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 Ц.: центробежное осаждение и фильтрование. Ц. проводят в центробежных машинах — центрифугах и жидкостных центробежных сепараторах. Осн. рабочий орган этих машин — осесимметричная оболочка, или ротор (барабан), вращающийся с большой частотой
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.
Ц. характеризуется рядом технол. параметров, определяющих качество процесса и его кинетику. К ним относятся: фактор разделения
Кинетика Ц. зависит от мн. факторов, классифицируемых на две группы. Факторы первой группы определяются физ.-хим. свойствами 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 уравнениями Навье — Стокса и неразрывности (см. гидромеханические процессы), которые составляются с учетом геометрии ротора и граничных условий; решение зачастую находится методами подобия теории.
Центробежное осаждение включает осветление, сгущение, а также осадительное Ц. Осветление — удаление твердой фазы из суспензий с содержанием частиц не более 5% по объему; используют для очистки, напр., нефтяных масел. Сгущение — процесс, при котором частицы дисперсной фазы группируются в относительно малом объеме дисперсионной среды; позволяет осуществлять концентрирование суспензий (напр., водная суспензия каолина). Осадительное Ц. — 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 силы
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 давления
Из-за сложности Ц. производительность центробежных машин оценивают чаще всего путем моделирования по т. наз. индексу производительности
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) Ц. позволяет получать осадки с меньшей влажностью. При центробежном осаждении в отличие от фильтрования удается разделять суспензии (напр., в производствах лакокрасочных материалов) с тонкодисперсной твердой фазой, миним. размер частиц которой составляет 5–10 мкм. Важное достоинство Ц. — 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.
Ц. в машинах периодич. действия осуществляется циклически в роторах с иногда регулируемой
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., TiO2), сгущения (напр., активный ил). Процесс происходит в сплошном роторе; осадок непрерывно выгружается шнеком, вращающимся с частотой
Фильтрующие шнековые центрифуги (рис. 2, б) распространены при разделении высококонцентрир. суспензий с крупнозернистой твердой фазой (размер частиц более 0,2 мм, напр. глауберова соль). Ц. производится в каркасном роторе с листовым ситом, через которое отводится фильтрат. Осадок выводится из ротора шнеком под действием разности частот вращения
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., KCl, сахар-рафинад). Осадок выгружают посредством толкателя, совершающего возвратно-поступат. движение с линейной скоростью v; Fr
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 вращения
Разновидность Ц. 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 которых 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
Рис. 3. Сепараторы для разделения суспензий: на рис. совмещены сепаратор-очиститель (а) и сепаратор-сгуститель (б); 1 — ротор; 2 — пакет тарелок; 3 — подвижное днище.
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. металло- 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 которых совмещаются разл. методы Ц. Внедряются микропроцессорные системы управления и регулируемые приводы, обеспечивающие Ц. в оптим. режимах.
Ц. широко распространено в технол. процессах хим.-лесного комплекса, пищевых, текстильных и др. производствах. Ц. 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 сельватов. Дает возможность оценивать форму и размеры макромолекул в растворе (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 растворителя на кон-формации макромолекул и др.
Осуществляется с помощью ультрацентрифуг, снабженных полыми роторами, полости которых 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 частицы
Т. наз. аналит. ультрацентрифугирование применяется при анализе растворов, 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∙105g. Первая аналит. ультрацентрифуга была создана Т. Сведбергом (1923; 5∙103g).
Лит.: Боуэн Т., Введение в ультрацентрифугирование, пер. с англ., М., 1973.
А. Д. Морозкин
Химическая энциклопедия