ЦЕНТРИФУГУВАННЯ - Хімічна енциклопедія - Тлумачні Словники та Енциклопедії
ЦЕНТРИФУГУВАННЯ,поділ у полі відцентрових сил рідких дисперсних систем з частинками розміром понад 100 нм. Використовують для виділення складових фаз (рідка - фугат або фільтрат, тверда - осад) з двокомпонентних (суспензії, емульсії) та трикомпонентних (емульсії, що містять тверду фазу) систем.
Методи та апаратура.Розрізняють два методи Ц.: відцентрове осадження та фільтрування. Ц. проводять у відцентрових машинах - центрифугах та рідинних відцентрових сепараторах. основ. робочий орган цих машин - осесиметрична оболонка, або ротор (барабан), що обертається з великою частотою з -1 завдяки чому створюється поле відцентрових сил до 2 х 10 4gв промислових і до 35 х 10 4gв лабораторних машинах (g -прискорення вільне падіння в гравітаційному полі). Залежно від методу Ц. здійснюється в суцільних (осаджувальних; рис. 1,а)або перфорованих (покритих фільтруючим матеріалом; рис. 1,б)роторах.
Мал. 1.Ротори машин для відцентрового осадження (а) та фільтрування (б):С - суспензія, Ф - фугат (фільтрат), Про - осад; пояснення у тексті,rж -радіус вільної поверхні рідини.
Мал. 2. Центрифуга безперервної дії:а -осадова шнекова;б -фільтруюча шнекова;в - зпульсуючим вивантаженням осаду; г – інерційна;д -вібраційна;е -прецесійна; 1 – ротор; 2-механізм вивантаження.
У порівнянні з ін. методами поділу (відстоювання, фільтрування) Ц. дозволяє одержувати опади з меншою вологістю. При відцентровому осадженні на відміну від фільтрування вдається розділяти суспензії (напр., у виробах лакофарбових матеріалів) з тонкодисперсною твердою фазою, мінім. розмір частинок до-рой становить 5-10мкм. Важлива перевага Ц. - можливість його проведення в апаратурі щодо малих обсягів; Недолік - висока енергоємність. Пром. центрифуги розрізняють: за принципом поділу -осаджувальні, фільтруючі та комбіновані; по конструктивному виконанню - переважно. за розташуванням ротора та системою вивантаження осаду (шнек; штовхач, або поршень; з використанням сил інерції); з організації процесу -періодичної чи безперервної дії. Ц. в машинах періодич. дії здійснюється циклічно в роторах з іноді регульованим ножовим або ручним вивантаженням осаду. На рис. 2 представлені важливі схеми поділу суспензій в машинах безперервної дії. Осаджувальні шнекові центрифуги (рис. 2,а) призначені для поділу суспензій з нерозчинною твердою фазою (напр., поліетилен, полістирол, опади стічних вод), зневоднення кристаліч. та зернистих продуктів, класифікації (напр., ТiO2), згущення (напр., активний мул). Процес відбувається у суцільному роторі; осад безперервно вивантажується шнеком, що обертається з частотою для цих центрифуг Fr600-3500. Фільтруючі шнекові центрифуги (рис. 2,б)поширені при поділі висококонцентрир. суспензій з крупнозернистою твердою фазою (розмір часток понад 0,2 мм, напр. глауберова сіль). Ц. виробляється в каркасному роторі з листовим ситом, через яке відводиться фільтрат. Високі значення Fr (1200-1800) дозволяють отримувати продукти з мінім. вологістю. Фільтруючі центрифуги з пульсуючим вивантаженням осаду (рис. 2,в) застосовують в осн. для тих же цілей, що і шнекові, що фільтрують. Завдяки наявності товстого шару осаду на колосниковому ситі одно-або багатокаскадного ротора вдається здійснювати глибоке промиванняпродукту (напр., КС1, цукор-рафінад). Осад вивантажують за допомогою штовхача, що здійснює зворотно-поступають. рух із лінійною швидкістюv; FR300-700. В інерційних центрифугах (рис. 2,г) осад з ротора видаляється за рахунок складової відцентрового поля; у вібраційних центрифугах (рис. 2,д)-завдяки вібрації ротора вздовж осі зі швидкістюv; впрецесійних центрифугах (рис. 2,е)-внаслідок гіроскопії. Машини всіх типів використовують для відцентрового фільтрування висококонцентрир. суспензій з крупнокристалліч. твердою фазою (напр., мінеральні добрива, вугілля гідровидобування, цукровий пісок). Різновид Ц. поділ суспензій та емульсій у відцентрових сепараторах. Їхні ротори забезпечені пакетом коніч. тарілок, встановлених один до одного з невеликим зазором (0,4-1,5 мм). Високий рівень поділу досягається завдяки його протіканню в тонкому шарі міжтарілкового зазору при ламінарному режимі. Тонкодисперсні суспензії (присадки до олій, гормональні препарати, антибіотики та ін), що містять 0,5-4,0% за обсягом хутра. домішок, що освітлюються в сепараторах-очисниках (рис. 3, а). Тверда фаза, збираючись у шламовому просторі ротора, періодично видаляється з нього під час відкриття днища (поршня). Відцентрове згущення (напр., Кормові та пекарські дріжджі) проводиться в сепараторах-згущувачах (рис. 3,б).Згущена фракція безперервно виводиться через сопла по периферії ротора, а освітлена - через верх. зону. Для поділу емульсій (напр., нафтові шлами, епоксидні смоли) застосовують сепаратори-розділювачі (рис. 4), в роторах яких передбачено пакет тарілок з отворами, розташованими на межі розділу важкої і легкої рідин; компоненти (фугати Ф1 та Ф2)виводяться окремо. За наявності емульсії твердої фази використовують універсальні ротори з вивантаженням осаду відповідно до рис. 3,аабо вручну. За аналогією з центрифугами роздільна здатність сепараторів оцінюється індексом продуктивності
де z - число тарілок у пакеті; - половина кута конуса тарілки при вершині; Rмакс, Rмін – зовнішній і внутр. радіуси тарілки. Моделювання процесів у сепараторах здійснюється, як і в центрифугах, за індексом продуктивності
Мал. 3.Сепаратори для розподілу суспензій: на рис. поєднані сепаратор-очисник (а)і сепаратор-згущувач (б);1 - ротор; 2 – пакет тарілок; 3 – рухоме днище.
Мал. 4.Сепаратор для поділу емульсій: 1 – ротор; 2 – пакет тарілок; Ф1 та Ф2 - фугати; Е – емульсія.
Для вивчення центрифугальних процесів у лабораторії використовують моделі пром. центрифуг та сепараторів з діаметром ротора 150-250 мм, а також т. зв. стаканчикові центрифуги (ротор складається з низки пробірок - стаканчиків). Ці малогабаритні зразки дозволяють експериментально визначати як продуктивність пром. машин, а й можливість вивантаження опадів із роторів, кінцеву вологість продукту, винесення. Дослідження проводяться з невеликими обсягами товарів на спец. стенди. Стаканчикові центрифуги використовують з оцінки часу осадження частинок при разл. Fr. Будь. центрифугальна техніка має тенденцію до зростання частот обертання роторів, підвищення продуктивності, зниження уд. метало- та енергоємності. Продуктивність машин зростає завдяки вдосконаленню гідродинаміки роторів, збільшенню їхньої довжини (в осаджувальних центрифугах) та висоти пакету (у сепараторах). Зростають діаметри роторів у великотоннажних машинах; створюютьсякомбінір. ротори, в конструкціях яких поєднуються разл. методи Ц. Впроваджуються мікропроцесорні системи управління та регульовані приводи, що забезпечують Ц. в оптим. режими. Ц. широко поширене в технол. процесах хімічно-лісового комплексу, харчових, текстильних та ін вироб-вах. Ц. грає важливу роль у вирішенні екологич. проблем (очищення комунальних та пром. стоків), у ресурсозберігаючих технологіях.
Літ.:Соколов Ст І., Центрифугування, М., 1976; Шкоропад Д. Е., Новіков О. П., Центрифуги та сепаратори для хімічних виробництв, М., 1987.
Ультрацентрифугування -метод поділу та дослідження частинок розміром менше 100 нм (макромолекул органел тварин і вирощ. клітин, вірусів та ін) у полі відцентрових сил. Дозволяє розділяти суміші частинок на фракції або індивідуальні компоненти, знаходити мол. масу та ММР полімерів, щільність їх сельватів. Дає можливість оцінювати форму та розміри макромолекул у розчині (див.Дисперсійний аналіз ),вплив статич. тиску на стабільність частинок, параметри взаємод. типу асоціація – дисоціація макромолекул один з одним або з молекулами низькомол. компонентів і іонами, вплив природи розчинника на конформації макромолекул та ін. Здійснюється за допомогою ультрацентрифуг, забезпечених порожнистими роторами, порожнини яких бувають замкнутими і проточними. Розрізняють швидкісне та рівноважне ультрацентрифугування. У першому випадку частинки рухаються радіусом ротора соотв. своїм коеф. седиментації, у першому наближенні пропорційному масі частинки, різниці щільностей частинки та рідини при частинці переміщуються від осі обертання ротора до периферії (седиментують), - у бік осі обертання (флотують). При рівноважному ультрацентрифугуванні перенесення частинок по радіусу триває доти, доки сумахім. потенціалу та молярної потенційної енергії в кожній точці системи не стане постійною величиною, після чого розподіл частинок перестане змінюватися. Т. зв. аналіт. ультрацентрифугування застосовується при аналізі розчинів, дисперсій і проводиться за допомогою аналіт. ультрацентрифуг, забезпечених роторами з оптично прозорими замкнутими резервуарами та оптич. системами визначення концентрації чи її градієнта по радіусу ротора у часі; досліджувані обсяги - від 0,01 до 2 мл при масі частинок від дек. мкг до мг. Препаративне ультрацентрифугування використовують виділення компонентів зі складних сумішей; обсяг рідини та маса досліджуваного зразка м. б. на дек. порядків більше, ніж за аналіт. ультрацентрифугування. Відцентрові прискорення в ультрацентрифугах досягають 5 x 105g. Перший аналіт. ультрацентрифуга була створена Т. Сведбергом (1923; 5 x 10 3g).
Літ.:Боуен Т., Введення в ультрацентрифугування, пров. з англ., М., 1973.