Una centrífuga de empuje es un tipo de técnica de filtración que ofrece un funcionamiento continuo para deshidratar y lavar materiales como sólidos de alimentación relativamente incompresibles , polímeros cristalinos de drenaje libre y sustancias fibrosas. Consiste en un rotor de velocidad constante y está fijado a una de varias cestas. Este conjunto se aplica con fuerza centrífuga que se genera mecánicamente para unidades más pequeñas e hidráulicamente para unidades más grandes para permitir la separación.
Las centrífugas de empuje se pueden utilizar para una variedad de aplicaciones. Por lo general, se usaban en industrias inorgánicas y, más tarde, de manera extensiva en industrias químicas como productos intermedios orgánicos, plásticos, procesamiento de alimentos y combustibles para cohetes .
Un alimento en suspensión ingresa al proceso para someterse a una preaceleración y distribución. Los procesos posteriores involucran la filtración principal y el deshidratado intermedio, después de lo cual se recolecta el filtrado principal. El líquido de lavado entra en la etapa de lavado y sigue el deshidratado final. El filtrado de lavado se extrae de estas dos etapas. El paso final implica la descarga de sólidos que luego se recolectan como producto terminado. Estos pasos del proceso tienen lugar simultáneamente en diferentes partes de la centrífuga .
Es ampliamente aceptado debido a su facilidad de modificación, como las configuraciones de protección contra explosiones y estancas al gas.
Aplicaciones
Las centrífugas de empuje se utilizan principalmente en las industrias química, farmacéutica, alimentaria (principalmente para producir cloruro de sodio como sal común ) y minerales. Durante el siglo XX, la centrífuga de empuje se utilizó para desecar cristales y sólidos comparativamente grandes. [1]
Aunque los empujadores se utilizan normalmente para productos inorgánicos, aparecen en industrias químicas como productos intermedios orgánicos, plásticos, procesamiento de alimentos y combustibles para cohetes. Los intermedios orgánicos incluyen paraxileno , ácido adípico , ácido oxálico caprolactama, nitrocelulosa , carboximetilcelulosa, etc.
En el procesamiento de alimentos, la centrifugación de empuje se utiliza para producir glutamato monosódico, sal, lisina y sacarina. [2]
La centrifugación de empuje también se utiliza en la industria del plástico, contribuyendo a productos como PVC , polietileno y polipropileno , y una serie de otras resinas .
Productos individuales
- Ceniza de sosa: el tamaño de las partículas suele superar los 150 µm . La lechada de alimentación generalmente tiene un 50% de sólidos en peso y la torta descargada tiene aproximadamente un 4% de humedad.
- Bicarbonato de sodio: los alimentos generalmente contienen más del 40% de sólidos en peso y cristales generalmente más allá del tamaño de partícula de 45 µm. La producción de pasteles generalmente tiene solo un 5% de agua. Para lograr una eficiencia de desecación tan alta, se requieren modificaciones del dispositivo.
- Paraxileno: se alimenta en forma de suspensión congelada con un tamaño de partícula que varía de 100 a 400 µm. La pureza del 99,9% está disponible con un diseño de cesta larga de una sola etapa. Deben tomarse consideraciones y medidas para evitar la contaminación del paraxileno y el aceite. Se utilizan sellos de labios y raspadores de varilla en el sello del eje para eliminar la contaminación cruzada. La alimentación se purifica mediante un embudo. Los respiraderos integrados en la carcasa del proceso garantizan que los gases se muevan sin inhibiciones, evitando la contaminación.
- Ácido adípico: se somete a un proceso repetido de cristalización, centrifugación y refundición para lograr la pureza requerida. Los cristales de ácido adípico son generalmente mayores de 150 µm. El ácido nítrico se reduce del 30% en la alimentación a 15 ppm en la torta producida. La separación del ácido nítrico del ácido adípico es esencial para el tratamiento posterior.
- Eliminación de las semillas de algodón: las semillas de algodón contienen fibras que crecen y forman una bola de pelusa . Este se separa con ácido sulfúrico , donde la pelusa se puede utilizar para producir fibra de algodón. La adición de ácido sulfúrico hace que la pelusa se vuelva quebradiza, lo que garantiza que en el proceso de secado subsiguiente se deshilacha de manera efectiva.
Ventajas y limitaciones
Ventajas
- Los empujadores ofrecen mayores capacidades de procesamiento que las centrífugas de filtrado por lotes, como la cesta vertical y el filtro invertido.
- Proporciona las mejores características de lavado de cualquier centrífuga continua debido al control del tiempo de retención y al lecho de torta uniforme.
- El manejo suave hace que los empujadores sean más adecuados para cristales frágiles.
Limitaciones
- Los empujadores requieren una inundación constante de alimento debido a su naturaleza continua.
- Aunque se pueden preferir altas capacidades, esto puede resultar en un tiempo de residencia más largo.
- Los tamaños de partícula típicos deben ser de al menos 150 μm y un promedio de 200 μm.
- Una alimentación de alta viscosidad reduce el rendimiento.
- Los empujadores tienen una capacidad de filtración de líquidos limitada y requieren materiales de drenaje rápido, ya que deben formar una torta dentro del período de una pasada.
Diseños
Los diseños de la centrífuga de empuje son los siguientes:
Los empujadores vienen con unidades de accionamiento mecánicas y / o hidráulicas. La velocidad puede variar.
Escenario único
Las unidades de una sola etapa pueden ser cilíndricas o cilíndricas / cónicas con una sola canasta larga y pantalla
- Puede maximizar la capacidad volumétrica de sólidos
- La torta resultante puede cortarse o doblarse debido al funcionamiento inestable de la pantalla de mayor longitud
- La capacidad puede ser ligeramente menor que con las unidades de varias etapas
- Pérdidas finas menores debido al pequeño contacto de las partículas con la pantalla ranurada y sin reorientación de los cristales entre las etapas.
- Se utiliza para lograr estabilidad para funcionamiento a baja velocidad.
Multietapa
Multietapa (diseños de dos, tres o cuatro etapas): cilíndrico y cilíndrico / cónico
- Más común
- Mayor flexibilidad debido a una mayor capacidad de filtración.
- La reorientación puede mejorar el efecto de lavado en la última parte de la primera etapa y a través de la transición a la segunda etapa.
Tres / cuatro etapas
- Utilizado para tamaños más grandes con cestas largas
- Recomendado para materiales con altos coeficientes de fricción, baja resistencia al cizallamiento interno de la torta o alta compresibilidad, p. Ej., Procesamiento de ABS de caucho alto
- La menor capacidad afecta el rendimiento debido a las tortas correspondientemente delgadas y al corto tiempo de retención
Cilíndrico / cónico
Diseño del distribuidor de alimentación: cónico / cilíndrico o placa
- Se aplica opcionalmente para diseños de una o dos etapas.
- Sección de alimentación cilíndrica combinada con un diseño inclinado hacia el extremo de descarga
- La componente axial de fuerza en el extremo cónico ayuda al transporte de sólidos
- Menores costes de producción en comparación con las cestas.
Caracteristicas del proceso
Los parámetros importantes son el área de la pantalla, el nivel de aceleración en la zona de drenaje final y el espesor de la torta. La filtración de la torta afecta el tiempo de residencia y el rendimiento volumétrico. La residencia en la pantalla se controla mediante la longitud y el diámetro de la pantalla, el grosor de la torta y la frecuencia y longitud de la carrera de la torta. [3]
Alimentación
Los empujadores utilizan la capa de torta para actuar como un filtro, por lo tanto, el alimento normalmente contiene una alta concentración de sólidos que contienen sólidos de drenaje rápido, cristalinos, granulares o fibrosos. La concentración de sólidos oscila entre el 25 y el 65% en peso. [2] El tamaño medio de partícula adecuado para empujadores debe ser de al menos 150 µm. La capacidad depende del diámetro de la cesta y varía de 1 ton / ha 120 ton / h. [4]
Operaciones
La torta está sometida a fuerza centrífuga. Se vuelve más seco a medida que avanza en la canasta y se descarga desde la canasta de empuje a la carcasa de descarga sólida (operación de centrifugado de empuje). La longitud de la carrera varía de 30 a 80 mm y la frecuencia de carrera está entre 45 y 90 carreras / min. [4]
La eficiencia de empuje se define como la distancia del movimiento hacia adelante del anillo de torta dividida por la longitud de la carrera. La eficiencia de empuje es una función de la carga volumétrica sólida, que da como resultado un control autocompensante de tasas variables. Se puede lograr hasta un 90% de eficiencia de empuje dependiendo de las propiedades de la torta. [4] dQ3ET42T
Tasa de filtración
La ecuación para la tasa de filtración, Q: [4]
- (1)
- (2)
Dónde y son la viscosidad y la densidad del líquido, respectivamente. es la velocidad angular, es la permeabilidad promedio de la torta, que está relacionada con la ecuación (2), , y son el radio de la superficie del líquido, la superficie de la torta y el medio de filtrado adyacentes al recipiente perforado, respectivamente, es la resistencia combinada, es la resistencia específica y es la densidad sólida.
El numerador describe la fuerza motriz del empujador, que se debe a la diferencia de presión hidrostática a través de la pared y la superficie del líquido. El denominador describe la resistencia debida a la capa de torta y al medio filtrante.
Variables de proceso
El rendimiento es una función de muchos parámetros, incluido el tamaño de las partículas, la viscosidad, la concentración de sólidos y la calidad de la torta. [2]
Tamaño de partícula / porosidad
Para crear la capa de torta, el tamaño de las partículas debe ser lo más grande posible en la práctica. Un tamaño de partícula más grande aumenta la porosidad de la capa de la torta y permite que pase el líquido de alimentación. La forma de las partículas es igualmente importante, porque determina el área de superficie por unidad de masa. A medida que disminuye, hay menos área de superficie disponible para retener la humedad, proporcionando una torta más seca. [2]
Viscosidad
La tasa de filtración es función de la viscosidad del fluido de alimentación. De la ecuación (1), la relación de la tasa de filtración es inversamente proporcional a la viscosidad. Aumentar la viscosidad significa agregar resistencia al flujo de fluido, lo que complica la separación de los fluidos de la lechada. En consecuencia, se reduce el rendimiento del empujador. [2] [4]
Concentración de sólidos
En la mayoría de los casos, la capacidad de descarga de sólidos / capacidad hidráulica no es el factor limitante. La limitación habitual es la tasa de filtración. Por lo tanto, se pueden procesar más sólidos aumentando la concentración de la lechada de alimentación.
Calidad de la torta
La calidad de la torta está determinada por la pureza y la cantidad de materia volátil.
Pureza
Se introduce líquido de lavado sobre la torta para desplazar el licor madre junto con las impurezas. [2] La relación de lavado de la torta está normalmente entre 0,1 y 0,3 kg de lavado / kg de sólidos, que desplazan al menos el 95% del fluido de alimentación y las impurezas dentro del tiempo de residencia normal de la zona de lavado. [4]
Materia volátil
La cantidad de materia volátil presente en la descarga es función de la fuerza centrífuga (G) y el tiempo de residencia en esa fuerza. La separación aumenta con G y por lo tanto favorece la tasa de filtración como se ilustra en la ecuación (3). [4]
dónde es la fuerza centrífuga, es la velocidad angular, es el radio de la canasta, y es la fuerza gravitacional.
Al relacionar la ecuación 3 con la ecuación 1, se muestra que la relación de la fuerza centrífuga es proporcional a la tasa de filtración. Como los empujadores a menudo tratan con cristales frágiles, el movimiento de la placa del empujador y la aceleración en el embudo de alimentación importan, ya que pueden romper algunas de las partículas. [4] Además de la placa de movimiento, G puede causar rotura y compactación, y aumenta la materia volátil en la torta. El suave movimiento de la torta en diseños de canasta larga, de una sola etapa y bajo G resulta en un bajo desgaste de partículas. A medida que pasan más sólidos, el tiempo de residencia disminuye, lo que aumenta la materia volátil en la torta de descarga. [2]
Heurísticas de diseño de procesos
La heurística del diseño de la centrífuga de empuje considera el tamaño del equipo, la secuencia de operación y la estructura de reciclaje.
Proceso de diseño
Enfoque general: [4]
- Define el problema
- Esquema de las condiciones del proceso
- Hacer selecciones preliminares
- Desarrollar un programa de prueba
- Prueba de lotes de muestra
- Ajuste las condiciones del proceso según sea necesario
- Consulte a los fabricantes de equipos
- Realice la selección final y obtenga cotizaciones
Dimensionamiento del equipo
Variables consideradas en el dimensionamiento de equipos:
- Tasa de alimentación
- Concentración de alimento
- Espesor de la torta
- Densidad a Granel
- Cestas largas y cortas
- Cestas de una y dos etapas
- Accionamiento individual para rotor y sistema hidráulico
- Fácil accesibilidad para mantenimiento
- Consumo de energía
- Aplicaciones anteriores
Selección de equipo
La selección de equipos se basa en los resultados de las pruebas, referencias de procesos y experiencias similares y se considera en términos de:
- Costo, calidad y productividad
- Modelamiento financiero
Optimización del rendimiento
Para diseños y ensamblajes cónicos y cilíndricos, el ángulo de inclinación del cono no debe exceder el ángulo de la torta de fricción deslizante. De lo contrario, provocaría una alta vibración y un rendimiento deficiente. [4]
Para optimizar la capacidad y el rendimiento, es deseable preconcentrar la lechada de alimentación tanto como sea posible. Algunos diseños tienen una sección cónica corta en el extremo de alimentación para espesar dentro de la unidad, pero generalmente es preferible espesar antes de ingresar a la centrífuga con sedimentadores por gravedad, hidrociclones o pantallas inclinadas, produciendo una mayor concentración de sólidos.
El rendimiento volumétrico para diseños de varias etapas se puede aumentar aumentando la altura de la torta forzada mientras se mantiene una eficiencia de empuje aceptable.
Selección de diseño
La selección de diseños generalmente se realiza mediante la ampliación de las pruebas de laboratorio. El análisis de los datos de las pruebas debe racionalizarse en preparación para la ampliación del equipo. El software de diseño asistido por computadora puede ayudar en el diseño y la ampliación. Luego sigue la prueba piloto y el lanzamiento. [5]
Desperdicio
Producción
La mayor parte del líquido contenido en la mezcla se extrae en una etapa temprana, en la zona de alimentación de la pantalla de la ranura. Se descarga en la carcasa del filtrado. Después de la formación de tortas sólidas, el principal subproducto que se produce es el agua, que puede utilizarse en todo tipo de usos industriales. Las tortas de filtración se lavan con boquillas o cestas de basura.
Postoperatorio
Los procesos de postratamiento son una función de las características específicas del flujo de residuos y son diversos. [6]
Diseños posteriores
Los avances en el diseño han mejorado el rendimiento y han ampliado la gama de aplicaciones. Estos incluyen etapas adicionales, vacilación de empuje, carcasa de proceso dividida horizontalmente, sistema hidráulico integrado, sellos, embudos pre-drenados y una función de espesamiento integrada.
Etapas
B&P Process Equipment and Systems (B&P) fabrica la centrífuga de empuje de una sola etapa más grande, que afirmaron ser superior a los diseños de etapas múltiples. [7] Afirmaron que las impurezas adicionales ingresan a la carcasa del líquido debido a partículas adicionales que caen en cada etapa. El problema puede superarse utilizando una cesta interior más corta con un diámetro más pequeño entre las placas de empuje y la cesta y permitiendo que el movimiento del empujador tenga lugar entre la placa de empuje y la cesta, así como entre la cesta interior y la cesta exterior. En comparación con los empujadores de una sola etapa que tienen movimiento de empuje solo entre la placa de empuje y la canasta, las centrífugas de etapas múltiples tienen la ventaja de que se reduce la altura de la torta, la resistencia a la filtración es menor y se requiere menos fuerza.
Empuje la vacilación
La vacilación de empuje sostiene la placa de empuje en el movimiento hacia atrás, lo que permite que la torta se acumule sobre sí misma. La torta actúa como medio filtrante que incluso puede capturar sólidos más finos. Esto reduce la pérdida de sólidos que pasan a través de las ranuras de las cuñas. Aunque esta modificación reduce la capacidad, ha ayudado a mejorar la eficiencia de captura de sólidos y hacer que las centrífugas de empuje sean aplicables a partículas más pequeñas. [2]
Carcasa de proceso dividida horizontal
Esto permite la extracción del conjunto giratorio sin desmontar la cesta y la centrífuga de empuje del conjunto de ejes.
Hidráulica integral
Un mecanismo automatizado permite que el sistema funcione de forma independiente.
focas
Los sellos del eje eliminan la posibilidad de contaminación cruzada entre los extremos hidráulico y del proceso. Las opciones incluyen un sello de anillo líquido centrífugo y un sello de laberinto purgado con gas inerte sin contacto que elimina las fugas.
Embudo pre-drenado
El embudo previamente drenado elimina una parte del fluido de alimentación a través de una superficie de punción. Esta característica ayuda a concentrar el alimento, lo cual es especialmente importante para aplicaciones con drenaje limitado. Sin embargo, el embudo no se puede retrolavar, por lo que esta característica solo está disponible para cristales que tienden a no retrocristalizar.
Espesamiento integrado
La integración de la función de espesamiento permite que el empujador se cargue con una mezcla con tan solo 30-35% en peso de sólido. También reduce los costos del proceso de separación sólido-líquido hasta en un 20%. [8]
Referencias
- ^ Tecnologías 2008
- ^ a b c d e f g h Dubal 2008
- ^ Schmidt 2010 , págs. 34-38
- ^ a b c d e f g h i j ( Green y Perry 2008 , págs. 1056-1065)
- ^ ( Wakeman y Tarleton 1993 , págs. 530–543)
- ^ Rotofilt
- ^ Filtración y separación 1997
- ^ Filtración y separación 2003 , págs. 38–39
Bibliografía
- Green, Don W .; Perry, Robert H. (2008). Manual de ingeniería química de Perry (8 ed.). Nueva York: McGraw Hill. págs. 1056–1065..
- Tecnologías, FP (2008). "FX Pusher: Pusher Centrifuges" . Consultado el 14 de octubre de 2013 ..
- Dubal, Gitesh (mayo de 2000). "La centrífuga de empuje: funcionamiento, aplicaciones y ventajas". Filtración y Separación . 37 (4): 24-27. doi : 10.1016 / S0015-1882 (00) 88849-7 . ISSN 0015-1882 ..
- Ltd, F. "Centrífugas de empuje para industrias básicas, agrícolas y petroquímicas" (PDF) . Consultado el 20 de diciembre de 2013 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ). - Schmidt, Peter (diciembre de 2010). "Centrífugas de filtración: una descripción general" . Ingeniería química . Nueva York: Access Intelligence LLC. 117 (13): 34–38. ISSN 0009-2460 ..
- Ruthven, DM (1997). Enciclopedia de tecnología de separación . 1 . Wiley. ISBN 9780471161240..
- Wakeman, RJ; Tarleton, ES (1993). "Selección basada en computadora de equipos de separación de sólidos / líquidos" (PDF) . Avances de proceso en tecnología de filtración y separación . Chicago. 7 : 530–543..
- "La centrífuga de empuje de una sola etapa más grande del mundo". Filtración y Separación . 34 (10): 1002. Diciembre de 1997. doi : 10.1016 / S0015-1882 (97) 90167-1 . ISSN 0015-1882 ..
- "Innovación de la centrífuga de empuje para la separación química a granel". Filtración y Separación . 40 (6): 38–39. Julio-agosto de 2003. doi : 10.1016 / S0015-1882 (03) 00634-7 . ISSN 0015-1882 ..