Kónická desková odstředivka - Conical plate centrifuge

A kónická desková odstředivka (také známý jako odstředivka misky s diskem nebo oddělovač stohu disků) je typ odstředivka který má řadu kónických disků, které poskytují paralelní konfiguraci odstřeďovacích prostor.^[1]

Kónická desková odstředivka se používá k odstranění pevných látek (obvykle nečistot) z kapalin nebo k oddělení dvou kapalných fází od sebe pomocí enormně vysoké odstředivé síly. Hustší pevné látky nebo kapaliny, které jsou vystaveny těmto silám, se pohybují směrem ven k rotující stěně mísy, zatímco méně husté tekutiny se pohybují směrem ke středu. Speciální desky (známé jako stohy disků) zvětšují plochu usazování povrchu, což urychluje proces separace. Pro různé procesy se používají různé vzory, uspořádání a tvary stohu v závislosti na typu přítomného krmiva. Koncentrovaná hustší pevná látka nebo kapalina se potom odstraňuje kontinuálně, ručně nebo přerušovaně, v závislosti na konstrukci kuželové deskové odstředivky.^[2] Tato odstředivka je velmi vhodná pro čištění kapalin, které mají malý podíl nerozpuštěných látek.^[1]

Základní základy

Odstředivka funguje pomocí usazovač nakloněné desky zásada. Pro zmenšení vzdálenosti usazování částic je nainstalována sada rovnoběžných desek s úhlem sklonu θ vzhledem k vodorovné rovině. Důvodem skloněného úhlu je umožnit usazeným pevným látkám na deskách sklouzávat dolů gravitační silou, aby se nehromadily a nezanášely kanál vytvořený mezi sousedními deskami.^[3]

Dostupné vzory

Odstředivka tryskového typu

Tento typ odstředivky odstraňuje pevnou látku z kapalného krmiva z desek. Odstředivé čerpadlo vytváří tlak k vypouštění čiré kapaliny z odstředivka. Pevná látka se extrahuje trysky nepřetržitě,^[1] jak je znázorněno na obrázku 2^{[je zapotřebí objasnění ]}Množství koncentrátu závisí na rychlosti otáčení misky, počtu trysky na centrifugu, poloměr polohy trysky a průměr trysky. Kvalita závisí na objemu vypouštěného koncentrátu a koncentraci a objemu kapaliny přiváděné do odstředivky. Koncentrace výboje tryskou se mění úpravou průměru trysky a počátečního objemu přívodu kapaliny.^[1]

Předběžná léčba zahrnuje sítka v přívodních potrubích, aby se zabránilo ucpání trysek hrubými pevnými nečistotami. Obecně je průměr otvorů filtru pro předběžnou úpravu asi o 10% menší než tryska průměr.^[1]

Ruční čištění odstředivky

Centrifuga s ručním čištěním má „pevnou nádobu“ (známou také jako pevná záchytná nádoba). Je použitelný v průmyslových separačních procesech, kde primárním cílem je oddělit dvě kapalné fáze s minimem nebo bez pevných látek.

Lehčí a těžší kapaliny vystupují samostatně příslušnými vývody v horní části odstředivky. Pevné látky, pokud existují, jsou zadržovány v misce odstředivky a je třeba je ručně evakuovat zastavením odstředivky a vyčištěním kalového prostoru uvnitř nádoby. Jednodušší konstrukce nemá hydraulický mechanismus pro vyhazování kalu, čímž eliminuje potřebu provozní vody.^[4][5]

Samočisticí centrifuga

Lehčí a těžší kapalina vystupuje samostatně přes horní část odstředivky, zatímco kal je přerušovaně vypouštěn tryskami. Jiný typ samočisticí odstředivky má odnímatelné dno komory. Obě metody lze ovládat nezávisle nebo automaticky, buď časově nebo v závislosti na kvalitě vypouštění tryskou^[1]

V závislosti na konstrukci vstupuje krmivo horním nebo spodním vstupem. Po vyčištění na kónických deskách se produkt vypouští pod tlak přes zásuvku. Oddělené pevné látky nebo kal se hromadí v kuželovém prostoru sousedícím s tryskou. Jakmile jsou plné (bez překročení plochy talířů), a píst je nastaven tak, aby hydraulicky otevřel každý port trysky a vypudil kal. Obecně se jako provozní kapalina používá voda, která působí jako píst pro ovládání trysky. Během kalů se voda vstřikuje, aby se otevřela tryska, a vypustí se, aby se zavřela.^[1]

Hermetická odstředivka

Tento typ separátoru je uzavřená (hermetická) odstředivka; může to být komora nebo kónická talířová mísa.^[1] Do této odstředivky se vejde systém s maximálním tlakem 8 barů. Vstupní a výstupní otvor je připevněn k rotující nádobě. Hlava odstředivky obsahuje zabudovaná rotační dávkovací a výtlačná čerpadla. Je nesmírně užitečné pro:

• Kapalné krmivo, které nemůže mít klesající tlak
• Kapalné krmivo, které neodolá nárazu na vstupu, kde pevné částice vyžadují „jemný dotek“ (např. Protein).
• Kapalné krmivo, které snadno oxiduje
• Kapalné krmivo, které vydává plyn nebo se odpařuje (např. Piva a studená mladina)

Rozsah použití

Ropný a plynárenský průmysl

K vyjmutí lze použít kuželovou centrifugu voda, soli a pevné látky do stavu paliva pro plynová turbína. Rovněž odstraňuje kapalné a jemné pevné látky v těžké fázi a získává kapalné palivo o vysoké čistotě. Na druhou stranu je odstředivka také užitečná k úpravě vody, ropných produktů a plynných produktů pomocí odstraňování ropných kontaminantů před vypuštěním zpět do moře, jak vyžaduje zákon. Navíc, emulze oleje a vody lze dále zpracovat tak, aby vzniklo více oleje oddělením oleje, vody a nečistot pomocí kuželové deskové odstředivky.^[2]

Při výrobě je také užitečná odstředivka s komínem bionafta, jako iniciativa k alternativní zdroje energie. Odstředivka odděluje palivo od methanolu nebo voda k přeměně olejů ze surovin (například řepkového semene) na nafta. Olejové přísady se používají ke zlepšení výkonu paliva a za účelem odstranění co největšího množství kontaminujících látek se tento typ odstředivky používá k oddělování přebytečných jemných pevných látek, jako jsou kovové soli a vápno.^[2]

Zpracovatelský průmysl

Při potahování papíru odstředivá kónická deska čistí a třídí ‚kaolín „(Materiál, který dodává papíru lesklý vzhled u určitých druhů papíru) podle velikosti částic. Separátor pro tento proces vyžaduje konstrukci, která vydrží odření způsobené kaolinem. Tato odstředivka se také používá k odstraňování vody, nečistot a jiných kovových částic z olejů a maziva používá se pro dynamické procesy, jako např motory, kompresory a hydraulika. Toto ošetření spolehlivě prodlužuje životnost zařízení.^[2]

Biologická věda

Jako snadno sterilizovatelné a plně obsažené zařízení je kónická desková odstředivka vynikající volbou pro výrobu vakcíny a protilátky ve sterilních a hygienických podmínkách.^[6]

Hermetická centrifuga buněčných kultur se používá k odběru buněčných kultur z savci. Krmivo vstupuje na dno odstředivky naplněné kapalinou (zajišťuje vzduch bez separace buněk) a duté vřeteno zabraňuje okamžitému zrychlení krmiva a minimalizuje poškození citlivé buněčné membrány. Výstup je bez vzduchu, aby se snížilo pěnění. Tuto odstředivku lze také čistit a dezinfikovat na místě (systémy SIP a CIP) bez větší demontáže, aby byl zajištěn hygienický provoz.^[6]

Zpracování potravin

Při vaření piva se k filtraci vody z alkoholických nápojů používá křemelina (téměř bílý prášek známý jako křemelina). Přidání kónické deskové odstředivky sníží použití křemeliny, bude ekonomičtější a časově efektivnější a také minimalizuje ztrátu produktu.^[2]

Při výrobě olivového oleje se hojně používají vysokorychlostní odlučovače, proto se velmi doporučuje kónická desková odstředivka, protože zajišťuje efektivní oddělování s minimálním ohřevem a oxidací oleje. U za studena lisovaného citronového oleje (éterový olej) potřebuje separátor, který je speciálně navržen tak, aby zvládl jemnou povahu a hodnotu oleje. K tomuto účelu je nejlepší hermetická odstředivka, protože může zabránit kontaminaci a ztrátám produktu.^[2]

Výhody a omezení oproti konkurenčním procesům

Odstředivka s trubkovou mísou

Pro separaci kapalina / kapalina a pevná látka / kapalina lze použít kónickou deskovou odstředivku i trubkovou centrifugu. Výhodou odstředivky s kuželovou deskou oproti odstředivce s trubkovou miskou je však to, že v kuželové desce je možný výboj pevné látky, ale zpětné získávání pevných látek v trubkové nádobě je obtížné a je omezená kapacita pevné látky. Jelikož je kapalina v kónické deskové odstředivce pod vysokým tlakem, eliminuje se tak tvorba pěny, ale v centrifugách s trubkovou mísou je přítomna pěna, pokud nejsou použita speciální skimovací nebo dostředivá čerpadla. Odstředivky s trubkovou mísou se snadněji čistí a dobře odvodňují kal ve srovnání s kuželovou deskovou odstředivkou.^[7][8]

Mísa v komoře nebo centrifuga v pevné misce

Kónickou deskovou odstředivku i odstředivku s komorovou mísou lze použít k oddělení kapalina / kapalina a pevná látka / kapalina. Výhodou odstředivky s kuželovou deskou oproti odstředivce s komorovou mísou je však to, že v kuželové desce je možný pevný výboj. Mísa v komoře má vysokou kapacitu pro pevné látky, ale nedochází k žádnému vypouštění pevných látek. Chlazení mísy je možné jak u kuželové deskové odstředivky, tak u odstředivky v miskové komoře. Čištění je však jednodušší i lepší kal odvodňování v odstředivce s komorovou mísou ve srovnání s kuželovou deskovou odstředivkou.^[7][8]

Hlavní charakteristiky procesu

V odstředivce zásobníku disku jsou vyžadovány následující charakteristiky procesu:

Úhel disku

V odstředivce s 50 až 200 počty disků se používá typický úhel 35 až 50 ° (vzhledem ke svislé ose) disku. To zase poskytuje odstředivé akcelerace G v rozmezí mezi 5 000 a 15 000 g.^[3]

Vliv g-síly

Účinnost separace pevných látek lze zvýšit použitím relativně mírné síly G 3000 Gs v odstředivce zpracovávající uhličitan vápenatý (s velikostí pod 8 a 12 mikronů).^[9] Tato účinnost se snižuje při vyšší G-síle kolem 6000 Gs, protože vysoké rychlosti kapaliny v blízkosti stěny mohou odplavovat usazené hrubší částice do světelné fáze, což snižuje retenční čas pro separaci částic. To však závisí na velikosti zpracovávaných pevných látek.^[9]

Rozteč disků

^[3] Typicky se vzdálenost mezi sousedními disky pohybuje od 0,32 do 1 mm. To závisí na aplikaci a krmivu, které se má zpracovat, a také na koncentraci krmiva, jak je uvedeno v níže uvedených příkladech.

• Zpracování kvasinek: Kvasinky s 30% objemových pevných látek vyžadují otevřený rozestup 1 mm.
• E. coli a lyzát: Při nižších dávkách sušiny je nejvhodnější těsnější rozestup 0,5 mm.
• Savčí buněčný bujón: Rozestup disku 0,32 mm lze použít při nízkých dávkách pevných látek s koncentrací 3 - 4%.

Pravidlem je, že poměr vnějšího průměru misky k výšce misky musí být přibližně roven 1.

Krmte pevné látky

Pro tuto odstředivku existují dva typy pevných látek:

• Usazeniny

Společné pro biofarmaceutické aplikace je, že krmivo obsahuje 2 až 4% v / v (objemový objem) pro buňky savců. To se může v budoucnu zvýšit na 4 až 6% v / v nebo dokonce vyšší v důsledku zvýšení kapacity pevných látek z předřazených procesů, jako jsou bioreaktory. Naproti tomu krmivo má až 30% objemových objemových pro kvasinky.^[3]

• Rozpuštěné pevné látky

Krmivo může obsahovat rozpuštěné pevné látky sestávající z cenného bílkovinného produktu a jiných rozpustných kontaminantů, které vyžadují odstranění při následném čištění.^[3]

Kuželový úhel pro vybíjení

Úhel vypouštění pevných látek je důležitý, protože ovlivňuje rychlost vypouštění koncentrátu. Čím strmější je úhel kužele, tím větší je síla G vyprodukovaná k odstranění pevných látek ze stěny kužele.^[3] Strmý úhel kužele navíc pomáhá při zhutňování koncentrátu, a tím brání problémům s vypouštěním, což má za následek vypouštění více koncentrované pevné látky.

Frekvence vybíjení

^[3] U odstředivky s režimem přerušovaného vybíjení je stanovení frekvence vybíjení zásadní pro maximalizaci produktivity. Čas, ${ displaystyle t_ {d}}$, k naplnění diskové odstředivky je dáno výrazem:

${ displaystyle t_ {d} = {v_ {s} eta _ {d} nad Q_ {f} Phi _ {f}}}$^[3]

Kde

${ displaystyle v_ {s}}$ je objem pevného zadržení v L,

${ displaystyle eta _ {d}}$ je účinnost výboje,

${ displaystyle Q_ {f}}$ je rychlost posuvu v l / min,

${ displaystyle Phi _ {f}}$ je objem krmiva v l / min.

Počáteční odhad je implementován jinak vypočítaný a vypočítaný ${ displaystyle t_ {d}}$, lze frekvenční výboj aproximovat. Monitorováním zákalu centrátu lze provést další jemné doladění.

Vypouštění kapaliny

V misce s tryskovým diskem lze odstředivý (pevný výstup) nebo kapalinu z výtoku vypouštět dostředivým čerpadlem nebo čerpacím čerpadlem. To je výhodné při snižování energie vypouštěcího proudu, umožňuje kontakt se vzduchem a snižuje pěnění, zejména když kapalina rozpustila protein.^[3]

Heuristika

Heuristické metody pro návrh procesu

^[10] Při navrhování procesů se mnoho důležitých rozhodnutí přijímá na základě zkušeností a heuristiky. Existuje mnoho faktorů ovlivňujících návrh procesu. Procesy by dále byly upravovány v souladu s požadavky výroby, trhu a životního prostředí. Heuristická metoda, která je k dispozici pro návrh procesu separace (odstředivka s kuželovou deskou), se nazývá Douglasova (1988) metodologie.

Douglasova metodologie používá tříúrovňový hierarchický systematický postup, kde lze použít heuristiku. Tříúrovňové návrhy procesů jsou:

1. Zaměřuje se na vývojový diagram procesu, který zahrnuje výpočty charakteristické velikosti.

2. Podrobný návrh procesu (P&ID), který poskytuje hmotnostní a energetický tok a také specifikace zařízení.

3. Mechanické provedení (konstrukce zařízení).

Douglasova metoda je vhodná pro modelování odstředivého procesu kuželové desky, protože rozkládá složitý konstrukční problém na jednoduchý kus.

Možná heuristika pro kónickou centrifugu desek

Jednou z účinných metod, která se má použít, je úprava konkrétního návrhu v souladu s heuristikou (pravidlem) pro konkrétní proces. Možné heuristiky, které lze použít při navrhování určitých částí kuželové deskové odstředivky, jsou:

Zařízení

• Je vyžadována dobrá tuhost, čehož lze dosáhnout velkým počtem kónických disků s odpovídající tloušťkou stěny.^[1]
• Prostor mezi disky je v intervalech 0,4 až 0,75 mm, přesný prostor je určen kapalinou, která má být zpracována, a její kompatibilitou s pevnými látkami, které se mají z kapaliny oddělit.^[10]
• Pro střední filtraci se používají kotoučové odstředivky.^[11]
• Pro suspenzi s pomalou filtrací se používají sedimentační odstředivky.^[11]

Trysky

• Rozsah velikostí trysky je mezi otvory o průměru 0,5 mm (u malých odstředivek) až po otvory o průměru 3,2 mm (u větších odstředivek).^[12]
• Množství trysek na odstředivku závisí na velikosti odstředivek, která se obvykle pohybuje v rozmezí od 12 do 24 mm. Množství trysek musí být zvoleno tak, aby nedocházelo k hromadění pevných látek mezi sousedními tryskami, které by se mohly zabudovat do svazku disků a narušit účinnost jeho čištění.^[12]
• Minimální povolená velikost trysky je alespoň dvakrát větší než průměr největší vypouštěné částice.^[12]

Krmit

• Kapaliny s malým podílem nerozpuštěných látek.^[13]
• Směs pevné látky a kapaliny opouštějící třífázový reaktor se oddělí pomocí kuželové deskové odstředivky. Pevná látka je odeslána do systému pro separaci pevných látek, zatímco kapalina je odeslána do systému pro separaci kapalin.^[13]

Produkt

• Nízký obsah vlhkosti ve vlhkých koláčech.^[14]
• Pevné látky jsou povoleny v matečném louhu (kalu).^[14]

Materiál konstrukce

• Pro vysokorychlostní oddělování a vysoce korozivní zavěšení se pro konstrukci mísy a příslušenství používá vysoce pevná nerezová ocel (například duplex a vysoce kvalitní duplex).^[12]
• U kapalin, které obsahují vysoce abrazivní jemné částice, je třeba chránit oblasti náchylné k opotřebení wolfram karbid a nikl slitiny na bázi. Těsnění pomocí speciálního keramický materiál je také potřebný pro proces zahrnující kapalinu s abrazivními jemnými částicemi.^[12]

Produkce proudu odpadu

Kónická desková odstředivka produkuje odpadní kal, který je třeba před likvidací upravit. Úpravou kalu je zahušťování, odvodňování, trávení, sušení a destrukce, což může sloužit jako následná úprava kónického deskového odstředění. Další zpracování těchto následných úprav jsou:

Zahušťování kalů

K minimalizaci objemu kalu se používá zahušťování kalů gravitačním usazováním a dynamicky. Krmivo s obsahem 0,8% sušiny může být zahuštěno na obsah 4% sušiny, což znamená pětinásobné snížení objemu kalu. To na oplátku pomáhá optimalizovat následující kroky snížením velikosti struktury a provozních nákladů.^[15][16]

Zahušťování kalů pomocí odstředivé síly patří k nejběžnějším používaným procesům. Existují dva typy odstředivek určených pro zahušťování kalů a obě metody závisí na stejném principu separace pevných látek a kapalin. První metoda je „pevná mísa odstředivka ", vodorovně uspořádaný šroubovitý šroub, který připouští kal, odstraňuje pevnou látku protiproudem a současně umožňuje průchod kapalin. Pohyblivá hřídel se skládá ze sady šroubovicových svitků, které tlačí pevný odpad proti proudu přicházejícího kalu. začne hromadit, bude příliš těžký a poté spadne do sběrného koše video ilustruje tento proces.

Konstrukce odstředivky závisí hlavně na kritériích průchodnosti pevných látek a toku pevných látek.^[15][16]

Odvodňování kalů

Odvodnění kalu lze dosáhnout elektroosmózou nebo odstředěním. Před odvodněním je zahuštěný kal nejprve upraven. To znamená zvětšit velikost částic a narušit soudržnost mezi látkou a vodou pro lepší odvodňovací proces.^[15]

Trávení

Cílem trávení je snížit množství kalu, zvýšit suchost kalu a stabilizovat kal. Dále poskytuje ocenění v zelené energii produkcí bioplyn. Podmínky pro trávení závisí na množství a povaze kalu.^[15]

Sušení kalů

Sušení kalu je nutné k odstranění zbývající vody, která je k dispozici kvůli mechanickému omezení během odvodňování kalu. Proces tepelného sušení je ovlivněn specifickým chováním kalu (v závislosti na dosažené suchosti).^[15]

Zničení kalu

Při zničení kalu se zničí veškerá organická hmota přítomná v kalu a během zničení výpary a elektřina je generován.^[15]

Nový vývoj

Vysoká separační účinnost odstředivky je výsledkem kombinace odstředivé síly a zabudované desky balení, obvykle kuželové desky disku. Proto nový vývoj obvykle zdůrazňuje tyto dvě oblasti.

Výroba bionafty

Nová semi-hermetická odstředivka byla navržena tak, aby přívodní tlak vstupující do systému mohl být co nejmenší udržováním otevřených výstupů, což snižuje pokles tlaku napříč separátorem. Stacionární odrušovací kotouč instalovaný na výstupu také umožňuje provozování procesu při nízkém tlaku. Další výhodou této konstrukce je, že produkuje nízkou hladinu hluku kvůli guma - tlumená sestava, opláštěný rám a vnější mísa.^[17]

Čištění odpadních vod

Dalším nedávným vývojem kuželové deskové odstředivky je odvodňování kalu. Díky široké škále designových variant, které umožňují změnit konkrétní designy tak, aby vyhovovaly různým aplikacím, byly na pevný výtokový konec karafa. Mísa je spíše téměř plná pevných látek, než aby měla mělkou vrstvu na obvodu mísy a pevný výtok je sušší.^[18]

Ropný a plynárenský průmysl

Společnost ropného inženýra (SPE) navrhla novou sadu desek se svislými deskami vyrobenými z 360 nerezových ocelových desek, které jsou drženy podpěrným pouzdrem desek. Je uspořádán paralelně s osou odstředivky. Zvýšení odstředivé účinnosti je dosaženo na základě předem spuštěného počítačového simulačního programu. To je prokázáno experimentálně, při kterém koncentrace oleje ve odpadní vodě poklesla asi o 25%. Další zdokonalení svazku destiček může vést ke snížení koncentrace olejového odpadu o více než 40% a zdá se být proveditelné.^[19]

Reference