L'essenza della disidratazione e della chiarificazione è la separazione solido-liquido delle sospensioni; la disidratazione consiste nel rimuovere la fase liquida da quella solida, mentre la chiarificazione consiste nel rimuovere la fase solida da quella liquida. La concentrazione consiste nell'aumentare la concentrazione della fase solida nella sospensione, mentre la classificazione consiste nel suddividere le particelle di diverse dimensioni presenti nella sospensione in due gruppi di particelle più grandi di dkp e più piccole di dkp, in base a una determinata dimensione critica delle particelle dkp. La separazione si riferisce generalmente alla separazione di due fasi liquide immiscibili. Se le due fasi liquido-liquido sono continue, la separazione delle due fasi è correlata solo alla loro densità; se una fase è continua e l'altra dispersa, si parla di separazione di emulsioni. La separazione bifasica delle emulsioni non è correlata solo alla differenza di densità, ma anche alla dimensione delle goccioline della fase dispersa, alla tensione superficiale e ad altri fattori, e la separazione risulta difficoltosa. La separazione centrifuga è un processo fisico e la difficoltà di separazione dipende dalle proprietà del materiale e dalle proprietà di separazione della centrifuga.
1. Disidratazione centrifuga
La disidratazione centrifuga può essere effettuata in due tipologie: centrifughe filtranti e centrifughe a sedimentazione.
La centrifuga filtrante utilizza mezzi filtranti, come reti e griglie, per trattenere le particelle solide sulla rete filtrante sotto l'azione della forza centrifuga, e il liquido viene scaricato attraverso la rete filtrante per ottenere la separazione solido-liquido. Questo tipo di macchina ha un basso consumo energetico, torte di filtrazione lavabili e un'elevata velocità di disidratazione delle particelle solide. È adatta per particelle di materiale con una differenza di densità solido-liquido ridotta e una granulometria di micron o superiore, e il contenuto solido del liquido di alimentazione può essere compreso tra il 30% e il 60%.
Se le particelle di materiale, come i cristalli, possono rompersi durante il processo di disidratazione, è possibile scegliere una centrifuga con scarico raschiante. Se le particelle di materiale, come i cristalli, non possono rompersi, è possibile scegliere centrifughe con scarico a pistone, a spinta manuale e a scarico centrifugo. Oltre all'assorbimento d'acqua del materiale stesso, le prestazioni di disidratazione sono correlate anche al fattore di separazione, al tempo di separazione, all'apertura delle maglie del filtro, alla porosità, alla viscosità del materiale, alla tensione superficiale, all'idrofobicità dello strato di torta filtrante, ecc. della centrifuga.
Per particelle con bassa concentrazione di solidi, alta viscosità, granulometria fine o micelio amorfo, le centrifughe filtranti non sono generalmente adatte. Poiché le particelle sono troppo fini, possono facilmente fuoriuscire dal filtro e causare perdite di materiale. Un filtro troppo fine porterà a una scarsa idrofobicità e alla riduzione della capacità di lavorazione della macchina e delle prestazioni di disidratazione delle particelle. Il micelio amorfo e le particelle oleose tendono a intasare facilmente il filtro. Per questi materiali, si consiglia di utilizzare una centrifuga a sedimentazione senza filtro.
La centrifuga a sedimentazione sfrutta la differenza di densità tra la fase solida e quella liquida. Nel campo centrifugo, la fase solida ha un'elevata densità e si deposita sulla parete interna del tamburo. Il sedimento viene scaricato dalla macchina attraverso il trasportatore a spirale all'interno del tamburo. La fase liquida ha una densità ridotta e tende a depositarsi al centro del tamburo, fuoriuscendo dalla porta di troppo pieno della macchina per raggiungere lo scopo di separazione e disidratazione liquido-solido. Questo tipo di macchina ha un elevato fattore di separazione e non richiede filtri. La separazione solido-liquido sfrutta la differenza di densità tra le due fasi. È particolarmente adatta per micelio amorfo, fanghi oleosi e particelle fini ad alta viscosità.
Questo modello non richiede un elevato contenuto di solidi nell'alimentazione. Il contenuto di solidi di diversi materiali può essere compreso tra l'1% e il 40% (frazione in massa). La dimensione delle particelle è pari o superiore a micron. Tuttavia, questo tipo di macchina ha uno scarso effetto di lavaggio sui sedimenti, un consumo energetico maggiore rispetto alla centrifuga filtrante e un effetto di disidratazione peggiore rispetto alla centrifuga filtrante.
2. Chiarificazione centrifuga
La chiarificazione consiste nella rimozione di una piccola quantità di fase solida da una grande quantità di fase liquida. È ampiamente utilizzata nell'industria farmaceutica, alimentare, delle bevande e in altri settori. Poiché il contenuto solido del materiale è basso e le dimensioni delle particelle sono ridotte, è necessario utilizzare un separatore a dischi o una centrifuga tubolare con un fattore di separazione più elevato. Talvolta è possibile utilizzare anche filtri di precisione o una separazione a membrana.
3. Concentrazione centrifuga
La concentrazione può aumentare il contenuto di solidi nella sospensione. Ad esempio, se il contenuto di solidi nella sospensione originale è pari allo 0,5% di sostanza secca (frazione di massa, la sostanza secca è il solido secco assoluto), il contenuto di solidi viene aumentato del 3-5% di sostanza secca tramite sedimentazione per gravità, sedimentazione centrifuga o filtrazione. Questo processo è definito concentrazione. La fase liquida viene notevolmente ridotta durante il processo di concentrazione.
Ad esempio, la concentrazione dei fanghi negli impianti di trattamento delle acque reflue urbane: se 100 m³ di fanghi secondari con un contenuto di solidi pari allo 0,5% di sostanza secca vengono concentrati al 5% di sostanza secca, è necessario rimuovere 90 m³ di liquido da 100 m³ di fanghi secondari per raggiungere un contenuto di solidi pari al 5% di sostanza secca, riducendo così notevolmente il volume di disidratazione dei fanghi successivo. Anche il modello e le dimensioni della macchina di disidratazione selezionata vengono ridotti di conseguenza. I concentratori centrifughi comunemente utilizzati includono centrifughe di sedimentazione a scarico orizzontale a spirale, separatori di scorie con ugelli a disco e idrocicloni, concentratori a vaglio rotante, ecc.
4. Classificazione centrifuga
La classificazione delle particelle si basa sulle diverse dimensioni delle particelle in sospensione e anche sulle loro velocità di sedimentazione. Il metodo che utilizza diverse velocità di sedimentazione per suddividere le particelle in sospensione in due o più gruppi in base alla dimensione delle particelle è chiamato classificazione a umido; il metodo che utilizza un mezzo gassoso per la classificazione delle particelle è chiamato classificazione a secco.
I modelli più comunemente utilizzati per la classificazione centrifuga a umido includono centrifughe di sedimentazione a scarico orizzontale a spirale. La porta di scarico a spirale di questo tipo di macchina ha la forma di una scanalatura trasversale lunga, in modo che la posizione di uscita del tubo di alimentazione della macchina possa essere spostata assialmente avanti e indietro per modificare il tempo di sedimentazione delle particelle. In base alla differenza di densità tra la fase solida e quella liquida e alla granulometria critica delle particelle (dkp) richiesta per la classificazione, è possibile selezionare il fattore di separazione, la velocità differenziale e la posizione di uscita del tubo di alimentazione appropriati, in modo che le particelle più grandi di dkp si depositino come sedimento e vengano scaricate dalla porta di scarico scorie all'estremità piccola del tamburo; le particelle più piccole di dkp rimangono nella fase liquida e seguono la fase liquida per essere scaricate dalla porta di troppo pieno all'estremità grande del tamburo, ottenendo così una classificazione continua delle particelle. Per ottenere un buon effetto di classificazione, il rapporto solido-liquido della sospensione deve essere appropriato e durante il processo di classificazione deve essere aggiunta una quantità adeguata di disperdente per evitare l'agglomerazione delle particelle di piccole dimensioni.
Per la classificazione delle particelle con un volume di processo molto piccolo, è possibile selezionare una centrifuga a tre stadi, ma il suo fattore di separazione è basso, quindi non può classificare le particelle più piccole.
5. Separazione centrifuga
La separazione centrifuga si riferisce alla separazione bifase o trifase liquido-liquido e liquido-liquido-solido. Tuttavia, le fasi devono essere sistemi disomogenei e immiscibili tra loro. Il principio di separazione si basa sullo sfruttamento della differenza di densità tra le fasi. Tra le più comuni vi sono la separazione olio-acqua e la separazione olio-sapone nella lavorazione dell'olio alimentare, e la separazione olio-acqua-scorie nella purificazione di olio combustibile e olio lubrificante. Le centrifughe utilizzate sono separatori di scorie manuali a disco e centrifughe a pistone a disco per la separazione delle scorie. Per la separazione olio-acqua-scorie nella purificazione di olio di palma, catrame di carbone e olio d'oliva, vengono utilizzate principalmente centrifughe trifase a scarico orizzontale a spirale. Per la separazione liquido-liquido e liquido-liquido-solido in medicinali, alimenti e bevande, vengono generalmente utilizzati separatori tubolari a causa della ridotta capacità di processo.
