Suprafata de separatie dintre fazele componente aflate la distanta de axa x-x va oscila apropiindu-se sau departându-se fata de aceasta d creste sau se micsoreaza dupa cum raportul va creste sau se va micsora. Practic se poate mentine d = ct. Când raportul variaza, prin modificarea lui , cu ajutorul unei diafragmei 6 (discul gravitational de reglare) montata pe partea superioara a tubului 5 prin care se evacueaza apa. Orice separator folosit ca purificator este prevazut cu un set de diagrame (discuri reglabile, gravitationale având acelasi diametru exterior si variind numai diametrul interior) la care diametrul interior variaza în functie de raportul , mai precis de γ componentului usor (motorina, combustibilul greu). Diagrama este folosita si atunci când γ combustibilului ramâne constanta, dar se modifica procentul de apa.

În cazul unui procent ridicat de apa, în aceleasi conditii de greutati specifice trebuie montata o diafragma cu diametrul mai mare si trebuie micsorat debitul de intrare al combustibilului separat în scopul maririi timpului necesar de trecere prin camera de separare 2.

Fig. 20 Pag. 62