СПОСОБ СГУЩЕНИЯ СУСПЕНЗИИ Российский патент 1995 года по МПК B01D21/26 B04B11/02 

Изобретение относится к способам разделения жидких неоднородных систем, в особенности, к способам сгущения суспензий с использованием рециркуляции части непрерывно выводимого из сепарационной камеры потока сгущенной фракции, и может быть использовано в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.

Техническим результатом изобретения является увеличение степени сгущения суспензии путем повышения степени рециркуляции до 100%
На фиг. 1 схематично изображена центрифуга с рециркуляцией сгущенной фракции; на фиг. 2 сечение А-А на фиг.1.

Центрифуга включает корпус 1, патрубок 2 с отверстием 3 ввода исходной суспензии, кольцевую камеру 4 сбора с выходным патрубком 5 осветвленной фракции, кольцевую камеру сбора сгущенной фракции 6 и рециркулята 7, в кольцевом разрыве между которыми размещена кольцевая камера 8 сбора концентрата с наклонным дном 9 и выходным отверстием 10 в нижней его части, подшипниковую опору 11, привод 12 с муфтой 13. В опоре 11 закреплен вертикальный вращающийся вал 14 с конусообразным ротором 15, транспортирующим устройством 16 с осевым отверстием 17, конусообразной обечайкой 18 с крестовиной 19, крышкой 20 с осевым отверстием 21 и конусными обечайками 22 и 23. Разрыв между конусными поверхностями 24 камеры 6 и 25 камеры 7 образован кольцевыми уступами верхним 26 и нижним 27 соответственно, причем диаметр и высота расположения верхнего уступа 26 больше аналогичных величин для нижнего уступа 27. Ротор 15 образует кольцевые зазоры 28 с обечайкой 18, 29 с обечайкой 22 и 30 с крышкой 20. Обечайка 22 герметично закреплена на крышке 20, образуя с ней полость 31, и расположена с кольцевым зазором 32 с обечайкой 18. Патрубок 2 размещен в отверстии 17 с зазором с транспортирующим устройством 16, а его выходное отверстие 3 расположено внутри вершинной зоны обечайки 18. Транспортирующее устройство 16 расположено ниже уступа 27 в нижней зоне камеры 7 и имеет диаметр, меньший диаметра отверстия 21 крышки 20. Конусообразные ротор 15 и обечайка 18 расположены основаниями вверх, а обечайки 22 и 23 основаниями вниз внутри и снаружи соответственно ротора 15.

Способ сгущения суспензии с применением этой центрифуги заключается в следующем.

Исходная суспензия по патрубку 2 через отверстие 3 подается внутрь обечайки 18, вращающейся вместе с ротором 15. В крестовине 19 под действием центробежной силы суспензия транспортируется к периферии и по зазорам 32, 29 и 30 выводится из ротора 15 в верхнюю зону камеры 6, откуда сливается самотеком вниз по конусной поверхности 24 к уступу 26. При заданном минимальном расходе исходной суспензии ее поток, отрываясь от уступа 26, перетекает в виде конусообразной свободной струи в воздухе на конусную поверхность 25 ниже уступа 27 и далее в нижнюю зону камеры 7. Здесь суспензия захватывается транспортирующим устройством 16, направляется внутрь ротора 15 в зазор 28 и по нему к зазору 29, где объединяется с потоком исходной суспензии и таким образом рециркулирует со все возрастающим расходом. В результате этого давление в зазорах 29 и 32 возрастает, а радиус свободной поверхности суспензии в крестовине 19 соответственно уменьшается до радиуса отверстия 21, переливаясь через который полученная осветленная фракция-фугат с расходом, равным расходу исходной суспензии, выводится из ротора 15 в камеру 4 и по патрубку 5 наружу центрифуги.

Содержащиеся в суспензии частицы твердой фазы под действием центробежной силы осаждаются на внутренней поверхности обечайки 18 и в виде слоя осадка транспортируются в периферийную зону к зазору 32, пройдя через который, попадают в рециркулирующий поток сгущенной фракции, транспортируясь далее вместе с ним, при степени рециркуляции 100% Это приводит к увеличению концентрации твердой фазы в рециркуляте, его вязкости и слоя осадка на конусной поверхности ротора 15, который начинает перекрывать уменьшать сечение зазоров 29 и 32, что в целом увеличивает гидравлическое сопротивление рециркулирующему потоку, в результате чего он уменьшается и становится меньше потока исходной суспензии. При этом траектория свободной струи рециркулирующего потока после отрыва от уступа 26 снижается и попадает в камеру 8, в результате чего поток концентрата по наклонному дну 9 транспортируется самотеком вниз и через выходное отверстие 10 выводится наружу центрифуги, а рециркуляция прекращается. В дальнейшем в зависимости от пропускной способности отводящей сгущенную фракцию системы зазоров 32, 29 и 30 могут реализоваться два режима вывода концентрата. Один из них -режим динамического равновесия равенства массовых потоков твердой фазы в исходной суспензии и концентрате, затруднительно осуществить на практике. Это объясняется тем, что в период вывода концентрата массовый поток твердой фазы в нем представляет собой сумму двух массовых потоков, один из которых отделяется от исходной суспензии через зазор 32, а другой сползает в виде слоя осадка по конусной поверхности ротора 15. Оба упомянутых потока объединяются в зоне зазора 29 и далее по зазору 30 транспортируются вместе на выход из ротора 15.

Экспериментально установлено, что толщина слоя осадка на конусной поверхности ротора 15 изменяется вдоль ее образующей и с увеличением радиуса вначале увеличивается от нуля до максимальной величины, а затем уменьшается вновь до малой величины в зоне зазора 29. При этом сползающий слой осадка не возобновляется, так как прекратилась рециркуляция сгущенной фракции. Поэтому даже при постоянной концентрации твердой фазы в исходной суспензии, ее содержание в концентрате вначале будет увеличиваться свыше первоначальной максимальной величины, при которой начался вывод концентрата, а затем вновь уменьшаться до упомянутой первоначальной максимальной величины, а при дальнейшем уменьшении концентрации произойдет прекращение вывода концентрата и начнется рециркуляция сгущенной фракции. Таким образом, основным рабочим является режим вывода концентрата, при котором массовый поток твердой фазы в исходной суспензии меньше аналогичной величины в концентрате.

Переключение направлений потока сгущенной фракции после отрыва от верхнего уступа 26 то на конусную поверхность 25 при рециркуляции сгущенной фракции, то в камеру 8 при выводе концентрата, осуществляется самопроизвольно без какого-либо воздействия на объект извне.

При этом расход исходной суспензии определяют из соотношения
Q где Q расход исходной суспензии, м³/с
μ- вязкость исходной суспензии, Па˙с,
d₁, d₂ диаметры верхнего 26 и нижнего 27 уступов канала рециркуляции, м;
ρ- плотность исходной суспензии, кг/м³,
θ- угол наклона образующей конусной поверхности канала рециркуляции к горизонтали в зоне верхнего уступа, град;
g ускорение свободного падения, м/²;
Z координата по высоте нижнего уступа 27 относительно верхнего уступа 26, принятого за начало координат, м.

Предложенный способ сгущения может быть реализован и с использованием гравитационного отстойника-сгустителя. В этом случае, однако, потребуется вспомогательный насос в канале транспортировки рециркулята в связи с тем, что вводы исходной суспензии и рециркулята в сепарационную камеру будут расположены выше отверстия вывода сгущенной фракции.

Использование: в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности при сгущении суспензий с использованием рециркуляции части потока сгущенной фракции. Сущность: весь поток сгущенной фракции транспортируют в виде свободно истекающей вниз струи в разрыве канала рециркуляции с верхним и нижним уступами, образующими входное отверстие расположенного под ними патрубка вывода концентрата. Рециркуляцию осуществляют с расходом, не меньшим расхода исходной суспензии до достижения в нем максимальной концентрации твердой фазы, после чего ее прекращают и производят вывод твердой фазы, затем рециркуляцию возобновляют и описанный цикл повторяют. Расход исходной суспензии определяют по соотношению, приведенному в формуле. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ СГУЩЕНИЯ СУСПЕНЗИИ, включающий ввод и разделение исходной суспензии и рециркулята в сепарационной камере, вывод из сепарационной камеры осветленной фракции из зоны минимального давления, а сгущенной фракции из зоны максимального давления через отверстие-сопло, транспортировку сгущенной фракции в канале рециркуляции и вывод концентрата через входное отверстие патрубка его вывода, сообщающегося с каналом рециркуляции, отличающийся тем, что весь поток сгущенной фракции транспортируют в виде свободно истекающей, преимущественно горизонтально или наклонно вниз, струи в разрыве канала рециркуляции с верхним и нижним уступами, образующими входное отверстие расположенного под ними патрубка вывода концентрата. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что весь поток сгущенной фракции рециркулируют внутри центрифуги с расходом, не меньшим расхода исходной суспензии до достижения в нем максимальной концентрации твердой фазы, после чего рециркуляцию самопроизвольно прекращают и производят вывод концентрата с содержанием твердой фазы, не меньшим достигнутой максимальной величины, после рециркуляцию самопроизвольно возобновляют и описанный цикл повторяют. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что расход исходной суспензии определяют из соотношения

где Q расход исходной суспензии, м³ с;
μ вязкость исходной суспензии, Па · с;
d₁, d₂ диаметры верхнего и нижнего уступов канала рециркуляции, м;
r плотность исходной суспензии, кг/м³;
q угол наклона образующей конусной поверхности канала рециркуляции к горизонтали в зоне верхнего уступа, град.

g ускорение свободного падения, м/с²;
Z координата по высоте нижнего уступа относительно верхнего уступа, принятого за начало координат, м.