Центрифугирование в урановой технологии

Центрифугирование — процесс разделения смесей на компоненты, основанный на использовании поля центробежных сил, создаваемого при вращении барабана с разделяемой смесью.

Центрифуги широко используются в урановой технологии для обезвоживания материалов. Они особенно удобны в тех случаях, когда разделяемая суспензия содержит значительное количество твердого и дальнейшее удаление влаги обычными способами обезвоживания (сгущение, фильтрация) затруднено. Применение центрифуг позволяет получить осадки с минимальной влажностью.

При центрифугировании обычно используется один из двух основных принципов разделения фаз — отстаивание или фильтрация.

Процесс отстойного центрифугирования аналогичен осаждению под действием силы тяжести. Отличие здесь состоит лишь в том, что сила тяжести заменена центробежной силой, величина которой значительно больше, а роль днища играют стенки вращающегося барабана. Однако процесс, идущий в отстойной центрифуге, принципиально отличается от процесса обезвоживания в обычных отстойниках, где скорость осаждения твердых частиц постоянна, так как ускорение силы тяжести не зависит от координат падающей точки. В центрифугах осаждение ведется в поле центробежных сил, ускорение которого при постоянной скорости вращения меняется от точки к точке в зависимости от радиуса вращения.

•Барабан отстойной центрифуги выполняется со сплошными стенками. Под влиянием центробежной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам барабана и скапливаются здесь, образуя плотный слой осадка, а фугат непрерывно удаляется из аппарата. Таким образом, процесс отстойного центрифугирования складывается из двух стадий — осаждения твердой фазы и уплотнения осадка.

Процесс центробежной фильтрации проводится в аппаратах, имеющих вращающийся барабан, в стенках которого просверлено большое количество отверстий. Внутреннюю поверхность барабана покрывают фильтровальной тканью. Чтобы в работе участвовала вся поверхность ткани, а не только та, которая находится непосредственно против отверстий в барабане, ткань укладывают не прямо на стенки барабана, а на стенку, которая удерживает ее на некотором расстоянии от стенок барабана.

При вращении барабана на поверхность фильтровальной ткани откладывается осадок, под действием давления фугат просачивается через осадок, а затем выбрасывается центробежной силой наружу через отверстия в стенках барабана.

Процесс в фильтровальной центрифуге можно представить состоящим из трех стадий: образования осадка, его уплотнения и вытеснения жидкости из пор осадка. Образование осадка происходит по тем же законам, что и обычная фильтрация, отличаясь только тем, что величина напора в центрифугах, обусловленная действием центробежной силы, значительно превышает напор, определяемый действием силы тяжести.

Второй период, сопровождающийся постепенным изменением структуры осадка и вытеснением жидкости из пор осадка, аналогичен как в отстойных, так и в фильтрационных центрифугах.

Окончательное вытеснение влаги из осадка происходит аналогично процессу механической сушки осадка, так как на этой стадии уплотненный осадок пронизывается потоками воздуха.

В отличие от отстойных центрифуг, где вытесняемая из осадка жидкость возвращается обратно внутрь барабана, в фильтровальных центрифугах она непрерывно уносится с фугатом. Поэтому фильтровальные центрифуги рекомендуется применять тогда, когда ставится задача получить наиболее сухой и хорошо промытый осадок.

При обработке пульпы с твердыми частицами, характеризующимися малой механической прочностью, следует использовать не фильтрационные, а отстойные центрифуги, потому что в первом случае под действием давления может происходить вдавливание мелких частиц в поры ткани, что приводит к уменьшению скорости процесса.

Работа центрифуги обычно состоит из нескольких операций, следующих друг за другом (загрузка, пуск, центрифугирование, промывка осадка, отжим жидкости, торможение, остановка и выгрузка осадка), которые в совокупности составляют рабочих цикл.

Обычно стремятся сократить продолжительность рабочего цикла до минимума. Это можно достигнуть использованием средств автоматизации и механизации, а также созданием аппаратов непрерывного действия. Последнее следует понимать не только как непрерывность работы аппарата, но и как непрерывность всех операций.

В аппаратах периодического действия все операции идут последовательно одна за другой, а в аппаратах непрерывного действия они идут не только непрерывно, но и одновременно в разных зонах центрифуги.

,Закономерности центрифугирования. На твердые частицы суспензии, находящейся внутри вращающегося барабана, действуют центробежная сила, сила сопротивления среды и сила, аналогичная подъемной силе в соответствии с законом Архимеда.

Угловая скорость центрифуги равна

где w — угловая скорость, м/сек; n — скорость вращения барабана, об/мин.

Центробежное ускорение равно

где H — радиус вращения, м.

Отсюда можно найти величину центробежной силы, развиваемой центрифугой

где С — масса центрифуги.

Сила тяжести определяется из уравнения

Центробежная сила и сила тяжести дают равнодействующую, которая перпендикулярна к поверхности жидкости в рассматриваемой точке. Наклон равнодействующей силы относительно горизонтальной поверхности равен отношению составляющих

Эффективность центрифуги характеризуется величиной фактора раз деления, показывающего, во сколько раз центробежная сила превышает силу тяжести для данного веса:

Стремление свободной поверхности в любой своей точке быть нормальной к направлению равнодействующей приводит к тому, что она принимает форму параболлоида вращения, в результате чего в центрифуге с вертикальной осью жидкость поднимается у стенок барабана и опускается в центре.

Угловая скорость вращения, при которой жидкость поднимается на высоту, равную высоте барабана, определяется из уравнения

где H — высота барабана; h — высота уровня жидкости в неподвижном барабане.

При w > w1 жидкость стремится вверх, но задерживается в верхней части барабана, покрывая крышку по кольцу.

По мере дальнейшего увеличения скорости дно барабана начинает обнажаться. Это происходит при условии

Если ось барабана горизонтальна, то свободная поверхность жидкости принимает форму цилиндра с осью, находящейся выше оси барабана. При увеличении скорости вращения до w > w' имеет место следующее уравнение:

Цилиндр свободной поверхности спускается вниз и располагается полностью внутри барабана, имея радиус

При заполнении барабана суспензией под влиянием центробежной силы твердые частицы скапливаются у стенки барабана, образуя при достаточной величине угловой скорости цилиндрический слой, концентричный барабану. У внутренней поверхности этого слоя в виде цилиндрического слоя скапливается жидкость.

Рассмотрение условий движения твердых частиц в поле центробежных сил привело к получению уравнений, позволяющих определить максимальную скорость осаждения, наблюдающихся у стенок ротора. Для случая, когда соблюдается закон Стокса, эта величина равна

где у и уж — удельный вес твердых частиц и жидкости, кг/м3', u — вязкость жидкости, кг*сек/м2; d — диаметр частиц, м; g — ускорение силы тяжести, м/сек2.

Среднюю скорость осаждения можно определить по формуле

где r — радиус, на котором частицы начинают свое движение к стенкам барабана, м; т — длительность осаждения, сек.

Для нахождения т можно использовать уравнение

Предельную крупность частиц твердой фазы, движение которых во вращающемся барабане центрифуги подчиняется закону Стокса, можно вычислить по формуле

где D — диаметр барабана, м.

Выражения (4.26)—(4.29) получены для случая отстойного центрифугирования.

Закономерности фильтрующих центрифуг более сложны, если учесть, что здесь существуют три различные стадии процесса. Однако известно, что основная масса жидкости удаляется из обрабатываемой суспензии в первый период работы аппарата, т. е. в тот момент, когда происходит фильтрация жидкости и осаждение твердых частиц на стенки барабана. Поэтому явления, происходящие в фильтрующих центрифугах, можно объяснить, лишь учитывая закономерности обычного процесса фильтрации и отстойного центрифугирования.

При использовании уравнений фильтрации для расчета фильтрационных центрифуг следует иметь в виду, что здесь по ходу процесса возрастает слой осадка, а также изменяется фильтрующая поверхность и центробежная сила. Поэтому в уравнении фильтрации (4.1) величины AP и V1 являются переменными.

Конструкции центрифуг. В настоящее время известно много различных конструкций центрифуг. Они различаются по способу выгрузки, характеру расположения вала, принципу действия и величине фактора разделения. Нормальные центрифуги имеют фактор разделения менее 3000, а сверхцентрифуги — более этой величины.

Применяют следующие способы выгрузки: ручной, центробежный, гидравлический, ножевой, шнековый (пульсирующий).

По характеру расположения вала различают: вертикальные, горизонтальные и наклонные центрифуги, с подпертым или подвесным валом.

Центрифуги периодического действия обычно выполняют с вертикальным валом.

Стоячие центрифуги с подпертым вертикальным валом. В аппаратах с жестко закрепленным валом обычно используют нижний привод, а подшипники, несущие вал центрифуги, устанавливают в закрытом корпусе.

На нижнем конце вала закреплен приводной шкив, а верхний, выступающий конец вала соединен с днищем ротора, к которому приварен барабан. Барабан помещен в кожух, закрытый сверху кольцевой крышкой. Аппарат имеет специальное тормозное устройство.

Для того, чтобы воспрепятствовать отставанию жидкости от вращающегося барабана, внутри ротора сделано несколько радиальных перегородок с отверстиями, которые выравнивают уровни жидкости в соседних секциях барабана.

При использовании центрифуги для фильтрации применяют дырчатый барабан, а кожух используют для сбора фугата. Фугат выходит в кожух через отверстия ротора и удаляется затем через спускное отверстие. В отстойных центрифугах кожух служит только для ограждения ротора, а фугат удаляется через отсасывающую трубку. Осадок обычно выгружается сверху.

При эксплуатации стоячих центрифуг с жесткой опорой вала выяснилось, что при неравномерном распределении обрабатываемого материала могут возникнуть сильные и небезопасные колебания барабана, вызванные вибрацией вала, который подвергается значительным изгибающим моментам. Поэтому в современных конструкциях стоячих центрифуг применены эластичные опоры, а подпятник вала смонтирован в сферической втулке.

В последнее время стоячие центрифуги с жестко закрепленным валом почти полностью вытеснены центрифугами на трех колонках.

Трехколонные центрифуги. В трехколонной или маятниковой центрифуге приняты специальные меры для смягчения вибраций ротора и разгрузки подпятника. Для этого несущая плита с укрепленными на ней кожухом центрифуги, барабаном и приводом посажена на три тяги, расположенные под углом 120° друг к другу и cнабженные сверху и снизу сферическими головками. Тяги висят на трех колонках, которые укреплены в вершинах фундаментной плиты (рис. 4.7).

При использовании трехколонной центрифуги для фильтрации суспензию подают в нее на ходу, через крышку в кожухе. Осадок выгружают вручную сверху, а фугат отводят из кожуха через сливной штуцер.

В отстойных центрифугах суспензия входит в аппарат, переливаясь через борт барабана. Жидкость, оставшаяся в барабане после прекращения подачи питания, отсасывается через трубку. Аппарат имеет ручной тормоз.

Трехколонные центрифуги рекомендуется применять для разделения суспензий, требующих длительного центрифугирования (табл. 4.4).

Подвесные центрифуги. Подвесными центрифугами называют аппараты периодического действия на вертикальном валу с опорой наверху. Ротор в них закреплен на нижнем конце вала, верхний конец которого укреплен в шарнирной опоре, допускающей вращение системы в пространстве. Это делает систему более устойчивой и облегчает применение нижней выгрузки осадка.

Подвеска состоит из конического корпуса, укрепленного на станине, манжеты из упругого материала и стакана, вставленного в манжету. Внутри стакана имеются радиальные и радиально-упорные подшипники, на которых висит вал. Деформации манжеты позволяют валу несколько раскачиваться (рис. 4.8). С электродвигателем центрифуга может быть связана или непосредственно через вал, или ременной передачей. Для остановки аппарата используется ручной тормоз.

Подвесные центрифуги бывают фильтрационные и осадительные.

Известны несаморазгружающиеся (табл. 4.5) и саморазгружающиеся аппараты. В последнем случае осадок выгружается автоматически под действием силы тяжести. Такие аппараты имеют барабан с конусом в нижней части, угол которого превышает угол естественного откоса получаемого осадка. При остановке аппарата осадок под действием собственного веса сползает вниз и выгружается. В момент работы центрифуги разгрузочное отверстие закрывается запорным конусом. Однако как ручная выгрузка осадка, так и выгрузка под действием силы тяжести осуществляются только при остановленной центрифуге, что затрудняет непрерывное ведение процесса. Поэтому в последнее время все более широкое применение находят центрифуги непрерывного действия, где заполнение барабана суспензией и удаление из него фугата и осадка производятся на полном ходу.

Наиболее важными признаками различных типов непрерывно действующих центрифуг являются их назначение (фильтрация или отстаивание) и способ выгрузки осадка.

Конические центрифуги непрерывного действия на вертикальном валу с инерционной выгрузкой. Такие центрифуги рекомендуется использовать для обезвоживания крупнозернистых материалов. Так, применение подобного аппарата для обезвоживания угля позволяет довести его влажность до 6—8% (табл. 4.6).

Конический ротор центрифуги выполнен из листовой стали с отверстиями 2—3 мм. Он имеет ступенчатое строение (рис. 4.9). На вал центрифуги, кроме ротора, посажены распределительная тарелка и диск, защищающий нижнюю опору вала. Верхний конец вала подвешен, а нижний сидит в подшипнике. В верхнех части вал связан с приводным устройством.

Ротор размещен в кожухе, в нижней части которого имеется кольцевой канал для вывода фугата. Исходная суспензия подается в центр кожуха через воронку и, попадая на распределительную тарелку, распределяется по стенкам ротора. Внутри ротора суспензия скользит вниз вдоль конуса. При переходе с одной ступени конуса на другую твердые частицы встряхиваются. Взрыхление осадка способствует росту интенсивности обезвоживания.

Для увеличения продолжительности процесса обезвоживания в таких аппаратах используется тормозящий шнек, который вращается внутри барабана со скоростью, меньшей скорости барабана. Толщина слоя осадка постепенно уменьшается к широкому концу ротора.

В последнее время находят применение аппараты, внутри ротора которых установлен транспортирующий шнек с винтовыми лопастями. Это позволяет использовать роторы с крутым подъемом, так как обеспечивает скорость перемещения осадка независимо от его трения о поверхность ротора. Шнек является шестизаходным, каждый его заход состоит из половины полного винта. Такие центрифуги рекомендуется применять для отделения жидкой фазы от кристаллических осадков. Слой суспензии здесь имеет небольшую величину и процесс идет в очень тонком слое, что позволяет снизить количество влаги до 4%.

Осадительные горизонтальные центрифуги непрерывного действия со шнековой выгрузкой. Такая центрифуга состоит из двух барабанов, один из которых (внешний) является ротором с горизонтальной осью, а другой (внутренний) представляет собой полый шнек (рис. 4.10). В данном случае шнек является ускоряющим.

Ротор центрифуги имеет коническо-цилиндрическую форму. Вал ротора и вал шнека вращаются с разными скоростями: ротор — от электродвигателя через клиноременную передачу, а шнек — от ротора через дифференциальный редуктор. Ротор вращается на двух полых цапфах.

Суспензия подается внутрь шнека и через отверстия в нем поступает в барабан ротора, на внутренней поверхности которого под действием центробежной силы происходит осаждение твердых частиц. Вращающийся шнек перемещает осадок к разгрузочному отверстию. Жидкость движется в обратном направлении внутри барабана ротора и удаляется через сливные окна, находящиеся в широком конце барабана.

Часть ротора, покрытую жидкостью, называют зоной осаждения, а остальную часть — зоной осушки, так как здесь происходит отжим жидкости из образовавшегося осадка. Длина зон осаждения и осушки, а также объем жидкости в роторе зависят от расположения сливных отверстий, размер которых можно регулировать с помощью сменных вставок.

Известны двухступенчатые горизонтальные конусные центрифуги со шнековой выгрузкой, в которой производится дополнительно операция отмывки осадка (табл. 4.7).

Автоматические центрифуги непрерывного действия с поршневой выгрузкой. Центрифуга имеет полый главный вал, на консольном выступающем конце которого насажен ротор (рис. 4.11). Внутри вала находится шток, вращающийся вместе с валом. На одном конце штока сидит поршень, совершающий возвратнопоступательное движение в цилиндре под давлением масла, поступающего поочередно в левую и в правую полости цилиндра. На конце вала, выступающем в ротор, находится толкатель, с которым связан распределительный конус для исходной суспензии. Распределительный конус распределяет суспензию по окружности ротора у его задней стенки. Образовавшиеся здесь осадок и фугат при ходе толкателя вперед перемещаются к открытому краю ротора, а при обратном ходе в ротор поступает новая порция суспензии. Суспензия подается в узкую часть вращающегося барабана и с постепенно возрастающей скоростью движется вдоль его внутренней поверхности. При движении колец образующегося осадка и фугата вдоль обечайки ротора фугат проходит через осадок и отверстия в обечайке и отводится. На осадок влияют две силы: действие толкателя параллельно оси ротора и действие центробежной силы, прижимающей осадок к обечайке. Известны центрифуги, в которых выгрузка осадка является двухсторонней, т. е. используются оба направления хода толкателя.

Одним из недостатков этих аппаратов является необходимость продвижения осадка, на что расходуется много энергии (табл. 4.8).

Автоматические горизонтальные центрифуги с ножевым съемом осадка. Такие аппараты отличаются периодичностью всех операций. Каждая операция рабочего цикла производится строго периодически, через определенные промежутки времени, управляется и контролируется специальной системой автоматики (табл. 4.9).

Ротор аппарата обычно расположен между подшипниками, на которые опирается его вал (рис. 4,12). Однако известны центрифуги с консольным креплением ротора.

Ротор состоит из обечайки, заднего днища и переднего кольцевого борта и закрыт кожухом.

В фильтрационных центрифугах обечайка и днище ротора имеют отверстия и фугат удаляется из аппарата через стенку ротора. В отстойных центрифугах ротор сплошной, и фугат, переливаясь через борт, отводится через отсосные трубки.

В цилиндре, укрепленном на кожухе ротора, передвигается поршень со штоком, на конце которого находится нож для съема осадка. Суспензия поступает в ротор через специальную питательную трубу. По истечении определенного времени, необходимого для заполнения части ротора суспензией, клапан питательной трубы закрывается и происходит процесс обезвоживания. После окончания обезвоживания включается механизм, заставляющий нож подниматься вверх из крайнего нижнего положения. Врезаясь во вращающийся осадок, нож снимает его. Осадок поступает в наклонный желоб и выгружается из аппарата. Когда слой осадка уменьшается до 2—3 мм, нож опускается и занимает свое первоначальное положение. Одновременно включается подача суспензии в центрифугу.

Центрифуги оборудованы световой и звуковой сигнализацией.

Для разделения тонких суспензий и эмульсий применяют сверхцентрифуги. Такие аппараты рассмотрены в разделе, посвященном жидкостной экстракции. В процессах обезвоживания применительно к урановой технологии использование таких аппаратов является редким случаем.

Расчет производительности центрифуг. В настоящее время известно много формул для расчета центрифуг. Их рассмотрение может быть, полезным хотя практическое использование теоретических методов расчета производительности центрифуг может быть рекомендовано только в качестве первого приближения.

Производительность отстойных центрифуг. Исследование работы осадительных центрифуг с цилиндрическим ротором показало, что производительность таких аппаратов зависит от геометрических размеров центрифуги, скорости вращения ротора и физических характеристик суспензии:

где Q — производительность центрифуги, м3/ч; d — диаметр твердых частиц суспензии, м; w — угловая скорость вращения, м/сек; r0 — радиус свободной поверхности жидкости в роторе, м; Aр=ртв—pж — разность плотностей твердой и жидкой фаз суспензии, мг*сек2/м; v — кинематическая вязкость жидкой фазы, м2/сек; L — длина сливного участка, м.

Для определения производительности отстойной конической центрифуги со шнеком рекомендуется следующее уравнение:

где Q — производительность, м3/ч; D — диаметр сливного порога, см; L — длина жидкостного цилиндра, см; р — вязкость жидкой фазы, пуаз; п — скорость вращения барабана, об/мин.

Производительность фильтрующих центрифуг. При расчете производительности фильтрующих центрифуг рекомендуется учитывать характер зависимости между производительностью аппарата и перепадом давления. При линейном характере этой зависимости производительность равна

где H — высота барабана, см; k — коэффициент проницаемости осадка, дарси; AP — перепад давления, кг/см2; u — вязкость жидкости, спз; Rб — внутренний радиус барабана, см; R1 — радиус кольцевого слоя осадка, см.

При нелинейной зависимости следует применять другое уравнение.

Однако все вышеприведенные теоретические уравнения основаны на целом ряде допущений и мало проверены. Поэтому выбор центрифуг рекомендуется проводить по табличным данным и результатам использования аппаратов на практике.