Область применение центрифуги

Центрифуги широко применяются в лабораторной практике.

Лабораторные центрифуги предназначены для разделения биологических жидкостей на фракции с диагностической целью, например, для определения объёмного соотношения компонентов крови больного либо для дальнейшего анализа выделенной фракции с целью определения химического состава, структуры, молекулярного веса (массы) и т.д.

В лабораторной практике применяют центрифуги общего назначения (частота вращения ротора до 6000 – 8000 об/мин), скоростные рефрежераторные центрифуги (частота вращения ротора 18000 – 25000 об/мин) и ультрацентрифуги (частота вращения ротора до 75000 – 80000 об/мин).

Особую группу представляют собой узкоспециализированные центрифуги предназначенные для стандартных клинических анализов крови, например, для определения гематокритного числа. К группе узкоспециализированных центрифуг относят центрифуги с помощью которых разделяют цельную кровь на плазму и форменные элементы.

В зависимости от цели в лабораторной практике различают препаративное и аналитическое центрифугирование.

При препаративном центрифугировании исходный биологический материал берут в больших количествах (от нескольких десятков миллилитров до нескольких литров) и выделенные компоненты используются для дальнейших исследований.

При аналитическом центрифугировании исходный биологический материал берут в небольших количествах (не более 1 мл) и подвергают центрифугированию на аналитических ультрацентрифугах. Полученные на основе такого центрифугирования данные могут дать объективное представление о чистоте молекул и структуре исследуемого вещества.

Центрифугирование делится на дифференциальное, зонально-скоростное, равновесное.

В медицине используется, как правило, дифференциальное центрифугирование, основанное на различных скоростях осаждения частиц на дно пробирки. Большое применение этот метод нашёл гематологии для разделения крови на плазму и форменные элементы.

В медико-биологических исследованиях центрифугирование широко применяется для разделения на фракции гомогенов тканей в качественном и количественном анализе.

Центрифуги применяются в лабораторной практике, в сельском хозяйстве для очистки зерна, выдавливания мёда из сот, выделения жира из молока, в промышленности для обогащения руд, в крахмало-паточном производстве, в текстильном производстве, в прачечных для отжима воды из белья и т. п.

Высокоскоростные газовые центрифуги применяются для разделения изотопов. Например, для разделения изотопов урана в газообразном соединении.

Центрифуги применяются в авиационной и космической медицине - как исследовательский и испытательный стенд для тренировки летчиков и космонавтов.

РАСЧЕТ ЦЕНТРИФУГИ

Фактор разделения центрифуги вычисляется по формуле:

f = (ω²·r)/g

Где ω – является угловой скоростью вращения ротора, 1/с;
r – средний радиус ротора, м.

Для расчета фильтрующих центрифуг используются такие же расчеты, как для фильтров. Различие состоит в том, что для вычисления перепада давления используется зависимость:

∆ρ_ц = 5·ρ_c·n²·(D²₂-D²₂)

в которой ρ_с – плотность суспензии в барабане, кг/м³;
D₁ и D₂ – диаметр объема суспензии, находящейся в барабане, и, соответственно, диаметр самого барабана, м;
n – частота вращения барабан, 1/с.

При расчете центрифуги можно принимать как отстойники, в которых скорость осаждения частиц в К_р раз больше, чем в процессе гравитационного осаждения. Таким образом, приходим к следующему выражению:

F = [G_см/(ρ_оч·w_ст·K_р·ζ)] · [(x_ос-x_см)/(x_ос-x_оч)]

где К_З – коэфф. запаса для учёта неравномерности распределения фильтруемой взвеси по всей поверхности фильтрования;

G_см –расход фильтруемых взвешенных частиц, кг/с;

ρ_оч –плотность фильтрата, кг/м³;

w_ст –скорость выделения твёрдых компонентов взвеси, м/с;

х_см, х_ос, х_оч – концентрация твёрдых частиц в фильтруемой суспензии, осадке и фильтрате соответственно, масс. доли.

Если не учитывать толщину осадка, то для центрифуг с цилиндрическим барабаном, справедливо:

F = π·D_ср·l

K_р = 2π²n²·(D_ср/g)

где D_ср = (D_о+D_в)/2 – средний диаметр потока жидкости в барабане; D_в- внутренний диаметр слоя суспензии в барабане, м; D₀- внутренний диаметр кольцевого слоя суспензии в барабане, м; l- длина в барабане, м; K_р- средний фактор разделения центрифуги, м, n – частота вращения ротора.

Центробежная сила как фактор разделения

В процессе вращения барабана и жидкости, которая в нем находится, возникает центробежная сила как сила инерции.

Обозначим:

G–вес вращающегося тела или жидкости, кгс;
r–радиус вращения, м;

n–количество оборотов в минуту;

w–окружная скорость вращения w=(2·π·r·n)/60, м/с;

ω–угловая скорость вращения ω=(2·π·r·n)/60 (рад);

g – ускорение свободного падения, м/сек².

Центробежная сила С (кгс), которая действует на вращающееся тело, имеющее массу т и вес G, выражается формулой:

С = (m·ω²)/r = (G·ω²)/(g·r)

В процессе центрифугирования на жидкость одновременно действуют такие силы, как центробежная С и сила тяжести G.

Как правило, производительность центрифуг выражается объемом суспензий, поступающим в центрифугу за единицу времени (л/час) или же весом осадка, который образуется в результате процесса центрифугирования (кгс/час).

Скорость процесса центрифугирования влияет на производительность любой центрифуги. Данная скорость определяется в первую очередь режимом процесса. Именно поэтому следует рассматривать отдельно производительности фильтрующих и отстойных центрифуг. Для обоих типов центрифуг следует считать, что объем материала, который загружается в центрифугу, равен половине полного объема аппарата.

 Рис 1. Определение производительности центрифуг

 

Для определения производительности центрифуг обозначим следующие величины:

R – внутренний радиус барабана центрифуги, м;
r₁ - внутренним радиусом слоя материала, который находится в центрифуге, м;
h – это высота барабана, м;
V_б – объем барабана центрифуги, м³;
V_м – объем материала, который находится в центрифуги, м³.

Следовательно:

V_б = π·R²·h, м³

V_м = π·(R²-r₁²)·h, м³

Принимая, что V_м = 0,5·V_б, получим:

0,5·π·R²·h = π·(R²-r₁²)·h

Для измерения скорости осаждения частиц в центрифуги используются такие же закономерности, что и для скорости осаждения пыли в циклонах.

Помимо этого, для определения режима осаждения используются числовые значения критериев Архимеда и Рейнольдса. При этом критерии Архимеда определяются так же, как и при расчете циклонов, то есть зависят от скорости осаждения. Поэтому необходимо предварительно найти числовое значение произведения K₁·Ar, а по нему уже установить режим и найти значение критерия Re. Следовательно, для определения скорости осаждения используется формула:

ω₀ = φ · [(Re·μ·g)/(d·γ₂)], м/сек

Для определения фактора разделения K_p учитывается скорость осаждения центрифуги, которая измеряется пропорционально радиусу вращения r. Следовательно в выражение K_p нужно подставить вместо неопределенного радиуса r средний радиус:

r_ср = (R+0,71*R)/2 ≈ 0,85*R

Таким образом:

К_р = 0,85*n²*R/900

В процессе осаждения в центрифуге частицы дисперсной фазы проходят путь, который равен R-r, поэтому для определения длительности осаждения используется формула:

τ_ос = (0,29*R)/ω₀сек ,чтобы определить производительность отстойных центрифуг, работающих периодически, следует принимать во внимание время, которое затрачивается на пуск, разгрузку и торможение центрифуги.

Обозначим:

t _ос – время, за которое происходит разделение. Оно равняется времени предыдущего разделения, сек;
t_п – время периода пуска центрифуги, сек;
t_t – время, за которое происходит торможение центрифуги, сек;
t_p – время разгрузки центрифуги от осадка, сек.

Для определения длительности общего цикла процесса центрифугирования используется формула:

∑τ = τ_ос + τ_п + τ_т + τ_р

Определение производительности фильтрующей центрифуги не менее сложно, чем расчет производительности всех видов фильтров.

Для этого используется уравнение:

VdV = (F₀²*P_o*dτ) / (μ*ρ*x)

где F_o - фильтрующая поверхность, м²;
P_o – это давление, Па.

Внутренняя боковая поверхность барабана является в центрифуге поверхностью фильтрации. При этом давление создается центробежной силой, которая возникает в жидкости в процессе ее вращения в барабане центрифуги. В процессе протекания фильтрации слой осадка, который возникает на поверхности барабана, увеличивается, а фильтрующая поверхность изменяется. Помимо этого, происходит изменение центробежной силы. Следование величины F_o и P_o переменны.

Мощность на валу центрифуги

Расход энергии для центрифуг периодического действия рассчитывается отдельно для рабочего и пускового периода.

При пусковом периоде количество затрачиваемой энергии идет на преодоление массы материала, который загружен в барабан и массы самого барабана.

В рабочем периоде мощность на валу отличается от мощности в пусковом периоде. Данная мощность практически полностью тратится на транспортировку осадка, преодоление гидравлического сопротивления, а также трения барабана о воздух и трения, возникающие в приводе и цапфах.

В том случае, если суспензия подается в центрифугу, которая находится на ходу, необходимо учитывать еще и энергию, затрачиваемую на сообщение кинетической энергии фильтруемой жидкости.

Центрифугирование является более эффективным способом разделения жидких систем по сравнению с отстаиванием и фильтрованием. Чем выше показатель фактора разделения, тем выше разделяющая способность центрифуги:

Ф = (ω²*r)/g

Где w- угловая скорость вращения барабана, рад/сек;

 r- радиус барабана, м;

 g- ускорение силы тяжести, 9.81 м/сек².

Фактор разделения может быть повышен путем увеличения радиуса барабана и увеличением числа оборотов.

Один из основных параметров, характеризующих центрифугу, является индекс ее производительности, который вычисляется по формуле:

∑ = Ф*F, м².

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данной лабораторной работе был рассмотрен расчет центрифуги и область ее применения, так же были рассмотрены различные классификации центрифуг.

Центрифугой, является аппарат для создания центробежной силы для разделения неоднородной смеси на составные части различной плотности. Центрифуга является сложным технологическим оборудованием, которое состоит из механизмов высокой точности, а также обладает высокими скоростями.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лукьяненко В.М., Таранец А.В. Центрифуги. –М.:Химия, 1988.-383с.
     2. Машины и аппараты пищевых производств. Кн.1: Учебник для вузов/ С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков, и др.; под ред. акад. РАСХАН В.А. Панфилова. – М.: Высш. шк., 2001. – 703. с.: ил.
     3. Соколов В. И. Современные промышленные центрифуги. М.: Машиностроение, 1967. 524 с.

4.Соколов В.И. Центрифугирование. М.: Химия. 1976. 408 стр.

5. Машины химических производств: Атлас конструкций. Учеб. Пособие для студентов вузов/Под ред. д-ра техн. наук проф. Э. Э. Кольмана-Иваново. – М.: Машиностроение,1981. – 118с., ил.