Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ

ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ, разделение в поле центробежных сил жидких дисперсных систем с частицами размером более 100 нм. Используют для выделения составляющих фаз (жидкая - фугат или фильтрат, твердая - осадок) из двухкомпонентных (суспензии, эмульсии) и трехкомпонентных (эмульсии, содержащие твердую фазу) систем.

Методы и аппаратура. Различают два метода центрифугирования: центробежное осаждение и фильтрование. Центрифугирование проводят в центробежных машинах - центрифугах и жидкостных центробежных сепараторах. Осн. рабочий орган этих машин - осесимметричная оболочка, или ротор (барабан), вращающийся с большой частотой6016-4.jpg с-1, благодаря чему создается поле центробежных сил до 2 х 104g в промышленных и до 35 х 104 g в лабораторных машинах (g - ускорение своб. падения в гравитац. поле). В зависимости от метода центрифугирования осуществляется в сплошных (осадительных; рис. 1, а)или перфорированных (покрытых фильтрующим материалом; рис. 1, б)роторах.

6016-5.jpg

Рис. 1. Роторы машин для центробежного осаждения (а) и фильтрования (б): С - суспензия, Ф - фугат (фильтрат), О - осадок; пояснение в тексте, rж -радиус свободной поверхности жидкости.

Центрифугирование характеризуется рядом технол. параметров, определяющих качество процесса и его кинетику. К ним относятся: фактор разделения6016-6.jpg (rрт - макс. внутр. радиус ротора), отражающий интенсивность центробежного поля; скорость центрифугирования - производительность центробежной машины по исходной жидкой системе или составляющим ее компонентам; унос - содержание твердой фазы в фугате (фильтрате); насыщенность осадка жидкой фазой (в т. ч. влажность осадка) после центрифугирования; крупность разделения - миним. размер частиц, улавливаемых при центробежном осаждении.
Кинетика центрифугирования зависит от мн. факторов, классифицируемых на две группы. Факторы первой группы определяются физ.-хим. cв-вами разделяемой системы (разность плотностей фаз, гранулометрич. состав твердой фазы, вязкость жидкой фазы, уд. сопротивление осадка при фильтровании). Факторы второй группы, обусловленные конструкцией и частотой вращения ротора центробежной машины (структура внутрироторного потока, его гидродинамика и поле скоростей), оказывают решающее влияние на центробежное осаждение и отчасти на центробежное фильтрование; в свою очередь гидродинамич. режим зависит от производительности машины. Мат. описание потока дается ур-ниями Навье - Стокса и неразрывности (см. Гидромеханические процессы), к-рые составляются с учетом геометрии ротора и граничных условий; решение зачастую находится методами подобия теории.
Центробежное осаждение включает осветление, сгущение, а также осадительное центрифугирование. Осветление - удаление твердой фазы из суспензий с содержанием частиц не более 5% по объему; используют для очистки, напр., нефтяных масел. Сгущение - процесс, при к-ром частицы дисперсной фазы группируются в относительно малом объеме дисперсионной среды; позволяет осуществлять концентрирование суспензий (напр., водная суспензия каолина). Осадительное центрифугирование -разделение суспензий с содержанием твердой фазы более 5-10% по объему; применяют преим. для обезвоживания твердых компонентов (напр., CaSO4).
При центробежном осаждении движение твердых частиц происходит под действием центробежной силы6016-7.jpg (d - диаметр частицы;6016-8.jpg- разность плотностей твердой и жидкой фаз; r - расстояние от частицы до оси вращения ротора) и силы сопротивления жидкой среды S. Соотношение этих сил определяет скорость осаждения w. При ламинарном режиме, характерном для осветления, сила S выражается законом Стокса:6016-9.jpg и6016-10.jpg где6016-11.jpg динамич. вязкость жидкой фазы. Для турбулентного режима при осаждении крупных частиц высококонцентрир. суспензий сила S находится из ур-ния:6016-12.jpg(6016-13.jpg- коэф. лобового сопротивления; рж - плотность жидкой фазы). Гидродинамика потока определяет время пребывания частиц в роторе, aw- время осаждения; сопоставление этих величин позволяет найти крупность разделения.
Центробежное фильтрование происходит с образованием или без образования осадка на фильтровальной перегородке, а также при одновременном протекании в ее зонах обоих процессов; наиб. эффективно для получения осадков с миним. влажностью. Процесс принято делить на три периода: образование осадка, удаление из него избыточной жидкости и удаление жидкости, удерживаемой межмол. силами (мех. сушка осадка). Первый период охватывает центробежное осаждение и фильтрование через слой образовавшегося осадка. Для расчета кинетики процесса используют закон Дарси - Вейсбаха; движущая сила (перепад давления6016-14.jpg ) определяется центробежным полем, действующим на суспензию:6016-15.jpg где6016-16.jpg- плотность суспензии; rж - радиус своб. пов-сти жидкости (рис. 1, б). На6016-17.jpg оказывает влияние проскальзывание жидкости над слоем осадка. Период может протекать при разл. режимах; наиб. характерны режимы при постоянных6016-18.jpg и производительности по суспензии. Второй и третий периоды зависят от большого числа факторов, связанных с уплотнением осадка, формой его поровых каналов и др.; построение их мат. моделей крайне затруднено.
Из-за сложности центрифугирования производительность центробежных машин оценивают чаще всего путем моделирования по т. наз. индексу производительности6016-19.jpg подразумевая под F в первом приближении площадь боковой пов-сти ротора. Физ. смысл6016-20.jpg заключается в том, что по аналогии с осаждением в отстойниках производительность центрифуг также пропорциональна площади рабочей пов-сти, однако за счет центробежного поля увеличивается на фактор Fr. В зависимости от конструктивных особенностей ротора6016-22.jpg для машин каждого типа определяется своим ур-нием и используется при перерасчете производительности с одного типоразмера центрифуги на иной. Моделирование осуществляется при геом. подобии роторов и идентичности определяющих критериев процесса.

6016-21.jpg

Рис. 2. Центрифуга непрерывного действия: а - осадительная шнековая; б - фильтрующая шнековая; в - с пульсирующей выгрузкой осадка; г - инерционная; д - вибрационная; е - прецессионная; 1 - ротор; 2 -механизм выгрузки.

По сравнению с др. методами разделения (отстаивание, фильтрование) центрифугирование позволяет получать осадки с меньшей влажностью. При центробежном осаждении в отличие от фильтрования удается разделять суспензии (напр., в произ-вах лакокрасочных материалов) с тонкодисперсной твердой фазой, миним. размер частиц к-рой составляет 5-10 мкм. Важное достоинство центрифугирования - возможность его проведения в аппаратуре относительно малых объемов; недостаток - высокая энергоемкость.
Пром. центрифуги различают: по принципу разделения -осадительные, фильтрующие и комбинированные; по конструктивному исполнению - преим. по расположению ротора и системе выгрузки осадка (шнек; толкатель, или поршень; с использованием сил инерции); по организации процесса -периодического или непрерывного действия.
Центрифугирование в машинах периодич. действия осуществляется циклически в роторах с иногда регулируемой6016-23.jpg ножевой или ручной выгрузкой осадка.
На рис. 2 представлены принципиальные схемы разделения суспензий в машинах непрерывного действия. Осадительные шнековые центрифуги (рис. 2,а) предназначены для разделения суспензий с нерастворимой твердой фазой (напр., полиэтилен, полистирол, осадки сточных вод), обезвоживания кристаллич. и зернистых продуктов, классификации (напр., ТiO2), сгущения (напр., активный ил). Процесс происходит в сплошном роторе; осадок непрерывно выгружается шнеком, вращающимся с частотой6016-24.jpgДля этих центрифуг Fr6016-25.jpg600-3500.
Фильтрующие шнековые центрифуги (рис. 2, б)распространены при разделении высококонцентрир. суспензий с крупнозернистой твердой фазой (размер частиц более 0,2 мм, напр. глауберова соль). Центрифугирование производится в каркасном роторе с листовым ситом, через к-рое отводится фильтрат. Осадок выводится из ротора шнеком под действием разности частот вращения6016-26.jpg Высокие значения Fr (1200-1800) позволяют получать продукты с миним. влажностью.
Фильтрующие центрифуги с пульсирующей выгрузкой осадка (рис. 2, в)применяют в осн. для тех же целей, что и фильтрующие шнековые. Благодаря наличию толстого слоя осадка на колосниковом сите одно- или многокаскадного ротора удается осуществлять глубокую промывку продукта (напр., КС1, сахар-рафинад). Осадок выгружают посредством толкателя, совершающего возвратно-поступат. движение с линейной скоростью v; Fr6016-27.jpg300-700.
В инерционных центрифугах (рис. 2, г) осадок из ротора удаляется за счет составляющей центробежного поля; в вибрационных центрифугах (рис. 2, д) - благодаря вибрации ротора вдоль оси со скоростью v; впрецессионных центрифугах (рис. 2, е) - вследствие гироскопич. движения ротора с частотами вращения6016-28.jpg и6016-29.jpg Машины всех типов используют для центробежного фильтрования высококонцентрир. суспензий с крупнокристаллич. твердой фазой (напр., минеральные удобрения, уголь гидродобычи, сахарный песок).
Разновидность центрифугирования разделение суспензий и эмульсий в центробежных сепараторах. Их роторы снабжены пакетом конич. тарелок, установленных по отношению друг к другу с небольшим зазором (0,4-1,5 мм). Высокая степень разделения достигается благодаря его протеканию в тонком слое межтарелочного зазора при ламинарном режиме. Тонкодисперсные суспензии (присадки к маслам, гормональные препараты, антибиотики и др.), содержащие 0,5-4,0% по объему мех. примесей, осветляются в сепараторах-очистителях (рис. 3, а). Твердая фаза, собираясь в шламовом пространстве ротора, периодически удаляется из него при открытии днища (поршня). Центробежное сгущение (напр., кормовые и пекарские дрожжи) производится в сепараторах-сгустителях (рис. 3, б). Сгущенная фракция непрерывно выводится через сопла по периферии ротора, а осветленная - через верх. зону. Для разделения эмульсий (напр., нефтяные шламы, эпоксидные смолы) применяют сепараторы-разделители (рис. 4), в роторах к-рых предусмотрен пакет тарелок с отверстиями, расположенными на границе раздела тяжелой и легкой жидкостей; компоненты (фугаты Ф1и Ф2) выводятся раздельно. При наличии в эмульсии твердой фазы используют универсальные роторы с выгрузкой осадка в соответствии с рис. 3, а или вручную.
По аналогии с центрифугами разделяющая способность сепараторов оценивается индексом производительности

6016-30.jpg где z - число тарелок в пакете;6016-33.jpg- половина угла конуса тарелки при вершине; Rмакс, Rмин - наружный и внутр. радиусы тарелки. Моделирование процессов в сепараторах осуществляется, как и в центрифугах, по индексу производительности6016-34.jpg

6016-31.jpg

Рис. 3. Сепараторы для разделения суспензий: на рис. совмещены сепаратор-очиститель (а)и сепаратор-сгуститель (б); 1 - ротор; 2 - пакет тарелок; 3 - подвижное днище.

6016-32.jpg

Рис. 4. Сепаратор для разделения эмульсий: 1 - ротор; 2 - пакет тарелок; Ф1 и Ф2 - фугаты; Э - эмульсия.

Для изучения центрифугальных процессов в лаборатории используют модели пром. центрифуг и сепараторов с диаметром ротора 150-250 мм, а также т. наз. стаканчиковые центрифуги (ротор состоит из ряда пробирок - стаканчиков). Эти малогабаритные образцы позволяют экспериментально определять не только производительность пром. машин, но и возможность выгрузки осадков из роторов, конечную влажность продукта, унос. Исследования проводятся с небольшими объемами продуктов на спец. стендах. Стаканчиковые центрифуги используют для оценки времени осаждения частиц при разл. Fr.
Совр. центрифугальная техника имеет тенденцию к росту частот вращения роторов, повышению производительности, снижению уд. металле- и энергоемкости. Производительность машин возрастает благодаря совершенствованию гидродинамики роторов, увеличению их длины (в осадительных центрифугах) и высоты пакета (в сепараторах). Возрастают диаметры роторов в крупнотоннажных машинах; создаются ком-бинир. роторы, в конструкциях к-рых совмещаются разл. методы центрифугирования. Внедряются микропроцессорные системы управления и регулируемые приводы, обеспечивающие центрифугирование в оптим. режимах.
Центрифугирование широко распространено в технол. процессах хим.-лесного комплекса, пищевых, текстильных и др. произ-вах. Центрифугирование играет важную роль в решении экологич. проблем (очистка коммунальных и пром. стоков), в ресурсосберегающих технологиях.

Лит.: Соколов В. И., Центрифугирование, М., 1976; Шкоропад Д. Е., Новиков О. П., Центрифуги и сепараторы для химических производств, М., 1987.

И. А. Файнерман.

Ультрацентрифугирование - метод разделения и исследования частиц размером менее 100 нм (макромолекул органелл животных и растит. клеток, вирусов и др.) в поле центробежных сил. Позволяет разделять смеси частиц на фракции или индивидуальные компоненты, находить мол. массу и ММР полимеров, плотность их сeльватов. Дает возможность оценивать форму и размеры макромолекул в р-ре (см. Дисперсионный анализ), влияние статич. давления на стабильность частиц, параметры взаимод. типа ассоциация - диссоциация макромолекул друг с другом или с молекулами низкомол. компонентов и ионами, влияние природы р-рителя на кон-формации макромолекул и др.
Осуществляется с помощью ультрацентрифуг, снабженных полыми роторами, полости к-рых бывают замкнутыми и проточными. Различают скоростное и равновесное ультрацентрифугирование. В первом случае частицы движутся по радиусу ротора соотв. своим коэф. седиментации, в первом приближении пропорциональным массе частицы, разности плотностей частицы6016-35.jpg и жидкости6016-36.jpg при6016-37.jpg частицы перемещаются от оси вращения ротора к периферии (седиментируют), при6016-38.jpg - в сторону оси вращения (флотируют). При равновесном ультрацентрифугировании перенос частиц по радиусу продолжается до тех пор, пока сумма хим. потенциала и молярной потенциальной энергии в каждой точке системы не станет постоянной величиной, после чего распределение частиц перестанет изменяться.
Т. наз. аналит. ультрацентрифугирование применяется при анализе р-ров, дисперсий и производится посредством аналит. ультрацентрифуг, снабженных роторами с оптически прозрачными замкнутыми резервуарами и оптич. системами для определения концентрации или ее градиента по радиусу ротора во времени; исследуемые объемы - от 0,01 до 2 мл при массе частиц от неск. мкг до мг. Препаративное ультрацентрифугирование используют для выделения компонентов из сложных смесей; объем жидкости и масса исследуемого образца м. б. на неск. порядков больше, чем при аналит. ультрацентрифугировании. Центробежные ускорения в ультрацентрифугах достигают 5 x 105g. Первая аналит. ультрацентрифуга была создана Т. Сведбергом (1923; 5 x 103g).

Лит.: Боуэн Т., Введение в ультрацентрифугирование, пер. с англ., М., 1973.

А. Д. Морозкин.

Еще по теме:
___

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн