Основные теоретические сведения. Центрифугирование эмульсий обычно называется сепарацией эмульсий

Центрифугирование эмульсий обычно называется сепарацией эмульсий. Примерами этого процесса являются отделение сливок от молока, воды от смазочных масел и т.д. Процесс центрифугирования эмульсий осуществляется для их разделения или концентрирования. При обычном центрифугальном осветлении, осуществляемом в сплошных цилиндрических роторах центрифуг, возможен турбулентный режим потока и, следовательно, уменьшение эффективности работы центрифуги. Кроме того, для выделения высокодисперсных примесей из жидкостей требуется ротор большой длины, что часто неосуществимо по конструктивным соображениям.

Эти недостатки устраняются путем деления центрифугируемого потока на тонкие слои при сохранении высокой средней скорости течения жидкости через ротор. Для осуществления тонкослойной сепарации барабан аппарата снабжается коническими вставками (тарелками), образующими между собой межтарелочные пространства. Ширина межтарелочного пространства по нормали к образующим тарелок весьма мала и в некоторых случаях практически не превышает 0,1 мм.

Значительная эффективность процесса центробежного разделения эмульсии в барабане с тарельчатыми вставками достигается благодаря резкому сокращению сепарационного пути и лучшему сохранению условия ламинарности основного потока, движущегося в радиальном направлении по межтарелочному пространству.

Производительность сепаратора по исходной эмульсии определяется следующим образом. Элементарный кольцевой объем , разделяющей части ротора, в котором установлен пакет тарелок, определяем из уравнения

, (1.102)

где – радиус элементарного кольцевого цилиндра; – расстояние между тарелками в осевом направлении ротора; – число тарелок в пакете.

Продолжительность пребывания разделяемой эмульсии в данном элементарном объеме ротора

, (1.103)

где – производительность тарельчатой центрифуги.

Следовательно,

. (1.104)

В направлении, перпендикулярном к оси ротора, осаждающаяся частица переместится на расстояние S, причем

. (1.105)

В случае применимости закона Стокса, т.е. когда частицы дисперсной фазы осаждаются при условии Re < 1,

(1.106)

где – скорость осаждения частицы в поле тяжести; – угловая скорость вращения.

, (1.107)

где – диаметр частицы, м; – плотность тяжелой жидкости, кг/м³; – плотность легкой жидкости, кг/м³; – ускорение силы тяжести, м/с²; m – динамическая вязкость сплошной среды, Па×с.

На основании уравнений (1.104)–(1.106) находим

. (1.108)

Интегрируя уравнение (1.108) в пределах: для левой части от 0 до ( – расстояние между тарелками по направлению, перпендикулярному к оси ротора) и правой от до (минимальный и максимальный радиусы тарелки), получаем

. (1.109)

Учитывая, что , производительность центрифуги

, (1.110)

где – угол наклона образующей тарелки.

Для приближенного определения производительности тарельчатых центрифуг можно воспользоваться более простым уравнением

, (1.111)

где – фактор разделения на среднем радиусе ; – высота пакета тарелок.

Для тарельчатых центрифуг внутренний диаметр тарелок в среднем составляет примерно 36 % от внешнего. Тогда

; (1.112)

. (1.113)

Формулы (1.110) и (1.111) справедливы, когда осаждение частиц дисперсной фазы происходит в ламинарной области (для сепараторов (Re < 1).

Если осаждение частиц дисперсной фазы происходит в переходной области (1 < Re < 420), то производительность находим по формуле

. (1.114)

Для турбулентной области (Re>420):

, (1.115)

где – плотность сплошной среды.

Для определения производительности сепаратора необходимо знать диаметр частиц дисперсной фазы.

Средний размер частиц можно вычислить несколькими методами. Для расчета скорости движения диспергированной фазы большой интерес представляет средний объемный диаметр , м:

, (1.116)

где – число капель с диаметрами .