Центрифуга: вторичные суспензии и удаление жидкости со стружки

Центрифуга — аппарат, который создаёт вращением поле ускорений для разделения смеси на отдельные потоки.

Сравню две исходные смеси: мутную воду с мелкими минеральными частицами и металлическую стружку, покрытую маслом. В обоих случаях хочется получить жидкость отдельно от твёрдого, но путь разделения различается. В первом частицы должны переместиться относительно жидкости и собраться в осадок. Во втором жидкость должна выйти из слоя стружки через проницаемую поверхность. Механизм разделения определяется устройством центрифуги.

В осадительном декантере стенка барабана сплошная. Более плотное твёрдое собирается у неё, внутренний шнек переносит осадок к выгрузке, а жидкость отводится отдельно. Поэтому отсутствие сменной фильтровальной ткани здесь не означает отсутствие разделения: материал движется в поле вращения и образует разные выходы. Именно такую конструкцию для суспензий описывает Flottweg. Flottweg

В ситовом отжиме стружки, напротив, жидкость проходит сквозь отверстия вращающегося барабана, а стружка остаётся и движется к своей разгрузке. Эта схема показана в брошюре PRAB; ниже она разобрана отдельно. Полученная жидкость ещё может содержать мелочь, поэтому её выход из центрифуги и возвращение чистого масла к станкам являются разными этапами. Аппарат не исправляет химический состав масла и не разъединяет уже смешанные марки металла.

Поэтому за словом «эффективность» я всегда ищу конкретный показатель. Допустим, я вывел большую часть масла, но вместе с ним ушла металлическая мелочь. Извлечение масла будет высоким, а его чистота может не удовлетворить следующую операцию. Или наоборот: получено мало очень чистой жидкости, тогда как большая её часть осталась на стружке. Численный баланс ниже разделяет эти показатели и дополнительно показывает, как один и тот же остаток масла даёт разные проценты на влажную массу и на массу металла.

Рабочий режим нельзя свести к универсальной паре температуры и давления. Для вращения важны радиус и скорость, для непрерывного разделения ещё подача и время движения фаз. Из кинематики ускорение равно a = ω²r: при одном радиусе увеличение оборотов вдвое даёт ускорение вчетверо. Это соотношение объясняет чувствительность процесса, но не разрешает повышать скорость установленной машины. Её допустимую нагрузку определяют конструкция и изготовитель, а результат разделения дополнительно зависит от самого сырья. Далее я рассматриваю не «обороты центрифуги вообще», а два устройства и два конкретных промышленных применения.

Задача и место в цепочке

Я разделяю два аппаратных варианта: осадительный шнековый декантер и центробежный отжим стружки через ситовую поверхность. Такой разбор дополняет общую карточку разделения фаз. Применение тарельчатых сепараторов к пиролизным жидкостям уже рассмотрено там; переносить их режимы на стружку или шлам нельзя.

Для вторичного сырья я формулирую результат через два назначения: куда направляется выделенная жидкость и что происходит с оставшимся твёрдым материалом. Выход жидкости, её качество и остаточное содержание жидкости в твёрдом продукте являются разными показателями. Ни один из них отдельно не описывает весь результат линии.

Два механизма: осаждение и фильтрующий отжим

Осадительный декантер для суспензии

Flottweg описывает декантер со сплошным цилиндроконическим барабаном и внутренним шнеком. Более плотные твёрдые частицы осаждаются у стенки; шнек перемещает их к разгрузке, жидкость отводится отдельно. Поток не обязан проходить через фильтровальную перегородку. Среди применений изготовитель называет сгущение и обезвоживание осадков.¹

Разность скоростей шнека и барабана влияет на пребывание и уплотнение твёрдого. Глубина жидкого слоя связана с временем пребывания жидкости и соотношением зон осветления и обезвоживания. Поэтому вместе с оборотами барабана я рассматриваю подачу, жидкий слой и выгрузку осадка. Размеры и исполнение привязывают к конкретной задаче; эта страница не сообщает результат обработки выбранной партии вторичного сырья.

Отжимная центрифуга для влажной стружки

В брошюре PRAB показан вращающийся барабан: стружка с жидкостью движется вдоль его внутренней поверхности, жидкость проходит через щелевое сито и поступает в сборную ёмкость. Стружка выгружается отдельным путём; предусмотрены варианты гравитационной и воздушной разгрузки. Это ситовое отделение жидкости в центробежном поле, а не осаждение тонких частиц в сплошном барабане.²

Этот жидкостный выход я ещё не называю осветлённым маслом: ситовая ступень и последующая очистка жидкостной ветви выполняют разные задачи. Брошюра связывает массовую производительность с насыпной плотностью подачи; одинаковый объём разных металлических стружек не означает одинаковую массу. Описанное исполнение служит примером устройства, а не идентификацией машины из следующего кейса.

Какие условия действительно задают разделение

Сам факт вращения для меня ещё не показатель качества разделения. Из кинематики a = ω²r следует, что одинаковые обороты при разных радиусах дают разное ускорение; оно меняется и внутри одного ротора. Поэтому одну цифру оборотов я не переношу с аппарата на аппарат. Формула не определяет допустимую скорость, производительность или степень удаления жидкости.

Для описанных механических способов общей реакционной пары «температура — давление» нет. Температуру подачи и допустимые давления жидкости и корпуса задают для конкретного материала и исполнения, сохраняя нужные фазы. Это не позволяет автоматически принять комнатную температуру или атмосферное давление для любой центрифуги. Ориентиры работы декантера включают также разность скоростей шнека и барабана, глубину слоя и подачу, уже разобранные выше.

Даже давление отвода жидкости зависит от конструкции: Flottweg показывает свободный слив через переливные пластины и альтернативный отвод под давлением с помощью напорного диска. Давление такого выходного потока не следует подменять центробежным ускорением или считать единственным давлением всего аппарата. Это разные физические величины и точки схемы.³

Binder: организовать возврат масла, сохранив раздельный учёт металла

В decomagazine 02/11 описан Binder Electronic Components в Гренхене: при прежнем ручном обращении разные масла иногда смешивались, ухудшая резание. Переход на одно масло сопровождался автоматическим сбором преимущественно латунной стружки, двукратным центрифугированием, фильтрацией 10 мкм и возвратом масла с подпиткой свежим.⁴

Фраза «centrifugés deux fois» относится к стружке. Она не устанавливает наличие двух последовательных машин, двух типов центрифуг или двух разных скоростей; компоновка повторной обработки не раскрыта. Фильтрация следует после неё. Источник называет эту ступень ultrafiltration, но здесь сохранён размер 10 мкм без присвоения мембранного класса.

Приведённые около 450 т/год обработанного металла, 100 т/год изделий и 350 т/год стружки характеризуют металлический поток. Выход масла, остаточное масло в стружке, обороты и продолжительность обработки не сообщены. Улучшение резания нельзя приписать одному центрифугированию: менялась и сама жидкость.

Brantner BWS: абразивная мелочь после промывки золошлака

В опубликованном ANDRITZ случае Brantner BWS из золошлака мусоросжигания извлекают и отмывают металлы; промывную воду с мелкими частицами направляют в контейнерную установку со специально модифицированным декантером. По данным поставщика, в установку непрерывно поступает 2500 кг/ч твёрдых, а обезвоженный зольный остаток содержит около 50% сухого вещества. Первая величина относится к твёрдой составляющей подачи, а не к расходу всей суспензии; вторая описывает состав продукта, а не извлечение металлов. Абразивность потребовала специальной защиты входной камеры и выходных сопел. При меняющемся составе промывной воды измерение твёрдого связано с автоматической корректировкой параметров декантера. Этот случай показывает практическую связку контроля подачи и защиты изнашиваемых деталей при обезвоживании минеральной мелочи. Дорожное применение остатка источник допускает лишь для части стран и одновременно отмечает отсутствие официальных сертификатов. Заявление о «100% повторного использования» не подтверждает полный материальный баланс или повсеместный допуск продукта.⁵

Учебный пример: три процента с разными знаменателями

Ниже собственный условный баланс, не данные предприятия или паспорт центрифуги. Возьму 100 кг влажной стружки: 80 кг металла и 20 кг масла. Задам два выхода без потерь и изменения запаса аппарата:

• Жидкостный выход 15 кг: 14,7 кг масла и 0,3 кг металлической мелочи
• Твёрдый выход 85 кг: 79,7 кг металла и 5,3 кг масла

Баланс общей массы: 15 + 85 = 100 кг. По металлу: 0,3 + 79,7 = 80 кг; по маслу: 14,7 + 5,3 = 20 кг.

Извлечение масла в жидкостный выход составляет 14,7/20 × 100 = 73,5%. Массовая доля масла в этом выходе равна 14,7/15 × 100 = 98%. Остаточное масло в твёрдом выходе на влажную массу составляет 5,3/85 × 100 ≈ 6,24%. Если выразить его относительно металла, получится уже 5,3/79,7 × 100 ≈ 6,65%. Именно поэтому я сначала спрашиваю, что стоит в знаменателе. Иначе проценты получаются красивые, но каждый — о своём.

Если после центрифуги жидкость дополнительно фильтруют, баланс продолжается до фильтрата и удержанного остатка. Записанные 73,5% относятся к выходу центрифуги; часть масла ещё может остаться в фильтровальном осадке. Поэтому возврат масла к станкам не равен одному измерению объёма в сборном баке.

Что помогает сравнить предложения и результаты

Сравнивая предложения и результаты, я задаю несколько вопросов:

• Какая граница показателя: центрифуга, фильтрация после неё или вся линия возврата?
• Что считается подачей: масса влажного материала, сухого твёрдого либо объём насыпной стружки?
• Для периодического аппарата производительность относится к вращению или полному циклу, включая загрузку, разгрузку и обслуживание?
• На каком основании указана остаточная жидкость: на влажную массу, сухой материал или объём? Когда взята проба?
• Учитываются ли мелочь в жидкостном выходе, жидкость в твёрдом, очистные остатки и изменение запаса в баках?

Где заканчивается механическое разделение

Механическое разделение не восстанавливает само по себе химический состав масла и не разделяет смешанные марки металла. Маршрут возврата зависит от того, какую задачу выполняет следующий узел и что он принимает. Вопросы состояния СОЖ и подготовки металла к плавке разобраны в связанной карточке брикетирования; отсутствие видимых капель не следует превращать в допуск к плавке.

В итоге я проверяю не только работу ротора, но и оба выхода: сколько жидкости действительно вернулось в полезный оборот и в каком состоянии остался металл. Аппарат разделяет потоки; требования следующей операции он за неё не определяет.

Связанные карточки

• Отделение воды и механических примесей — состояния загрязнений и уже описанные случаи центробежного разделения жидкостей.
• Фильтр для технологического потока — последующая обработка жидкостного выхода и учёт жидкости в фильтровальном остатке.
• Брикетирование металлической стружки: металл и СОЖ как отдельные потоки — другой способ механического отделения жидкости с уплотнением металла; сопоставлять маршруты по выходам.
• Отстойник и коалесцер — гравитационное разделение и укрупнение капель как отдельная аппаратная задача.

Источники и материалы

Использованная информация

Источники

Документы Flottweg и PRAB объясняют устройства. Публикация Tornos / Motorex описывает производственный случай со слов названного руководителя производства; материал ANDRITZ представляет случай поставщика.

1. Flottweg. Decanter Centrifuges, разделы Separate Solids and Liquids Efficiently, Decanter Scroll, Differential Speed, Pond Depth. ↩︎

2. PRAB. Diagonal-Shaft Wringer, 1048-V3-20190617, PDF с. 1, 3–4. ↩︎

3. Flottweg. How a decanter centrifuge works, разделы Overflow weir и Impeller (skimmer). ↩︎

4. Tornos / Motorex. En prise directe avec la réussite. decomagazine №57, 02/11, печатные с. 46–49, особенно 48. ↩︎

5. ANDRITZ. High-quality separation technology in urban mining for BRANTNER ENVIRONMENT GROUP, разделы Challenge, Our solution, Results. ↩︎