Download - Psm Curs 7-1
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
1/65
Universitatea Politehnica București
Facultatea de Antreprenoriat , Ingineria si Managementul Afacerii Curs
7Centrifugarea pentrusedimentarea
suspensiilor
Profesor coordonator: Maican Constantin
tuden!i : Manu Alina , Mardale Andrei , M"rg"rita C"talina ,Mihail" M"d"lina , #icolescu orina , #istor $aura , Pic" M"d"lina ,
Popescu Marina , Prodan Marius , %udose &enisa , 'lad $avinia
&isciplina : Procesarea su(stan!elor si materialelor
Facultatea de Antreprenoriat , Ingineria siManagementul Afacerii
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
2/65
)rupa : *+ A
Curs 7
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
3/65
7-. Centrifugarea pentru sedimentarea
suspensiilor
7-.-* Pro(leme generale
Sedimentarea in câmp gravitațional de forțe se bazează pe diferența dintredensitatea fazelor componenente ale sistemului eterogen.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
4/65
Sedimentarea centrifugală realizează decantarea sau limpezirea suspensiilor.
Limpezirea necesită un factor de separare Z ≥ 104
și se aplică suspensiilor cu
conținut redus de particule ne și particule coloidale.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
5/65
Decantarea este aplicată suspensiilor cu conținutridicat de particule solide in diametre diferite .
rin sedimentare ! faza solidă se depune peperetele rotorului formând sedimentul ! după caresedimentul este tasat .rin tasare este eliminatăfaza lic"idă obținându#se un sediment compact șiuscat.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
6/65
$otorul centrifugei are pereți neperforați și este alimentat cu suspensie printr#uncanal tubular ! central %g.&'
$otorul centrifugal poate avea formă cilindrică !cilindro # conică sau conică %g.('
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
7/65
)entrifugele cu tambur cilindric asigură cea mai bună separare afazelor deoarece forțacentrifugă este constantă petoată lungimea rotorului.Sedimentul se evacuează ! *nsă
! cu umiditate mai mare.
)entrifugele cu tambur conic formează
sediment mai uscat ! lic"idul acumulându#se in zona cu forțe centrifuge mai mari.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
8/65
+vanta,ele celor două variante se regăsesc in rotorul cilindro#conic.
Din punct de vedere al poziției rotorului ! se construiesc centrifuge desedimentare cu a-ă de rotație verticală ! orizontală sau inclinată.
uncționarea lor poate periodică sau continuă.La centrifugele cu funcționareperiodică se disting mai multe etape / pornirea si accelerarea tamburului ! pânăla turația de regim ! alimentarea cu material! separarea fazelor ! frânarea si
descărcarea sedimentului.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
9/65
)entrifugele cu funcționare continuă sunt ec"ipate cu sisteme mecanice deevacuare permanentă a sedimentului ! asigurându#se 0u- continuu defuncționare %alimentarea! separarea si evacuarea sunt fenomene simultane'.
7-.- 'ite/a de sedimentare
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
10/65
1-presia generală de calcul a vitezei de sedimentare este asemănătoare cucea stabilită la sedimentarea in câmp gravitațional ! *nlocuindu#se accelerația
gravitațională cu accelerația normală % an=ω2
r ' 23 g=√4
3
d
C r
∆ f
δ f ω
2r
entru regimul laminar de curgere % 10−4
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
11/65
v= 1
18
d2
v
∆ f
δ f ω
2r
La regimul tranzitoriu % 2
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
12/65
v2=
4
3
d1,6
v0,6
18,5 v0,6
∆ f
δ f ω
2r
entru regimul turbulent de curgere % 500
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
13/65
7-.-. &iametre critice
23 diametrele ma-ime și minime ale particulelor care sedimentează intr#un regim determinat de curgere %v. diametre critice la sedimentarea in câmpgravitațional '
4nlocuind 5g6 cu ω2
r 2 3
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
14/65
$egim laminar d=3
√180
2 Re
ω2
r
∆ f
δ f Re=10
−4=¿d1m
Re=2=¿d1 M
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
15/65
$egim tranzitoriu d=3
√55,5
4
Re1,4 g2
ω2
r
∆ f
δ f d2m=d1 M
Re=500=¿d2 M
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
16/65
$egim turbulent d=3
√1,35
4
Re2 v2
ω2
r
∆ f
δ f d3m=d2 M
Re=2105=¿d3 M
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
17/65
7-.-0 %impul de sedimentare
Se analizează problema pentru regimul laminar de sedimentare ! la care
ϑ = 1
18
d2
v
∆ f
δ f ω
2r
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
18/65
Se calculează timpul necesar pentru depunerea unui strat de sediment! dintr#un
lic"id cu grosimea ∆ R= R− Ri unde $2raza interioară a rotorului și Ri 2
raza interioară a stratutului de lic"id din rotorul centrifugal.
Dacă particulele ce urmează a sedimentate parcurg distanța 5 dr 6 *n timpul 5
dτ
6 23ϑ =
dr
dτ
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
19/65
+ceste particule se deplasează !radial !pe distanța ∆ R= R− Ri
Decidr
dτ = 1
18
d2
v
∆ f
δ f ω
2r și dτ =
18v δ f
d2
∆ f ω2
r
dr
r 23
∫0
τ
dτ = 18v δ f
d
2
∆ f ω
2
dr
r ∫
Ri
Rdr
r 23 τ = 18 v δ f
d
2
∆ f ω
2 ln
R
Ri
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
20/65
7mpunând diametrul minim 8d6 al particulelor ce trebuie separate ! prinsedimentare centrifugală cu relația precedentă se determină timpul de staționarea suspensiei care sedimentează.
7-.-+ &e(itul de alimentare a centrifugei
V j=π R
4
4 g −ω2
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
21/65
Debitul de alimentare este Q=V j
6 2Q=
π R4
4 g −ω
2 d2
∆ f ω2
18v δ f ln R
Ri
1ste posibil ca debitul 896 sa e supus din condiții te"nologice
$elația precedentă permite calculul diametrului minim 8d6 al particulelor solide
care sedimentează.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
22/65
7-.-1 'ite/a medie de sedimentare
7n timpul τ particulele cu diamentrul d parcurg dinstanta ∆ R= R− Ri
23
ϑ m=∆ R
τ =
R− Riτ =
d2
∆ f ω2
18v δ f
R− Ri
ln R
R i
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
23/65
Se montează Rml=
R− R i
ln R
Ri 2 raza medie logaritmică
Deci / ϑ m=d
2∆ f ω
2
18v δ f Rml
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
24/65
:bservații / entru celelalte doua regimuri de sedimentare raționamentelesimilare.
7-.-7 Centrifuga pentru sedimentarea suspensiilor 2
solu!ii constructive
Sunt centrifuge cu rotor compact %neperforat' !care separă fazelesuspensiilor prin depunerea sedimentului pe peretele rotorului *n straturi
succesive ! dependente de densitatea particulelor solide . Sunt construite cu
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
25/65
rotoare cilindrice ! conice sau cilindro#conice !cu a- vertical sau cu a- orizontal .uncționarea este continuă sau discontinuă .
a' )entrifuga cu funcționare discontinuă
Sunt ! in general ! centrifuge cu a- vertical . 7n gura ; este prezentatăsc"ema unei centrifuge pentru sedimentare suspensiilor %centrifugă dedecantare' !cu a- vertical si rotor suspendat .
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
26/65
4nainte de pornirea centrifugei ! conulde *nc"idere ;! este coborât si acoperăconstrucția cu gura de descărcare
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
27/65
)entrifuga este apoi oprită ! conul de *nc"idere este ridicat și sedimentulse evacuează prin gura de descărcare
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
28/65
tamburul cilindric este dispus un tambur tronconic ( care se rotește *n acelașisens cu tamburul cilindric !dar cu o turație mai mare .
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
29/65
Suspensia pătrunde in interiorultamburului cilindric ! prin racordul = șia,unge in spațiul dintre cele douărotoare prin oriciile practicate *n pereteletamburului cilindric. 7n această zonă areloc sedimentarea ! decantorul indevacuat prin racordurile ? plasate peperetele frontal al tamburuluitronconic.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
30/65
@ransportorul elicoidal preia sedimentul si *l deplasează spre oriciile A !prin care sedimentul este evacuat *n e-terior.
După părăsirea zonei in care se a0ă suspensia ! sedimentul trece prin zona77! a,ungând in contact cu apa de spălare .
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
31/65
+pa de spălare este evacuată ! *mpreună cudecantatul ! prin canalele ?.
Bna din multele variante constructive alecentrifugelor de decantare cu funcționare continuăeste prezentată in gura >.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
32/65
@urațiile rotoarelor sunt cuprinse *ntre (CCC si &CCCC rotmin la debite depână la (CCCC loră ! in factori de ecacitate mai mici de >CCC.
7-0 eparatoare centrifugale
Sunt centrifuge folosite pentru limpezirea suspensiilor și pentru reparareafazelor lic"ide din emulsii.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
33/65
Se construiesc *n două variante / separatoare cu elemente cilindrice inelareși separatoare cu talere tronconice.
7-0-* eparatoare cu elemente cilindrice inelare
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
34/65
+ceste separatoare se folosesc pentrulimpezirea suspensiilor *n care faza solidă nudepășește .....E
7n rotorul centrifugei %g.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
35/65
)apetele curbate mențin distanța constantă *ntre cilindri și permitformarea unor spații sub forma de canale similare ! prin care circulă lic"idul.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
36/65
+limentarea se face prin racordul central plasat la partea superioară .orțele centrifuge determină deplasarea lic"idului ! in sus ! pe
suprafața primului element cilindric inelar unde !cea mai mare parte a particulelor solide ! se
depun. De pe această suprafață lic"idul trece ! pela partea superioară ! *n spațiul dintre primul și al
doilea element cilindric.
7n acest spațiu lic"idul coboară! realizandu#se *ncontinuare sedimentarea.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
37/65
)irculația alternează in sus si *n ,os ! prin spațiile dintre inele! măreștesuprafața prin care se face sedimentarea asigurându#se o foarte bună eciență aprocesului de separare .
Decantatul este evacuat pe la partea inferioară a ultimului spațiu inelar șiare !apoi! mișcare ascendentă ! in zona cuprinsă *ntre ultimul inel cilindric șicarcasă.
Discul de presiune ; *ndeplinește rolul de pompă centrifugă ! evacuândlic"idul limpezit prin canalul inelar central.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
38/65
După un anumit timp reparatorul este oprit ! se scot elentele cilindrice și se *nlocuiesc cu altele. 1lementele scoase se carăță de sedimente și se spală ! indpregătite pentru un nou ciclu de funcționare.
7-0- eparatoare cu talere tronconice
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
39/65
+u *n componență un rotor compartimentatde mai multe talere tronconice dispuse sub formăde pac"et cu distanțare *ntre ele. ac"etul detalere se rotește *mpreună cu carcasa ! cu aceeașiturație.
7n gura F este prezentată sc"ema deprincipiu a unui astfel de separator .@alerul inferior
face corp comun cu conducta centrală dealimentare și este prevăzut cu cu %;#
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
40/65
care treci emulsia din conducta de alimentare . 1l este -at pe carcasa rotoruluiși susține talere intermediare.
@oate talerele intermediare au același număr de oricii ca și talerulinferior ! acestea formând canale verticale de distribuție a emulsiei *n spațiiledintre talere .
@alerul superior nu are oricii si asigură despărțirea traseelor de circulație a
celor două faze separate .
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
41/65
1ventualele particule solide din emulsie sedimentează pe suprafațainterioară a carcasei.
4n spațiile dintre talere ! faza cudensitate mai mare este *mpinsă spreperiferie m spre carcasă. aza cudensitate mai mică circulă spre parteacentrală a rotorului .
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
42/65
Datorită forțelor centrifuge faza mai densă urcă ! trece prin carcasă sitalerul superior și este evacuată prin racordurile < ! -ate in capac.
aza cu densitate mai mică este evacuată prin canalul inelar F ! format in ,urul conductei de alimentare .
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
43/65
rincipiul de funcționare al separatoarelorcentrifugale folosite la sedimentareasuspensiilor este prezentat in gura ?.
Separatorul cu funcționare discontinuă %a'necesită oprirea ! la intervale de timp
prestabilite ! eliminarea sedimentului șispălarea talelelor.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
44/65
La separatorul cu funcționare continuă talerele & sunt solidarizate cu inelulcilindric ; și se rotesc cu aceeași turație . 7n e-teriorul inelului este montattransportorul elicoidal > ! folosit la deplasarea sedimentului depus pe carcasă !spre oriciile de evacuare =.
@urația carcasei este cu apro-imativ &CG mai mică decât turația rotoruluicu talere.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
45/65
7-+ Filtrarea 3n c4mp centrifugal de for!e
7-+-* Caracteristicile procesului
iltrarea centrifugală este realizată cu centrifuga cu funcționare continuăsau cu funcționare discontinuă! cu a- orizontal sau cu a- vertical.
:perația este caracterizată de e-istența a trei faze simultane/ formarea
precipitatului! tasarea precipitatului și eliminarea lic"idului reținut *n pori.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
46/65
1tapa de formare a precipitatului este asemănătoare cu cea la ltrarea *ncâmp gravitațional. Deosebirea constă *n faptul că diferența de presiune %Hp'dintre cele două fețe ale materialului ltrant și viteza de circulație a ltrului prinpori sunt mult mai mari! permițând debite de ltrare sporite.
recipitatul este permanent tasat! iar lic"idul este eliminat continuu dinporim datorită forțelor centrifuge.
$otorul centrifugei are pereți perforați și este placat cu sită și pânzăltrantă.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
47/65
iltratul curge pe direcție radială. +ria suprafeței de ltrare esteec"ivalenta cu aria laterală a rotorului.
7-+- 5lemente teoretice referitoare la 6ltrarea 3n c4mp
centrifugal de for!e
La ltrarea *n câmp gravitațional s#a dedus ecuația ltrării! pentruprecipitate necompresibile și Hp2ct /
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
48/65
Q=dV
dτ =
A2
∆ p
xη β1(V +V l) ! unde/
Q=dV
dτ I debitul de ltrat la un moment JK
Hp I diferența de presiune de pe cele două fețe ale materialului porosK
+ I aria suprafeței de ltrareK
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
49/65
I vâscozitatea dinamică a filtratuluiK
- I concentrația volumică a particulelor solide *n suspensieK
M I volumul de ltrat care a traversat stratul porosK
Ml I volumul ec"ivalent de ltrat.
Dacă se negli,ează rezistența specifică a stratului poros %N(2C'! rezultă
Ml2C și /
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
50/65
Vdv=∆ p A
2
η β1dτ
7ntegrând rezultă/V
2
2=
∆ pA2
ηβ1 x τ +C
La J2C rezultă M2C și )2C! deci/
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
51/65
V = A√ 2 ∆ pτ
ηβ1 x
Molumul M se poate calcula dacă este cunoscută diferența de presiune Hp.
Se consideră un inel elementar de lic"id! de *nălțime "! cu grosimea dr!plasat la distanța r de a-a de rotație! masa lui ind dm.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
52/65
7magine aici
Segmentul de inel are volumul dv2Or"dr.
Pasa lui este dm2Qadv 2 Or"Qadr! unde
Qa I densitatea amestecului %densitatea suspensiei'
orța centrifugă e-ercitată asupra inelului este dc 2 rR(dm 2 Or("QaR(dr
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
53/65
Diferența de presiune pe cele două fețe ale inelului are valoarea
dp=d F c
A !
unde + 2 Or" I aria laterală a segmentului de inel.
dp=
π r2
h a ω2
dr
πrh =r ω
2
a dr
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
54/65
)onsiderând "i I raza interioară a cilindrului după care este distribuit lic"idul și $#raza interioară a rotorului rezultă/
∆ p=ω2∫ Ri
R
rdr
Se obține ∆ p=
ω2 a
2 ( R
2
− R i2
)
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
55/65
Molumul de filtrat obținut *n timpul J va fi/
V = A√ 2 ∆ pτ
ηβ1 x =2πrhω √
τ aηβ
2 x( R2− Ri
2)
Molumul precipitatului este/
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
56/65
V p= !V =2πrhω√τ a x
ηβ2 x ( R2− Ri
2)
resiunea de ltrare realizată de forța centrifugă este mult mai mare decâtpresiunile e-ercitate la ltrarea *n câmp gravitațional.
+ceasta face ca debitele de ltrat să e mai mari! durata ltrării unei cantități
determinate să scadă mult! iar umiditatea precipitatului să e mult mai mică.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
57/65
1ste necesară *nsă multă energie pentru desfășurarea procesului.
7-+-. Centrifuge 6ltrante 2 solu!ii constructive
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
58/65
a' )entrifuge ltrante cu a- vertical
7n gura A este prezentată sc"ema uneicentrifuge ltrantă suspendată ! cu descărcareautomată .
7n turația de regim precipitatul rămâne pesuperfața interioară a rotorului ți ltratul a,unge
in spațiul dintre rotor și carcasă. artea inferioarăa rotorului este desc"isă .
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
59/65
uncționarea centrifugei are caracter ciclic. Se pornește rotorul și se aduce la oturație inițială cuprinsă intre (>C și ;CC de rotminut.
La această turație conductele de alimentare distribuie suspensia pe discul ; care o *mprăștie pe suprafața laterală a rotorului . )ând cantitatea distribuită este ceaprescrisă ! se mărește turația până la valoarea de regim si se continuă ltrarea . Sespală apoi precipitatul și se reduce turația până la (>C#;CC de rotmin ! turația la carecea mai mare parte din precipitat se descarcă automat . entru eliminarea restului se
folosește un răzuitor.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
60/65
b')entrifuge ltrante cu arc orizontal
7n gura &C este prezentată sc"ema de principiu a unei centrifuge ltrante cua- orizontal și funcționare continuă.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
61/65
)entrifuga dispune de untambur cilindric perforat &! si untambur tronconic (! -at pediscul ;. @amburul cilindric esteintrodus in carcasacompartimentată =.
Suspensia! introdusă pe la
partea cu diametru mai mic a
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
62/65
tamburului tronconic ! avansează spre discul ; ! datorita mișcării de rotație !cuturație redusă ! a rotorului tronconic.
7n apropierea discului ; suspensia trece pe suprafața discului cilindric perforata cărui turație este mult mai mare. Se realizează astfel ! ltrarea ! precipitatulrămânând dispus pe suprafața interioară a discului cilindric .
rintr#un distribuitor se introduce ulei alternativ ! pe o față și pe cealaltă a
pistonului F ! astfel *ncât arborele plin C'mm .
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
63/65
Discul ; *mpinge precipitatul caretrece prin zona de spălare și cade !apoi!
*n carcasă ! ind evacuat prin parteainferioară a acesteia.
rin cele trei compartimente alecarcasei se evacuează ltratul ! apa despălare și precipitatul .
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
64/65
4n gura && este prezentată sc"ema de principiu a unei centrifuge ltrante !cua- orizontal! cu tambur cilindric intre trepte.
7n prima treaptă se realizează ltrarea !*n a doua spălarea și *n a treia !spălarea cu abur si uscarea mecanică.
-
8/17/2019 Psm Curs 7-1
65/65