книги из ГПНТБ / Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник

б) Устройства для центробежного осаждения

Для выделения твердой фазы из суспензий в поле действия центробежных сил применяют гидроциклоны, осадительные центрифуги и сепараторы. Рассмотрим их устройство и работу.

Г и д р о ц и к л о н ы применяют для сгущения крахмального молока при производстве крахмала, выделения песка из извест­

суспензии под действием центробежной силы более крупные ча­ стицы отбрасываются к стенкам устройства и, двигаясь по спи­ рали, отводятся через патрубок 3 в виде сгущенной суспензии, а осветленная жидкость с меньшим содержанием твердых ча­ стиц выводится через патрубок 2 в верхней части устройства.

По мере приближения к оси гидроциклона возрастает ок­ ружная скорость, а вместе с ней и центробежная сила, отбра­ сывающая жидкость к периферии, в результате чего в центре устройства образуется воздушный канал с некоторым разреже­ нием.

В каждой плоскости горизонтального сечения гидроциклона на частицу действуют две силы — центробежная и сила сопро­ тивления потока, движущегося к оси с радиальной скоростью. При этом крупные и тяжелые частицы будут концентрировать­ ся у стенки гидроциклона и, сползая, отводиться снизу, а мелкие и легкие будут концентрироваться у границы воздушного кана­ ла и выноситься восходящим потоком через верхний патрубок. Таким образом, взаимодействие центробежной силы и силы сопротивления приводят к классификации частиц по размеру и плотности в каждом сечении гидроциклона.

60

Приближенно производительность гидроциклона V (в м3/с) может быть рассчитана по уравнению

где dcл — диаметр сливного патрубка, м;

D — диаметр цилиндрической части, м;

Др — перепад давлений в гидроциклоне, Па.

Опытным путем установлено, что эффективное разделение в da —

к разгрузочным окнам 7, а осветленная жидкость отводится через окна 8.

С е п а р а т о р ы широко применяются для выделения сли­ вок из молока, дрожжей из дрожжевого молока, осветления пи­ ва, мелассы и др.

По технологическому назначению сепараторы делятся на се­ параторы-разделители, применяемые для концентрирования су­ спензий и эмульсий и сепараторы-осветлители, предназначен­ ные для выделения твердых частиц из жидкости.

61

По типу ротора различают сепараторы тарельчатые и ка­ мерные. Ротор тарельчатых сепараторов (рис. 29, а и б) укомп­ лектован пакетом конических тарелок, делящих поток жидкости на тонкие слои, а ротор камерных сепараторов (рис. 29, г) име­ ет комплект концентрических цилиндрических вставок, разде­ ляющих его объем на кольцевые камеры, по которым обрабаты­ ваемая жидкость протекает последовательно.

Рис. 29. Сепаратор:

а, б и в — схемы движения потоков в тарельчатых ро­ торах, г —схема движения потока в камерном роторе, iJ и е - к расчету производительности сепаратора.

По способу выгрузки осадка из ротора различают сепарато­ ры с ручной и центробежной выгрузкой. Более эффективны се­ параторы с центробежным удалением осадка благодаря большей длительности их непрерывной работы и возможности автомати­ зации процесса.

62

По способу подачи разделяемой жидкости и вывода получен­ ных фракций различают сепараторы открытые, полузакрытые

игерметические.

Воткрытых сепараторах подача в ротор жидкости и отвод полученных фракций осуществляется открытыми потоками, не изолированными от доступа воздуха.

Вполузакрытых сепараторах жидкость подается в ротор открытым потоком, а отвод фракций осуществляется под дав­ лением по закрытым трубопроводам.

Вгерметических сепараторах подача жидкости и отвод фракций происходят под давлением по герметически закрытым трубопроводам.

Втарельчатом дрожжевом сепараторе (рис. 29, в) основной рабочей частью является вращающийся барабан, состоящий из

корпуса, 4, распределительной трубы 1, набора тарелок 2 и крышки 3. В корпусе барабана имеется 12 симметрично рас­ положенных трубок 5, в которые ввинчивают мундштуки 6 для регулирования концентрации отходящего продукта. В рабочей камере барабана устанавливают до 70 тарелок на расстоянии 0,8—1 мм одна от другой; они в сепараторе играют ту же роль, что и полки в любом отстойнике, т. е. неоднородную смесь они разделяют на слои, благодаря чему повышается качество раз­ деления.

Дрожжевая суспензия подается в распределительную труб­ ку 1, а из нее по каналам 7 она поступает в камеру 8 и затем распределяется между тарелками. При частоте вращения бара­ бана 4700—6000 об/мин суспензия приходит во вращательное движение, скорость которого примерно равна скорости враще­ ния барабана. При этом под воздействием центробежной силы смесь разделяется на дрожжевой концентрат и на суспензию, освобожденную от дрожжей.

Дрожжевые клетки, имеющие большую плотность, отбрасы­ ваются к нижним поверхностям тарелок, сползают по ним к стенкам барабана, а затем в дрожжевую, камеру 8\ отсюда через трубки 5 и мундштуки 6 дрожжевой концентрат направ­ ляется в сборник. Дрожжевая суспензия, освобожденная от дрожжей в пространстве между тарелками как более легкая оттесняется к центру барабана, поднимается кверху по отвер­ стиям в тарелках и выбрасывается через отверстия 9 в соответ­ ствующий сборник.

Рассмотрим процесс разделения молока на сливки (жиро­ вые шарики) и обезжиренное молоко. В барабане сепаратора (рис. 29,6, д и е) исходное молоко поступает по вертикальным каналам, образованным отверстиями в тарелках, в межтаре­ лочные пространства. Жировые шарики сливок движутся вместе с потоком молока вниз к периферии тарелок со скоро­ стью потока wn (в м/с)

63

(всплывать) к оси вращения барабана со скоростью, определя­ емой по формуле Стокса,

рость wв будет возрастать, так как увеличивается R, а скорость потока шп уменьшается, так как с увеличением R возрастает сечение потока. Вследствие этого вектор абсолютной скорости w шарика по мере удаления его к периферии (рис. 29, д ) будет поворачиваться к оси вращения. Таким образом, самые благо­ приятные условия для выделения жировых шариков будут на окружности тарелок, где отклонение направления движения жирового шарика от направления движения потока будет мак­ симальным. Вместе с тем жировой шарик будет выделен из мо­ лока при том условии, если во время движения его в потоке до края тарелок он успеет перейти в слой сливок под действием скорости всплывания wB.

Для определения производительности сепаратора рассмот­ рим элементарный кольцевой объем dV (в м3) сепарирующей части барабана, ограниченный радиусом dR.

dV — 2nRdRhz,

где h — расстояние между тарелками по вертикали, м.

Время пребывания молока в этом объеме составит

dV 2nRdRhz

За это время находящийся в молоке жировой шарик, дви­ гаясь со скоростью wB, переместится в направлении к оси вра- . щения на расстояние.

За время прохождения полного рабочего объема барабана, ограниченного радиусами RM и Rq, жировой шарик должен ус­ петь переместиться в.потоке на расстояние I.

64

Б. Фильтрование*

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА

Фильтрованием называют процесс разделения суспензий, дымовых газов и пылей путем пропуска их через пористую пе­ регородку, способную задерживать взвешенные частицы и про­ пускать фильтрат или очищенный газ. Фильтрование обеспечи­ вает почти полное освобождение жидкости или газа от взве­ шенных частиц и поэтому имеет значительные преимущества перед осаждением.

В качестве фильтрующих перегородок применяют ткани хлопчатобумажные (бельтинг, миткаль и др.), синтетические (капрон, нейлон) и шерстяные, а также плетеные и штампован­ ные металлические сетки, песок, гравий и пористые керамиче­ ские материалы. Роль фильтрующей перегородки выполняет и слой осадка, который при фильтровании образуется на пере­ городке, причем его фильтрующие свойства часто более высо­ кие, чем фильтрующие свойства перегородки.

В качестве вспомогательных материалов при фильтровании применяют измельченный асбест, костяной и древесный активи­ рованные угли, диатомит и др.; их используют при непосредст­ венном вводе в суспензию или путем предварительного намыва слоем на рабочую поверхность фильтра. Накапливаясь вместе с осадком на фильтрующей перегородке, они значительно повы­ шают пористость осадка и понижают его гидравлическое со­ противление, что в свою очередь способствует увеличению ско­ рости фильтрования. Кроме того, применяемые при этом акти­ вированные угли, обладая адсорбционными свойствами, избирательно поглощают из жидкости не только мельчайшие частицы, но и красящие вещества, что широко используется при

.осветлении жиров, масел, сахарных сиропов, пива, вина и др.

* В отличие от фильтрации вод через грунты термин «фильтрование» точ­ нее отражает процесс разделения неоднородных систем с помощью пористой фильтрующей перегородки.

с этим различают фильтрование с образованием осадка и филь­ трование с забивкой пор фильтрующего материала. Наиболь­ шее распространение получило фильтрование с образованием слоя осадка, осуществляемое при постоянном перепаде давле­ ний, так как этот режим (по сравнению с проведением процес­ са при постоянной скорости) прост и удобен. Для поддержания необходимой скорости фильтрования слой Осадка на ткани по мере протекания процесса приходится удалять.

Получаемые при фильтровании осадки делят на сжимае­ мые, частицы которых с повышением давления деформируются и размер капилляров уменьшается, и несжимаемые, размер и форма частиц которых практически не меняются с увеличе­ нием давления при фильтровании.

и некристаллических твердых частиц. Сопротивление несжима­ емых осадков при фильтровании меньше, чем сжимаемых.

Движущей силой процесса фильтрования является разность между давлениями над фильтрующей перегородкой и под ней или величина центробежной силы, создающей давление жид­ кости на фильтрующую перегородку. Соответственно этому различают фильтрование под действием перепада давлений, или просто фильтрование, и центробежное фильтрование, назы­ ваемое центрифугированием.

2. ФИЛЬТРОВАНИЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ

а) Теория процесса

Основными величинами, характеризующими процесс фильт­ рования, являются скорость и продолжительность фильтрова­ ния, зависящие от величины движущей силы процесса, вязкости фильтрата и сопротивлений слоя осадка и фильтрующей пере­ городки.

Скоростью фильтрования w называют количество фильтра­ та, полученного с единицы площади фильтра в единицу времени.

Так как в процессе фильтрования A/?= const, а сопротивле­ ние слоя осадка изменяется с течением времени, то переменная скорость фильтрования ш[в м3/(м 2-с) или в м/с]

dV

где F — площадь фильтрования, м2;

т — продолжительность фильтрования, с.

Скорость фильтрования прямо пропорциональна перепаду

66

Решая последнее уравнение относительно о, найдем удельную производительность фильтра (в м3/м2)

ГХ

Скорость промывки осадка wщ, определяется по уравнению, аналогичному уравнению (84), т. е.

Н-ф

где |inp и Цф — абсолютная вязкость промоя и фильтрата, Па-с.

Обозначив через L расход воды (в м3) на 1 м3 влажного осадка, объем промоя Кдр (в м3/м2), получаемого с единицы фильтрующей поверхности фильтра, можно определить по фор­ муле

^пр — Lxo.

Продолжительность промывки тПр (в с) при этом будет равна

Упр Lxv\x (гпр XV -f- R ;u : p )

(88)

шпр ^Рпр

Из уравнений (84) и (86) видно, что скорость фильтрования

ипроизводительность фильтра выше при меньшем слое осадка на фильтрующей перегородке, поэтому для повышения произ­ водительности фильтров непрерывного действия необходимо стремиться к тому, чтобы слой осадка на ткани был небольшим

ипо возможности регулярно удалялся в нее.

Для получения высокой производительности фильтров пери­ одического действия целесообразно чаще повторять циклы его работы, однако это увеличение достигается при условии, когда продолжительность основных операций (фильтрования и про­ мывки) будет превышать продолжительность вспомогательных операций (подготовка фильтра, загрузка его суспензией и уда­ ление осадка).

68

с жесткой перегородкой (металлической сеткой, пористой кера­ микой и др.).

вания воды и водок и в тех случаях, когда содержание твердой фазы в суспензии невелико, а образующийся осадок не являет­ ся ценностью.

В цилиндрическом корпусе песочного фильтра между метал­ лическими сетками 1 и 2 имеется два слоя песка (крупного вверху и мелкого внизу), разделенных суконной или фланеле­ вой прокладкой. Ткань, помещают также на нижнюю сетку,

69