Что общего у нефтяной промышленности, атомной энергетики и вашей стиральной машины

Любители экстремальных аттракционов, где главный вау-фактор — это вращение, не раз испытывали на себе действие центробежной силы. Она стремится вытолкнуть посетителей за бортики, а еще — выжать капли воды из мокрого белья в стиральной машине и удалить лишние компоненты из энергоресурсов при их очистке. Вращающиеся аттракционы, стиральную машину, нефтяную, угольную и даже атомную промышленности объединяет центрифуга. Для чего она понадобилась сразу нескольким областям энергетики — разбиралась «Энергия+».

Центрифуга используется, когда необходимо отделить одно от другого: сливки от молока, нефть от воды, уголь от примесей, а уран — от урана. Она разделяет разные по плотности компоненты жидкости или разные по массе элементы газовой смеси — в процессе вращения на высокой скорости в закрытом контейнере или открытом барабане. Более тяжелые составляющие смеси движутся наружу вдоль радиуса, менее тяжелые перемещаются к центру. Отсюда и латинское название — centrifuga, то есть «центробежная».

Чем выше скорость вращения, тем лучше центробежная сила отделяет тяжелое от легкого. Но посетители аттракционов могут не делать поправку на массу: в парке развлечений всех выталкивает наружу одинаково — и стройных, и тех, кто не успел скинуть пару килограммов к лету. На таких скоростях различие масс катающихся незначительно. 

Почему центробежная сила так называется, если направляет тела не к центру окружности, а прочь из нее? Когда тело вращается, на него действует центростремительная сила. Она «поворачивает» вектор скорости и заставляет тело кружиться. Например, когда шарик на ниточке обращается вокруг точки прикрепления нити, то центростремительной будет сила натяжения нити. По инерции шарик захочет продолжать движение по прямой и будет убегать от центра. Это стремление и описывает центробежная сила.

Если стоит задача отделить твердую фазу от жидкой, в качестве барабанов центрифуги используют фильтры, которые через отверстия пропускают наружу жидкую составляющую, удерживая внутри твердую. Так отжимается белье в стиральной машине. На скорости вращения от 400 до 1200 оборотов в минуту центробежная сила прижимает белье к поверхности барабана и действует на капли воды, которые выходят через отверстия в каплесборник и затем в канализацию.

Когда нужно разделить компоненты одной фазы: жидкости или газа, используют специальные конструкции для отвода разных фракций. Например, в молочном сепараторе более плотная составляющая — обезжиренная часть молока, — собирается по периметру центрифуги, менее «тяжелая» (сливки) — в центре. С помощью системы специальных тарелочек и желобов сливки и молоко на выходе сепаратора «разводятся» и выливаются в разные емкости.

Важное место центрифугирование занимает в энергетике. На принципе центробежной силы созданы сложные технологические установки, которые позволяют убирать ненужные составляющие из добытых источников энергии и обогащать топливо.

Нефтяная промышленность

Нефтепереработка связана с использованием воды на разных технологических этапах. При нагреве нефть разделяется на фракции. Одна из них — вода с растворенными в ней нефтепродуктами (органическая фаза) и кеком (неорганическая). Концентрация нефтепродуктов в сточной воде — 1–3%, но даже такое небольшое количество извлекают, возвращая на переработку 100–300 тонн нефтепродуктов в месяц. Из них делают бензин, пластик, моторное масло, битум для асфальтирования дорог и множество важных потребительских товаров. 

На установке «Биосфера» Московского нефтеперерабатывающего завода (НПЗ) вода очищается с эффективностью до 99,9%. Достичь таких показателей помогает комплексная очистка сточных вод, содержащая центрифуги. Разделить с их помощью нужно сразу три фазы: воду, нефтепродукт и твердый кек, поэтому центрифуга на «Биосфере» трехфазная. 

Предварительно разделяемую смесь и разогревают до 60–80 градусов Цельсия и добавляют особое вещество — флокулянт. Он «прилипает» только к твердым частицам, объединяя их в «хлопья» — флоккулы, что увеличивает эффективность разделения твердой и жидкой фракций в центрифуге, раскрученной до 3150 оборотов в минуту. 

Твердая фракция отправляется на биорекультивацию: микроорганизмы перерабатывают «хлопья» и превращают их в удобрения. Жидкая фракция попадает в специальный карман центрифуги, в котором за счет предварительного нагрева разделяется на воду и нефтепродукты. Органическая фаза собирается в резервуарах для нефтепродуктов и возвращается в переработку, а вода заново поступает на первый этап очистки и проходит весь цикл с нуля, очищаясь до 99,9%. 

Угольная промышленность

Чтобы из угольной руды получить топливо, ее сначала очищают от примесей на обогатительных фабриках. Одним из самых распространенных способов обогащения является мокрый, при котором руду «стирают», удаляя из нее всю «грязь», которая растворяется в воде. 

Для сушки обогащенного угля используют центрифуги, которые работают в точности как барабан стиральной машины: «постирали», покрутили в дырявом барабане, чтобы капли воды сбежали под воздействием центробежной силы, а твердая составляющая осталась внутри. Скорости вращения у сушильного барабана для угля сравнимы с параметрами домашней стиралки: от 300 до 1000 оборотов в минуту. Размеры угольных частиц при этом — от долей до десятков миллиметров. Это гораздо меньше капель воды. Поэтому барабан в центрифугах для угля оснащен специализированным фильтром, подобранным в соответствии с размером частиц, которые надо «просушить».

Ядерная энергетика

На тепловых станциях топливом является уголь, а на атомных — уран. Но в ядерном реакторе уран не сгорает, а делится. Лишь 0,7% урановой руды подходит для большинства построенных реакторов, а потому уран перед использованием нужно обогатить: отделить «подходящий» уран-235 от его брата-близнеца урана-238, которого в природном уране содержится 99%. Это можно сделать с помощью газовой центрифуги.

На вход газовой центрифуги направляют гексафторид урана UF₆ — газообразное соединение урана. На скорости вращения около 120 тысяч оборотов в минуту оно разделяется на легкую и тяжелую фракции: U-235 и U-238, которые отводят в разные накопители. Различие масс между фракциями — всего 3 атомные единицы или 4,99 * 10^-27 килограмма, что в миллиард миллиардов миллиардов раз меньше килограмма. 

Эффективность разделения зависит от разности масс, и так как она ничтожна, центробежная сила не может разделить такую смесь строго на две части. Но увеличить содержание нужной, легкой фракции с природных 0,7% до достаточных 3,5% — реально, хоть и непросто. На одной центрифуге доля U-235 в смеси увеличивается на крошечные доли процента, поэтому нужны десятки тысяч (!) таких центрифуг, объединенных в каскады, чтобы достичь необходимого для ядерного реактора содержания U-235. 

Принцип действия центрифуги прост: достаточно малейшего различия в массе или плотности компонентов, чтобы разделить смесь с помощью центробежной силы. Метод прочно занял свое место в энергетике, а технология центрифугирования усложняется и подстраивается под растущие требования промышленности.