311

Equation Chapter 1 Section 6

CAPITOLUL 6.

UTILIAJE PENTRU SEPARAREA AMESTECURILOR ETEROGENE

Amestecurile ntlnite n industria alimentar sunt: - omogene, cnd au aceleai proprieti n toat masa amestecului, adic nu conin faze sau pri cu proprieti diferite care s duc la apariia suprafeelor de separare ntre acestea;

- eterogene, cnd sunt formate din dou sau mai multe faze (pri), care au proprieti fizice diferite, bine determinate, care duc la apariia suprafeelor de separare n interiorul amestecului.

6.1. Amestecuri eterogene

Orice sistem eterogen (neomogen) este format din cel puin dou faze: - o faz intern, numit discontinu sau dispersat, care se gsete ntr-o stare de divizare fin, ale crei particule sunt rspndite n interiorul celeilalte faze; - o faz extern, numit continu sau mediu de dispersie, care nconjoar particulele fazei disperse.

Starea fizic a mediului de dispersie i a fazei dispersate determin tipul amestecului (Tabelul 6.1).

Tabelul 6.1.

Tipuri de amestecuri eterogene.

Nr.

crt.

Faza continu (mediu de

dispersie)

Faza

discontinu (dispersat)

Amestec Denumirea

amestecului

Exemple

1.

S

S S-S Amestecuri

uscate

Amestecuri de

semine, fin cu impuriti

2. L S-L Amestecuri

umede

Sare umed, borhot umed,

zahr umed

3. G S-G Materiale n

vrac

Semine, sare, zahr, fin n vrac

4.

L

S L-S Suspensii

mecanice

Ap tulbure, ulei cu pmnt, must de struguri, sucuri

de fructe

5. L L-L Emulsii,

dispersii

Lapte, margarin, maionez

6. G L-G Spume Spum de bere cu bioxid de carbon

7.

G

S G-S Aerosoli Fum, praf n aer

8. L G-L Suspensii Cea

9. G G-G

312

Dup starea fizic a amestecului de dispersie se ntlnesc urmtoarele tipuri de amestecuri eterogene:

- amestec eterogen solid, care poate conine particule de natur solid, lichid sau gazoas, dispersate n mediul de dispersie solid;

- amestec eterogen lichid, care poate conine particule de natur solid, lichid sau gazoas, dispersate n mediul de dispersie solid;

- amestec eterogen gazos, care poate conine particule de natur solid, lichid sau gazoas, dispersate n mediul de dispersie solid.

6.2. Tipuri de utilaje pentru separarea amestecurilor eterogene

n industria alimentar se ntlnesc toate tipurile de amestecuri care provin din agricultur (exemplu: laptele) sau rezultate n urma unor operaii mecanice (mrunirea materialelor solide, cernere, amestecare, transport pneumatic etc.) sau n urma unor operaii nsoite de condensare (evaporarea lichidelor, uscarea prin pulverizare).

Prin procesul de separare a amestecurilor eterogene se urmrete fie purificarea mediului de dispersie de particulele dispersate n el, cnd se consider important mediul de dispersie (purificarea aerului prin eliminarea prafului, a umiditii sau a unor gaze rezultate din diferite procese tehnologice etc.), fie obinerea fazei dispersate, cnd aceasta prezint importan (concentrarea sucurilor prin eliminarea apei, recuperarea fazei solide n urma transportului pneumatic, concentrarea aromelor etc.), fie obinerea ambelor faze (lapte degresat i smntn, semine mici i semine mari etc.).

Separarea amestecurilor eterogene se poate realiza sub aciunea fi gravitaionale sau a forei centrifuge, prin reinerea fazei disperse pe materiale filtrante, sub aciunea unui cmp electrostatic sau sonic.

Dup principiul aplicat la separarea fazelor, operaia poart numele de sedimentare, filtrare, centrifugare, separare electrostatic etc.

Mrimile de baz ce caracterizeaz micarea particulelor solide, lichide sau gazoase n mediul de dispersie sunt: viteza de sedimentare i viteza ascensional, stabilite pe baza forelor ce apar n amestec.

6.2.1 Utilaje pentru separarea n cmp gravitaional

Separarea n acest tip de utilaje se realizeaz sub aciunea forei gravitaionale i se aplic la:

- amestecurile eterogene gazoase cu faz solid dispersat (G-S); - amestecurile eterogene lichide cu faz solid dispersat (L-S); - amestecurile eterogene lichide cu faz lichid dispersat (L-L).

6.2.1.1 Utilaje pentru separarea n cmp gravitaional a amestecurilor gaz-solid

Amestecurile eterogene gazoase cu faz solid dispersat iau natere n procesele tehnologice ce includ operaii de: transport pneumatic, depozitare, uscare n curent de aer, curire, mrunire, cernere etc. De obicei, faza gazoas este aerul, iar faza solid este constituit din particule solide foarte fine din materialul ce este prelucrat n operaia respectiv (praf, fin, zahr etc.).

Separarea amestecurilor eterogene gaz-solid n cmp gravitaional se realizeaz n camere de desprfuire, care pot fi: simple, cu icane sau cu lanuri.

Camera simpl de desprfuire (Fig. 6.1.a) este o ncpere de lungime mare i nlime mic, astfel nct s asigure depunerea tuturor particulelor din aer. Alimentarea amestecului se realizeaz printr-o conduct plasat la o nlime destul de mic, pentru ca viteza amestecului

313

n camer s fie mic (0,2 - 0,4 m/s). Evacuarea aerului curat se face pe la partea superioar, iar particulele solide se colecteaz la partea inferioar a camerei, de unde sunt evacuate periodic.

Camera de desprfuire cu icane (Fig. 6.1.b) realizeaz reducerea vitezei amestecului prin montarea n ncperea 1 a unor perei - icane 2 sau a unor icane suplimentare 3, care, prin schimbarea sensului de circulaie a amestecului, duc la reducerea presiunii amestecului.

Camera de desprfuire cu lanuri (Fig. 6.1.c) este format din ncperea 1, prevzut cu racordurile de alimentare a amestecului i de evacuare a aerului curat. n interiorul camerei se monteaz lanurile 3 (sau icane verticale), de care se lovesc particulele solide, care pierd din energie i se depun.

Fig. 6.1. Camere de desprfuire

Camerele de desprfuire sunt utilizate pentru separarea particulelor solide mari, cu diametrul d > 0,2 mm, au eficiena de separare cuprins ntre 40 - 70 % i prezint urmtoarele dezavantaje: ocup un volum mare (de la 1 m3 pn la 20 - 30 m3), iar evacuarea fazei solide (depuse) se face manual.

Bazele de calcul. Pentru descrierea sub form criterial a procesului de sedimentare a particulelor solide ntr-un mediu nelimitat, n repaus, se pot folos: criteriile de similitudine

Arhimede (Ar), Liascenco (Li) i Reynolds (Re). Relaia criterial cea mai convenabil este:

Li = f(Ar) (6.1)

Particulele solide dispersate n mediul de dispersie gazos au diferite forme (sferice,

alungite, plate etc.) i densiti foarte diferite. Pentru simplificarea calculelor se consider particula de form sferic ntr-un regim de sedimentare laminar, caracterizat prin Re < 0,2; Ar < 3,6; Li < 0,002. Stokes a obinut teoretic relaia de calcul a vitezei de sedimentare a particulei de form sferic, neglijnd densitatea gazului ca fiind mult mai mic dect densitatea particulei:

2

18sed

g

d gv

(m/s) (6.2)

n care:

d - diametrul particulei sferice, (m);

- densitatea particulei, (kg/m3);

314

g - acceleraia gravitaional, (m/s2); g - vscozitatea gazului, (kg/ms).

Pentru cazurile cnd ntre densitile celor dou faze sunt diferene mici, relaiile de calcul a vitezei de sedimentare, n funcie de regimul de sedimentare, sunt:

- pentru Re < 1:

2

18

g

sed

g

d gv

(m/s) (6.3)

n care:

g - densitatea gazului, (kg/m3);

- pentru 1< Re < 1 000

114 0 72 0 72

0 29 0 430 1528sed

g g

d gv

(m/s) (6.4)

- pentru Re > 1 000:

0 5

1 74sedg

d gv

(m/s) (6.5)

Pentru particule de form neregulat se introduce n relaia vitezei de sedimentare dech n loc de d. Diametrul echivalent al particulei se determin cu relaia:

3 36

1 24V M

dech

(m) (6.6)

n care:

M - masa particulei, (kg).

Suprafaa de sedimentare a unei camere de desprfuire se poate determina cu relaia:

sed r

sed

VS

v

(m2) (6.7)

n care:

V - debitul volumic al gazului care trece prin camera de desprfuire paralel cu suprafaa de sedimentare, (m3 / s);

vr

sed - viteza real de sedimentare (depinde de forma particulei, micarea mediului gazos etc), n calcule se consider jumtate din viteza teoretic de sedimentare:

0 5rsed sedv v (6.8)

315

ntre viteza de sedimentare, viteza v a amestecului eterogen gazos la mirarea n

camera de desprfuire i elementele geometrice ale camerei de desprfuire (L - lungimea, H - nlimea, 1 - limea), exist urmtoarea relaie de legtur:

sedv H

v L

(6.9)

Dac considerm durata de sedimentare t egal cu durata de parcurgere a camerei de sedimentare de ctre amestec, rezult:

sed

H Lt

v v

(6.10)

Debitul de gaz din camera de desprfuire este dat de relaia:

V = v l H = vsed l L (m3/s) (6.11)

6.2.1.2. Utilaje pentru separarea n cmp gravitaional a amestecurilor lichid-solid

Amestecurile eterogene lichide cu faz solid dispersat, numite suspensii, se deosebesc ntre ele prin concentraia fazei solide dispersate i prin gradul de dispersie al acesteia. Operaia de separare a acestor amestecuri poart numele de sedimentare i const n depunerea sub aciunea forei gravitaionale a particulelor solide.

Sedimentarea sau viteza de sedimentare este influenat de: - dimensiunile particulelor, care sunt foarte diferite; - cantitatea fazei solide din amestec, difereniind suspensiile concentrate de cele diluate;

- forma particulelor solide (sferice, lamelare, plate etc); - diferenele dintre densitile celor dou faze; - natura particulelor solide.

n urma sedimentrii rezult faza lichid limpede, numit decantat i faza solid mbibat cu lichid, numit precipitat, sediment sau nmol. Operaia de recuperare a fazei lichide obinut n urma sedimentrii se numete decantare, iar a celei solide se numete ngroate.

Eficiena operaiei de sedimentare se caracterizeaz prin obinerea unui decantat ct mai srac n particule de solid (lichid limpede) i a unui precipitat ct mai srac n lichid, ntr-un timp ct mai scurt.

n funcie de importan se poate recupera: - faza lichid (decantarea vinului, limpezirea berii etc.); - faza solid (recuperarea produselor n cazul transportului hidraulic, ngroarea sucurilor de fructe i legume fr evaporarea fazei lichide etc.); - ambele faze (la fermentarea pe botin a vinurilor roii se recupereaz mustul care este prelucrat separat i botina care poate merge la presare n procesul de presare sau n procesul de presare etc).

Utilajele pentru separarea sistemelor eterogene lichid-solid prin sedimentare sunt

rezervoare (recipiente, vase) de diferite forme i mrimi, n care se introduce amestecul de separat. Particulele fazei solide se depun n timp sub aciunea gravitaiei.

316

Clasificarea utilajelor pentru separarea amestecurilor lichid-solid se poate face dup urmtoarele criterii: - n funcie de scopul urmrit, avem: hidroseparatoare, decantoare, limpezitoare; - dup modul de funcionare: discontinue, semicontinue, continue; - dup poziia rezervorului: orizontale (au nlimea H mic n raport cu aria bazei A, H/A mic), verticale (H/A mare);

- dup forma rezervorului: cilindrice, paralelipipedice.

n tabelul 6.2 sunt prezentate tipuri de separatoare i caracteristicile amestecurilor de tip lichid-solid.

Tabelul 6.2

Tipuri de separatoare pentru amestecuri de tip lichid-solid (Neagu, 1987).

Nr.

crt.

Tipul de separator Capacitatea de

separare, (mm)

Masa volumic a fazei solide,

(kg/m3)

Concentraia amestecului,

(%)

Concentraia fazei solide

sedimentat, (%)

1. Hidroseparator

317

deasupra precipitatului, se scurge n vasul 3 de unde, dup o ultim decantare, este evacuat prin racordul 5. Pentru curirea bazinului de precipitatul depus este folosit un rzuitor 7, care este permanent deplasat cu ajutorul unui pod rulam 6. Acest tip de decantor poate funciona i semicontinuu, cnd precipitatul este evacuat la intervale de timp.

2. Decantorul vertical (Fig. 6.3.b) este format din rezervorul 1 cu fund conic, prevzut la partea superioar cu rigola 2 n care se colecteaz lichidul limpede care este eliminat prin conducta 5. Amestecul este alimentat prin conducta central 3, care la partea de jos se lrgete ca o plnie, n scopul reducerii vitezei amestecului. Faza solid este evacuat prin conducta 4.

Fig. 6.3. Decantoare cu funcionare continu.

3. Decantorul cilindric cu agitator (Fig. 6.3.c) este format din rezervorul 1 de nlime mic, cu fundul uor nclinat. Pe axul 2 sunt montate braele 3, prevzute cu raclei pentru rzuirea precipitatului depus pe fundul rezervorului. Alimentarea se realizeaz prin conducta 8 i distribuitorul central 4, care realizeaz distribuia uniform a amestecului. Particulele solide se depun pe fundul vasului, de unde le preia racletele i le evacueaz prin racordul 6. Lichidul limpede este colectat n rigola 7 i evacuat prin conducta 5.

Bazele de calcul pentru amestecurile eterogene lichid - solid sunt asemntoare cu cele de la amestecurile gaz - solid, cu deosebirea c densitatea mediului lichid este mai mare i n calcule se va ine seama de aceasta.

O particul din faza solid de volum V i densitate , aflat ntr-un mediu lichid de densitate 1, este supus aciunii a dou fore: una de gravitaie Fg, datorat aciunii gravitaiei i acioneaz de sus n jos cutnd s depun particula pe fundul vasului; iar cealalt for Fl, generat de rezistena pe care o opune mediul lichid la cderea liber a particulei i acioneaz de jos n sus cutnd s scoat particula din mediul lichid (Fig. 6.4).

318

Fig. 6.4. Forele care acioneaz asupra unei particule solide aflat n mediu de dispersie

lichid.

n funcie de mrimea acestor fore, n practic se pot ntlni cazurile: - F1 > Fg, particula nu se va depune sau, dac se gsete n partea inferioar a recipientului de decantare, va fi mpins n sus; - F1 = Fg, particula poate pluti n mediul lichid; - F1 > Fg, particula se va depune la partea inferioar a mediului lichid.

Relaiile de calcul a celor dou forte sunt:

Fg = V ( 1)g (6.12)

2

1 12

p

r

vF k A

(6.13)

care:

kr - coeficientul de rezisten; vp - viteza particulei

A - aria seciunii transversale a particulei.

Pentru cazul cnd cele dou fore sunt egale, viteza particulei se numete vitez limit de decantare (sedimentare) i se determin din egalitatea:

2

12

p

l r

vV g k A

(6.14)

de unde:

1

1

2p dec

r

V gv v

k A

(6.15)

Considernd particula de form sferic

3

6

dV

(6.16)

2

4

dA

(6.17)

319

relaia (6.15) devine

1

1

2

3dec

r

d gv

k

(6.18)

Coeficientul de rezisten kr este n funcie de valoarea criteriului Reynolds pentru particule de form sferic:

- pentru: 0,0001 < Re < 2, kr = 24/Re; - pentru: 2 < Re < 500, k, = 18,5 / Re0,6; - pentru: 500 < Re < 20 000, kr = 0,45.

Pentru domeniul curgerii laminare, n care kr = 24/Re, viteza de decantare se poate

calcula cu relaia:

2

1

118dec

d gv

(6.19)

n care 1 reprezint vscozitatea mediului de dispersie lichid.

Diametrul minim al particulei solide ce se poate decanta n regim curgere laminar se stabilete cu relaia:

2

1 13

1

0 0018mind

g

(6.20)

Pentru particule de form oarecare coeficientul de rezisten are valori n funcie de regimul de curgere:

- pentru regim laminar:

24

0 85 Re lg0 0655

rf

kK

(6.21)

- pentru regim turbulent:

kr = (5,31...4,88) kf (6.22)

n care kf reprezint coeficient ce depinde de forma particulei solide.

Pentru cazurile cnd particula nu are form sferic, viteza de decantare (sedimentare), n funcie de regimul de curgere, se poate calcula cu relaiile: - regim laminar:

2 1 0 845 lg18 0 0655

f

dec

kv d g

(6.23)

- regim turbulent:

320

1

1

1 74 12 1...11 1dec fd g

v k

(6.24)

Capacitatea de sedimentare a decantoarelor, exprimat n funcie de debitul de lichid limpezit, se determin n funcie de aria A a seciunii rezervorului de decantare i de nlimea H a fazei lichide limpezite:

t

A HQ

t

(m3/s) (6.25)

n care t este durata de staionare a lichidului n decantor, (s); este cel puin egal cu durata de decantare (sedimentare), tdec:

dec

dec

Ht t

v

(6.26)

nlocuind n relaia (6.25), rezult:

t dec

dec

A HQ A v

H

v

(6.27)

Deci, capacitatea de decantare a decantorului depinde de viteza de sedimentare, de

suprafaa lui, dar nu depinde de nlimea lui. Dac amestecul eterogen lichid-solid are debitul Qs n care concentraia fazei solide

este x (kg solid/kg lichid), dup decantare rezult faza lichid cu debitul Q1, care mai conine faza solid n concentraie foarte mic x1 i precipitatul cu debitul Q cu concentraia n particule solide x2; ecuaia bilanul de materiale va fi:

Qa = Q1 + Q (6.28)

Neglijnd pierderile de faz solid n lichidul decantat (x1 =0), putem scrie ecuaia bilanului fazei solide, astfel:

Qa x = Q x2 (6.29)

Cunoscnd c:

Q1 = Qa Q = A vdec (6.30)

rezult relaia de dimensionare a decantorului, respectiv relaia de calcul a suprafeei de decantare (sedimentare).

6.2.1.3 Utilaje pentru separarea n cmp gravitaional a amestecurilor lichid-lichid

n cazul amestecurilor eterogene de tip lichid-lichid, mediul de dispersie este lichid, n

care se afl o alt faz lichid dispersat sub form de picturi. Aceste amestecuri se numesc emulsii (plasma laptelui i grsimile n lapte, ulei i ap sau benzin, ap i benzin etc).

321

Separarea acestor amestecuri n cmp gravitaional se realizeaz datorit diferenei dintre densitile celor dou lichide.

Utilajele folosite pentru separarea amestecurilor eterogene lichid-lichid, numite i vase florentine, sunt decantoare de form cilindric, aezate vertical (mai puin orizontal), cu funcionare continu. nlimea vaselor florentine trebuie s asigure un timp suficient pentru depunerea fazei lichide cu densitate mai mare.

Decantoarele florentine sunt formate din vasul 1 de form cilindric, cu partea inferioar conic (Fig. 6.5.a) sau bombat (Fig. 6.5.b i c), prevzute cu racordul 2 prin care se alimenteaz amestecul care trebuie separat, racordul 4 prin care se evacueaz lichidul cu densitate mic i racordul 5 prin care se evacueaz lichidul cu densitate mai mare. Pe capacul vasului este montat un racord 6 pentru aerisire, iar la partea inferioar un racord 7 pentru golire. Unele vase florentine au montat n interior un perete care separ spaiul de evacuare a fazei cu densitate mai mare (Fig. 6.5.b) sau un perete care separ spaiul de alimentare de spaiul de evacuare a ambelor faze (Fig. 6.5.c).

Bazele de calcul. Pentru a se realiza scurgerea dup principiul vaselor comunicante, racordul de evacuare a lichidului cu densitate mai mare trebuie amplasat la nlimea pentru care se respect condiia:

h1 1 = h2 2 (6.31)

Fig. 6.5. Vase Florentine.

Dar diferena dintre poziiile celor dou racorduri de evacuare se poate exprima n funcie densitile celor dou lichide i de nlimea de poziionare a unuia din racordurile de evacuare, astfel:

2 11 2 1 2

2

1h h h h h

(6.32)

n care:

h1 - nlimea de amplasare a racordului pentru evacuarea lichidului cu densitate mic; h2 - nlimea de amplasare a racordului pentru evacuarea lichidului cu densitate mare.

322

Dimensionarea racordurilor de evacuare se face innd seama de debitul de evacuare i de viteza de separare.

Suprafaa A de decantare (sedimentare) pentru vasele florentine se determin cu relaia:

a

sed

QA

v

(m2) (6.33)

n care:

Qa - debitul de alimentare cu emulsie, (m3/s);

vsep - viteza de separare a celor dou faze lichide, (m/s).

6.2.2. Utilaje pentru separarea amestecurilor eterogene prin reinerea fazei disperse pe materiale filtrante

Operaia prin care faza solid dispersat ntr-un mediu fluid (lichid sau gaz) este reinut pe un anumit material poart numele de filtrare.

Filtrarea este un proces hidrodinamic de curgere a unui amestec fluid printr-un mediu

poros. Curgerea se realizeaz datorit unei fore motrice creat de diferena de presiune, aplicat ntre cele dou pri separate de mediul poros. Diferena de presiune poate fi realizat de pompe centrifuge, pompe cu piston, pompe de vid sau folosind presiunea hidrostatic a coloanei de suspensie ce urmeaz a fi filtrat.

n industria alimentar operaia de separare prin filtrare se folosete fie pentru obinerea uneia din faze (solid, lichid sau gazoas), cealalt faz rmnnd ca reziduu (filtrarea vinului i ndeprtarea impuritilor, purificarea aerului prin reinerea impuritilor etc.), fie pentru obinerea ambelor faze, cnd acestea prezint importan (recuperarea pulpei i a sucului din fructe i legume, recuperarea unor gaze i a particulelor solide dispersate n acestea cnd amndou prezint importan economic etc.). Operaia de filtrare nlocuiete operaia de sedimentare n cazurile cnd nu se admit pierderi de lichid n precipitat sau cnd particulele solide n suspensie ntr-un mediu lichid sau gazos sedimenteaz foarte greu (diferenele ntre densitile celor dou faze sunt foarte mici).

6.2.2.1. Utilaje pentru filtrarea amestecurilor lichid - solid

Viteza de filtrare n cazul amestecurilor eterogene lichid - solid este definit prin cantitatea de lichid care strbate unitatea de suprafa din materialul filtrant n unitatea de timp. Viteza de filtrare este direct proporional cu diferena de presiune ce se afl ntre cele dou pri separate de materialul filtrant i este invers proporional cu gradul de colmatare a materialului filtrant, respectiv cu rezistena opus de porii materialului filtrant i ai precipitatului depus pe acesta. Deci, rezistena la filtrare reprezint suma rezistenelor materialului filtrant i a stratului de precipitat depus.

Operaia de filtrare este influenat de: - factori care in de amestecul ce trebuie filtrat: natura amestecului, granulometria i structura fazei solide din amestec, concentraia fazei solide i debitul amestecului; - factori care in de materialul filtrant: natura materialului, porozitatea, grosimea stratului filtrant, aria suprafeei filtrante i rezistena hidraulic a suprafeei filtrante; - factori ce in de precipitatul care se depune pe suportul filtrant i care se comport ca un material filtrant: natura precipitatului, porozitatea, grosimea, rezistena hidraulic etc.

323

Cele mai importante condiii de filtrare sunt impuse de diferena de presiune de pe cele dou fee ale stratului filtrant i de temperatura amestecului ce se filtreaz.

Procesul de lucru la filtrare nu are un caracter staionar i, prin urmare, nu s-a putut elabora o teorie care s in seama de toi factorii care influeneaz operaia de filtrare. n literatura de specialitate exist numeroase ncercri de a stabili pe cale experimental i analitic relaiile de legtur dintre viteza de filtrare, diferena de presiune i debitul de filtrat (precipitat).

Materialele din care sunt realizate suporturile filtrante sunt: straturi de nisip, kiselgur,

straturi fibroase din azbest, vat de sticl, bumbac, ln, fibre sintetice, hrtie, site metalice sau din fire de pr, plci poroase din cuar. amot, sticl, grafit, carborund etc.

Fig. 6.6. Schema simplificat a filtrrii

La nceputul operaiei de filtrare (Fig. 6.6.a) suspensia 4 aflat n recipientul 1, datorit

diferenei de presiune p, elibereaz faza lichid care va trece prin stratul filtrant 2 de nlime Hf i se va acumula n spaiul 3. Dup un anumit timp (Fig. 6.6.b), pe suprafaa superioar a stratului filtrant se va depune un strat de precipitat de nlime Hp, care se va

comporta ca o suprafa filtrant cu diferena de presiune p1. Considernd c prin porii materialului filtrant i ai precipitatului care se depune, pori

ce sunt considerai cilindrici, cu diametre egale i lungimi egale cu grosimea stratului filtrant (material filtrant i precipitat), curgerea lichidului ce se separ este laminar. n acest caz volumul V de lichid care curgi printr-un por cu seciunea A, n timpul t i cu viteza v, va fi:

V = A v t (6.34)

n cazul cnd avem strat de precipitat depus pe suprafaa superioar a materialului filtrant, viteza de curgere a lichidului prin porii acestui strat determin aplicnd ecuaia cderii de presiune n conducte n condiiile regimului laminar

2

1

32

pp dv

L

(6.35)

n care:

dp - diametrul porului;

v - vscozitatea lichidului;

L - lungimea porului, care este mai mare dect nlimea stratului de precipitat, datorit curburii capilarelor, cu un factor de curbur kcp > 1;

cp pL k H (6.36)

324

Volumul de lichid ce curge printr-un por de precipitat se poate determina cu relaia:

2

1

128

pd p tV

(6.37)

Pentru n pori pe unitatea de suprafa de precipitat, i innd seama de definiia vitezei de filtrare, adic v = dV/Adt, rezult:

4

1

128

fd p ndV

A dt L

(6.38)

Dac se nlocuiete mrimea real a lungimii porilor, relaia 6.36 devine:

4

1

128

f p

cp p

d p ndV

A dt H

(6.39)

n mod analog se determin ecuaia vitezei de filtrare prin materialul filtrant:

4

128

f f

cf f

d p ndV

A dt H

(6.40)

Mrimile: diametrul porilor, numrul de pori din precipitat i din materialul filtrant i factorii de curbur nu pot fi msurate. Aceste mrimi caracterizeaz rezistena specific a stratului de precipitat i, respectiv, a materialului filtrant: - pentru stratul de precipitat:

4

128 cpp

p p

kC

d n

(6.41)

- pentru materialul filtrant:

4

128 cff

f f

kC

d n

(6.42)

n acest caz ecuaiile vitezelor de filtrare capt forma: - prin stratul de precipitat:

1p p

dVH C A p

dt

(6.43)

- prin materialul filtrant:

f f

dVH C A p

dt

(6.44)

325

Dar, n procesul de filtrare stratul de precipitat i materialul filtrant formeaz suprafaa total de filtrare, care lucreaz la diferena total de presiune dat de relaia:

pT = pi + p2 (6.45)

Pentru pT = constant (adic se consider c precipitatul are aceeai grosime n tot procesul de filtrare), ntre volumul de filtrat V, care trece printr-un m

2 suprafa de filtrare i

timpul de filtrare t, exist relaia:

V2 + 2CV = Kt (6.46)

Constantele de filtrare prin precipitat K (m2/s) i prin materialul filtrant C (m3/m2) se

determin pe cale experimental. Viteza de filtrate la un moment dat se poate determina cu relaia:

2dV K

dt V C

(6.47)

Cu relaia (6.47) se poate calcula i viteza de splare a precipitatului cu lichid de splare, dac vscozitatea lichidului de splare este aceeai cu a filtratului i dac lichidul de splare trece prin filtru pe acelai parcurs ca i filtratul, n aceste condiii, viteza de splare este egal cu viteza de filtrare n momentul final.

Pentru determinarea constantelor de filtrare K i C, pe baza datelor experimentale, se folosete relaia (6.47), care exprim legtura liniar ntre mrimile dt/dV i V:

2 2dt V C

dV K K

(6.48)

n acest scop, pe axa absciselor se nscriu valorile msurate pentru V (1, 2, 3, ...), iar pe axa ordonatelor valorile corespunztoare pentru dt/dV (1, 2, 3, ...). Ducnd prin punctele obinute o dreapt (Fig. 6.7) se gsesc valorile lui K i C, din ecuaiile:

2tg

K

(6.49)

2 Cm

K

(6.50)

Fig. 6.7. Dependena dintre At / AV i V.

Legtura dintre constanta precipitatului K, pentru p = constant, i rezistena specific a precipitatului Cp este dat de relaia:

326

2

p

pk

C c

(6.51)

n care:

Ap - diferena (cderea) de presiune, (Pa); - vscozitatea filtratului, (Pa-s); Cp - rezistena specific a precipitatului, calculat pentru 1 kg de substan uscat,

(m/kg);

c - masa substanei solide uscate care se depune la trecerea prin materialul filtrant a 1 m

3 filtrat, (kg/m

3).

Mrimea c se poate exprima prin concentraia x a fazei solide din suspensie, astfel:

1

xc

m x

(kg/m3) (6.52)

n care:

reprezint densitatea filtratului, (kg/m3); x - concentraia masic a fazei solide din suspensie, (kg/kg); m - masa precipitatului umed raportat la 1 kg de substan uscat coninut n el,

(kg/kg).

Dup nlocuirea relaiei (6.52) n relaia (6.51) se obine relaia explicit de calcul a constantei K a precipitatului:

2 1

p

p m xk

C x

(m

2/s) (6.53)

Invers, dac se cunoate constanta precipitatului K se poate calcula rezistena specific a precipitatului Cp:

2 1p

p m xC

K x

(m/kg) (6.54)

Constanta materialului filtrant C, care caracterizeaz rezistena acestuia, raportat la

1 m2 de suprafa de material de filtrare, la p = constant, se determin cu relaia:

f

p

CC

C c

(m

2/m

3) (6.55)

n care: Cf - rezistena specific a materialului filtrant pe 1 m2 de suprafa, (m/m2);

nlocuind n relaia (6.55) expresia lui c din relaia (6.52), rezult:

1fp

C m xC

C x

(m

3/m

2) (6.56)

327

Din relaia (6.56), cunoscnd valoarea constantei C, se poate determina rezistena specific a materialului filtrant:

1

p

f

C C xC

m x

(m/m2) (6.57)

Concentraia apei de splare xai, ntr-un moment oarecare din procesul din splare a materialului filtrant, se poate calcula cu relaia:

1p

k t

H

aix x e

(6.58)

n care:

x1 - concentraia apei de splare la nceputul procesului; e - baza logaritmilor naturali, (e = 2,718);

k - coeficient care ine seama de proprietile fizico-chimice ale precipitatului i ale apei de splare, precum i de regimul de splare (se stabilete pe cale experimental);

- intensitatea specific de splare sau viteza de trecere a apei de splare, (m3/m2 s); t - durata de splare, (s); Hp - grosimea stratului de precipitat, (m).

Pentru determinarea duratei de splare (timpul necesar pentru a realiza variaia stabilit a concentraiei substanei splate din precipitat) sau a coeficientului k se logaritmeaz relaia (6.58):

2 1

1 2

2 3

lg lg

pHt t

x x k

(6.59)

Cantitatea de substan uscat M din precipitatul obinut pe filtru depinde de cantitatea de filtrat colectat V, de densitatea filtratului , de concentraia masic x a fazei solide din suspensie, de umiditatea precipitatului (exprimat prin raportul masic m) i se poate calcula cu relaia:

1

xM V c V

m x

(kg) (6.60)

Concentraia x a fazei solide din suspensie se poate calcula cu relaia:

susp s

s susp

x

(kg/kg) (6.61)

n care:

- densitatea fazei lichide (a filtratului) din amestec, (kg/m3); s - densitatea fazei solide, (kg/m

3);

susp - densitatea suspensiei, (kg/m3); se calculeaz cu relaia:

328

111

s

susp

s

s

nn

n n

(6.62)

n care: n - masa fazei lichide din suspensie raportat la 1 kg din substana uscat, (kg/kg).

Cu relaia (6.62) se poate calcula i densitatea precipitatului umed, considerndu-1 ca o soluie concentrat.

Tipuri de filtre. Utilajele pentru separarea amestecurilor eterogene de tip lichid-solid

sunt numite filtre. Acestea se pot clasifica dup mai multe criterii: 1. Dup modul de funcionare:

- filtre cu funcionare periodic sau filtre discontinue, la care suportul filtrant este fix, operaiile procesului de filtrare se execut simultan pentru toate elementele (ptrunderea suspensiei, formarea precipitatului, eliminarea precipitatului etc.);

- filtre cu funcionare continu, la care suportul filtrant se deplaseaz ntr-un circuit nchis, operaiile procesului de filtrare sunt diferite pe poriuni ale suportului filtrant (pe o poriune a suportului filtrant se face alimentarea cu suspensie, pe alt poriune are loc formarea precipitatului, iar pe alt poriune are loc evacuarea precipitatului); 2. Dup modul de realizare a diferenei de presiune necesar filtrrii:

- filtre care funcioneaz sub aciunea presiunii hidrostatice a nlimii stratului de suspensie;

- filtre cu vid; - filtre care funcioneaz sub presiune, creat de aciunea unor pompe.

6.2.2.1.1. Filtre care funcioneaz la presiune hidrostatic

Filtre orizontale. Sunt deschise, cu funcionare periodic (discontinu), construite din recipiente cilindrice cu diametru mare, la baza crora se afl o sit, un ciur sau un grilaj, care constituie suportul de aezare a materialului filtrant pe care se depune precipitatul (Fig. 6.8). Amestecul A este alimentat printr-o conduct plasat n partea de sus a recipientului, filtratul (lichidul) L este evacuat printr-o conduct aflat la partea de jos a recipientului sub sita pe care se afl materialul filtrant, iar precipitatul P se descarc manual prin gura de evacuare plasat la nlimea materialului de filtrare. Deasupra materialului de filtrare se poate monta un agitator (Fig. 6.9), care s asigure afnarea precipitatului, precum i evacuarea precipitatului la terminarea operaiei.

Fig. 6.8. Schema unui filtru deschis care funcioneaz la presiune hidrostatic.

329

Fig. 6.9. Schema unui filtru deschis cu agitator.

Filtre verticale. Au construcia asemntoare cu cea a filtrelor orizontale, cu deosebirea c vasul n care se afl amestecul pentru filtrare este mult mai nalt, pentru a crea o presiune mai mare asupra elementului filtrant. Presiunea de deasupra elementului filtrant i, dup o perioad de timp, de deasupra precipitatului este creat de nlimea coloanei de amestec.

6.2.2.1.2. Filtre cu funcionare sub vid

Pentru mrirea eficacitii filtrrii, diferena de presiune ntre spaiul ocupat de amestec i cel ocupat de filtrat trebuie s fie ct mai mare. La aceste tipuri de filtre depresiunea realizat n spaiul filtratului conduce la reducerea duratei de filtrare.

Filtre cu elemente verticale. Sunt formate din mai multe elemente filtrante verticale,

dispuse paralel ntr-o manta (recipient) paralelipipedic sau cilindric, legate ntre ele printr-o conduct comun, prin care se evacueaz filtratul. Elementele filtrante pot fi saci textili, discuri din mpletituri metalice, textile sau sintetice, montate pe suporturi metalice, prin care

este refulat sau aspirat filtratul n interiorul elementului. n Figura 6.10 este prezentat cel mai

simplu filtru cu saci cu manta deschis. Elementele filtrante verticale sunt montate n blocul de filtrare 1, care este suspendat pe traversa podului rulant 6, care se poate deplasa att pe

vertical, ct i pe orizontal. Blocul de filtrare este introdus n cuva 2 n care se afl amestecul pentru filtrare. Prin conducta 7 lichidul este aspirat din amestec. n cuva 3 se

realizeaz splarea elementelor filtrante, prin introducerea apei prin conducta 7. n cuva 4 are loc desprinderea precipitatului de pe elementele blocului de filtrare, precipitat care este

evacuat cu ajutorul melcului transportor 5. Aceste filtre lucreaz n volume mari de amestec, cu concentraii reduse a fazei solide (sub 3%), au o manevrabilitate uoar, dar funcionarea este discontinu i splarea neuniform.

Fig. 6.10. Filtru cu saci.

330

Filtru rotativ celular cu depunerea precipitatului la exterior. Este format dintr-un

cilindru orizontal 1 perforat (Fig. 6.11), pe care se afl o pnz de filtrare 2. n interiorul cilindrului perforat se monteaz un cilindru 3 din tabl, care are legtur cu cilindrul 1 prin pereii radiali 4, care mparte filtrul n compartimentele sau celulele 5. Cilindrul central este i el mprit n mai multe compartimente, astfel: - compartimentul I, n care are loc colectarea filtratului datorit depresiunii create cu ajutorul conductei 6 legat la instalaia de vid; - compartimentul al II-lea, n care este colectat filtratul ce rezult dup splarea precipitatului; compartimentul al II-lea este legat la instalaia de vid prin conducta 7; - compartimentul al III-lea, n care se introduce aer sub presiune prin conducta 8 pentru desprinderea precipitatului;

- compartimentul al IV-lea, n care se introduce aer sub presiune prin conducta 9 pentru desfundarea porilor pnzei de filtrare 2,

Amestecul este alimentat continuu n cuva 10, n care se monteaz un agitator 11. Tot ansamblu este sprijinit pe un postament pe care se fixeaz att cuva, ct i cilindrul perforat prin intermediul axului 12 i a unor lagre de susinere.

Fig. 6.11. Filtru rotativ celular cu depunerea precipitatului la exterior.

Filtrul funcioneaz continuu, ansamblul de cilindri rotindu-se cu vitez mic n cuva 10 (4 - 5 rot./min.).

Filtrele celulare, la care filtratul este aspirat din exterior i precipitatul se aeaz pe suprafaa exterioar a cilindrului, se construiesc n foarte multe variante.

Pentru evacuarea rapid a precipitatului i regenerarea rapid a pnzei de filtrare se folosete, la unele tipuri de filtre, detaarea mecanic a precipitatului (Fig. 6.12). Pnza 1 este nfurat pe rola de detaare 2, rola de sptare 3 i pe rola de desfundare a porilor 4, dup care intr n cuva n care se afl amestecul pentru filtrare.

Fig. 6.12. Schema unui filtru celular rotativ cu detaarea precipitatului pe role.

331

Filtru celular cu suprafa interioar de filtrare. Este compus dintr-un cilindru perforat 1, pe a crui suprafa interioar se monteaz pnza de filtrare 2 (Fig. 6.13). n interior se monteaz, ca i la filtrul celular cu suprafa exterioar de filtrare, un cilindru compartimentat 3, legat de cilindrul perforat prin perei radiali. Celulele sunt puse n legtur cu un cap distribuitor aflat la unul din capetele cilindrului interior, prin intermediul unor conducte :are

pornesc de sub pnza de filtrare.

Filtratul trece prin pnza de filtrare i prin conducte ajunge n distribuitor, care face legtura cu conducta de evacuare. Precipitatul desprins cu ajutorul cuitului 4 cade n colectorul 5, de unde este evacuat de melcul transportor 6. n faza de desfundare a porilor

pnzei de filtrare, precipitatul cade n cuva n care se afl amestecul pentru filtrare (partea inferioar a cilindrului perforat).

Capul de distribuie (Fig. 6.14) este utilizat la toate filtrele cu funcionare a vid, realiznd comunicarea celulelor n diferite faze ale operaiei de filtrare, astfel: cu instalaia de vid, cu instalaia de ap pentru splare, cu instalaia de colectare a filtratului, cu instalaia de aer pentru curirea porilor pnzei de filtrare. Capul de filtrare este format din discul mobil 1 i discul fix 2. Discul mobil are pe o fa un canal 3 care comunic cu colectorul de ap pentru splare i un canal 4 care comunic cu colectorul pentru filtrat. Tot pe acest disc se afl conducta 5 care face legtura cu pompa de vid i conducta 6 care face legtura cu compresorul pentru aer comprimat. Discul fix este prevzut cu orificiile 7 ce coincid cu celulele filtrului. Cele dou discuri sunt fixate pe un ax comun, fiind presate cu ajutorul unui arc.

Fig. 6.13. Filtru celular cu suprafa interioar de filtrare.

Fig. 6.14. Cap de distribuie.

6.2.2.1.3. Filtre sub presiune

Creterea diferenei de presiune necesar n operaia de filtrare se poate realiza cu ajutorul presiunii de pompare a amestecului eterogen n spaiul de alimentare sau prin reducerea volumului camerei de alimentare, fornd faza lichid (filtratul) din amestec s treac prin suprafaa filtrant. Utilajele de filtrare care funcioneaz dup acest principiu se

332

numesc filtre sub presiune. Materialul filtrant este aezat pe supori din tabl perforat sau mpletituri din srm.

O dat cu reinerea particulelor solide se pot reine i o parte din microorganismele ce se afl n amestecul lichid supus filtrrii. n acest scop, sunt folosite fibrele de azbest sau granulele de diatomit aezate pe materialul filtrant.

Filtrul cu plci i rame (Fig. 6.15) este format dintr-un numr mare de plci a, ce alterneaz cu ramele b. Att placa, ct i rama se sprijin prin intermediul a doi umeri 7 pe dou bare metalice, aezate de o parte i de alta a filtrului Plcile i ramele sunt aezate n pachet compact, fiind alimentate cu amestecul lichid prin canalul central 8 i canalele laterale 5 aflate n partea superioar ramelor. Evacuarea filtratului se face prin canalele laterale 6 plasate la part inferioar a plcilor. Plcile de filtrare sunt formate din rama 1 pe care se aeaz placa riflat 2, urmat de pnza sau sita de filtrare 3 i rama de fixare 4. ntre dou plci a distanate de o ram b se formeaz o camer de filtrare.

Tot ansamblu este susinut pe un cadru metalic fix (fixat ntr-o fundaie) sau mobil, care se poate deplasa cu ajutorul unui sistem de rulare.

Suspensia sub presiune este alimentat continuu prin canalul central, lichidul din suspensie fiind forat s treac prin pnza filtrant de pe ambele pri ale camerei de filtrare, scurgndu-se pe placa riflat i este evacuat prin canalele laterale (cazul filtrelor cu evacuare deschis) sau printr-un canal nchis (cazul filtrelor cu evacuare nchis). Precipitatul se depune pe ambele pri ale camerei de filtrare pn cnd se umple camera. Splarea simpl a camerelor de filtrare se realizeaz, nainte de obturarea camerei cu precipitat, prin introducerea apei de splare prin traseul de alimentare sau, pentru un efect mai bun al splrii, prin introducerea apei prin canale speciale, pentru a strbate ntreaga grosime a stratului de precipitat.

Fig. 6.15. Filtru cu plci i rame.

Filtrul pres cu camere (Fig. 6.16) este format din elemente filtrante identice constituite din plcile 1 de form circular sau dreptunghiular, prevzute cu un orificiu central prin care se alimenteaz amestecul ce trebuie filtrat. Prin aezarea succesiv a plcilor i strngerea lor se formeaz un canal central 3, prin care se realizeaz alimentarea i un canal colector 4 pentru evacuarea filtratului. Pnza de filtrare 2 este prevzut cu un orificiu central i este aezat ntre plci.

Fig. 6.16. Filtru cu plci.

333

Filtrul sterilizant (Fig. 6.17) este asemntor cu filtrul cu plci i rame. Plcile 1 au una din extremiti ngroat 2, prevzut cu un canal. Plcile se monteaz alternativ, astfel: plcile I, III, V etc., formeaz un canal colector 3 de alimentare, iar plcile II, IV, VI etc. un alt canal colector 4 de evacuare, ntre dou plci se monteaz o plac sterilizant 5. Etaneitatea filtrului este asigurat de garniturile 6. n aceste filtre se poate realiza filtrarea simpl (Fig. 6.17.a), filtrarea dubl i filtrarea pe straturi de diatomit sau alte materiale sub form de fibre (Fig. 6.17.b).

La filtrarea simpl, prin aezarea succesiv a plcilor, se formeaz canalul de alimentare prin care se pompeaz amestecul pentru filtrare. Acesta trece prin placa filtrant poroas unde impuritile se vor depune, iar lichidul limpede, trecnd prin plac, ajunge n canalul de evacuare 4.

La filtrarea dubl se realizeaz la nceput o prefiltrare printr-un numr mic de plci, separate printr-o plac de deviere, dup care prefiltratul este trecut prin restul de plci, rezultnd un filtrat foarte curat.

La filtrarea pe straturi de diatomit sau diferite fibre, lichidul cu suspensii se amestec cu o cantitate de granule de diatomit i se pompeaz prin canalul 3 n camerele dintre plci, care n acest caz sunt formate din plas de srm cu doi perei laterali 5. Diatomit mpreun cu particulele mari de solid aflate iniial n suspensie se depun n spaiu dintre site, formnd un strat compact 1, iar filtratul trece ntr-un canal colector 6, de unde apoi trece n canalul 4.

Fig. 6.17. Filtru sterilizant.

Pentru filtrrile fine se poate forma stratul de diatomit nainte de nceperea operaiei de filtrare.

Filtrul cu tuburi (Fig. 6.18) are elementele filtrante din tuburi poroase de ceramic sau tuburi din plas de srm, acoperite la exterior cu pnze filtrante cu estur deas.

334

Fig. 6.18. Filtru cu tuburi

Tuburile 1 sunt nchise la captul inferior i deschise la cel superior i sunt montate ntr-o plac 2. Recipientul 3 al filtrului este de form cilindric, cu fundul conic. Alimentarea amestecului se face printr-o conduct 4 amplasat sub placa 2, iar evacuarea filtratului printr-o conduct 5 amplasat deasupra plcii 2. Tuburile sunt permanent inundate de filtratul care intr prin porii stratului filtrant aflat la exteriorul tuburilor, se ridic deasupra plcii 2 care susine tuburile, de unde este evacuat. Precipitatul se depune la suprafaa exterioar a tuburilor.

Curarea materialului filtrant de precipitat se realizeaz prin oprirea alimentrii amestecului eterogen i introducerea soluiei de splare prin racordul prin care se fcea eliminarea filtratului. Soluia desfund porii materialului filtrant, antreneaz precipitatul care cade n conul vasului, de unde este evacuat prin racordul 6. Acest amestec se poate filtra ntr-

un filtru sub vid pentru a se recupera tot filtratul.

Filtrul cu discuri (Fig. 6.19) este utilizat pentru filtrarea amestecurilor eterogene cu

coninut redus de faz solid n suspensie. Suprafeele filtrante (Fig. 6.19.b) sunt de forma unor discuri orizontale 1, montate prin intermediul pieselor 2 pe axul 3. Pe axul 3 se monteaz mai multe discuri (Fig. 6.19.a), care sunt strnse la partea superioar i fixate n mantaua 4 de form cilindric i acoperit cu capacul rabatabil 5. Alimentarea amestecului se face pe Ia partea inferioar a mantalei prin racordul 6, filtratul intr prin discurile de filtrare i este colectat n axul central de unde este evacuat pe la partea inferioar. Precipitatul este evacuat prin racordul 7.

Fig. 6.19. Filtru cu discuri orizontale

Amplasarea filtrelor n instalaiile de filtrare se face n funcie de scopul urmrit. n Figura 6.20 este prezentat o instalaie de filtrare a vinurilor cu kiselgur, tip Tehnofrig.

335

Fig. 6.20. Filtru cu kiselgur, tip Tehnofrig:

1 - elemente filtrante; 2 - colector pentru filtrat; 3 - debitmetru; 4 - conduct de alimentare; 5 - conduct de evacuare filtrat; 6 - rezervor pentru prepararea suspensiei de kiselgur; 7 -

agitator; 8 - baie de recirculare; 9 - dispozitiv de cuplare; 10 - pomp dozatoare de kiselgur; 11 - pomp centrifug de alimentare; 12,13 - motoare electrice; 14 - robinet de aerisire; 15 -

distribuitor; 16-25 - robinete.

Filtrul propriu-zis se compune din 15 elemente filtrante, verticale, sub form de disc, cu o suprafa total de filtrare de pn la 400 m2.

Pentru creterea eficienei filtrrii se folosesc instalaii de filtrare care funcioneaz sub vid apoi sub presiune, urmnd fazele unui ciclu de filtrare, n figura 6.21 este prezentat o instalaie de filtrare cu band.

Banda perforat 1 ruleaz pe doi tamburi, unul de acionare 3 i unul de ntindere 4. Materialul filtrant 2 este sub forma unei benzi, care pe ramura superioar realizeaz filtrarea, iar pe ramura inferioar se realizeaz regenerarea materialului filtrant prin splare. Amestecul este alimentat prin conducta 8 i repartizat uniform pe banda filtrant de nivelatorul 5. Precipitatul este evacuat de pe banda filtrant datorit rolei de ntoarcere 6. Splarea benzii filtrante se realizeaz pe ramura inferioar cu ajutorul unui dispozitiv de splare 7. Filtratul este colectat n cutiile 9, legate la o conduct de vid.

Fig. 6.21. Instalaie de filtrare cu band.

6.2.2.2. Utilaje pentru filtrarea amestecurilor gaz-solid

Aceste utilaje rein particulele solide din gaze pe suprafee de filtrare forte din materiale textile, straturi granulare sau fibroase tasate sau materiale ceramice. Alegerea unui

anumit tip de material filtrant se face n funcie de proprietile gazului, temperatura acestuia i de dimensiunile particulelor solide. La nceputul filtrrii eficiena este mic deoarece porii materialului filtrant au dimensiuni mai mari dect dimensiunile particulei. n timp scurt

(cteva secunde sau minute) se formeaz un strat de particule depuse n interiorul porilor, care reduc dimensiunile porilor sub cele ale particulelor.

336

Legile care caracterizeaz procesul de filtrare a amestecurilor eterogene gaz-solid sunt aceleai ca la amestecurile eterogene lichid-solid, regimul de filtrare fiind caracterizat de: viteza de filtrare, scderea presiunii la trecerea gazului prin materialul filtrant, capacitatea de filtrare ntre dou curri ale materialului filtrant.

Viteza de filtrare reprezint cantitatea de gaz care trece prin unitatea de suprafa de material filtrant n unitatea de timp i se poate calcula cu relaia:

2 rpv

(m3/m

2s) (6.63)

n care:

pr - cderea total de presiune, (Pa); p - densitatea amestecului gaz-solid, (kg/m

3).

Suprafaa total de filtrare n cazul filtrelor cu saci se poate determina cu relaia:

f

ft

s

QA

q

(m

2) (6.64)

n care:

Qf - debitul de amestec gaz-solid supus filtrrii, (m3/s);

- randamentul filtrrii, (0,85); qs - debitul specific pe unitatea de suprafa i unitatea de timp, (m

3 / m

2s):

2

4s

n d vq

(6.65)

unde:

n - numrul de pori din materialul filtrant; d - diametrul unui por, (m).

Numrul de elemente filtrante (saci), considerate cilindrice, se poate determina cu relaia:

nAzD L

(6.66)

n care:

D - diametrul unui sac, (D = 0,2...0,4 m);

L - lungimea unui sac, (L = 2...3,5 m).

Tipuri de filtre. Cele mai folosite sunt filtrele cu saci, formate dintr-un numr mare de saci de form cilindric, care au la captul superior un dispozitiv de scuturare (Fig. 6.22). Sacii sunt grupai n dou seciuni, care se afl pe rnd n faza de filtrare sau n faza de curare. n faza de filtrare amestecul format din gaz i particule solide, suflat de un ventilator, intr n saci, gazul trece prin saci, n timp ce particulele-solide sunt reinute de materialul sacilor sau, dac sunt mai grele, se depun la baza sacilor. n faza de curare se sufl aer n sens invers fa de gazul filtrat.

337

Fig. 6.22. Filtre cu saci:

a) filtru cu saci cu dou seciuni; I- faza de filtrare; II- faza de curare; b) filtru cu ambele fee ale materialului filtrant active;

A- amestec gaz-solid; G- gazul purificat;

1- intrare amestec; 2- camer pentru distribuia amestecului i colectarea particulelor solide; 3- saci filtrani; 4- clapete; 5- dispozitiv de scuturare; 6- transportor elicoidal pentru

evacuarea prafului; 7- gur de vizitare; 8- evacuare gaz purificat; 9- intrare aer pentru curarea sacilor.

Materialul filtrant poate fi:

- bumbac, pentru temperaturi ale amestecului de pn la 70 80 oC; - ln, pn la 80 - 90 oC; - fibre din materiale plastice, pn la 140 - 285 oC; - site metalice pentru temperaturi ale amestecului de pn la 520 oC.

6.2.3. Utilaje pentru separarea amestecurilor eterogene prin centrifugare

Operaia de separare a unui amestec eterogen sub influena forei centrifuge se numete centrifugale, iar utilajele care realizeaz separarea se numesc centrifuge.

Amestecurile eterogene cele mai utilizate sunt de tipul fluid-solid, n urmtoarele variante: solid n lichid, lichid n solid, gaz n solid, solid n gaz; tipul lichid-lichid i, mai puin utilizate, amestecurile de tipul solid-solid p gaz-gaz.

Centrifugarea se produce n cmpul forelor centrifuge care este mult mai puternic dect cmpul gravitaional (sedimentare, decantare) sau dect cmpul de presiune (filtrare).

Fora centrifug n cazul deplasrii unei particule de mas m pe o traiectorie circular de raz r, cu viteza unghiular i acceleraia cmpului centrifugal ac = r

2, este:

Fc = m r 2

(6.67)

Cmpul de fore centrifugale este variabil pe direcia radiat (direcia forei centrifuge), crescnd cu raza traiectoriei circulare.

Factorul de separare sau de eficacitate, care arat de cte ori este mai mic intensitatea cmpului gravitaional fa de cea a cmpului centrifugal, se definete ca raportul dintre acceleraia cmpului centrifugal i acceleraia cmpului gravitaional:

2

2ca r

g g

(6.68)

n funcie de factorul de separare , avem: 1. Centrifuge normale, < 3 000:

338

- centrifuge de mic eficacitate, < 30; - centrifuge pentru cristale, = 100...450; - centrifuge pentru zahr, = 450...650;

2. Supracentrifuge, > 3 000; 3. Ultracentrifuge, = 100 000...100 000 000.

Prin centrifugare se poate realiza: accelerarea sedimentrii i a filtrrii, desecarea materialelor solide (uscarea prin eliminarea naintat a lichidului), limpezirea lichidelor cu procent mic de faz solid. Centrifugarea are avantajul c realizeaz separarea amestecurilor eterogene cu diferen mic ntre densitile fazelor, pn la 3% i chiar sub 1% dac se fac urmtoarele modificri n construcia centrifugei:

- montarea unei plci n interiorul centrifugei pentru micorarea vrtejului (cavitaiei) amestecului;

- divizarea lamelar a amestecului n centrifug folosind discuri, conuri etc.; - alimentarea amestecului pentru separare chiar n zona de separare a celor dou faze.

Partea principal a unei centrifuge o constituie tamburul, care poate avea form: cilindric, tronconic, cilindro-conic, n interiorul cruia se introduce amestecul pentru separare. Centrifugele pot avea tamburul antrenat n micare de rotaie sau poate fi fix, cnd amestecul este alimentat tangenial cu vitez mare.

Separarea amestecurilor n centrifuge se poate realiza dup principiul sedimentrii, cnd tamburul nu este perforat i pe principiul filtrrii cnd tamburul este perforat (Fig. 6.23).

Fig. 6.23. Separarea unui amestec eterogen prin centrifugare:

a) pe principiul sedimentrii: 1- tambur cu perete neperforat; 2- faza grea; 3- faza uoar;

b) pe principiul filtrrii: 1- tambur perforat; 2- precipitat;3- amestec pentru filtrare; 4-

filtrat.

Tipurile de separri centrifugale, n funcie de mrimea particulelor i domeniile de aplicare, sunt prezentate n Figura 6.24.

Diametrul echivalent dech (m) al particulelor ce se separ prin centrifugare dintr-un amestec eterogen poate avea urmtoarele valori:

particule de grsime din lapte: 0,10...0,22;

bacteriile fermentaiei lactice: 0,5...2,0;

bacteriile fermentaiei acetice: 10,0;

gruni de amidon din orez: 2,0... 10,0;

gruni de amidon din cartofi: 50,0...90,0;

drojdie de bere: 6,0...10,0;

globule roii din snge: 7,5.

339

Dimensiunea particulelor 10 nm 1 nm 100 m 10 m 1 m 10-1 m 10-2 m 10-3 m

Clasificarea general Sisteme Sisteme microscopice Soluii coloidale

Clasificarea convenional Sisteme cu granulaii mare

Sisteme

cu granulaii medie

Sisteme cu

granulaii mic Sisteme fine Sisteme coloidale

Domeniul de aplicare a

operaiilor de centrifugare

Domeniul de aplicare a procedeului de descrcare a sedimentului

Fig. 6.24. Procedee de centrifugare i domeniile de aplicare.

Asupra amestecului aflat n tamburul centrifugei acioneaz urmtoarele fore:

greutatea, G = m g;

fora centrifug, Fc = m r 2.

Rezultanta acestor fore este perpendicular pe suprafaa format a amestecului n interiorul tamburului centrifugei. n funcie de poziia tamburului centrifugei (Fig. 6.25), rezultanta este:

- pentru centrifuge cu tambur vertical:

2

2

2

11c cR G F F

(6.69)

- pentru centrifuge cu tambur orizontal: - n poziia de sus a amestecului:

11c cR F G F

(6.70)

- n poziia de jos a amestecului:

Filtrare centrifug

Sedimentarea centrifugal

Limpezire centrifugal

(supracentrifuge)

Manual

Prin fore de inerie

Cu cuit

Cu melc

Gravitaional

Prin pulsaii

Hidraulic

340

11c cR F G F

(6.71)

n practic, n ambele cazuri, se consider c suprafaa amestecului aflat n tamburul centrifugei n micare de rotaie este de form cilindric.

Fig. 6.25. Forma suprafeei amestecului n tamburul centrifugei:

a) aezare vertical a tamburului; b) aezare orizontal a tamburului.

n principiu, o centrifug este format (Fig. 6.26) dintr-un tambur 1 montat pe un

arborele 2, sprijinit pe caseta cu rulmeni 3. Arborele primete micarea de rotaie de la un

electromotor 7, prin intermediul unei transmisii cu curele (4, 5 - roi de curea, 6 - curea de

transmisie). ntreg ansamblu este cuprins ntr-o carcas 8 nchis de capacul 11, montat pe

batiul 9 i placa de baz 10.

Fig. 6.26. Schema de principiu a unei centrifuge.

Clasificarea centrifugelor se face dup mai multe criterii, astfel:

dup scopul tehnologic: de sedimentare, filtrante;

dup factorul de separare: normale, supracentrifuge, ultracentrifuge;

dup poziia arborelui: cu arbore vertical, cu arbore orizontal, cu arbore nclinat;

dup modul de susinere a tamburului centrifugei: cu ax vertical i tambur suspendat, cu ax vertical i tambur rezemat, cu ax orizontal i tambur in consol, cu ax orizontal i tambur ntre reazeme (Fig. 6.27);

dup modul de funcionare: cu funcionare discontinu, cu funcionare semicontinu (cu alimentare continu i cu alimentare discontinu), cu funcionare continu;

dup procedeul de descrcare: cu descrcare manual, cu descrcare mecanic.

341

Fig. 6.27. Moduri de aezare a tamburului centrifugei:

a) vertical cu ax suspendat; b) vertical cu ax rezemat; c) orizontal cu ax fii consol; d) orizontal cu ax ntre reazeme.

Funcionarea centrifugelor depinde de destinaia lor. Astfel, centrifugele de sedimentare a suspensiilor (Fig. 6.28.a) elimin stratul de filtrat 4 datorit presiunii centrifugale prin conducta 5 aezat sub un anumit unghi fa de tangent la cercul ce trece prin punctul de aezare a conductei. Evacuarea sedimentului se face periodic, dup atingerea unei anumite grosimi. n cazul amestecurilor eterogene lichid - lichid (emulsii), fazele se

separ n funcie de densitatea lor (Fig. 6.28.b), evacuarea celor dou faze lichide se face prin conductele 5 i 6 n mod continuu. Un ciclu de funcionare cuprinde urmtoarele operaii: alimentarea amestecului, pornirea i accelerarea tamburului, sedimentarea fazei solide, separarea i evacuarea fazei lichide, tasarea fazei solide i ndeprtarea lichidului rezultat, evacuarea fazei solide. Pentru centrifugele filtrante (Fig. 6.28.c) un ciclu de funcionare const n: alimentarea amestecului n tambur, pornirea i accelerarea tamburului pn la turaia corespunztoare regimului de lucru, desecarea sau zvntarea sedimentului (eliminarea fazei lichide), splarea sedimentului (dac este cazul), descrcarea sau zvntarea sedimentului dup splare, oprirea centrifugei, descrcarea sedimentului.

Fig. 6.28. Destinaia centrifugelor:

a) pentru sedimentarea suspensiilor; b) pentru sedimentarea emulsiilor; c) pentru filtrare

1 - tambur neperforat; 2 - conduct de alimentare; 3 - faza grea; 4 - faza uoar; 5 i 6 - conducte pentru evacuarea fazei lichide; 7 - tambur perforat.

Durata de desfurare a diferitelor operaii din procesul de separare prin centrifugare depinde de: proprietile amestecului eterogen, proprietile fazelor ce se obin i de tipul centrifugei. Succesiunea operaiilor din proces poate fi comandat manual sau automat.

6.2.3.1. Centrifuge filtrante

Diversitatea centrifugelor filtrante este dat de procedeul folosit la descrcarea fazei solide.

342

Centrifuge filtrante ca descrcarea manual a fazei solide. La aceste centrifuge descrcarea fazei solide se face manual att din considerente tehnice, ct i economice (se evit tierea cristalelor i sunt mai ieftine). Au construcie simpl, arborele tamburului este acionat direct de motorul electric i sunt des utilizate n industria zahrului, la obinerea glucozei din amidonul de porumb (Fig. 6.29).

Fig. 6.29. Schema unei centrifuge filtrant suspendat cu descrcare inferioar a

sedimentului:

1 - tambur; 2 - carcas; 3 - capac tronconic; 4 - nervuri; 5 - butuc; 6 - arbore; 7 - caset cu grupul de rezemare a arborelui; 8 - motor; 9 - cadru de susinere; 10 - uruburi de asamblare

a casetei 7 pe traversele ; 11 i 12 - conduct cu robinet pentru abur.

Centrifuga din Figura 6.29 este folosit la separarea zahrului din siropul de zahr concentrat. Capacul 3 este aezat manual sau mecanic n tamburul centrifugei, pentru a obtura deschiderile dintre nervurile 4. Alimentarea siropului de zahr se face la turaie joas (150 - 300 rot./min.), pe suprafaa capacului 3. De aici siropul este dirijat spre pereii tamburului, unde are loc separarea fazei lichide a suspensiei la o turaie a rotorului de 960 rot./min. Dup evacuarea siropului se realizeaz splarea cristalelor de zahr cu apa fierbinte sub presiune, urmeaz zvntarea cristalelor i, n final, frnarea tamburului. Se ridic capacul 3, iar sedimentul (cristalele) sunt evacuate manual prin deschiderile dintre nervurile 4.

n practic o asemenea centrifug are urmtoarele caracteristici tehnice: diametrul tamburului D = 1 200 mm, nlimea tamburului H = 600 mm, tamburul este acionat de la un electromotor de 20 kW, reductorul de turaii are dou trepte 316 i 960 rot/min., iar factorul de separare = 620.

Turaia mic folosit la alimentare asigur distribuia uniform a amestecului pe peretele tamburului i, deci, o ncrcare uniform a tamburului centrifugei.

Desfundarea tamburului centrifugei se face prin introducerea din exterior a aburului

sub presiune prin conducta 12.

Pentru eliminarea vibraiilor ce apar n timpul lucrului la turaii mari (de regim), vibraii datorate nerepartizrii uniforme a amestecului pe peretele tamburului, ntreg ansamblul centrifugei se reazem pe trei coloane elastice.

Centrifuge filtrante cu descrcarea fazei solide cu dispozitive de tiere. Deosebirea fa de centrifugele cu descrcare manual a fazei solide const n prezena: dispozitivului de tiere, a mecanismelor de susinere i comand ale acestuia i a elementelor de automatizare a

343

funcionrii centrifugei. Aceste centrifuge se construiesc n toate tipurile prezentate n figura 6.27 i pot fi cu rezemare rigid sau cu rezemare elastic pe placa de baz.

n Figura 6.30 sunt prezentate schemele de principiu a dou centrifuge, una orizontal i una vertical, cu descrcarea fazei solide cu dispozitiv de tiere.

Dispozitivul de tiere cu cuit lat (egal cu nlimea tamburului) are numai micare radial, comandat hidraulic. Avansul radial al cuitului lat este delimitat prin limitatori de curs (traductori).

Dispozitivul de tiere cu cuit ngust are dou micri: una comandat hidraulic, de-a lungul generatoarei tamburului i una radial comandat manual.

Desprinderea sedimentului se face cu tamburul aflat n micare de rotaie, la turaii corespunztoare.

Centrifuge filtrante cu descrcarea gravitaional a fazei solide. Sunt de tipul cu rotor suspendat, avnd tamburul cilindro-conic (Fig. 6.31). Partea inferioar a tamburului 1 este solidarizat de butucul 3 prin intermediul nervurilor 2. Pentru descrcare fundul mobil 4 este ridicat, iar sedimentul, datorit greutii proprii, cade printre nervuri.

Fig. 6.30. Schemele de principiu a unor centrifuge filtrante cu dispozitiv de tiere:

a) centrifug orizontal cu tambur n consol, cu cuit lat: 1 - tambur filtrant; 2 - arbore; 3 i 4 - rulmeni; 5 - carcas; 6 i 7 - nervuri inelare;

8 - sediment; 9 - roat de curea cu frn; 10 - roat de curea; 11 - curele trapezoidale; 12 - motor; 13 - batiu; 14 - plac de baz; 15 - capac; 16 - cuit lat; 17 - portcuit;

18 - cilindru hidraulic; 19 - limitator de curs; 20 - drosel; 21 - tub pentru descrcarea sedimentului; 22 - conduct de alimentare cu suspensie; 23 - conduct pentru ap de splare;

24 - racord pentru ieirea filtratului b) centrifug vertical suspendat, cu cuit ngust:

1 - tambur filtrant; 2 - arbore; 3 - caset cu rulmeni; 4 - nervuri; 5 - butuc; 6 - plnie tronconic; 7 - sediment; 8 - cuit ngust; 9 - portcuit; 10 - carcas; 11 - roat de mn; 12 -

tija pistonului; 3 - cilindru hidraulic; 14 - capac tronconic.

Descrcarea gravitaional se realizeaz la turaii mici sau cu tamburul oprit i se aplic suspensiilor care pstreaz caracterul granular al particulelor solide (particulele solide nu trebuie s adere la peretele tamburului).

La acest tip de centrifuge trebuie ca dispozitivul de rezemare s joace rolul de amortizor. Se pot folosi amortizoare din cauciuc montate ntre caseta cu rulmeni i carcasa centrifugei, rezemarea casetei cu rulmeni pe suprafee sferice sau combinaii ale acestor dou metode.

344

Etapele regimului de lucru ale unei centrifuge cu descrcare gravitaional sunt prezentate n Figura 6.32.

Fig. 6.31. Centrifug filtrant cu descrcarea gravitaional a sedimentului:

1 - tambur; 2 - nervur; 3 - butuc; 4 - fund mobil; 5 - ajutaj pentru suspensie; 6 - prghie pentru ridicarea fundului 4 i discului distribuitor 7.

Fig. 6.32. Etapele regimului de lucru ale unei centrifuge cu descrcare gravitaional:

a) alimentarea cu suspensie i ndeprtarea filtratului; b) splarea sedimentului cu ap; c) zvntarea (desecarea) sedimentului i descrcarea acestuia.

Centrifuge filtrante ca descrcarea inerial a fazei solide. Deplasarea amestecului de-a lungul generatoarei tamburului se datoreaz att forei centrifuge, ct i vibraiilor tamburului. Pentru descrcare nu sunt folosite dispozitive speciale dac sedimentul nu este aderent la suprafaa interioar a tamburului.

- Centrifugele cu descrcarea fazei solide, datorit forelor centrifuge, au, n majoritatea cazurilor, tamburul de form tronconic. Att alimentarea suspensiei, ct i evacuarea sedimentului i a filtratului se fac n mod continuu.

Asupra particulei de material m, aflat pe suprafaa interioar a tamburului, acioneaz forele (Fig. 6.33): greutatea particulei G = mg; fora centrifug Fc = m r

2 i fora de frecare

Ff = N. Condiia de deplasare spre coborre n lungul generatoarei este:

G cos + Fc sin > (Fc cos - G sin) (6.72)

n care reprezint coeficientul de frecare dintre particul i peretele interior al tamburului.

Primul membru al inegalitii (6.72) reprezint expresia forei de descrcare, iar al doilea membru expresia forei de rezisten (de frecare).

Dup nlocuirile corespunztoare, condiia (6.72) devine:

345

1tg

(6.73)

Fig. 6.33. Schema forelor care acioneaz asupra unei particule aflat pe suprafaa

interioar a tamburului.

Deoarece > > 1; = tg, rezult:

tg > tg (6.74)

sau

> (6.75)

La centrifugele cu debit mare = 35 - 37. n Figura 6.34 este prezentat schema de principiu a unei centrifuge cu descrcarea

sedimentului datorit forelor centrifuge.

Fig. 6.34. Schema de principiu a unei centrifuge cu descrcarea sedimentului datorit

forelor centrifuge: 1. tambur filtrant; 2. cuv pentru suspensie; 3. pomp de ulei; 4. caset cu rulmeni (reazemul rotorului); 5 i 6. spaii pentru colectarea filtratului; 7. carcas; 8. conduct de alimentare a suspensiei; 9 i 10. conducte pentru evacuarea filtratului; 11. spaiu prin care se evacueaz

sedimentul.

- Centrifugele cu descrcarea sedimentului prin vibraii au funcionarea continu, descrcarea realizndu-se sub aciunea forelor de inerie datorate rotaiei i vibraiilor rotorului. Vibraiile rotorului pot fi produse cu dispozitive mecanice, hidraulice, electromagnetice etc.

346

Fig. 6.35. Schema forelor care acioneaz asupra unei particule aflat pe suprafaa

interioar a tamburului unei centrifuge vibratoare.

Tamburul se rotete cu viteza unghiular i produce vibraii armonice axiale de pulsaie i amplitudine a. Forele care acioneaz asupra unei particule de mas m, aflat pe peretele interior al tamburului, sunt prezentate n Figura 6.35.

Fora de inerie care acioneaz asupra particulei este dat de relaia

Fi = m a 2

sin t (6.76)

Fora Coriolis sau fora complementar este:

C = 2 m vr sin (6.77)

n care:

vr = a r- viteza relativ a particulei n raport cu sistemul mobil (tamburul); r - pulsaia axial a particulei n raport cu tamburul; - unghiul dintre vectorii vitezei unghiulare i vitezei relative vr.

Coeficientul de frecare ce intervine n calculul forei de frecare pentru centrifugele vibratoare este dinamic i este mai mic dect coeficientul de frecare static dintre particul i suprafaa interioar a tamburului:

d = k (6.78)

n care: k < 1 - coeficient ce depinde de natura i de dimensiunile particulelor sedimentului, de rugozitatea materialului din care este construit suprafaa interioar a tamburului (n general k = 0,85).

Pentru centrifugele cu micare vibratoare a tamburului sunt caracteristice urmtoarele rapoarte:

/ = 0,1...0,25; a/r = 0,01...0,03; sin = 0,17...0,23

astfel nct:

C/Fc = 0,04...0,1 i C/Fi = 0,016...0,12

Condiia de meninere a contactului dintre particul i suprafaa interioar a tamburului este:

347

Fi sin - Fccos G sin > 0 (6.79)

Condiia de deplasare a particulei n lungul generatoarei tamburului spre captul larg (n sus) este ca fora de descrcare s fie mai mare dect fora de frecare, adic:

Fc sin + Fi cos G cos > d (Fc cos Fi sin + G sin ) (6.80)

Dac notm cu = t, dup rezolvarea inegalitii (6.80) rezult:

2 2

2 2

sin

sin

d

d

r a gtg

r a g

(6.81)

Centrifuge filtrante cu descrcarea fazei solide prin pulsaii. La aceste centrifuge alimentarea amestecului pentru separare i evacuarea fazei lichide se face n mod continuu, iar evacuarea fazei solide se face prin pulsaii la intervale mici de timp. n Figura 6.36 este prezentat schema de principiu a unei asemenea centrifuge. Centrifuga este cu tambur cilindric 1 cu aezare orizontal, n interiorul acestuia se afl fixat sita 2, pe care se depune stranii de sediment 3. Tamburul asamblat pe arborele tubular 4 este antrenat n micare de rotaie de electromotorul 20, prin intermediul curelelor 21 i al roii de curea 9, care constituie, n acelai timp, un cilindru hidraulic. n interiorul cilindrului hidraulic se afl pistonul 10, a crei tij 5, ghidat de bucele a i b, culiseaz n interiorul arborelui tubular. Pe tij, la captul opus pistonului, se afl platoul mpingtor 6, care se rotete mpreun cu tija, pistonul, arborele tubular i tamburul. Alimentarea se face prin conducta 13, fixat pe capacul 15, sub conul 11, fixat prin intermediul uruburilor cu buce distaniere 12. Prin conducta 14 prevzut cu pulverizatorul c este adus apa de splare. Sedimentul cade mai nti n rigola inelar 16, pentru a-i micora micarea de rotaie, dup care este evacuat prin deschiderea d, datorit, palelor racloare e.

Fig. 6.36. Schema de principiu a unei centrifuge filtrante cu descrcarea fazei solide prin

pulsaii.

348

Descrcarea sedimentului se poate face i direct n carcas, de unde este evacuat prin traseul E. Rigola 16 poate fi utilizat ca dispozitiv de transport. Sedimentul E este evacuat prin conducta 19, filtratul B prin conducta 17, iar apa de splare C prin conducta 18. Cele dou conducte sunt separate de diafragma inelar 26 din carcasa 27 a centrifugei.

Rotorul centrifugei se reazem pe batiul 22, prin intermediul rulmenilor 7 i 8, iar ntregul ansamblu se reazem pe placa de baz 23. Cilindrul hidraulic este alimentat cu ulei de la o pomp antrenat de electromotorul 24, imersat n baia de ulei 25.

Pentru pornirea fr ocuri se utilizeaz un cuplaj Cp (centrifugal sau hidraulic), montat pe arborele electromotorului 20, iar pentru oprire se utilizeaz frna 31 cu discul 32.

Platoul alunector 6 este montat cu ajustaj alunector fa de sita 2, iar n acest spaiu poate ptrunde sediment, care poate ajunge n spaiul dintre platoul 6 i fundul 30 al tamburului 1, ducnd la blocarea platoului 6. Pentru a evita aceasta se introduce ap de splare prin conducta 28 n spaiul dintre fundul 30 i placa inelar subire 29. Apa ptrunde prin orificiile f n tambur, de unde este evacuat cu filtratul.

Amestecul pentru separare adus prin conducta 13 este distribuit uniform pe sita 2,

unde faza lichid trece prin sit, iar sedimentul se formeaz pe aceasta. La deplasarea spre stnga a platoului pulsator 6 (cursa activ), stratul de sediment se deplaseaz n totalitate pe o distan egal cu amplitudinea pulsaiei. n dreptul compartimentului B are loc eliminarea lichidului din amestec, iar n dreptul compartimentului C se realizeaz splarea cu ap, desecarea sedimentului de apa de splare, dup care se realizeaz evacuarea sedimentului n rigola 16. O porie de sediment se descarc la o curs a platoului mpingtor. La aceste centrifuge platoul mpingtor realizeaz pn la 120 de curse pe minut.

Centrifuge filtrante cu melc pentru descrcarea fazei solide (Fig. 6.37). Sunt utilizate pentru amestecurile eterogene la care particulele fazei solide sunt mari (> 0,15 mm)

i concentraia fazei solide din amestec este mare (> 40%). La aceste centrifuge filtratul conine faz solid n procent mare i, de aceea, este supus unei operaii suplimentare de limpezire.

Fig. 6.37. Schema unei centrifuge filtrante cu melc pentru descrcare:

1- carcas; 2- capac; 3- tambur filtrant; 4- sit filtrant; 5- melc; 6- reductor planetar diferenial; 7- motor; 8- transmisie prin curele.

Se construiesc n dou tipuri: - de turaie mare, cu factor de separare pn la 3 000, diametrul tamburului ntre 160 i 630 mm, cu debit de sediment de 0,3...20 t/h;

- de turaie mic, cu factor de separare de 150...800, diametrul rotorului intre 700 i 1 220 mm, cu debit de sediment de 35... 100 t/h.

Pot fi: verticale, cu melcul acionat de la tamburul centrifugei printr-un reductor, cu acionare superioar sau inferioar; orizontale, cu melc n consol.

Melcul poate fi prevzut cu sistem de splare a sedimentului, unghiul la vrf al tamburului poate fi de la 0 la 40 ( 0

0 - tamburul este cilindric i se folosete cnd sedimentul

349

are unghi de frecare mic i densitate mic; 200 - tambur tronconic, pentru amestecuri cu spectru granulometric extins; 40- pentru amestecuri cu coninut mic de particule fine).

6.2.3.2. Centrifuge de sedimentare

Deosebirea principal a centrifugelor de sedimentare fa de cele filtrante const n faptul c tamburul lor nu este perforat, fiind prevzute cu dispozitive pentru evacuarea fazei lichide. Sunt utilizate pentru separarea fazelor emulsiilor, a suspensiilor cu particule fine

(5...100 m), greu filtrabile, cu coninut mare de faz solid. Se construiesc n urmtoarele variante: orizontale sau verticale; cu descrcarea

sedimentului manual, cu melc sau cu cuit. Centrifuge orizontale de sedimentare cu descrcare prin cuit Sunt asemntoare cu

cele filtrante de acelai tip. Filtratul este evacuat printr-un sifon rotitor amplasat la intersecia virolei cilindrice cu fundul tamburului. Centrifuga funcioneaz continuu i automat, iar amplasarea ei ntr-o instalaie de separare se poate face ca n Figura 6.38.

Centrifuge de sedimentare pe trei coloane. Au construcia identic cu centrifugele de filtrare pe trei coloane. Descrcarea fazei lichide se realizeaz printr-o conduct reglabil ca poziie.

Centrifuge de sedimentare cu melc pentru descrcare. Pot fi orizontale sau verticale. Partea activ a acestor centrifuge (Fig. 6.39) este melcul cilindro-conic 2, care se rotete n interiorul tamburului 1, care, la rndul lui, se rotete cu o alt turaie. Amestecul este alimentat prin axa tamburului, n zona de diametru mare. Sedimentul i filtratul se pot deplasa n acelai sens (funcionare n echicurent) n zona cilindric a melcului, dup care filtratul este evacuat prin interiorul melcului, iar sedimentul n zona de diametru minim a melcului; sau n

sensuri contrare (funcionare n contracurent).

Fig. 6.38. Instalaie de separare cu centrifug de sedimentare cu sifon rotativ:

1 - recipient cu amestector; 2 - pomp; 3 - rezervor de nivel; 4 - centrifug; 5 - recipient pentru sediment; 6 - robinet de alimentare cu suspensie; 7 - robinet pentru lichidul de

splare; 8 - rezervor pentru lichidul de splare; 9 - eava sifon; 10 - bloc de beton; 11 - motor de antrenare a tamburului; 12 - sistem hidraulic; 13 - tablou de comand;

14 - comand pentru distan; 15 - conducte pentru purjarea cu gaz; 16 - control de nivel; 17 - legturi flexibile pentru conducte; 18 - lmpi de control; 19 - conduct pentru filtrat;

350

20 - recipient pentru filtrat; 21 - evacuarea direct a filtratului n conducte de evacuare; 22 i 23 - conducte pentru splarea sitei filtrante; 24 - conduct pentru lichid deversat

(suspensie sau filtrat) n carcasa centrifugei; 25 - evacuarea sedimentului din recipientul 5.

Fig. 6.39. Schema unei centrifuge de sedimentare cu melc:

a) cu funcionare n contracurent; b) cu funcionare n echicurent.

Supracentrifugele sunt caracterizate de factorul de separare > 3 000, iar raportul dintre raza interioar a tamburului R i raza interioar a inelului de lichid R1 este apropiat de unitate:

1

1R

R

(6.82)

Grosimea stratului de lichid R- R1 este foarte mic, iar durata sedimentrii, pentru aceast grosime de lichid, este mic. Pentru asigurarea unei separri eficiente a fazelor amestecului eterogen se folosesc urmtoarele soluii constructive pentru centrifuge: - tambure cu lungime mare (supracentrifuge tubulare); - tambure concentrice (separatoare cu camere concentrice).

Operaia de supracentrifugare este folosit pentru: - limpezirea suspensiilor cu coninut redus de faz solid (sub 1%); - analiza dispersional a amestecurilor eterogene, obinerea curbelor de repartiie a particulelor unei suspensii dup dimensiuni;

- separarea emulsiilor care au faze cu densiti apropiate.

n industria alimentar supracentrifugele sunt folosite n procesul de rafinare a uleiurilor vegetale i animale, la limpezirea sucurilor de fructe i legume, a vinurilor etc.

1. Supracentrifuge tubulare sunt: de separare cu funcionare continu, alimentarea fcndu-se pe la partea inferioar, iar cele dou faze separate sunt eliminate pe la partea superioar a tamburului; de limpezire cu funcionare discontinu, descrcarea sedimentului fcndu-se prin demontarea tamburului.

n general, supracentrifugele tubulare sunt caracterizate prin: tamburi cu diametru mic

(D = 40... 150 mm) i lungime mare (200... 1 050 mm); factori de separare mari (< 62 000 la supracentrifugele de laborator i < 17 000 la cele industriale).

n Figura 6.40 este prezentat schema simplificat a tamburului unei supracentrifuge tubulare.

351

Fig. 6.40. Schema simplificat a tamburului unei supracentrifuge tubulare: 1. tambur cilindric; 2. capul superior al tamburului; 3. capacul inferior al tamburului;

4. conducte de alimentare a amestecului pentru separare; 5. plac deflectoare; 6. arbore elastic; 7. dispozitiv frnare; 8. ax cu palete radiale; 9 i 10. camere colectare a fazelor.

2. Separatoarele centrifugale

Sunt foarte des ntlnite n industria alimentar (drojdii, amidon, lapte, uleiuri, sucuri, vin etc).

De obicei, se construiesc cu ax vertical i cu tamburul n consol, rezemat la partea inferioar. Turaia de lucru este ntre 4500...19000 rot./min., diametrul tamburului ntre 100..1000 mm, factorul de separare ntre 4600... 14200.

n Figura 6.41 este prezentat schema unui separator centrifugal cu talere. A

Fig. 6.41. Schema de principiu a unui separator centrifugal cu talere:

1. conduct de alimentare; 2. conduct de evacuare a fazei lichide; 3. talere; 4. carcas.

Centrifuge fr elemente n micare. Amestecurile eterogene se pot separa prin centrifugare i n utilaje fr elemente n micare de rotaie, alimentnd amestecul cu vitez mare, tangenial, ntr-o camer de separare. Aceste aparate poart denumirea de hidrocicloane. pentru separarea amestecurilor cu mediu de dispersie lichid (suspensii) sau cicloane, pentru

separarea amestecurilor cu mediu de dispersie gazos.

Hidrociclonul (

Fig. 6.42) este compus dintr-un recipient 1 de form cilindric, terminat cu un trunchi de con 2. La partea superioar cilindrul este prevzut cu capacul 4 i racordul 3 pentru alimentarea tangenial a amestecului, n interior, n partea central a recipientului, se afl tubul 5, astfel aezat nct ajunge cu un capt aproape de baza prii cilindrice, iar cellalt capt este scos n afara recipientului. Tubul este acoperit cu o hot de protecie mpotriva

352

impuritilor. La partea inferioar a trunchiului de con se afl montat o ecluz 6, pentru evacuarea particulelor solide care se depun.

n general, n hidrocicloane se separ particule cu diametrul echivalent cuprins ntre 4...600 m. Eficiena separrii se poate mri prin folosirea mai multor hidrocicloane montate n serie sau paralel, formnd baterii. Sunt folosite n operaiile de concentrare, clarificare, recuperare de faz solid.

Ca avantaje, se remarc: simplitatea constructiv, funcionarea continu, nu au elemente n micare i au dimensiuni reduse.

Dezavantajele rezult din consumul mare de energie pentru pomparea amestecului eterogen i uzura rapid a pereilor aparatului.

Fig. 6.42. Schema tehnologic a unui hidrociclon

Ciclonul (Fig. 6.43) funcioneaz pe baza cmpului de fore centrifuge creat datorit energiei cinetice a mediului de dispersie gazos.

Fig. 6.43. Scheme tehnologice de cicloane:

a) ciclon cu intrare axial cu pies profilat pentru producerea micrii elicoidale a amestecului; b) ciclon cu intrare tangenial; c) soluii constructive de cicloane cu intrare

tangenial. 1. manta cilindric; 2. manta conic; 3. racord de intrare amestec; 4. capac; 5. tub central de

ieire a gazului purificat; 6. ecluz pentru evacuarea fazei solide; 7. ajutaj reglabil.

353

Un ciclon este format dintr-o manta cilindric vertical, continuat n partea inferioar cu o manta conic. Amestecul este alimentat cu o vitez mare (10 - 70 m/s) pe la partea superioar a ciclonului, printr-un racord de intrare amplasat tangenial sau astfel profilat nct s imprime amestecului o micare de rotaie elicoidal descendent, ctre partea conic a aparatului. Particulele solide, datorit greutii lor, se depun, iar gazul purificat urc n tubul central de evacuare.

Separarea amestecurilor se bazeaz pe mrimea acceleraiei centrifuge a particulelor solide dirijate (prin construcia special a gurii de alimentare) spre partea de jos a ciclonului. n zona n care tubul central 5 se termin, datorit creterii brute a seciunii, viteza amestecului scade foarte mult. Particulele solide, fiind grele, cad i alunec pe peretele conic spre ecluz, iar gazul se ridic prin tub, prsind ciclonul.

6.3. Elemente de calcul funcional

n general, fora de centrifugare se determin cu relaia:

Fc = 20 M n2

D (N) (6.83)

n care:

M reprezint masa de precipitat i de lichid care se gsete n tamburul centrifugei, (kg);

D - diametrul interior al tamburului, (m);

n - turaia tamburului, (rot./s).

Presiunea de filtrare prin centrifugare se determin cu relaia aproximativ:

,c

f c

Fp

A

(Pa) (6.84)

n care:

A = D H - suprafaa medie de filtrare, (m2); H - nlimea tamburului (la centrifugele cu funcionare discontinu) sau lungimea

zonei de filtrare (la centrifugele cu funcionare continu), (m).

Mai precis, presiunea de filtrare se poate calcula cu relaia:

pf,c = 20 susp n2 (R

2 R21) = 5 susp n

2 (D

2 -D

21) (Pa) (6.85)

n care:

susp - densitatea suspensiei, (kg/m3);

D1 - diametrul interior al stratului de lichid, (m);

n - turaia tamburului, (rot./s).

Viteza de filtrare la centrifugare se poate exprima sub forma legii generale din

hidrodinamic:

,f c

c

pdV

dt C

(6.86)

in care:

354

Cc - rezistena total la centrifugare, egal cu suma rezistenelor precipitatului i a suprafeei filtrante (se pot determina din ecuaia filtrrii, sau pe cale experimental).

Adncimea plniei de amestec h format la rotirea tamburului centrifugei se calculeaz, cu aproximaie, cu relaia:

h = 2 n2

R2 (m) (6.87)

Calculul puterii se face innd seama c la pornire necesarul de putere este mult mai mare ca n timpul funcionrii (puterea de regim). Puterea se calculeaz indiferent de modul de funcionare a centrifugei (continuu sau discontinuu).

La pornire, pentru nvingerea ineriei tamburului i a ncrcturii (dac centrifuga este alimentat nainte de pornire), lucrul mecanic consumat va fi:

L = L1 + L2 (J) (6.88)

n care:

2

11

2

tML

(J) (6.89)

20,75

24

susp VL

(J) (6.90)

n care:

L1 reprezint lucrul mecanic consumat pentru nvingerea rezistenei tamburului, (J); L2 - lucrul mecanic consumat pentru nvingerea ineriei ncrcturii n perioada de

pornire, (J);

Mt - masa tamburului, (kg);

1 - viteza periferic de rotaie a tamburului calculat la raza exterioar a acestuia, (m/s);

- viteza periferic de rotaie calculat la raza interioar a tamburului, (m/s); susp - densitatea suspensiei (amestecului), (kg/m

3);

V - volumul total al tamburului centrifugei, (m3).

1. Puterea la pornire va fi:

P1 =

L

t (W) (6.91)

n care t este durata de pornire, (s). n practic t = 60... 180 secunde.

2. Puterea necesar nvingerii forelor de frecare dintre axul i lagrele tamburului se calculeaz cu relaia:

P2 = M ax g (W) (6.92)

n care:

este coeficientul de frecare dintre axul i lagrele tamburului; M - masa total a prilor centrifugei care se rotesc, inclusiv ncrctura, (kg);

355

ax- viteza periferic de rotaie a axului, (m/s).

3. Puterea consumat pentru nvingerea frecrii peretelui tamburului cu aerul este:

P3 = 2,94 10-3 R22

21 aer (W) (6.93)

n care:

P este un coeficient de rezisten (de obicei, (3 = 2,3); paer - densitatea aerului, (kg/m

3).

Consumul total de putere pentru o centrifug cu funcionare periodic n perioada de pornire va fi:

P=P1+P2+P3 (W) (6.94)

innd seama de randamentul transmisiilor, puterea consumat va fi:

c

t

PP

(W) (6.95)

Puterea instalat a motoarelor electrice pentru centrifuge trebuie luat cu o rezerv de 10-20%.

Calculul grosimii peretelui centrifugei sau verificarea rezistenei peretelui la rupere se poate afla din ecuaia:

1 2

2

c cr

F F

S

(Pa) (6.96)

n care:

S reprezint suprafaa seciunii peretelui, (m2). Deoarece forele care acioneaz sunt preluate att de partea din dreapta, ct i de partea din stnga a seciunii tamburului, seciunea total se va considera 2S (Fig. 6.44);

Fcl - fora centrifug a unei jumti de seciune inelar a peretelui, (N) i se calculeaz cu relaia (6.83);

Fc2- fora centrifug a unei jumti de seciune inelare a ncrcturii, (N) i se calculeaz cu relaia (6.83).

n relaia (6.83) raza R, care reprezint distana ntre centrul de greutate al jumtii de seciune inelar care se rotete i axa de rotaie a tamburului, se determin cu relaia:

3 3

2 1

3 2

2 1

4

3

R RR

R R

(m) (6.97