Классификация фильтрующих маятниковых центрифуг

 

 
 
 
 
Оглавление

 

 

Введение

 

Темпы развития нефтехимической промышленности требуют значительного улучшения конструкций машин и аппаратов, повышения их надежности и работоспособности. Практически во всех отраслях нефтехимической промышленности приходится иметь дело с жидкими, твердыми, газообразными неоднородными системами и оборудованием, предназначенным для их разделения и отчистки. Среди всего многообразия применяемого оборудования в данное время, наибольшее распространение получили фильтрующие центрифуги.

Актуальность фильтрующих маятниковых центрифуг состоит в том, что они обладают простотой, дешевизной, сравнительно малыми размерами, малой массой, долговечной работой. Применяются для, разделения грубодисперсных суспензий с кристаллической и аморфной твердой фазой, а также для отделения влаги от штучных материалов; применение их обеспечивает наименьшее содержание жидкой фазы в осадке и эффективную его промывку

Научная новизна проектирования маятниковых центрифуг, состоит в том, что все процессы полностью автоматизируют, и тем самым облегчают, ускоряют процесс фильтрования сырьевых продуктов. В этом направлении работает Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения.

Трехколонная (маятниковая) центрифуга. Аппараты этого типа относятся к нормальным отстойным или фильтрующим центрифугам периодического действия. Представляют собой вертикальные подвесные самоустанавливающиеся машины периодического действия с нижним приводом и ручной выгрузкой продукта. Они часто применяются в нефтехимической, машиностроительной, химической, Фармацевтической промышленности. На данный момент времен насчитывается более пятнадцати видов фильтрующих маятниковых центрифуг (ФМ) и восемь отстойных маятниковых центрифуг (ОМ). Так же подразделяются на центрифуги с верхней выгрузкой (ФМБ и ОМБ) и нижней выгрузкой (ФМД и ОМД) сырьевого продукта.

К ФМБ относятся ФМБ-633К-02, ФМБ-633Т-02, ФМБ-633Г-02, ФМБ-803К-03, ФМБ-803Г-03, ФМБ- 1253К-02, ФМБ- 1253Т-02, ФМК-1101У-03, ФМК- 1251К- 01, ФМК- 1521К-1, ФМБ- 1601К-01, ФМД-802К- 05, ФМД- 802Г-05, ФМН-1251К- 03, ФВБ- 403К- 04.

Практическая значимость фильтрующих маятниковых центрифуг (ФМБ и ФМД) в том, что они — универсальные машины, применяются для разделения суспензий со средне- и мелкозернистой (размер частиц более 10 мкм) твердой фазой при широком диапазоне концентраций. Наиболее эффективно применение этих машин в специализированных малотоннажных производствах, а также для разделения труднофильтруемых суспензий, когда требуется   получение   осадка с минимальной влажностью при высокой эффективности его промывки.. Центрифуги успешно используют для разделения суспензий как с растворимой, так и с нерастворимой твердой фазой (в том числе повышенной абразивности), особенно когда недопустимо ее измельчение.

Цель курсовой работы является изучение и проектирование фильтрующей центробежной центрифуги.

При достижении поставленной цели необходимо решить поставленные задачи: проанализировать работу объекта, изучить типы существующих видов центрифуг, произвести теоретические расчеты параметров различных рабочих режимов и конструкций.

 

Глава 1. Методологическая основа , анализ и сравнительная оценка модификация МЦ.

 

§1. Классификация фильтрующих маятниковых центрифуг

 

Все центрифуги могут быть классифицированы по различным характерным признакам:

1. По технологическому назначению или принципу разделения, различают следующие типы центрифуг:
1. Фильтрующие- для разделения сравнительно грубодисперсных суспензий с кристаллической и аморфной твердой фазой, а также для отделения влаги от штучных материалов; применение их обеспечивает наименьшее содержание жидкой фазы в осадке и эффективную его промывку;
2. осадительные (отстойные) и осветляющие – для разделения плохо фильтрующихся суспензий, осветления суспензий небольшой концентрации, а также классификации суспензий по крупности и плотности твердых частиц;
3. разделяющие (сепарирующие) – для разделения эмульсий;
4. комбинированные – в которых сочетаются два принципа разделения: осаждение с последующей фильтрацией и фильтрация с последующим осаждением в центробежном поле.
2. По основному конструктивному признаку центрифуги бывают:
1. горизонтальные – с горизонтальным валом, имеющим жесткие или упругие опоры; ротор может быть расположен между опорами или на консоли;
2. вертикальные – с вертикальным валом, имеющим жесткие или упругие опоры, вал с верхним или нижним приводом;
3. наклонные – с наклонным валом, имеющим жесткие опоры;
4. вертикальные, с подпертым валом и упругой верхней опорой – с вертикальным валом, имеющим упругую верхнюю опору и жесткую шарнирную нижнюю опору, ротор закрепляют на верхнем конце вала;
5. подвесные с верхним приводом – с вертикальным валом, подвешенном на верхней шарнирной упругой опоре; ротор закрепляют на нижнем конце вала;
6. подвесные с нижним приводом (маятниковые) – с вертикальным валом, опоры которого помещены в общий жесткий корпус, подвешенный на трех колонках; ротор закреплен на верхнем конце вала;
7. вертикальные трубчатые – с вертикально подвешенным трубчатым ротором.
3. По способу выгрузки осадка центрифуги подразделяют на следующие типы:
1. с ручной выгрузкой через верхний борт – осадок выгружают без применения специальных механизмов после полной остановки ротора;
2. с ручной выгрузкой через днище – без применения специальных механизмов после полной остановки ротора;
3. с ручной выгрузкой и разборкой ротора - осадок выгружают без применения специальных механизмов после полной остановки ротора;
4. с контейнерной или кассетной выгрузкой – с помощью специальных съемных контейнеров, мягких или жестких кассет и т.д.;
5. с ножевой выгрузкой – осадок выгружается ножом, скребком или рыхлителем специального механизма на ходу при полном или уменьшенном числе оборотов ротора с одновременным выводом осадка через бункер, а также пневматическим механическим транспортером;
6. с гравитационной выгрузкой (саморазгружающиеся) – осадок выгружается под действием собственного веса во время остановки ротора;
7. со шнековой выгрузкой – с помощью шнека, вращающегося относительно ротора непрерывно при непрерывной работе машины;
8. с поршневой выгрузкой- толкателем, совершающим возвратно-поступательное движение вдоль оси ротора при непрерывной работе машины;
9. с центробежной выгрузкой- осадок выгружается под действием центробежной силы непрерывно, при непрерывной работе машины;
10. с вибрационной выгрузкой- осадок выгружается непрерывно под действием колебаний вращающегося ротора;
11. с гидравлической выгрузкой- влажный осадок и жидкая фаза выгружается через сопла или отверстия ротора при рабочей скорости последнего.
4. По степени герметизации, взрывозащищенности и в зависимости от соблюдения специальных требований различают следующие исполнения центрифуг:
1. негерметизированное – без специальных уплотнительных устройств, изолирующих рабочие полости машины от внешней среды, с электрооборудованием обычного исполнения; применяются для обработки нетоксичных, нелетучих, огне- и взрывобезопасных продуктов во взрывобезопасных производствах;
2. негерметизированное со взрывозащищенным электрооборудованием – без специальных уплотнительных устройств, изолирующих рабочие полости машины от внешней среды, с электрооборудованием во взрывозащищенном исполнении; применяются для обработки нетоксичных, нелетучих, огне- и взрывобезопасных продуктов во взрывобезопасных производствах;
3. герметизированное взрывозащищенное – с изоляцией рабочих полостей машины от внешней среды, электрооборудованием во взрывозащищенном исполнении и поддувом в полость кожуха инертного газа под давлением от 0,101 до 0,11 МПа; применяются в огне- и взрывоопасных производствах, где могут возникнуть взрывоопасные концентрации газо- и паровоздушных смесей;
4. герметизированное - с изоляцией рабочих полостей машины от внешней среды, электрооборудованием во взрывозащищенном исполнении; применяют для работы под давлением более 0,11 МПа в огне- и взрывоопасных производствах;
5. с обогревом или охлаждением – со специальными устройствами для подогрева (охлаждения) кожуха или ротора машины и электрооборудованием во взрывозащищенном исполнении;
6. капсулированное – вся машина, за исключением привода, помещена в герметичную оболочку;
7. специальное – для работы в специальных условиях;

Так же название центрифуг сводятся в аббревиатуры:

ФМБ- с ручной выгрузкой осадка через борт ротора;

ФМД- с ручной выгрузкой осадка через отверстие в днище;

ФМК- с контейнером или кассетной выгрузкой;

ФМН- с ножевой выгрузкой осадка.

§2. Сравнительный анализ маятниковых центрифуг

 

1. Центрифуги  ФМБ-633К-02, ФМБ- 633Т-02, ФМБ- 633Г- 02 технологический чертеж которых указан на рис 1(см. в приложении) .

Центрифуги данной модификации относятся к группе маятниковых, фильтрующих центрифуг с ручной выгрузкой осадка через верхний борт ротора. Они герметизированы, под избыточным давлением инертного газа.

Используются для обработки средне и мелкозернистой твердой фазы агрессивных суспензий (<10мкм), которые способны образовывать с воздухом и остальными окислителями, опасные пылевоздушные или парогазовоздушные взрывоопасные смеси. Их устанавливают в закрытых, взрывоопасных, отапливаемых помещениях, у гуммированной центрифуги крышка выполнена из коррозионно- стойкой стали.

Центрифуги ФМБ- 1253К- 02, ФМБ- 1253Т- 02 (см. в приложении рис 2).

Центрифуги данной модификации относятся к группе маятниковых, фильтрующих центрифуг с ручной выгрузкой осадка через верхний борт ротора. Они герметизированы, под избыточным давлением инертного газа.

Используются для обработки средне и мелкозернистой твердой фазы агрессивных суспензий (<10мкм), которые способны образовывать с воздухом и остальными окислителями, опасные пылевоздушные или парогазовоздушные взрывоопасные смеси. Их устанавливают в закрытых, взрывоопасных, отапливаемых помещениях, у гуммированной центрифуги крышка выполнена из коррозионно- стойкой стали.

Центрифуга ФМК- 1101У- 03 (см. в приложении рис 3).

Центрифуги данной модификации относятся к группе маятниковых, фильтрующих центрифуг с ручной выгрузкой осадка через верхний борт ротора. Они герметизированы, под избыточным давлением инертного газа.

Используются для обработки средне и мелкозернистой твердой фазы агрессивных суспензий (<10мкм), которые способны образовывать с воздухом и остальными окислителями, опасные пылевоздушные или парогазовоздушные взрывоопасные смеси. Их устанавливают в закрытых, взрывоопасных, отапливаемых помещениях, у гуммированной центрифуги крышка выполнена из коррозионно- стойкой стали.

Центрифуги ФМК- 1251К- 01, ФМК- 1521К- 1 (см. в приложении рис 4).

Центрифуга периодического действия относится к группе фильтрующих, маятниковых центрифуг, контейнерных (с двумя сменными роторами), негерметизированная.

Предназначена для отделения масел, эмульсии и влаги от металлической стружки и мелких деталей. Ее устанавливают в закрытых отапливаемых помещениях взрывоопасных и не пожароопасных.

Центрифуга ФМБ- 1601К- 01 (см. в приложении рис 5).

Центрифуги периодического действия относятся к группе фильтрующих, маятниковых, контейнерных, с верхней механизированной загрузкой и выгрузкой сырья в наковке.

Использование центрифуг негерметизированное, со взрывозащищенным электродвигателем. Загрузка и выгрузка паковок производится подъемным устройством, установленным над центрифугой.

Предназначены для обезвоживания текстильных волокон в виде паковок.

Центрифуги устанавливают в закрытых отапливаемых помещениях взрывобезопасных и не пожароопасных.

Центрифуги ФМД- 802К- 05, ФМД- 802Г- 05 (см. в приложении рис 6)

Центрифуга периодического действия относится к группе фильтрующих, маятниковых центрифуг с ручной выгрузкой осадка через  верхний борт ротора. Исполнение- негерметизированное.

Применяется для отделения влаги от текстильных волокон, пряжи в легкой текстильной промышленности, а так же для разделения различных нетоксичных, нелетучих, взрывобезопасных суспензий, Ее устанавливают в закрытых отапливаемых помещениях, взрывобезопасных и не пожароопасных.

Центрифуга ФМН- 1251К- 03 (см. в приложении рис 7).

Центрифуги периодического действия относятся к группе фильтрующих маятниковых центрифуг с ручной выгрузкой осадка через днище ротора. Исполнение центрифуг негерметизированное, со взрывозащищенным электродвигателем. Предназначены для обработки нетоксичных, нелетучих, взрывобезопасных продуктов химической, медицинской и других отраслях промышленности.

Они устанавливаются в пожароопасных помещениях. У гуммированной центрифуги крышка центрифуги, труба загружающая изготовлены из коррозионно- стойкой стали.

 

Глава 2. Технологический расчет фильтрующей маятниковой центрифуги.

 

§3.Расчёт фильтров.

 

Процесс фильтрования при постоянном перепаде давлений описывается основным уравнением:

(1)

где τ – время фильтрования, сек; V – объём фильтрата, полученного на 1м3 поверхности фильтрования, м3/м2 ; a – константа, характеризующая сопротивление осадка, отнесённая  к 1м2  поверхности фильтрования, сек/м2; b – константа, характеризующая сопротивление фильтровальной перегородки и отнесённая к 1м2  поверхности, сек/м.

Константы a и b можно определить по графику 1, построенному на основе опытных значений V и соответствующих им величин τ. Если известны удельное сопротивление осадка и сопротивление фильтровальной перегородки, то указанные константы можно определить по уравнениям:

; (2)

 

(3)

где r0 – удельное сопротивление осадка, м-2; R0 - сопротивление фильтровальной перегородки, м-1; x= Vос/V – объём осадка, приходящийся на 1м3 фильтрата, м3/м3; ϻ – вязкость фильтрата, Н*сек/м2; ⍙p - перепад давлений на фильтре, Н/м2.

Когда осадок промывают жидкостью, вязкость которой такая же что и фильтрата, скорость промывки равна скорости фильтрования в конце операции. Скорость промывки определяют путём дифференцирования уравнения:

, (4)

где , - соответственно скорость промывки и фильтрования.

Если осадок промывают при другой температуре или жидкостью, вязкость которой отличается от вязкости жидкой фазы суспензии, скорость промывки определяется по уравнению:

, (5)

где , – соответственно вязкость промывной жидкости и фильтрата.

Когда известны удельный объём промывной жидкости Vпр (в м3/м2) и скорость промывки, то продолжительность промывки τпр (в сек) выражается соотношением

(6).

При фильтровании в поле центробежных сил разность давлений, под действием которой протекает процесс, возникает вследствие вращения жидкости:

 
где – давление жидкости на стенку центрифуги, Н/м2; – плотность жидкости, кг/м2; R2 – радиус центрифуги, м; R1 – внутренний радиус центрифугируемого слоя, м; – угловая скорость, сек-1.

Удельная производительность фильтра по фильтрату измеряется объемом жидкости, проходящим в единицу времени через единицу фильтрующей поверхности, и выражается обычно в м3/м2*ч.

Пример IV. 5. Для осаждения твердых гранул диаметром 3мкм и плотностью ρ1 = 1100 кг/м3 из водной суспензии при температуре 20°С используется центрифуга с ротором диаметром 0,4 м. Центрифуга заполняется суспензией до половины. Определить скорость вращения центрифуги, чтобы разделение могло быть осуществлено за 10 мин.

Решение. Предположив, что осаждение протекает по закону Стокса, определим скорость осаждения по его уравнению. Скорость осаждения можно определить также из выражения:

 

где R— раднус вращения гранулы; τ — время осаждения.

Подставив в эту зависимость выражение скорости осаждения по уравнению Стокса, получим дифференциальное уравнение

 

После интегрирования уравнения в пределах от внутреннего радиуса R1 слоя материала до радиуса R2 ротора центрифуги (по толщине центрифугируемого слоя) найдем выражение для времени осаждения

 

 

Угловую скорость можно выразить через число оборотов

 

Вязкость воды при 20° С равна 1спз. После подстановки числовых значений получим

 

Отношение радиусов определяем из заданного условия заполнения центрифуги суспензией:

 

 

откуда

 

Так как разделение следует осуществить за 10 мин, т. е. за 600 сек, то необходимое число оборотов центрифуги

 

 

§4. Расчет отстойной центрифуги периодического действия

 

1. Полный объем барабана центрифуги определяется по формуле: