Zalo QR
Zalo QR
Các máy dùng để phân chia các hệ không đồng nhất trong trường ly tâm được gọi là máy ly tâm và máy phân ly. Khác với máy ly tâm, máy phân ly có yếu tố phân ly cao, bề mặt kết tủa phát triển, mức độ phân chia các hệ phân tán cao nên năng suất rất lớn đến 300 m3/h.
Trong công nghiệp vi sinh thường sử dụng các máy ly tâm và phân ly khác nhau để phân chia các hệ dị thể.
Các máy ly tâm được ứng dụng rộng rãi để tách các tiểu phần ổn định trong dung dịch các chất hoạt hoá sinh học, các dung dịch rượu khỏi chế phẩm hoạt hoá làm lắng etanol, axetol và các dung môi hữu cơ khác, tách sinh khối khỏi dung dịch canh trường, để tách phức hoạt hoá sinh học (khi kết tủa bằng muối) từ các dung dịch, cũng như để phân chia các hỗn hợp chất lỏng hay các huyền phù.
Các hệ phân tán thô thường được phân chia dưới tác động của trọng lực. Tuy nhiên khi tỷ trọng của các cấu tử có độ chệnh lệch nhỏ và độ nhớt của chất lỏng không đồng nhất cao thì sự lắng xảy ra rất chậm. Do ứng suất của trường lực ly tâm quán tính lớn hơn nhiều lần ứng suất của trường trọng lực, cho nên việc phân chia dưới tác động của trường ly tâm xảy ra rất nhanh và hoàn toàn.
Trong các thiết bị công nghiệp việc phân chia bằng phương pháp ly tâm được ứng dụng để tách các tiểu phần có kích thước từ 25 mm đến 0,5 μm.
Phương pháp ly tâm dựa trên cơ sở tác động của trường ly tâm tới hệ không đồng nhất gồm hai hoặc nhiều pha. Ly tâm các hệ chất lỏng không đồng nhất được thực hiện bằng hai phương pháp: lọc ly tâm qua tường đột lỗ của rôto, vách lọc được đặt ở phần trong của rôto (máy ly tâm lọc) và qua rôto lắng có đoạn ống liền (máy ly tâm lắng). Đồng thời các máy ly tâm tổng hợp kết hợp cả hai nguyên tắc phân chia lọc - lắng cũng được sử dụng.
Khi tách huyền phù trong các máy ly tâm lọc ở trong rôto, dưới tác động của lực ly tâm chất lỏng được lọc qua vải lọc hay lưới kim loại, đồng thời các tiểu phần pha rắn bị lắng xuống; chất lỏng qua sàng và sau đó qua lỗ trong rôto, xối mạnh vào tường của máy ly tâm, còn cặn được tháo ra trong thời gian rôto quay hoặc là sau khi máy ngừng.
Khi phân chia các huyền phù trong các máy ly tâm lắng, các tiểu phần rắn có tỷ trọng lớn hơn tỷ trọng cấu tử chất lỏng được lắng xuống (dưới tác động của lực ly tâm trong đoạn ống rôto) tạo thành lớp vòng khuyên. Cấu tử lỏng cũng tạo thành lớp vòng khuyên nhưng nằm gần trục quay hơn, chất lỏng trong được dẫn ra ngoài qua mép tràn hay nhờ ống hút; cặn được tháo ra theo hành trình xả hay sau khi thiết bị ngừng. Việc phân chia nhũ tương xảy ra tương tự: ở tường rôto tạo ra lớp chất lỏng nặng, còn gần trục quay - lớp chất lỏng nhẹ.
Các máy ly tâm công nghiệp được chia ra:
Theo nguyên tắc phân chia - kết tủa, phân chia (phân ly), lọc và tổng hợp.
Theo đặc tính tiến hành quá trình ly tâm - chu kỳ và liên tục.
Theo dấu hiệu về kết cấu - nằm ngang (có trục nằm ngang), nghiêng (có trục nghiêng) và đứng.
Theo phương pháp thải cặn ra khỏi rôto.
Khi sản xuất các chất hoạt hoá sinh học thường sử dụng các máy ly tâm tác động chu kỳ, thải cặn bằng cơ khí hoá hay thủ công, còn khi sản xuất lớn - các máy ly tâm tự động hoá tác động liên tục.
Khi lựa chọn các máy ly tâm cần phải dựa vào các đặc tính công nghệ của chúng và các tính chất lý học của vật liệu đem gia công (độ phân tán của pha rắn, độ nhớt của pha lỏng và nồng độ của nó).
Nồng độ huyền phù bằng tỷ số giữa lượng pha rắn và tổng lượng huyền phù. Nồng độ huyền phù có thể thể hiện bằng phần trăm theo khối lượng hay phần trăm theo thể tích. Hiệu nồng độ giữa pha rắn và pha lỏng càng lớn thì năng suất của máy ly tâm lắng càng cao.
Lực ly tâm Pl (N) là động lực của quá trình ly tâm:
trong đó:
m - khối lượng của máy và chất lỏng, kg;
v - tốc độ biên, m/s;
R - bán kính bên trong của thùng quay, m;
G - trọng lượng của vật thể quay, N; ω - tốc độ góc của thùng quay, độ/s ( 30 πω Ω = );
g - gia tốc rơi tự do, m/s2.
Yếu tố phân chia là một trong những chuẩn cơ bản để lựa chọn máy ly tâm hay máy phân ly. Yếu tố phân chia xác định gia tốc của trường ly tâm được phát triển trong máy, có bao nhiêu lần lớn hơn gia tốc trọng lực. Yếu tố phân chia được xác định theo công thức:
Yếu tố phân chia càng cao thì khả năng phân chia của máy càng lớn. Yếu tố phân chia sẽ tăng đáng kể khi tăng số vòng quay của rôto. Ký hiệu năng suất của máy là chỉ số cơ bản của máy hoạt động:
trong đó : Fl - diện tích bề mặt lắng của xilanh, m2.
Các máy ly tâm thuộc dạng này được bịt kín, có thiết bị điện an toàn và thải cặn ở phía trên bằng phương pháp thủ công. Dẫn động máy ly tâm được thực hiện từ động cơ qua truyền động bằng dây đai hình thang. Trong các máy loại này có khoá liên động cho động cơ và nắp vỏ khi giảm áp suất khí trơ trong các khoang vỏ dưới 1470 Pa. Các chi tiết của máy tiếp xúc với sản phẩm được chế tạo bằng thép 12X18H10T.
Trong công nghiệp vi sinh máy ly tâm đứng có kích thước nhỏ được sử dụng rộng rãi do độ kín và tính an toàn cao. Loại này rất thuận lợi cho nhiều quá trình tách và làm sạch một lượng vừa phải các chất hoạt hoá sinh học. Đặc tính kỹ thuật của chúng được nêu ở bảng 1.1.
Để làm trong các huyền phù có chứa một lượng không đáng kể các tạp chất rắn có độ phân tán cao, để tách các tạp chất rắn có độ phân tán cao và các nhũ tương thường sử dụng máy ly tâm siêu tốc. Khi làm trong huyền phù có chứa pha rắn có độ phân tán cao hơn 1% thì các máy ly tâm siêu tốc được hoạt động theo chu kỳ và tháo cặn bằng phương pháp thủ công. Khi tách nhũ tương thì các máy ly tâm siêu tốc hoạt động liên tục.
Bộ phận kết cấu quan trọng của máy ly tâm siêu tốc thuộc loại OTP và PTR là loại rôto ống. Máy siêu âm cao tốc (hình 1.1) được lắp đặt trên bệ bằng gang 8, đồng thời cũng là vỏ để bảo vệ máy và nó gồm rôto 9, đỉnh dẫn động 2 được nối với trục, bộ hãm và các khớp nối để thu nhận và tháo chất lỏng 4 và 7. Đầu trên của rôto được nối với đỉnh dẫn động qua trục, còn đầu dưới thì tỳ tự do vào ống dẫn hướng, cho phép trung tâm quay của rôto luôn ở hướng trọng tâm vì đáy rôto chuyển dời vào vị trí trọng tâm.
Bảng 1.1. Đặc tính kỹ thuật của các máy ly tâm lắng và lọc
Khả năng chuyển dời tự do được giảm đến tối thiểu nhằm giảm sự nguy hiểm khi xuất hiện ứng lực lớn trong các ổ bi và loại trừ rung động gây ra sự phá huỷ cân bằng. Bên trong rôto lắp cánh quạt 5 để truyền tốc độ góc của rôto cho chất lỏng. Phớt chắn 3 ở dưới có lỗ trung tâm để thu nhận chất lỏng. Ly tâm siêu tốc dạng ống làm việc với số vòng quay của rôto từ 8000 đến 45000 vòng/phút. Dẫn động máy ly tâm được thực hiện từ động cơ 1 nằm ở phần trên của máy, qua truyền động dây đai dẹt có cơ cấu căng đai dạng con lăn ép 10.
Hình1.1.Máy ly tâm siêu 226
Khi máy hoạt động, huyền phù qua vòi phun của ống nạp liệu vào phần dưới của rôto và khi quay cùng rôto huyền phù sẽ chảy theo tường của nó theo hướng dọc trục. Theo mức độ chuyển động dọc theo rôto, huyền phù bị phân lớp tương xứng với tỷ trọng của các phần trong thành phần chất lỏng. Khi đó tiểu phần rắn trong trạng thái lơ lửng bị tách ra khỏi chất lỏng, và bị lắng trên tường rôto, còn chất lỏng qua lỗ trên ở đầu rôto được đưa vào ngăn rót, và sau đó vào thùng chứa. Nhờ không xảy ra biến đổi đáng kể hướng chuyển động của chất lỏng và những dòng xoáy rối, nên loại trừ được khả năng tái xâm nhập của các tiểu phần vào huyền phù. Khi kết thúc sự phân chia, máy được dừng lại nhờ bộ hãm 6, tháo rôto cùng cặn, thiết lập sự an toàn và lặp lại chu kỳ hoạt động.
Ly tâm nhũ tương được tiến hành như sau: nhũ tương theo ống tiếp liệu vào phần dưới của rôto và theo mức độ chuyển động lên, trên được phân ra thành những cấu tử nặng và nhẹ. Cấu tử nặng sẽ qua các lỗ được phân bổ ở tường rôto rồi vào đĩa rót ở dưới và tiếp tục qua đoạn ống để đưa ra ngoài.
Các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm đều được chế t ạo bằng thép 12X18H10T và 20X13. Khoang bên trong của khung bằng gang được phủ lớp sơn chịu axit. Các máy ly tâm siêu tốc rất gọn, tiện lợi cho thao tác và có số vòng quay lớn, mặc dầu đường kính rôto nhỏ (bảng 1.2).
Bảng 1.2. Đặc tính kỹ thuật của máy ly tâm siêu tốc
Khi tăng số vòng quay của rôto lên bao nhiêu lần, đồng thời giảm đường kính của nó xuống bấy nhiêu lần thì tốc độ biên và ứng suất trong trường là không đổi. Yếu tố phân chia đối với các máy siêu tốc 12000 ÷ 51000.
Nhược điểm của các máy ly tâm siêu tốc: tính hoạt động chu kỳ, cần thiết phải tháo và lắp thường xuyên, tháo chất lắng và rửa rôto bằng phương pháp thủ công, sự tồn tại truyền động bằng dây đai.
Máy ly tâm lắng nằm ngang được ứng dụng để phân chia huyền phù có hàm lượng thể tích pha rắn từ 1 đến 40%, có kích thước các tiểu phần lớn hơn 2 ÷ 5 μm và sai khác giữa tỷ trọng pha rắn và lỏng lớn hơn 200 kg/m3. Theo chức năng công nghệ, các máy ly tâm được chia ra làm ba nhóm: làm trong và phân cấp, lắng vạn năng và lắng bằng phương pháp khử nước.
Ly tâm làm trong được ứng dụng để tinh chế huyền phù có pha rắn phân tán cao với nồng độ thấp, để tinh chế huyền phù khỏi các tiểu phần có kích thước lớn hơn 5 μm trước khi nạp chúng đến các máy phân ly kiểu đĩa và máy phân ly siêu tốc và đồng thời để làm giảm nồng độ pha rắn trong huyền phù. Các máy ly tâm làm trong và phân cấp có yếu tố phân chia lớn hơn 2500 và tỷ số giữa chiều dài hoạt động của rôto và đường kính là 1,6 ÷ 2,2.
Các máy ly tâm lắng vạn năng được ứng dụng để phân chia huyền phù có nồng độ pha rắn nhỏ và trung bình. Khi đó nhận được chất lỏng nguyên chất và chất lắng có độ ẩm không lớn. Yếu tố phân chia bằng 2000 ÷ 3000, tỷ số giữa chiều dài hoạt động của rôto và đường kính 1,6 ÷2,2.
Ly tâm lắng bằng phương pháp khử nước được ứng dụng để phân chia các huyền phù thô có nồng độ cao. Tính theo chất rắn loại này có năng suất lớn, đồng thời chất rắn nhận được có độ ẩm không lớn lắm. Yếu tố phân chia nhỏ hơn 2000, tỷ số chiều dài hoạt động của rôto và đường kính không lớn hơn 2.
Máy ly tâm lắng nằm ngang (hình 1.2) có rôto nằm ngang hình xilanh - nón 8, bên trong được lắp vít tải 7. Vít tải và rôto cùng quay một chiều, nhưng với số vòng quay khác nhau.
Hình 1.2. Máy ly tâm lắng nằm ngang
1- Cơ cấu ngưng máy khi quá tải; 2- Cửa tháo; 3-Vỏ có các vách bên trong, 4- Cống nạp liệu; 5, 10- Bệ tựa rôto; 6- Khoang để tháo chất lỏng “nguyên chất”; 7- Vít tải; 8- Rôto xilanh- nón; 9- Khoang để tháo cặn; 11- Bộ truyền động
Vít tải vận chuyển chất lắng dọc theo rôto đến cửa tháo 2 nằm trong phần thắt lại của rôto. Rôto được lắp cố định trên hai bệ tựa 5 và 10 và được quay nhờ động cơ và truyền động bằng đai hình thang. Dẫn động vít tải được thực hiện từ rôto của máy ly tâm qua bộ truyền động 11. Vỏ bao phủ lấy rôto, có các vách ngăn 3 tạo ra các khoang để tháo chất lắng 9 ra khỏi khoang, để tháo chất lỏng “nguyên chất “ 6. Trong trường hợp quá tải thì cơ cấu an toàn 1 sẽ hoạt động làm ngừng máy đồng thời nạp các tín hiệu ánh sáng và báo động. Khi máy hoạt động, huyền phù nạp theo ống 4 vào khoang trong của vít tải rồi qua cửa tháo 2 để vào rôto. Dưới tác động của lực ly tâm, huyền phù được phân chia và các tiểu phần của pha rắn được lắng trên tường của rôto. Chất lỏng trong chảy vào cửa rót, tràn qua ngưỡng rót và được tháo ra khỏi rôto. Đường kính của ngưỡng tràn được điều chỉnh bởi van điều tiết. Đặc tính kỹ thuật của máy ly tâm dạng lắng nằm ngang được nêu ở bảng1.3.
Bảng 1.3. Đặc tính kỹ thuật của các máy ly tâm hở lắng nằm ngang
Hoạt động của máy ly tâm được điều chỉnh bởi số vòng quay của rôto bằng cách thay đổi đường kính bánh đai, thay đổi tốc độ nạp huyền phù và thay đổi giá trị đường kính của ngưỡng tràn.
Để tách các huyền phù khó lọc có pha rắn gồm những hạt nhỏ với kích thước 5 ÷ 40 μm không hoà tan và có nồng độ thể tích 10% thường sử dụng các máy ly tâm lắng dạng kín có dao tháo cặn. Máy ly tâm dạng lắng tự động (hình 11.3) có rôto ngang được lắp cố định trong các ổ bi lắc.
Trên nắp ly tâm được lắp ống nạp liệu, cơ cấu cắt chất cặn, phễu tháo liệu, bộ điều chỉnh mức lớp chất liệu và chuyển hành trình của dao. Máy ly tâm được trang bị thêm các cơ cấu tháo chất lỏng đã được làm trong, gồm ống tháo có xi lanh thuỷ lực và van tiết lưu để điều chỉnh tốc độ quay của ống tháo.
Có thể phân chia huyền phù bằng hai phương pháp. Phương pháp đầu là ở chỗ: huyền phù được nạp đầy vào rôto, sau đó phân chia hỗn hợp, tháo pha rắn qua ống tháo, rồi sau đó tháo pha lỏng đã được làm trong. Việc nạp huyền phù sẽ được dừng lại một cách tự động sau khi đạt được mức cặn quy định, tiếp theo tiến hành vắt. Dùng dao quay tròn hay chuyển động tịnh tiến để cắt chất cặn đã được vắt khô và cho qua phễu chứa để thải khỏi thiết bị.
Phương pháp hoạt động thứ hai của máy ly tâm lắng như sau: huyền phù cho vào rôto một cách liên tục, pha rắn được gom lại trong rôto, còn pha lỏng được làm trong rồi cho chảy tràn qua mép và được tháo ra khỏi máy. Sự nạp liệu cho máy ly tâm được tiếp tục cho đến khi rôto chứa đầy cặn. Pha lỏng còn lại sẽ qua ống tháo để tháo ra khỏi rôto. Khi phân chia các sản phẩm dễ nổ cần phải nạp khí trơ vào vỏ máy ly tâm.
Bảng 1.4. Đặc tính kỹ thuật của máy ly tâm lắng tự động
|
Các chỉ số |
903K - 1 |
2003K - 1 |
|
Đường kính trong của rôto, mm Số vòng quay lớn nhất của rôto, vòng/phút Yếu tố phân chia lớn nhất Sức chứa, m3 Tải trọng lớn nhất, kg Công suất động cơ, kW Kích thước cơ bản, mm Khối lượng, kg |
900 1700 1450 0,3 150 30 3180×370×2100 9593 |
2000 760 640 1.25 1500 75 4200x4660x4550 19300 |
Hình 1-3. Máy ly tâm lắng tự động
B- Nạp huyền phù; C- Tháo chất lỏng đã được làm trong; D- Tháo chất lỏng nguyên chất; E- Thải nước rò rỉ; F- Thải hơi ra khỏi vỏ; G- Thải chất lắng; H- Nạp khí trơ; I- Nạp chất lỏng để rửa cặn; k- Thải khí; L- Nạp nước vào đệm kín; M- Thải nước ra khỏi đệm kín
Loại này được sử dụng để gia công huyền phù có pha rắn hoà tan và không hoà tan, đặc biệt là để gia công axit ascorbic. Dùng dao để cắt chất cặn trong máy khi giảm số vòng quay của rôto.
Các bộ phận kết cấu chung của máy ly tâm kiểu treo gồm rôto đứng và trục cọc sợi, đầu trên của trục được lắp vào gối hình cầu. Gối hình cầu được đặt cao hơn trọng tâm của hệ quay và là hệ của các ổ lắc nằm trong cốc, được tựa tự do trên bề mặt cầu của vỏ bọc bộ dẫn động.
Lắp vỏ của bộ dẫn động trên thanh thép dọc hình chữ U. Dẫn động được thực hiện từ động cơ nối với trục máy ly tâm qua khớp đàn hồi.
Nạp huyền phù từ trên vào máy ly tâm lọc khi số vòng quay của rôto giảm, sau đó tăng số vòng quay đến trị số lớn nhất, vắt, rửa và lại vắt chất lỏng. Trong các máy ly tâm lắng, huyền phù được nạp vào khi tốc độ quay của rôto hoạt động. Dùng phanh đai gắn trong mũ của bộ dẫn động để hãm máy ly tâm, cũng như dùng động cơ điện có kết cấu cho phép hãm khi quay ngược chiều. Vỏ cũng là thùng để đựng phần lọc, từ đó được tháo ra qua khớp nối nằm ở dưới đáy thùng.
Máy ly tâm dạng Φ không được bịt kín, chúng được trang bị rôto có gờ trên đột lỗ, bộ điều chỉnh mức tải trọng rôto.
Máy ly tâm được trang bị thêm áo hơi để đun nóng. Chất liệu cho rôto lắng một cách liên tục qua ống nạp liệu có vòi phun. Chất lọc được tháo ra khỏi rôto một cách liên tục qua ống thải di động, còn cặn (đạt được lớp bề dày lớn nhất) thì tháo gián đoạn vào thùng chứa khi giảm số vòng quay của rôto đến 100 vòng/phút.
Bảng 1.5. Đặc tính kỹ thuật của máy ly tâm
Loại này được sử dụng để phân chia các huyền phù mà pha rắn của chúng không thể tách được bằng phương pháp cơ học. Tháo cặn qua đáy rôto. Các cửa tháo cặn được đóng kín nhờ côn khoá hay đậy kín bằng đĩa phân phối.
Hình 1.4. Máy ly tâm dạng Φ Ô-120 (-1200)
1- Ống nối dưới của vỏ; 2- Các trục đỡ; 3- Cơ cấu để hấp; 4- Cơ cấu rửa; 5- Cơ cấu khoá chuyền của nắp; 6- Nắp vỏ; 7- Khu các ổ trục; 8- Khu dẫn động; 9- Động cơ điện; 10- Khớp nối bằng cao su; 11- Phanh đai; 12- Bộ giảm xóc bằng cao su; 13- Khu dẫn động; 14- Trục; 15- Khoá điều khiển; 16- Vỏ; 17- Rôto; 18- Côn khoá; 19- Đáy vỏ; 20- Khớp tháo; 21- Bộ phân tụ
Huyền phù được nạp vào khi nắp trên đóng kín (hình 11.4), có số vòng quay của rôto 333 vòng/phút, côn khoá hạ xuống và huyền phù được đẩy đến đĩa phân phối làm tăng khả năng phân bổ đều huyền phù trong rôto. Sau khi tháo liệu thì tăng dần số vòng quay của rôto đến 1000 vòng/phút. Kết thúc quá trình vắt và rửa cặn thì cho máy ngừng lại, nâng côn khoá và cặn được tháo ra qua đáy rôto. Tải trọng lớn nhất của máy ly tâm 450 kg với yếu tố phân chia cực đại 670.
Khi sản xuất các chất hoạt hoá sinh học trong các giai đoạn tách, thường sử dụng các dung môi hữu cơ. Cho nên sự phân chia các hệ như thế cần phải tiến hành trong các máy ly tâm đựợc sản xuất ở dạng chống nổ. Các máy ly tâm thuộc các dạng Ể, Ê và ΦÂ được sử dụng rộng rãi nhất.
Các máy ly tâm thuộc các dạng Ể-353K-2 và 353K-9 được chế tạo bằng thép không gỉ 12X18H10T rất thuận tiện để tách các huyền phù dễ cháy và dễ nổ.
Bảng 1.6. Đặc tính kỹ thuật của máy ly tâm Ể-353K-2 và 353K-9 để tách các huyền phù dễ cháy và dễ nổ
Máy ly tâm tự động dạng ΦÊ-1254K-7 được dùng để tách các hoạt hoá sinh học bị kết tủa bởi các dung môi hữu cơ. Chúng được sử dụng để trích ly huyền phù trong một khoảng rộng của độ phân tán và nồng độ của pha rắn với kích thước khác nhau của các hạt. Máy ly tâm hoạt động dưới áp suất 3,8 kPa có thổi khí trơ.
Hình1.5. Máy ly tâm tự động dạng Φ Ê - 1254 K- 7 kiểu chống nổ
1- Ống nạp liệu ; 2- Bộ điều chỉnh mức cặn; 3- Phễu tháo; 4- Ống ghép; 5- Cơ cấu tái sinh các lưới lọc; 6- Nắp phía trước; 7- Cơ cấu tháo cặn; 8- Rôto; 9- Bàn chải (chổi); 10- Khoang sau của vỏ
Máy ly tâm ΦÊ-1254K-7 (hình 1.5) lắp đặt trên bệ gang và gồm có vỏ, cụm van chính và động cơ thuỷ lực. Bên trong vỏ có rôto 8, được lắp trên trục chính, trục chuyển động được nhờ động cơ và bộ truyền dẫn đai hình thang, cửa 6 được kẹp chặt bản lề trên bệ để đóng kín vỏ. Ở phần trên của vỏ có các đoạn ống để xả hơi và thổi khí trơ, còn phần dưới - các đoạn ống để tháo chất lọc và van tháo dung dịch rửa.
Trên nắp có gắn dao quay, bộ điều chỉnh tải trọng rôto, các đoạn ống để rửa cặn và các thiết bị lọc. Van nạp liệu và đồng hồ đo chuyển động của huyền phù được nối với ống nạp liệu, còn van rửa máy và van rửa lưới lọc thì nối với ống rửa. Số vòng quay của rôto khi rửa bằng 70 ÷ 80 vòng/phút và được đảm bảo bỡi bộ dẫn động phụ, gồm thiết bị dẫn động thuỷ lực có khớp trục một chiều và trạm bơm dầu. Mở dẫn động phụ chỉ sau khi ngừng dẫn động chính. Huyền phù nạp vào rôto qua van nạp liệu và được điều chỉnh nhờ bộ điều chỉnh tải trọng. Sau khi tách pha lỏng khỏi sản phẩm rắn, có thể tiến hành rửa sản phẩm bằng chất lỏng được đưa qua van và ống rửa. Dùng dao có cơ cấu cắt đê cắt cặn và sau đó cho qua máng để vào thùng nhận.
Thời gian thao tác lọc, vắt, rửa và tái sinh các lưới lọc được xác định nhờ rơle thời gian.
Bảng 1.7. Đặc tính kỹ thuật của máy ly tâm tự động kiểu chống nổ
Máy ly tâm dạng ΦÂ-603-2 là thiết bị kín, chống nổ, tác động tuần hoàn với động cơ được lắp đồng trục với trục của rôto. Tất cả các cụm cơ bản của máy đều được lắp trên khung treo nhờ các thanh đỡ ở trên ba trụ. Rôto quay được nhờ động cơ nối với trục qua khớp nối ly hợp khởi động. Để dừng rôto một cách nhanh chóng và êm, máy cần lắp bộ hãm tự động. Nắp vỏ và cơ cấu đóng kín được tự động hoá và có thể mở ra chỉ sau khi dừng hẳn.
Nạp huyền phù theo ống qua cơ cấu ép nén để phân bổ đều. Sức chứa của rôto 0,08 m3, tải trọng lớn nhất 100 kg. Ap suất hoạt động của khí trơ 2,94 KPa. Số vòng quay lớn nhất của rôto 1450 vòng/phút, yếu tố phân chia cực đại 945. Công suất của động cơ 5,5 kW. Kích thước cơ bản 1375×1415× 1635 mm. Vật liệu của các bộ phận tiếp xúc với sản phẩm - thép cacbon được phủ chất dẻo. Máy có trang bị bộ điều khiển.
Việc phân chia các hệ ra thành các phần có tỷ trọng khác nhau được tiến hành có hiệu quả nhất khi phân ly. Phân ly đã được sử dụng rộng rãi khi tuyển tinh nấm men gia súc và nấm men bánh mì, khi phân chia các nhũ tương và làm trong các dung dịch các chất hoạt hoá sinh học trước khi cô trong các thiết bị cô và trong các thiết bị siêu lọc. Ứng dụng các máy phân ly cho phép gia công một khối lượng lớn các loại huyền phù khó lọc, cho phép tăng cường việc tách và cô các vi sinh vật và các tiểu phần rắn có kích thước lớn hơn 0,5 μm.
Theo mục đích của công nghệ, các máy phân ly chất lỏng theo phương pháp ly tâm được chia ra làm năm nhóm:
- Các máy phân ly để tách hai chất lỏng không hoà tan với nhau (ví dụ nước và parafin) đồng thời loại cấu tử lơ lửng khỏi chất lỏng;
- Bộ lọc để loại các cấu tử lơ lửng (các tế bào của huyền phù vi sinh) khỏi chất lỏng;
- Bộ lọc - bộ phân chia được hoạt động chủ yếu phụ thuộc vào sự lắp ráp rôto; - Máy cô đặc để tăng nồng độ các cấu tử lơ lửng hay các cấu tử keo của huyền phù vi sinh, đồng thời với việc phân chia sản phẩm trong trường hợp nhũ tương;
- Máy phân cấp để phân loại các cấu tử lơ lửng của huyền phù theo kích thước hay theo tỷ trọng các hạt.
Theo phương pháp thải chất lắng từ rôto, các máy phân ly được chia ra loại máy phân ly tháo bằng xung động ly tâm (tự tháo liệu), loại máy phân ly tháo bằng ly tâm liên tục (có ống thổi thẳng) và loại máy phân ly tháo cặn bằng phương pháp thủ công khi dừng rôto.
Năng suất của máy phân ly phụ thuộc vào các tính chất hoá lý của vật liệu gia công, cũng như vào mức độ cô đặc được yêu cầu.
Yếu tố phân chia của máy phân ly phụ thuộc vào các chỉ số kết cấu và được tính theo công thức:
trong đó :
i - số đĩa
Ω - tốc độ góc của trống, độ/s
ϕ - góc nghiêng tạo ra giữa đĩa và mặt phẳng ngang, độ
Rmax và Rmin - bán kính lớn nhất và bán kính bé nhất của đĩa, mm.
Máy phân ly làm lắng dạng đĩa được sử dụng trong công nghệ vi sinh để làm trong chất lỏng và tách các hợp chất của các chất lỏng hay của các huyền phù.
Thuộc loại này bao gồm các máy phân ly kín dạng ĂÝ-Â, ÔỊ-637, ĂÝ có bộ tháo cặn bằng xung động ly tâm.
Máy phân ly dạng ĂÝ-Â (hình 11.6) gồm khung máy 2 có cơ cấu dẫn động, trống quay có van để tháo chất lỏng giữa các đĩa, cơ cấu nhận và tháo 18, thuỷ trạm 7 và bộ hãm .Bên trong vỏ máy phân ly lắp các cơ cấu dẫn động, tốc kế vòng 5, bộ hãm và thuỷ trạm. Ở phần trên của vỏ có âu 8, bên trong nó có thùng 9 để chứa chất lỏng giữa các đĩa. Âu 8 được lắp thêm hai đoạn ống để nạp và tháo chất lỏng lạnh trong qúa trình phân ly. Trống quay là bộ phận hoạt động cơ bản, dưới tác động của lực ly tâm trong không gian giữa các đĩa xảy ra hiện tượng tách các hạt lơ lửng từ chất lỏng canh trường.
Trong vỏ 11 của trống quay được lắp bộ giữ đĩa 14, bộ đĩa 15, pittông 13 và van 10. Thuỷ trạm được đặt trong âu để điều khiển đóng, tháo trống quay và mở các van. Trống quay được nhờ động cơ riêng biệt. Động cơ nối với trục ngang 4 qua khớp nối, do đó những biến đổi đáng kể của momen xoắn bị triệt tiêu. Khớp ly hợp ma sát bảo đảm cho truyền động quay không đổi và nhịp nhàng.
Chất lỏng canh trường theo ống nạp trung tâm 19 vào khoang trong của bộ giữ đĩa, sau đó vào khoang không gian chứa bùn 23 của trống. Dưới tác dụng của lực ly tâm, những hạt nặng và lớn nhất của sinh khối bị bắn tới ngoại vi của trống, còn chất lỏng có các hạt sinh khối nhỏ hơn thì vào túi của các đĩa hình nón. Độ mỏng của lớp và tính phân tầng của dòng chảy sẽ bảo đảm tách những hạt sinh khối nhỏ nhất trong không gian giữa các đĩa ở trên bề mặt trong của các đĩa.
Chất lỏng đã được làm trong chảy ngược lên theo các rãnh ngoài của bộ giữ đĩa vào khoang của đĩa áp lực 17 và được tháo ra khỏi trống, còn các hạt sinh khối đã được tách ra chuyển xuống theo bề mặt các đĩa vào khoảng không chứa bùn. Khi khoảng không chứa bùn đã đầy thì ngừng nạp canh trường chất lỏng và nhờ hai cơ cấu van rót mà chất lỏng đã được làm trong từ khoảng không giữa các đĩa vào thùng chứa. Nhờ cơ cấu tháo mà sinh khối được đẩy vào thùng chứa bùn 22. Sau khi ngừng nạp nước đệm vào khoang trên pittông, đóng kín trống quay và chu kỳ công nghệ được lặp lại. Để bít kín khoảng không gian chứa bùn trong máy phân ly kiểu ly tâm có bộ tháo cặn bằng xung động cần phải tạo độ chênh lệch áp suất giữa chất lỏng bên trong trống và áp suất của phần tử đưa vào bề mặt kín. Để thực hiện được điều đó có thể sử dụng chất đệm phụ, không khí, cũng có thể là lò xo hay các phần tử đàn hồi khác.
Đường kính trống quay 600 mm, khe hở giữa các đĩa 0,5 mm, số vòng quay của trống 5000 vòng/phút.
Hình 1.6. Máy phân ly dạng ĂÝ-Â
1,6- Các nút; 2- Khung máy; 3- Bộ chỉ mức dầu; 4- Trục ngang; 5- Tốc kế vòng; 7- Thuỷ trạm; 8- Âu; 9- Thùng thu nhận; 10- Van; 11- Vỏ trống quay; 12- Đáy trống; 13; Pittông; 14- Bộ giữ đĩa; 15- Đĩa; 16- Nắp trống; 17- Đĩa áp lực; 18- Cơ cấu nhận và tháo; 19- Ống trung tâm; 20,21- Các vòng căng; 22- Thùng chứa bùn; 23- Khoảng không gian chứa bùn; 24- Ổ trục trên; 25- Lò xo trục trên; 26- Trục đứng; 27- Gối tựa
Bảng 1.8. Đặc tính kỹ thuật của máy phân ly có bộ tháo cặn ly tâm xung động
Để phân chia các huyền phù nấm men, trong công ghiệp vi sinh thường sử dụng máy phân ly có tháo cặn liên tục. Đó là loại máy phân ly - cô đặc kín bằng đĩa có bộ tháo cặn liên tục bằng phương pháp ly tâm và tháo chảy tự do cấu tử lỏng.
Máy phân ly (hình1.7) gồm khung 1 với cơ cấu dẫn động, trống quay 2 với các đĩa và trục, bộ phận chứa chất cô nấm men 4 và đoạn ống để tháo chất lỏng canh trường đã xử lý 3. Dẫn động máy phân ly được thực hiện từ động cơ riêng biệt qua khớp nối ly hợp ma sát và bộ truyền trục vít bánh vít có tốc độ cao. Trống quay được lắp đặt tự do trên trục con và được lắp vào các rãnh xẻ của trục bằng thanh giằng, nhờ đó đảm bảo việc tự điều chỉnh tâm của trống quay. Bên trong trống được lắp các đĩa hình nón có các gờ trên bề mặt ngoài, khoảng cách giữa các đĩa bằng 0,8 mm. Gia cố các túi trong ống quay nằm trong bộ giữ đĩa. Ở phần dưới của máy theo vòng tròn phân bổ các rãnh xuyên qua được đặt các ống tháo chất cô nấm men.
Huyền phù nấm men nạp qua ống phân phối vào khoang trong của bộ giữ đĩa, tại đây nhờ các gờ của nó mà chuyển động quay được truyền đến. Huyền phù chảy qua giữa bộ giữ đĩa và đáy trống. Dưới tác động của lực ly tâm, các tế bào nấm men lớn hơn bắn vào ngoại vi của trống quay. Huyền phù từ khoang chứa nấm men vào túi của các đĩa hình nón và trong chế độ chảy tầng thì bị tràn ra thành lớp mỏng đều nhau. Dưới tác động của lực ly tâm các tế bào nấm men, khi có tỷ trọng lớn so với pha lỏng, lắng trên bề mặt trong của các đĩa và được chuyển đảo theo bề mặt vào không gian chứa bùn của trống. Chất cô nấm men qua miệng phun ngoài vào thùng chứa.
Có thể điều chỉnh nồng độ nấm men trong huyền phù cô đặc bằng phương pháp thay đổi đường kính các lỗ trong miệng phun, tuy nhiên tỷ số các đường kính lỗ ở trong và bên ngoài của miệng phun lớn hơn 1:1/7. Khi giảm lượng miệng phun thì mức độ cô huyền phù nấm men tăng lên làm cho năng suất của máy giảm.
Chất lỏng được phân ly khi qua túi của các đĩa, chảy ngược lên dọc theo bề mặt ngoài của bộ giữ đĩa và chảy vào khoang rồi được tháo ra ngoài nhờ đĩa áp lực.
Mức độ cô huyền phù phụ thuộc vào nồng độ nấm men trong huyền phù ban đầu. Khi nồng độ của nấm men có 75% nước, bằng 20 ÷ 30 g/l, mức độ cô là 8 ÷ 10%, còn khi nồng độ 80 ÷ 120 g/l là 5 ÷ 6%. Cô huyền phù đến hàm lượng nấm men 550 ÷ 600 g/l được tiến hành trong khoảng 2 ÷ 3 mức phân ly liên tục.
Chất lắng cần phải đạt độ dẻo để cho nó không thể chảy ra khỏi vòi phun, không bít vòi và không tạo vòm bên trong rôto. Liên quan với điều đó việc lọc sơ bộ có ảnh hưởng tốt tới hoạt động của máy phân ly. Loc sơ bộ qua bộ lọc lưới để loại các tạp chất cơ học, làm bẩn khoảng không gian giữa các đĩa và làm bẩn các lỗ trong miệng phun. Sử dụng các máy phân ly trên để thu nhận các chất cặn có độ ẩm nhỏ nhất là không cần thiết.
Hình 1.7. Máy ly tâm COC 501K 3
Hiện nay nhiều nước đã sản xuất các máy phân ly để cô nấm men gia súc và các sản phẩm vi sinh khác có năng suất đến 200.000 l/h (loại FEUX), trống quay được lắp ống áp lực để thải các hạt rắn. Dưới tác động của lực ly tâm, trong tổ hợp gồm các đĩa hình nón của trống quay, huyền phù được phân ra các hạt rắn và pha lỏng. Các hạt nặng bắn vào thành ống và xa hơn đến ngoại vi, rồi theo một loạt ống (nhờ vòi phun) ở đầu trong vào khoang ở đáy trống. Ống áp lực cố định bên trong cô kết chất cô và dưới áp lực được tháo qua ống vào phần trên của trống. Chất lỏng trong được tháo ra khỏi trống qua cửa thoát.
Bảng 11.6. Đặc tính kỹ thuật của máy phân ly để cô huyền phù nấm men
Máy phân ly vi khuẩn tốc độ cao dạng AX-213 thuộc máy phân lý mới nhất và hiện đại. Yếu tố phân chia của nó bằng 142000, nhờ đó có thể tách các hạt có đường kính đến 0,0005 mm. Năng suất của máy đạt 36 m3/h.
Các hạt rắn được phân ly tập trung ở ngoại vi của trống quay - ngoài vùng phân ly - và trong khoảng thời gian 4 ÷ 5 phút thì tháo ra ngoài nhằm tránh sự ngăn cản dòng tiếp theo. Máy phân ly vi khuẩn làm việc liên tục, không cần phải ngừng để làm sạch, có hệ thống điều khiển quá trình tháo dỡ các hạt rắn, quá trình rửa không cần phải tháo trống quay và hoàn toàn được tự động hoá.
Máy phân ly vi khuẩn (hình1.8) được lắp đặt trên bệ 13 có bốn chân giảm xóc 10, đảm bảo tính ổn định và loại trừ dao động của máy khi hoạt động. Bên trong vỏ có trục đứng, trống quay 2 được lắp chặt trên trục hình thành dạng lõi - ống. Các ổ trục trên và dưới được lắp trong các bộ giảm xóc bằng cao su để loại trừ rung động. Hệ bôi trơn bằng phun dầu tạo sương mù được tiến hành khi trục quay.
Trống của máy phân ly vi khuẩn được trang bị các túi 3 để gom hạt rắn. Các mặt bên của túi được xếp thành góc để hướng các hạt rắn vào các ống xả. Sự bố trí các ống xả theo dọc trục cho phép đảm giữ sự hoàn chỉnh tường ngoài của trống, và làm cho nó có độ bền cơ học lớn. Sự tồn tại vòng hãm làm cho đường kính nhỏ lại nhằm giảm khối lượng và tăng độ bền thiết bị nhưng cho phép đạt tốc độ cao.
Động cơ 12 được lắp trên bệ. Truyền động quay tới trục trống nhờ đai đơn dẹt. Khớp nối từ tính 11 bảo đảm việc mở và dừng trục một cách êm thuận. Máy phân ly vi khuẩn được trang bị bộ hãm bằng thủ công để tác động tới tang của thùng chứa dầu đặt ở trong đáy vỏ trục.
Hình 1.8. Máy phân ly vi khuẩn có tốc độ cao AX - 213 của Hãng α -Lavale:
1- Ống nạp chất lỏng để làm trong; 2- Trống; 3- Các túi để chứa các hạt rắn; 4- Đĩa áp lực; 5- Vật đệm kín; 6- Vòi để xả các hạt rắn; 7- Các đĩa; 8- Vỏ trục; 9- Bộ tra dầu; 10- Bộ giảm xóc; 11- Khớp nối từ tính; 12- Động cơ; 13- Bệ máy
Nạp chất lỏng canh trường ban đầu vào trống từ trên theo ống tâm cố định 1, rồi qua bộ phân phối để vào bộ đĩa 7, tại đây các hạt rắn được tách ra. Các hạt rắn được bắn xuyên tâm theo hướng tác động của các lực ly tâm và được tháo xuống đĩa, rơi xuống mép đĩa và được đẩy ra khỏi khoảng giữa các đĩa vào ngoại vi đã được phân bố của túi, tại đây các hạt được gom lại.
Chất lỏng trong chảy lên miệng trống và được tháo ra nhờ đĩa áp lực 4. Trên đĩa áp lực có vật đệm kín 5.
Tiến hành phun gián đoạn các hạt rắn, cứ 4 ÷ 5 phút phun một lần trong khi chất lỏng được nạp liên tục và không được ngừng hoạt động. Các ống xả dọc trục 6 được nối với các van. Trong điều kiện bình thường, các van được đóng lại nhờ tấm chắn lò xo. Để đẩy các hạt rắn, tấm chắn hạ xuống nhờ thổi đột ngột không khí vào trục rỗng của trống. Khi đó các van được mở ra và các hạt rắn được tháo vào vòng gom. Các hạt rắn được tháo ra từ vòng gom vào xiclon, sau đó được tháo ra ngoài dưới áp suất của lực ly tâm.
Thiết bị để phân ly vi khuẩn (hình 11.9) gồm máy phân ly 3, trạm điều khiển 2, tủ 1 có thiết bị chuyển mạch và bộ van 4. Tất cả các công đoạn đều được tiến hành ở chế độ tự động.
Hình 1.9. Sơ đồ thiết bị phân ly vi khuẩn tốc độ cao AX - 213 của Hãng α -Lavale
Đặc tính kỹ thuật của thiết bị phân ly vi khuẩn AX - 213
Năng suất, m3/h: 36
Đường kính trống quay, mm: 430
Công suất động cơ, kW: 30/37
Kích thước cơ bản, mm:
dài: 1770
rộng: 940
cao: 1800 Khối lượng, kg:
máy phân ly vi khuẩn: 1550
trống quay: 460
Hiệu suất phân ly tỷ lệ với số vòng quay của trống, đường kính của nó, kích thước các hạt, với sự khác biệt giữa các pha rắn và lỏng. Khi tăng độ nhớt của môi trường thì hiệu suất phân ly giảm.
Năng suất phân ly tính theo thể tích huyền phù được nạp vào trong một giây (m3,s):
trong đó:
ησ - hiệu suất của trống quay trong máy phân ly (lấy bằng 0,25);
Kc - hệ số cô, có tính đến ảnh hưởng hàm lượng tế bào nấm men trong huyền phù ban đầu đến quá trinh bảng 11.10;
Ω - tốc độ góc của trống, độ/s;
i - lượng đĩa;
ϕ - góc nghiêng tạo nên côn đĩa, độ (ϕ = 45 ÷ 60);
Rmax và Rmin- bán kính lớn nhất và bán kính nhỏ nhất của đĩa, m;
ρ1 và p2- tỷ trọng pha rắn và môi trường, kg/m3;
μ - độ nhớt động học của hệ phân tán; Pa⋅s;
r - bán kính quy đổi của hạt rắn, m;
Cd và Cc- phần thể tích của các hạt rắn (tế bào nấm men) trong huyền phù ban đầu và trong chất cô, %.
Công thức quy đổi được sử dụng để tính các máy phân ly bằng phương pháp phun. Hệ số cô tính đến ảnh hưởng hàm lượng pha rắn hay tựa pha rắn (ví dụ, các tế bào nấm men) trong huyền phù ban đầu đến quá trình phân ly, xảy ra trong túi các đĩa. Trị số hệ số cô phụ thuộc vào nồng độ huyền phù nạp vào máy được nêu ở bảng 11.10.
Bảng 1.10. Trị số hệ số cô phụ thuộc vào nồng độ huyền phù nạp vào máy
|
Cd |
Kc |
Cd |
Kc |
|
10 20 30 |
1 0.8694 0.7558 |
40 50 60 |
0.6572 0.5712 0.4966 |
Lực ly tâm là động lực của quá trình. Tốc độ lắng của các hạt trong máy phân ly (m/s):
trong đó:
d - đường kính của các hạt rắn, m;
ω - số vòng quay của trống, vòng/ph;
R - bán kính trống, m;
ρ r - tỷ trọng của pha rắn, kg/m3;
ρ l - tỷ trọng của pha lỏng, kg/ m3;
μ - độ nhớt động học, Pa⋅s.
Đường kính các lỗ phun của máy phân ly (m):
trong đó:
Q - năng suất của máy phân ly, m3/s;
Zc - số lượng các lỗ;
Kch - hệ số chảy, đối với cặn (chất lỏng) thường lấy bằng 0,7;
R - khoảng cách từ trục quay của trống đến lỗ thoát của vòi phun;
r - khoảng cách từ trục quay của trống đến bề mặt chất lỏng, m.
Từ phương trình này có thể xác định nồng độ sinh khối trong huyền phù cô:
Trong các máy phân ly ngoài các vòi phun bên ngoài còn có các vòi phun bên trong được nối với nhau bằng các van. Để cho máy phân ly hoạt động bình thường, tỷ số kích thước giữa các vòi trong và vòi ngoài cần phải ở trong giới hạn :
1,7dngoài < dtrong < 2d
Tổng công suất tiêu hao cho dẫn động máy phân ly (kW):
trong đó:
Nc và Nl - công suất tiêu hao để tháo chất cô qua vòi phun và tháo chất lỏng đã được làm trong, kW;
Nt và Nm - công suất tiêu hao không khí để thắng sức cản của trống và thắng ma sát trong gối trục, kW.
Tiêu hao công suất để tháo chất cô (kW):
trong đó:
ρ c - tỷ trọng chất cô, kg/m3;
v - tốc độ tháo chất cô qua vòi phun, m/s:
β - góc nghiêng của trục tâm vòi với đường tiếp tuyến, độ;
Qc - tiêu hao chất cô qua vòi phun, m3/s.
Nếu chất lỏng phế thải được tháo tự do, tiêu hao công suất (kW) để tháo có thể xác định theo công thức:
trong đó:
Ql - Lưu lượng chất lỏng đã được làm trong, m3/h.
Nếu chất lỏng trong được tháo ra nhờ đĩa áp lực thì tiêu hao công suất (kW) có thể được cho phép xác định tương tự như hoạt động của bơm:
trong đó: ρ - tỷ trọng chất lỏng trong, kg/m3
H - cột áp được đĩa tạo ra, kPa;
η - hiệu suất của cơ cấu áp lực, có thể lấy bằng 0,5.
Cột áp được tạo bởi đĩa áp lực:
Công suất (kW) tiêu hao để thắng ma sát của trống với không khí:
trong đó: rσ - bán kính của trống, m.
Tiêu hao công suất (kW) để thắng ma sát trong các trục:
trong đó: mσ - khối lượng của trống với sản phẩm, kg;
dn - đường kính ngõng trục, m;
f - hệ số ma sát (đối với các ổ bi bằng 0,02 ÷ 0,03).
>> Xem lại: Các thiết bị lên men nuôi cấy chìm vi sinh vật trong các môi trường dinh dưỡng lỏng
>> Xem tiếp: Thiết bị phân chia các dung dịch của các chất hoạt hóa sinh học bằng màng mỏng
Sưu tầm và biên soạn bởi: Valve Men Team./.
