КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕПАРАТОРОВ

Аннотация. В статье представлен систематический обзор существующих типов промышленных сепараторов — аппаратов для разделения неоднородных смесей. Рассмотрены основные принципы классификации по физическим, технологическим и конструктивным признакам. Дана характеристика гравитационных, центробежных, магнитных, электрических, пневматических и других сепараторов. Приведены таблицы для сравнительного анализа и описаны типовые схемы. Статья предназначена для специалистов в области химического, нефтегазового и горного машиностроения.

Ключевые слова: классификация, промышленные сепараторы.

1. Введение

Сепаратор (от лат. separator — отделитель) — это аппарат, предназначенный для разделения (сепарации) гетерогенных систем на составные части, удаления из них твёрдых или жидких примесей, а также для разделения эмульсий. Сепараторы являются основными аппаратами в процессах радиометрической сортировки, гравитационного, магнитного и электрического обогащения на обогатительных фабриках. Широкое применение они находят в нефтегазовой, химической, горнорудной, пищевой и других отраслях промышленности.

Единой универсальной классификации сепараторов не существует, поскольку они различаются по назначению, принципу действия, конструкции, типу разделяемой среды и другим признакам. Задача данной статьи — систематизировать основные виды сепараторов, описать их устройство и области применения.

Принцип действия различных типов сепараторов основан на различии физических свойств компонентов смеси: формы, массы, плотности частиц, коэффициента трения, магнитных или электрических свойств и т.п.

2. Основные классификационные признаки

Многообразие сепараторов может быть систематизировано по нескольким ключевым признакам.

2.1. По типу разделяемой среды

В зависимости от среды, в которой осуществляется сепарация, различают:

• Сухие сепараторы — работают в газовой (воздушной) среде, например, пневматические сепараторы, воздушные классификаторы.
• Мокрые сепараторы — работают в жидкой среде, например, гидроциклоны, отстойные сепараторы, тяжелосредные сепараторы.

2.2. По технологическому назначению

По технологическому назначению сепараторы делятся на три основных класса:

1. Сепараторы-разделители — для разделения смеси жидкостей, не растворимых одна в другой (например, нефть — вода).
2. Сепараторы-осветлители — для очистки жидкостей от твёрдых примесей.
3. Сепараторы-концентраторы — для выделения ценного компонента из рудного сырья (магнитная, электрическая сепарация).

2.3. По принципу действия

По принципу действия сепараторы можно разделить на гравитационные, центробежные, магнитные, электрические, пневматические и комбинированные.

3. Классификация по принципу действия и конструкции

3.1. Гравитационные (отстойные) сепараторы

Гравитационные сепараторы являются наиболее простыми по конструкции. Принцип их работы основан на осаждении более тяжёлых частиц или фаз под действием силы тяжести.

Классическим примером являются нефтегазовые сепараторы, в которых под воздействием гравитационных сил вода и твёрдые частицы оседают на дно, а лёгкие углеводороды (нефть и газ) поднимаются вверх. По конструктивному исполнению такие сепараторы могут быть горизонтальными (для обработки больших объёмов) и вертикальными.

Схема простейшего отстойного сепаратора представляет собой цилиндрическую ёмкость с патрубками входа смеси, выхода осветлённой жидкости и удаления осадка.

3.2. Центробежные сепараторы

Центробежные сепараторы являются одними из наиболее распространённых. Процесс разделения в них происходит под действием центробежной силы, во много раз превышающей силу тяжести.

Центробежные сепараторы в свою очередь подразделяются на:

• Саморазгружающиеся сепараторы — для непрерывной работы с автоматической выгрузкой осадка.
• Сопловые сепараторы — для выделения высококонцентрированных осадков.
• Сепараторы со сплошной оболочкой барабана — для очистки жидкостей с небольшим содержанием примесей.

Отдельным классом центробежных сепараторов являются циклоны, применяемые для механической очистки газов от твёрдых и жидких частиц. Схема циклона представляет собой цилиндрический корпус с коническим дном, тангенциальным вводом газового потока и осевым выходом очищенного газа.

3.3. Магнитные сепараторы

Магнитные сепараторы предназначены для отделения магнитных материалов от немагнитных примесей и пустой породы. В основе их работы лежит действие магнитного поля на минеральные частицы, обладающие различной магнитной восприимчивостью. Магнитные сепараторы широко применяются для обогащения железных, марганцевых, титановых, вольфрамовых руд.

По конструктивным особенностям транспортирующего устройства различают барабанные, ленточные, валковые, дисковые, шкивные и другие магнитные сепараторы. По силе магнитного поля их делят на сепараторы со слабым полем (для сильномагнитных материалов) и сепараторы с сильным полем (для слабомагнитных материалов).

3.4. Электрические (электростатические) сепараторы

В электрических сепараторах разделение частиц происходит в электрическом поле. Электрический заряд может сообщаться частицам контактом с заряженным металлическим электродом или трением (трибоэлектрический эффект). По физическим принципам и конструктивным признакам электросепараторы классифицируют на барабанные, лотковые, виброплоскостные, пластинчатые, кольцевые, ленточные и др. Они эффективны при обогащении руд редких металлов, алмазов и для переработки вторичного сырья.

3.5. Пневматические (воздушные) сепараторы

Пневматические сепараторы используются для отделения лёгких примесей от основного продукта с помощью воздушной струи. По принципу действия выделяют следующие классы воздушных сепараторов:

• Центробежные (с вращающейся или неподвижной зоной сепарации);
• Гравитационные (поперечно-поточные, поворотные, противоточные);
• Каскадные;
• Комбинированные.

4. Классификация тяжелосредных сепараторов для обогащения полезных ископаемых

В горнорудной промышленности для обогащения полезных ископаемых в тяжёлых средах применяются специальные тяжелосредные сепараторы. На рис. 1 представлены принципиальные схемы их основных типов.

Рисунок 1. Принципиальные схемы основных типов тяжелосредных сепараторов:

а) Конусный сепаратор — с аэролифтной выгрузкой тяжёлой фракции; б) Пирамидальный сепаратор — с элеваторной выгрузкой; в) Барабанный сепаратор — с выгрузкой тяжёлой фракции лопастями; г) Корытный сепаратор — с колесной выгрузкой

Конусные, пирамидальные и барабанные сепараторы преимущественно применяются для обогащения руд, тогда как корытные — для углей и других неметаллических полезных ископаемых.

5. Сравнительная таблица основных типов сепараторов

Для наглядного сравнения основных типов сепараторов по ключевым характеристикам ниже представлена сводная таблица.

Таблица 1.

 Сравнительная характеристика основных типов сепараторов

Продолжение Таблицы 1

6. Классификация по ГОСТ 26070-83

Государственный стандарт ГОСТ 26070-83 «Фильтры и сепараторы для жидкостей. Термины и определения» устанавливает терминологию и схемы классификации фильтров, сепараторов и фильтрующих элементов. Стандарт распространяется на сепараторы для жидкостей, применяемые в науке, технике и производстве (кроме двигателей внутреннего сгорания).

Схема классификации по ГОСТ 26070-83: в приложении к стандарту приведены три схемы классификации, где в скобках указаны номера терминов. Эти схемы охватывают классификацию по конструкции, по принципу действия и по назначению. Данный стандарт остаётся основополагающим документом для унификации терминологии в области сепарационного оборудования.

7. Комбинированные и специальные сепараторы

В промышленности находят применение также комбинированные сепараторы, использующие несколько физических принципов одновременно. К ним относятся:

• Центробежно-вихревые сепараторы.
• Фильтр-сепараторы — сочетающие фильтрацию и гравитационное осаждение.
• Прессо-шнековые сепараторы для обезвоживания.
• Вибрационные сепараторы, в которых разделение интенсифицируется вибрацией рабочей поверхности.

В последние годы активно развиваются оптические и индукционные сепараторы для сортировки вторичного сырья, работающие на основе оптических характеристик (цвет, форма, прозрачность) и индукционного зондирования.

8. Заключение

Классификация сепараторов является сложной и многопараметрической задачей, что обусловлено широким разнообразием как самих аппаратов, так и условий их применения. Обобщая, можно выделить следующие основные классы: гравитационные, центробежные, магнитные, электрические, пневматические, а также специальные (оптические, индукционные) и комбинированные. Каждый класс имеет множество конструктивных разновидностей, выбор которых зависит от физико-химических свойств разделяемой смеси, требуемой производительности и степени очистки.

При проектировании и выборе сепарационного оборудования следует руководствоваться как отраслевыми стандартами (например, ГОСТ 26070-83), так и современными научно-техническими разработками в области сепарационной техники.