Rozdilennya

8. Машини для розділення неодноріднихсистем упереробній галузі

сільськогосподарськоговиробництва.

8.1. Характеристика неоднорідних систем та способів їх розділення.

Неоднорідна система являє собою структуру, що містить по меншій мірі сукупність двох складових, із яких можна виділити дисперсійну(абозовнішню,суцільну)фазутадисперсну(абовнутрішню) фазу,що розприділяєтьсяупершій.Класифікація основних різновидів неоднорідних систем та способів їх розділення представлені на рис.8.1.

Рис.8.1.Класифікаціянеодноріднихсистемтаосновні способи їхрозділення.

3

Процес розділення складових неоднорідних систем здійснюється з метою або зменшення концентрації одного з її компонентів (зведення її до мінімума або до нуля), або збільшення концентрації його (наприклад, згущення молока, дріжжів), або класифікації елементів за певними ознаками. Кількісно даний процес можнаоцінитипараметром,щоназиваєтьсяефектомрозділення,який дорівнює відношенню кількості компонента, виділеного з дисперсної фази К1 до початкової його кількості у суміші К0:

У різних галузях переробки сільськогосподарської продукції ефект розділення визначається специфічними термінами: при оцінці забрудненості рідин цукрового виробництва його називають ефектом очищення, для характеристики роботи циклонів - к.к.д. циклонів; в молочномувиробництві-степіннюобезжирюваннямолокатощо.

Зафізичноюсутністюсередпроцесіврозділеннянеоднорідних систем можна відзначити процеси осадження та фільтрування, які відбуваються піддією гравітаційних сил (відстоювання, колірування), інерційних сил (центрифугування, циклонування, сепарування), поверхнево-активних сил (флотація), електромагнітного поля (електростатичнасепарація,магнітнасепарація),силтиску(пресування), припроходженні продукції через спеціальні механічні перешкоди або пористі тіла-фільтрування,калібрування,просіювання,класифікація).

Процеси розділення під дією гравітаційних тавідцентрових сил реалізуютьсятількипринаявностірізниціщільностіабогустиниелементів дисперсноїтадисперсійної фази.Причомуцентрифугуваннядоцільно використовуватиприоб”ємнійконцентраціїдисперсноїфазименшійза 0,5; при концентаціях вищих за 0,5 ефективно поєднувати центрифугування з процесом осадження, з використанням явища виборчої сорбції або десорбції (в продукцію вводять водяну пару, що сприяєвитискуванню чи десорбціїмаслаабожиру,якийзнаходитьсяу капілярах абоутримуєтьсяадсорбційно).

Піддієювібраційногополяз”являєтьсяможливістьрозділення компонентівнеодноріднихсистемнетількивнаслідокрізницівоб”ємній вазі, але і у формі, розмірах, шорсткості поверхні тощо. Подібні якісні параметрипроцесурозділенняможнареалізуватитакожприпроходженні продукції через спеціальні механічні перешкоди(щілинні поверхні або пористітіла).

Розділення в електромагнітному полі , під дією поверхневоактивних сил можна здійснювати тільки за умови наявності у

4

компонентів неоднорідних систем відповідних фізико-механічних властивостей.

При розділенні деяких неоднорідних систем доцільно використовуватипевнівластивості емульсій.Такрозчини,тобторідини, що мають властивість взаємно змішуватися або розчинятися одне в одному, діють на продукцію як однорідна маса. Емульсії, компоненти яких взаємно не розчиняються, можуть по-різному діяти на матеріал продукції,тобтоможутьмативластивістьвиборчоїадсорбційноїздатності. Такзаоднакових умовводаволодієкращою здатністю доадсорбціїніж жир,таможезаміщатийого,переводячиувільнийвідсилмолекулярного зчеплення стан. Це явище вперше було відзначено професором Голдовськимповідношеннюводидорослинноїолії(1937р),Петровським та Кулешовим (1941р) - по відношенню води до тваринного жиру та вишкварку. Подібна властивість значно зменшує енерговитрати при реалізаціїпроцесіввідтискуваннярідкоїфракціїзмасличних культурта м”ясожировоїсировини.Проте передозування водиможе привестидо значногорозрідженнясировини,щознецінюєбілковучастинупродукції.

Деякі фізико-механічні властивості дисперсно-колоїдних систем також використовуються при розділенні даної структури на складові елементи.Таксхильністьмускульноїтканинивиділятисязмускулівпри односторонньому стисканні м”яса використовується при реалізації процесівобвалкитажиловкиметодом пресування.

Пресуваванням видаляють з матеріалу здебільшого рідину, що має механічний та структурний зв”язок з основною масою продукції, причомудоцільністьзастосуванняданого процесувизначаєтьсятакож концентрацією дисперсної фази. Виділення жиру з вишкварка пресуванням ефективно за умови вмісту рідкої фракції в продукції в межах 6…25%.Коликонцентраціяжируперевищує25%виділенняйого центрифугуванням значно простіше та вигідніше, а коли вміст жиру меншийза 6% доцільно використовуватиметод екстрагування. Також при обробці каниги пресуванням можна отримати залишок вологістю 50..55%,аподальшевиділенняводи ефективновестисушінням.

5

8.2. Машинидляцентрифугуваннясільськогосподарської сировини.

8.2.1. Сутність та класифікація процесу розділення неодноріднихсистемпіддією відцентровихсил.

Центрифугування - є метод розділення неоднорідних систем шляхомосадження піддією відцентрових сил.

Вважають,щоданийметодбувзастосованийщеуСтародавньому Китаї при відтискуванні соків (рис.8.2). Відомо також, що теоретичне дослідження даноїмеханічної дії розпочав у 17 столітті Гюйгенс, який також вперше використав термін “відцентрова сила”. Промислове використанняцентрифугвідноситьсядопершої половини19ст.,колиу 1836 р., у Парижі, Готфридом Пенцольдом була сконструйована центрифуга для обезвожування тканини. З середини 19 ст., було налагодженомасовевиробництвоцентрифугдляцукровоїпромисловості, а наприкінці сторіччя широке розповсюдження набула відцентрова машина для розділення емульсій, яка була розроблена Лавалем та названа сепаратором. Це сприяло значному прогресу у багатьох галузях переробної промисловості, зокрема при виробництві молокопродуктів.

Рис. 8.2. Стародавні способи центрифугування рідини.

а- збивання молока та вершків у масло ( Індія ).

б- відтискування соку з плодів ( Китай )

6

На теперішній час центрифугування використовується при розділеннісуспензій,шламів,емульсій,розчинівтааерозолів.Реалізацію даного процесу приобробці суспензійта шламів доцільно виконувати двома методами. Це розділення завдяки використанню об”ємних сил дисперсної фази в апаратах, що мають ротор з суцільною стінкою. За другимметодом використовуютьсяоб”ємні силидисперсійної фазита частково дисперсної в апаратах, що мають ротор з перфорованими стінками.

Процес розділення неоднорідних систем в центрифугах з суцільною стінкоюротораможнаподілитинапроцесиосвітлення,коли вмістелементівдисперсноїфазинезначнийтаосадження,колисистема міститьзначнукількістьнебажанихдомішок.Центрифугальнеосвітлення зфізичної точкизоруможна розглядатиякпроцесвільногоосадження частинокпіддієювідцентровогополя.Осаджувальнецентрифугування, як і відцентрова фільтрація (в апаратах з перфорованим ротором) в загальномувипадкускладаєтьсязтрьох фізичних процесів:

осадженнятвердоїфази(дляфільтруючихцентрифугдодатковомає місце проходження елементів продукції через перфоровану оболонку).

ущільненнязалишку,щоназиваєтьсявідцентровимвідтискуванням рідини (використовується, зокрема,приобробці цукрового утфелю тасульфатуамонія);

часткове виділення із залишку рідини, яка утримується молекулярнимисилами.

Для відцентрової фільтрації останній процес називають

відцентровим сушінням, так яку цьомувипадку разом із перетіканням плівкової та молекулярної рідини має місце випаровування рідини з винесеннямпарів потоком повітря,що проходить через стінки ротора рис. 8.3.

7

Надходження

суспензії

Вихід

фугату

Рис. 8.3. Схема роботи фільтруючої центрифуги з підведенням суспензії під час процесу обробки.

Центрифугуванняемульсій(якправилоназиваєтьсясепарацією емульсій) здійснюється в осаджувальних центрифугах. Прикладами такого процесу можуть бути відділення сливок від молока (рис.8.8), води від масла, згущення молока тощо.

Центирифугування розчинів не набуло широкого використання внаслідок необхідності створення значного відцентрового поля для здоланнясилдифузії.

Відцентровасила,щорозвиваєтьсяпідчасцентрифугування:

де m -масаречовини,щоміститься вбарабані центрифуги,кг;a = 2r- відцентрове прискорення, м/с2; - кутова швидкість обертання барабана, рад/с; r - радіус обертання або відстань від центра ваги тіла до осі обертання, м.

Тиск під час центрифугування збільшується порівняно з

деРГ = gh-гідростатичнийтискстовпарідини,висотаhякогодорівнює товщині шару їїу барабані центрифуги, Н/м2; - густина рідини, кг/м3; Fr - фактор розділу для середнього радіуса кільцевого шару рідини rC=0,5(rб + r0); rб - радіус барабана, м; r0 - внутрішній радіус кільця рідини, м.

8

Цільне молоко

Наджирні вершки

Зворот

Рис. 8.4. Схема технологічного процесу отримання наджирних вершків центрифугуванням.

а- у двосекційному барабані.

б- у односекційному барабані: 1 - вершки жирністю 45%;

2 - молоко; 3 - вершки жирністю 83%; 4 - вершки ( масло ); 5 - зворот.

Максимальна висота піднімання рідини біля стінок барабана (глибина лійки):

Товщина кільцевого шару матеріала в барабані центрифуги:

9

де hб - висота барабану, м.

Дляпроцесу відцентрового відстоювання швидкістьосадження частинок заумовиламінарного режиму руху рідини складає:

де r - радіус обертаннячастинки, м.

Увипадкутурбулентноготаперехідногорежиму:

де -коефіцієнтопору середовища.

Увипадкувідцентровоїфільтраціїсилу тиску,щорозвиваєтьсяу рідині піддієювідцентрового поля,можна визначити заформулою:

m 2r

деF=m 2r-відцентровасила,Н; S=2 rбH-середняповерхняфільтрації, м2; H - висота барабану (у центрифугах періодичної та напівбезперервної дії) або довжина зони фільтрації (у центрифугах безперервної дії).

Максимальна розрахункова потужність на валу центрифуги: Nmax = NБ + NC + NT + NП,

деNБ -витратипотужності,необхідні дляобертаннябарабана,кВт:

NC -потужність,щовитрачаєтьсядлянаданнякінетичноїенергіїсуспензії, кВт:

10

NТ -потужність,щонеобхіднадляподоланнятертявпідшипниках,кВт:

NП - потужність, яка витрачається для здолання тертя барабана об повітря,кВт:

де mБ,mС -відповідно маса барабаната суспензії,кг; m=mЦ+mС -маса обертаюих частинцентрифуги(mЦ)тасуспензії(mС),кг;tРОЗ -тривалість розгону центрифуги, с; АБ, АС - робота, що витрачається на надання кінетичної енергії відповідно барабану та суспензії, Дж; f - коефіцієнт тертя,який можнаприйнятиf=0,3; -кутовашвидкістьвалубарабана аборотора, рад/с; n- кількість обертів барабана,об/хв.

Уробочий періодвитратиенергіїзначноменші: NP = 0,25NC + NП +2/3NT

При звичайному центрифугуванні нев’язких рідин можливе виникнення турбулентного режиму потоку, що зменшує ефективність роботицентрифуги.Крімтого,длявиділеннявисокодисперснихдомішок зрідиннеобхіднозастосовуватироторзначноїдовжини,щочастоважко здійснитиконструктивно.Такінедолікиможнаусунутишляхомрозділення неоднорідноїсистеминатонкішаризавдякивикористаннюспеціальних вставок, які дозволяють значно зменшити гідравлічний радіус потоку та забезпечити ламінарний режим течії рідини. Також при такому розділенні потоку зменшується величина шляху осадження частин дисперсноїфазитаприскорюєтьсяпроцесцентрифугування.Подібний процесназиваєтьсятонкошаровимцентрифугуваннямтареалізується у тарілчастих центрифугах. За допомогою даних апаратів можна досягнути повного розділення дисперсних систем, коли останні є кінематично нестійкими в умовах створеного відцентрового поля.

ЧислоРейнольдса потокуу міжтарілковомупросторі складає:

де DЕКВ - еквівалентний діаметр, м; Р - густина рідини, кг/м3; - в’язкість рідини, Па*с; е - середня швидкість руху рідини у міжтарілковому просторі:

q

e 2 rh ,

h - відстань між тарілками, м; q - витрати рідини у міжтарілковій

11

щілині, м3/с; r - радіус тарілки, м; DЕКВ=4rГ=2h, rГ - гідравлічний радіус, м.

8.2.2. Класифікація та критерії оцінки обладнання для реалізації процесу центрифугування.

Найбільшхарактернимиознакамицентрифугияктехнологічного апаратує:величинанапруженостідинамічногополя,роздільназдатність, продуктивність, ефективність обробки продукції, технологічне призначення, періодичність процесу обробки, спосіб вивантаження залишкузротора,конструктивні особливості (розташуванняу просторі осі обертанняротора,будоваротора,будоватарозташуванняопорних вузлів приводного валу).

Величину напруженості динамічного поля, що створює центрифуга, можнаоцінитифакторомрозділу,щовизначаєтьсяяк:

a 2r Fr g g

де - кутова швидкість обертання ротора, рад/с; r - радіус ротора центрифуги, м; а-прискореннясилового поля,м/с2.

Крім фактору розділу Fr для оцінки роздільної здатності осаджувальних центрифуг використовуються також еквівалентна поверхня осадження апарату Se=SFr та число освітлення B=П/S , де S -циліндричнаповерхняосадження,аП- продуктивність центрифуги в м3/с.

Дляхарактеристикифільтруючихцентрифугеквівалентнаповерхня осадження називається індексом продуктивності.

Ефективність використання центрифуг можна оцінити за допомогоюдвох параметрів:

 коефіцієнтавикористанняпродуктивності:

деП,ПТ -відповіднодійснататеоретичнапродуктивністьмашини,м3/с;ОС - швидкість осадження частинок, м/с.

Sо -загальна площа осадження.  коефіцієнтаефективності:

Fr

де Reчисло Рейнольдса.

12