Курс лекций по ТОО молоко.3-4 курсы ИТФ
.pdf
в
Рис. 6. Цилиндрические фильтрующие элементы с различным расположением мембраны:
а - на внутренней поверхности дренажного каркаса; б - на внешней; в
– комбинированно; 1— труба; 2 — мембрана; 3 — «подложка».
Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами и с мембраной, расположенной на внутренней поверхности дренажного каркаса (см. рис. 6, а), имеет следующие преимущества: малую материалоемкость из-за отсутствия напорного корпуса, небольшое гидравлическое сопротивление, возможность механической очистки фильтрующих элементов от осадка без разборки, надежность конструкции.
Недостатки этой конструкции — низкая удельная рабочая площадь поверхности фильтрации мембран, высокие требования к сборке элементов.
Конструкции фильтрующих элементов с наружным расположением мембраны (см. рис. 6, б) имеют большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации. Однако они более металлоемки, а кроме того, механическая очистка фильтрующих элементов практически невозможна.
Цилиндрические фильтрующие элементы с комбинированным расположением мембран (см. рис. 6, в) имеют примерно в 2 раза большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации, чем описанные. Однако такие конструкции обладают значительно большими гидравлическими сопротивлениями из-за значительной длины каналов для отвода фильтрата.
Аппараты с рулонными фильтрующими элементами выполняют в виде трубы, в которую последовательно вставлено несколько (плотность упаковки мембран 300...800 м2/м3) рулонных фильтрующих элементов (рис. 7, а). Каждый элемент состоит из накрученного на
181
отводящую трубу пакета из двух мембран и «подложки». Для создания межмембранного пространства между мембранами устанавливают сеткусепаратор.
Исходный раствор движется по межмембранным каналам в продольном направлении (рис. 7, б), а фильтрат по спиральному дренажному слою поступает в трубу и выводится из аппарата.
Увеличение рабочей площади мембран в этих аппаратах повышает плотность упаковки, а также снижает стоимость изготовления. Площадь мембраны возрастает при увеличении длины и ширины навиваемого пакета. Однако ширина пакета ограничена размерами мембран и дренажного слоя. Максимальная ширина пакета 900 мм. Длина пакета ограничивается гидравлическим сопротивлением дренажного слоя потоку фильтрата и обычно не превышает 2 м.
Рис. 7. Рулонный фильтрующий элемент (в) и аппарат, заряженный такими эле-
ментами (б): 1 — труба; 2— мембрана; 3 — « подложка»; 4 — сеткасепаратор
182
ЛЕКЦИЯ № 11 ОБОРУДОВАНИЕ И ПРОЦЕССЫ СЕПАРИРОВАНИЯ
В МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Литература:
3.Курс лекций «Технологическое оборудование молочной промышленности». Составитель Раицкий Г.Е. Гродно, 2008.
4.
План лекции:
4.Задачи сепарирования молочного сырья.
5.Теоретические основы разделения молока.
6.Устройство центробежных сепараторов.
Контрольные вопросы:
1.В чем состоит процесс сепарирования молока и молочных продуктов?
2.Какие физические показатели гетерогенной жидкости используются при центробежном сепарировании?
3.Расскажите о траектории движения частиц в межтарелочном пространстве.
4.Как устроен барабан центробежного сепаратора?
5.Каким образом обеспечивается распределение молока между тарелками?
6.Какие типы сепараторов Вам известны?
По степени герметизации. По назначению.
ВОПРОС №1. ЗАДАЧИ СЕПАРИРОВАНИЯ МОЛОЧНОГО СЫРЬЯ
Сущность процесса разделения (сепарирования) молока, как и любой гетерогенной системы, заключается в осаждении дисперсной фазы в поле действия гравитационных и центробежных сил.
При сепарировании молоко разделяется на две фракции различной плотности: высокожирную (сливки) и низкожирную (обезжиренное молоко).
По назначению различают сепараторы-молокоочистители, сепараторысливкоотделители, сепараторы для получения высокожирных сливок и универсальные со сменными барабанами.
По способу подачи молока и отвода продуктов сепарирования аппараты бывают открытые, полузакрытые и закрытые.
В открытых сепараторах производительностью до 0,3 кг/с подача молока, отвод сливок и обезжиренного молока происходят в соприкосновении с воздухом. В этом случае образуется молочная пена, ухудшающая условия эксплуатации сепараторов. В полузакрытых
183
сепараторах производительностью 0,5... 1 кг/с молоко подается открытым способом, а отвод продуктов — закрытым под напором. В закрытых (герметических) сепараторах производительностью свыше 1 кг/с подача молока и отвод продуктов сепарирования происходят без доступа воздуха под давлением по трубам.
По способу удаления из барабана механических примесей и белкового сгустка сепараторы могут быть с ручной выгрузкой осадка (остановка сепаратора, разборка и очистка барабана), с периодической выгрузкой через окна в корпусе барабана (саморазгружающиеся) и с непрерывной выгрузкой осадка через сопла по периферии корпуса барабана (творожные).
В немецком коммерческом издании Milch-Zeitung от 18 апреля 1877 г. было дано описание только что изобретенного приспособления, предназначенного для отделения сливок от молока. Оно представляло собой “барабан, благодаря вращению которого в течение некоторого времени на поверхности молока образовывается слой сливок, который можно снимать обычным способом”.
Прочитав эту статью, молодой шведский инженер Густав де Лаваль заявил: “Я докажу, что центробежная сила действует в Швеции не хуже, чем в Германии”. 15 января 1878 г. в ежедневной газете Stockolms Dagblad появилось сообщение: “Со вчерашнего дня началась демонстрация центробежной машины для снятия сливок. Этот показ будет продолжаться ежедневно с 11 до 12 ч. утра на ул. Регерингсгатан, в доме № 41 на первом этаже. Эта машина соединена с барабаном, который приводится в движение с помощью ременного блока. Будучи легче молока, сливки вытесняются центробежной силой на его поверхность, откуда по желобку стекают в отдельный сосуд. Молоко, оказавшееся под сливками, направляется на периферию барабана, откуда по другому желобу течет в другой сосуд”.
Рис.1. Густав де Лаваль, Изобретатель первого центробежного сепаратора непрерывного действия
С 1890 г. разработанные Густавом де Лавалем сепараторы стали оснащаться специально сконструированными коническими тарелками,
184
патент на которые был выдан в 1888 г. немцу Фрехерру фон Бехтольшайму
(Freiherr von Bechtolsheim) и куплен в 1889 г. шведской фирмой AB Separator,
одним из акционеров которой был Густав де Лаваль. Сегодня большинство моделей подобных машин оборудованы пакетами конических тарелок.
Рис.2. Один из самых первых сепараторов, Альфа А1, выпускавшийся с 1882 г.
ВОПРОС 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗДЕЛЕНИЯ МОЛОКА
Скорость осаждения
Если сосуд наполнили жидкостью и начали вращать, как показано на рис.3, возникает поле центробежной силы. Оно создает центробежное ускорение a. В отличие от силы тяжести g в стационарном сосуде, центробежное ускорение не есть постоянная величина. С увеличением расстояния от оси вращения (радиус r) и скорости вращения, обозначенной как угловая скорость w, центробежное ускорение возрастает (см. рис. 4).
Рис.3. Во вращающемся сосуде возникаетцентробежная сила
185
Рис.4. Простой сепаратор
Ускорение можно рассчитать с помощью нижеследующей формулы 1.
1. a = rw2
Следующую формулу 2 получаем, если центробежное ускорение a, выраженное как rw2, подставить вместо ускорения силы тяжести g в ранее приведенной формуле 1, выведенной из закона Стокса. Уравнением 3 можно воспользоваться для расчета скорости осаждения, v, каждой частицы,
находящейся в центрифуге.
2. Vc = ( d2( ρp – ρ1) / 18μ ) r w2
Скорость всплытия жирового шарика
Ранее примененное уравнение 1 показало, что скорость всплытия одного жирового шарика диаметром 3 мкм под воздействием силы тяжести равняется 0,6 мм/ч или 0,166 х 10–6 м/сек. Теперь можно прибегнуть к уравнению 3, чтобы вычислить скорость всплытия жирового шарика того же диаметра, находящегося на радиальном удалении 0,2 м, при вращении центрифуги со скоростью n = 5400 об/мин.
Угловая скорость рассчитывается следующим образом:
w = 2πn / 60 рад/сек
Если 2 π = 1 обороту и n – обороты в минуту, при скорости вращения (n) = 5400 об/мин угловая скорость (w) составит 564,49 рад/сек.
Скорость осаждения (v) в таком случае будет:
V= ( ( 3· 10-5 ) ·48 / 18 · 1,42 · 10-3 ) · 0,2 · 564,492 = 0,108 · 10-2 м/сек
то есть 1,08 мм/сек или 3896 мм/ч.
Разделив скорость осаждения в зоне действия центробежной силы на скорость осаждения под воздействием силы тяжести, получаем представление об эффективности сепарации в центрифуге по сравнению с осаждением под действием силы тяжести.
Скорость осаждения в центрифуге в 6500 раз выше (3896,0/0,6 = 6500).
Непрерывное центробежное отделение твердых частиц (кларификация, или очистка)
186
На рис. 5 показана центрифуга для непрерывного отделения твердой фракции от жидкой. Эта операция называется кларификацией (осветлением или очисткой). Представим себе, что сосуд для осаждения, изображенный на рис. 5, повернули на 90 градусов и запустили, как волчок вокруг оси вращения. То, что мы увидим при этом, будет выглядеть как центробежный сепаратор в разрезе.
Рис.5. Если повернуть на 90 грудусов и начать вращать снабженный перегародками (экранами) сосуд, то мы получим барабан центрифуги для непрерывного отделения твердых частиц от жидкости.
Разделительные каналы
На рис. 5 также видно, что у барабана центрифуги имеются вставки в виде конических тарелок. Это увеличивает площадь для осаждения. Тарелки опираются друг на друга и создают конструкцию, известную под названием “пакет тарелок”. К тарелкам приварены радиальные полосы, которые создают между ними необходимые зазоры. Так формируются каналы. Их ширина определяется толщиной радиальных полос.
На рис. 6 показано, как жидкость поступает в канал по наружному краю (радиус r1), стекает по внутреннему краю (радиус r2) и движется к выходу. Во время движения по каналу частички стремятся наружу, оседая в направлении тарелки, которая играет роль внешней границы канала.
Скорость движения жидкости w не одинакова в каждой точке канала. Она изменяется от почти нулевой в непосредственной близости к тарелкам до максимальной в центре канала. Центробежная сила действует на все частички, выталкивая их на периферию сепаратора со скоростью осаждения v. В результате частичка движется одновременно и со скоростью всего потока w, и со скоростью осаждения v в радиальном направлении – на периферию.
Результирующая скорость vp является суммой двух этих движений. Частичка движется в направлении, указанном вектором vp. (Для упрощения схемы предполагается, что частичка движется по прямой, как показано на иллюстрации пунктирной линией.)
187
Для того чтобы отделиться от жидкости, частичка должна осесть на верхнем экране до прихода к точке ВI , то есть на радиусе, равном или большем, чем r2. После того как частичка осела, ее уже не может унести с собой поток жидкости, поскольку его скорость у поверхности тарелки очень мала. Поэтому она выскальзывает наружу по нижней поверхности диска под воздействием центробежной силы, попадает на внешний край у точки В и оседает на стенке барабана центрифуги.
Рис.6. Упрощенная схема разделительного канала и движения твердой частицы в жидкости во время раздления
Микрочастица
Микрочастица – это частица такого размера, что если она начнет двигаться от наиболее неблагоприятного места, а именно от точки А (см. рис. 7), то она только дойдет до верхней тарелки в точке ВI. Все более крупные частички будут уже отделены.
На рисунке видно, что и некоторые более мелкие, чем предельная, частички тоже будут отделены, если они попадут в канал в точке С, где-то между А и В. Чем мельче частичка, тем ближе С должно быть к В, чтобы произошло отделение.
Рис.7. Частицы более крупные, чем микрочастица, будут отделены, если они находятся в выделенной зоне
Непрерывное центробежное сепарирование молока
188
Кларификация (очистка)
В центробежном очистителе молоко попадает в разделительные каналы со стороны внешнего края тарелочного пакета, течет внутрь по каналам в радиальном направлении в сторону оси вращения и вытекает наружу через выпускное отверстие в верхней части, как показано на рис. 8. В процессе движения потока через тарелочный пакет твердые примеси отделяются и направляются в обратную сторону вдоль нижних поверхностей тарелок – на периферию барабана очистителя. Там они скапливаются в отстойнике. По мере прохождения молока по всей радиальной ширине тарелок от него отделяются и очень мелкие частицы. Наиболее типичным различием между центробежным очистителем и сепаратором является конструкция пакета тарелок: у очистителя отсутствуют распределительные отверстия и имеется всего одно выходное отверстие, в то время как у сепаратора их два.
Рис.8. В барабане центробежного очистителя молоко попадает на перифирию тарелочного пакета, откуда по каналам устремляется внутрь
Сепарирование
Пакет тарелок центробежного сепаратора снабжен вертикально совмещенными распределительными отверстиями. На рис. 9 схематично показано, как жировые шарики отделяются от молока в дисковом пакете центробежного сепаратора. Более подробно этот процесс проиллюстрирован на рис. 10.
Молоко подается через вертикально совмещенные распределительные отверстия в тарелках на определенном расстоянии от края пакета тарелок. Под воздействием центробежных сил в межтарелочном пространстве траектория движения механических примесей и жировых шариков изменяется в зависимости от соотношения плотности данных фракций и плазмы молока. Как и в кларификаторе, более плотные твердые примеси будут быстро выноситься в направлении периферии сепаратора и собираться в отстойнике.
Осаждению твердой фракции также способствует то обстоятельство, что в этом случае обезжиренное молоко в каналах движется в направлении
189
периферии пакета тарелок. Сливки, т.е. жировые шарики, имеют меньшую плотность, чем обезжиренное молоко, и поэтому движутся в каналах по направлению внутрь, к оси вращения и далее к осевому выходному отверстию.
Обезжиренное молоко движется к периферии, за пределы пакета тарелок, проходит по каналу, образованному поверхностями барабана сепаратора и разделительной тарелкой, к концентрическому выходу для обезжиренного молока.
Рис.9. В барабане центробежного сепаратора молоко через распределительные отверстия попадает в пакет тарелок
190