«УТВЕРЖДАЮ»

Заведующий кафедрой ВТУ

«Технология продуктов питания»

__________________

«___» _______________ 2011 года

Кафедра: Технология продуктов питания

Дисциплина: Процессы и аппараты пищевых производств

Методические указания к выполнению контрольной работы

Методические указания по выполнению контрольной работы составлены на основании рабочей учебной программы по дисциплине процессы и аппараты пищевых производств

Методические указания по выполнению лабораторных работ рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «___» __________ 2011 года.

Преподаватель кафедры

Технологии продуктов питания Соловых С.Ю.

Оренбург, 2011

Гидромеханические процессы Теоретические основы процессов разделения неоднородных систем под действием центробежной силы.

Гидромеханические процессы – процессы, скорость которых определяется законами механики и гидродинамики. Примером этих процессов могут служить процессы перемещения жидкостей и газов по трубопроводам и аппаратам, перемешивания в жидких средах, разделения суспензий и эмульсий путем отстаивания, фильтрования, центрифугирования, процесс псевдоожижения зернистого материала.

1. Неоднородные системы и методы их разделения

Неоднородными, или гетерогенными, называют системы, состоящие, как минимум, из двух фаз: дисперсной (внутренней), обычно находящейся в тонкораздробленном состоянии, и дисперсионной (внешней), окружающей частицы дисперсной фазы.

Различают следующие неоднородные системы:

Суспензии состоят из жидкой дисперсионной и твердой дисперсной фаз. В зависимости от размера взвешенных твердых частиц суспензии делятся на грубые с частицами размером >100 мкм; тонкие, когда размеры твердых частиц составляют 0,1. ..100 мкм, и коллоидные растворы, содержащие твердые частицы размерами <0,1 мкм.

Эмульсии состоят из двух жидких фаз, не растворяющихся одна в другой: дисперсионной и дисперсной. Размер частиц дисперсной фазы может колебаться в значительных пределах. Под действием гравитационной силы эмульсии обычно расслаиваются, однако тонкие эмульсии с размером капель дисперсной фазы менее 0,4...0,5 мкм, а также содержащие стабилизаторы, становятся устойчивыми и не расслаиваются в течение продолжительного времени.

С увеличением концентрации дисперсной фазы может возникнуть состояние, когда дисперсная фаза обращается в дисперсионную и наоборот. Такой взаимный переход называется инверсией фаз.

Пены состоят из жидкой дисперсионной и газовой дисперсной фаз. По своим свойствам пены близки к эмульсиям.

Пыли и дымы состоят из газовой дисперсионной и твердой дисперсной фаз. Образуются пыли обычно при дроблении, смешивании, транспортировке твердых материалов. Размеры твердых частиц составляют от 3 до 70 мкм. Дымы образуются при горении. Размер твердых частиц в дымах составляет 0,3... 5 мкм.

Туманы состоят из газовой дисперсионной и жидкой дисперсной фаз. Туманы образуются при конденсации паров. Размер жидких капель в тумане 0,3...3 мкм. Пыли, туманы и дымы представляют собой аэрозоли.

Основные методы разделения неоднородных систем в пищевой промышленности — осаждение, фильтрование.

Осаждение — процесс разделения жидких и газовых неоднородных систем под действием гравитационных сил, сил инерции (центробежной силы) или сил электрического поля. Соответственно различают гравитационное отстаивание, циклонное и отстойное центрифугирование, электроочистку.

Фильтрование — процесс разделения жидких и газовых неоднородных систем с использованием пористой перегородки, способной пропускать жидкость и газ, но задерживающей взвешенные частицы. Фильтрование осуществляется под действием сил давления или центробежных сил. Соответственно различают просто фильтрование и центробежное фильтрование. Фильтрование более эффективно для разделения суспензий, эмульсий и пыли, чем осаждение.

Картофельная кашка, полученная после протирочной машины, представляет собой неоднородную систему.

Для интенсификации процессов разделения неоднородных систем, таких как суспензий или эмульсий, используют действия центробежной силы. С целью создания поля центробежных сил применяют два технических приема: поток жидкости или газа вращается в неподвижном аппарате, и этот процесс называется циклонным, а аппарат – циклоном; или поток поступает во вращающийся аппарат и вращается вместе с ним, тогда процесс называется центрифугированием, а аппарат – центрифугой.

Во вращающемся потоке на твердую частицу, находящуюся во взвешенном состоянии, действует центробежная сила. Под действием центробежной силы частица движется от центра к стенке аппарата по принципу отстаивания, однако, действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы. В общем случае величина центробежной силы выражается равенством

, (1)

где - масса вращающегося тела, кг;

- окружная скорость вращения, м/с;

- радиус вращения, м.

Окружная скорость вращения определяется равенством

, (2)

где: - угловая скорость вращения, рад/с;

- число оборотов в минуту, мин^-1.

В гравитационных отстойниках на частицу действует сила тяжести

. (3)

Сравнив эффективность разделения неоднородных систем под действием силы тяжести и центробежной силы из сопоставления уравнения (1) и (3), получим

. (4)

Таким образом, центробежная сила больше силы тяжести в раз.

Величина носит название фактора разделения. Эффективность разделения в поле центробежных сил повышается с увеличением вращения ротора центрифуги и уменьшением его диаметра. Выражая окружную скорость вращения через частоту вращения, получаем

. (5)

Скорость центробежного осаждения частицы при ламинарном движении, когда критерий Рейнольдса , определяется из уравнения Стокса

, (6)

где d – диаметр частицы, м;

ρ_Ч – плотность частицы, кг/м³;

ρ_с – плотность жидкости, кг/м³;

ω – угловая скорость вращения барабана, рад/с;

r – радиус вращения, м;

μ – динамический коэффициент вязкости, Па ^.с.

Производительность центрифуг на практике ниже, чем полученная расчетным путем, по следующим причинам:

- производительность центрифуг снижается из-за отставания скорости вращения частиц жидкости от скорости вращения ротора центрифуги;

- из-за неравномерного течения жидкости вдоль ротора осадившиеся частицы смываются с его стенок;

- из-за образовавшихся вихревых потоков взмучиваются частицы.

Снижение действительной производительности по сравнению с расчетной учитывает коэффициент эффективности

, (7)

где - действительная производительность, м³/с;

- расчетная производительность, м³/с.

Коэффициент эффективности для каждой конкретной конструкции центрифуг определяется экспериментальным путем.