ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОТСТАИВАНИЯ И ОСАЖДЕНИЯ

Кафедра

«Механизация переработки сельскохозяйственной продукции»

Лабораторная работа № 2

По дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»

Оборудование для отстаивания и осаждения

Рязань – 2008 г.

Методические указания обсуждены на заседании кафедры МПСХП протокол №1 «9» сентября 2008 года

Заведующий кафедрой___________ В.К. Киреев

Одобрено советом (методической комиссией) технологического факультета

«_____» _____________ 2008 года.

Председатель ____________ Е.Н. Бондаренко

Цель работы – закрепление теоретических знаний по разделу «Гидромеханические процессы», изучение конструкций машин и аппаратов для отстаивания и осаждения.

В результате выполнения лабораторной работы студенты должны изучить конструкцию и порядок работы машин и аппаратов для отстаивания и осаждения.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОТСТАИВАНИЯ И ОСАЖДЕНИЯ

Оборудование для отстаивания и осаждения по принципу дей­ствия делится на гравитационные отстойники, отстойные центрифу­ги, гидроциклоны и сепараторы.

Отстойники бывают периодического, непрерывного и полуне­прерывного действия.

Отстойник периодического действия представ­ляет собой плоский бассейн без перемешивающих устройств. Бас­сейн заполняется суспензией, которая отстаивается в нем в течение необходимого для разделения времени. Затем осветленный слой жидкости сливают (декантируют) через штуцера, расположенные выше слоя осадка. Осевший осадок (шлам) выгружают вручную.

Размеры и форма отстойников зависят от концентрации дисперс­ной фазы и размеров частиц. С увеличением плотности и размеров частиц размеры отстойника уменьшаются. Продолжительность отстаивания зависит от вязкости дисперсионной фазы, которая сни­жается с повышением температуры. Поэтому для ускорения про­цесса отстаивания суспензию подогревают (если это не противоре­чит технологии).

1 — корпус; 2 — наклонные перегородки; 3 — бункера

Рисунок 1. Отстойник полунепрерывного действия с наклонными пере­городками

В отстойник полунепрерывного действия с наклонными перегородками (рис. 1) суспензия подается через штуцер и направляется с помощью наклонных пере­городок попеременно сверху вниз и снизу вверх. Устройство перего­родок увеличивает продолжительность пребывания суспензии и площадь поверхности отстаивания. Шлам собирается в конических бункерах и по мере накопления удаляется из них через краны.

Осветленная жидкость отводится из отстойника через верхний штуцер.

Наибольшее распространение в промышленности получили отстойники непрерывного действия.

Непрерывно действующий отстойник с гребковой мешалкой (рис. 2) представляет собой цилиндрический резервуар с коническим днищем и внутренним кольцевым желобом вдоль верхнего края отстойника. Мешалка с наклонными лопастями, на которых расположены гребки для пере­мещения осадка к разгрузочному люку, вращается с переменной частотой от 0,02 до 0,5 мин^-1.

1 — кольцевой желоб; 2 — мешалка; 3 — гребок; 4 — люк; 5 — коническое днище; 6 – цилиндрический резервуар

Рисунок 2. Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой

Суспензия непрерывно подается по трубе в середину резервуара. Осветленная жидкость переливается в кольцевой желоб и отводится из отстойника. Шлам удаляется при помощи диафрагменного насо­са. Извлечение жидкости из шлама, если она является ценной для производства или ее извлечение необходимо по технологическим условиям, производится в установке для противоточной промывки. В таких отстойниках достигаются равномерная плотность осадка, эффективное его обезвоживание. Недостатком гребковых отстой­ников является их громоздкость.

В многоярусных отстойниках, которые представ­ляют собой несколько отстойников, поставленных один на другой, или цилиндрический резервуар с коническим днищем, внутри кото­рого имеются конические перегородки, разделяющие отстойники на ярусы (рис. 3). В результате этого значительно снизилась гро­моздкость и увеличилась площадь поверхности отстаивания. Такие отстойники используют на сахарных заводах для сгущения сатура-ционных соков.

Отстойник имеет общий вал, на котором расположены гребковые мешалки. Суспензия через распределительное устройство подается по трубам в стаканы каждого яруса отстойника, Осветлен­ная жидкость собирается через кольцевые желоба в коллектор. Ярусы соединены стаканами для удаления шлама. Стакан каждого вышерасположенного яруса опущен нижним концом в слой шлама нижерасположенного яруса. Таким образом, ярусы отстойника последовательно соединены по шламу. Шлам удаляется только из нижнего яруса через разгрузочный конус, в котором установлен скребок.

1 — распределительное устройство; 2 — трубы; 3 — стакан; 4 – гребковая мешалка; 5 — разгрузочный конус; 6 — скребок;.7 – коллектор; 8 — рама

Рисунок 3. Многоярусный отстойник

Отстойник для непрерывного разделения эмульсий (рис. 4) состоит из нескольких частей. Эмульсия подается в левую часть отстойника, откуда поступает в среднюю сепарационную камеру. Перегородки 2 позволяют регулировать высоту уровня смеси. В сепарационной части исходная смесь разде­ляется на составляющие под действием сил тяжести. Легкая жид­кость поднимается и вытекает из отстойника через верхний штуцер. Тяжелая жидкость опускается, проходит под правой перегородкой 3и вытекает через нижний штуцер. Каналы для выхода жидкости образуют сообщающиеся между собой сосуды.

1 — корпус; 2 — левая перегородка; 3 — правая перегородка

Рисунок 4. Отстойник для непрерывного разделения эмульсий

Центрифуги могут быть с вертикальным и горизонтальным рас­положением вала и барабана, периодического действия (подвод суспензии и выгрузка осадка производятся периодически), полуне­прерывного (суспензия подается непрерывно, а осадок выгружается периодически) и непрерывного действия (подача суспензии и выгрузка осадка осуществляются непрерывно).

Отстойная центрифуга периодического действия с ручной выгрузкой осадка (рис. 5) состоит из барабана, насаженного на вращающийся вал и помещен­ного в корпус. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении барабана, твердые частицы осаждаются в виде сплошного слоя осадка на стенке барабана, а осветленная жидкость переливается в кожух и удаляется через расположенный внизу патрубок. По окончании процесса осадок выгружается из центрифу­ги.

1 — вал; 2 — барабан; 3 — корпус

Рисунок 5. Отстойная центрифуга

Процесс в отстойной центри­фуге состоит из разделения (оса­ждения) суспензии и отжима или уплотнения осадка.

1 — гидравлический цилиндр; 2 — барабан; 3 — нож; 4 — желоб; 5 — штуцер для удаления фугата; 6 — труба для суспензии

Рисунок 6. Автоматическая отстойная центрифуга

В автоматических отстойных центрифу­гах (рис. 6) загрузка материа­ла, промывка, пропаривание и выгрузка осадка выполняются автоматически. Осадок после отделения жидкости снимается ножом 3 или скребком, который срезает его и направляет в желоб или на конвейер. Нож управляется при помощи гидрав­лического цилиндра; с ножом сблокирован пневматический молоток, который ударяет по желобу для облегчения выгрузки осадка.

Последовательность и продолжительность отдельных стадий полного цикла центрифугирования регулируются электрогидравли­ческим автоматом, который состоит из масляного насоса, редуктора и гидравлических цилиндров, управляемых сервомотором.

Описанная центрифуга предназначена для разделения грубых и средних суспензий.

Непрерывнодействующие отстойные гори­зонтальные центрифуги со шнековой выгруз­кой осадка (НОГШ) применяют в крахмало-паточном произ­водстве для получения концентрированного крахмального осадка и в других производствах.

Центрифуга (рис. 7) состоит из ротора и внутреннего шнекового устройства, заключенных в корпус. Суспензия подается через центральную трубу в полый вал шнека. На выходе из этой трубы внутри шнека суспензия под действием центробежной силы распре­деляется в полости ротора.

Ротор вращается в кожухе в полых цапфах. Шнек вращается в цапфах, находящихся внутри цапф ротора. Под действием центро­бежной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам ротора, а жидкость образует внутреннее кольцо, толщина которого определя­ется положением сливных отверстий на торце ротора. Образовав­шийся осадок перемещается вследствие отставания скорости враще­ния шнека от скорости вращения ротора к отверстиям в роторе, через которые он выводится в камеру 6и удаляется из центрифуги.

При движении вдоль ротора осадок уплотняется. При необходи­мости он может быть промыт.

1 — корпус; 2 — ротор; 3 — шнековое устройство; 4 — полый вал; 5 — центральная труба; 6 — камера осадка; 7 — патрубок для фильтрата

Рисунок 7. Непрерывно действующая отстойная горизонтальная центрифуга со шнековой выгрузкой осадка

Осветленная жидкость отводится через сливные отверстия в камеру фильтрата и удаляется через патрубок 7.

Путем изменения частоты вращения ротора и шнека можно регу­лировать режим работы центрифуги, изменяя продолжительность отстаивания и выгрузки осадка.

Центрифуги типа НОГШ обладают высокой производительно­стью и применяются для разделения тонкодисперсных суспензий с высокой концентрацией твердой фазы.

Производительность отстойных центрифуг определяется скоро­стью осаждения, фактором разделения и площадью поверхности осаждения в роторе центрифуги и описывается формулой:

где η — коэффициент пропорциональности;

— площадь поверхности зер­кала суспензии в барабане, м² (здесь R_o — внутренний радиус кольцевого слоя суспен­зии, м²; L — длина барабана, м);

— скорость центробежного осаждения, м/с (здесь — скорость гравитационного осаждения, м/с; К_ц — фактор разделения).

Из последнего уравнения получено выражение для расчета производительности (в м³/ч) отстойных центрифуг с ножевым съе­мом осадка

где k — отношение продолжитель­ности подачи суспензии к общему времени работы центрифуги.

Производительность (в м³/ч) центрифуги НОГШ по суспензии

где D_сл, L_сл — соответственно диа­метр и длина сливного цилиндра, м;

ρ_т и ρ_ж — плотность соответ­ственно частиц и среды, кт/м³;

d — наименьший диаметр частиц, м;

п — частота вращения ротора, мин^-1;

μ — динамический коэффициент вязкости, Па∙с.

Сепараторы применя­ются для разделения тон­кодисперсных суспензий и эмульсий: они обеспечи­вают эффективное отделе­ние дрожжей от сброжен­ной бражки, тонкое освет­ление виноматериалов, обезжиривание молока и др.

Тарельчатый дрож­жевой сепаратор с вну­тренними соплами (рис. 8) состоит из барабана и пакета тарелок, заключен­ных в корпус, который смонтирован на общей раме с электродвигателем.

Вал с насажденными на него тарелками приводится во вращение электродвигателем через ременную передачу. Сепаратор снабжен клапанами для его безразборной промывки. Клапаны автомати­чески открываются при снижении частоты вращения за счет нако­пления осадка.

а — общий вид; б — схема работы таре­лок; 1 — корпус; 2 — внутреннее сопло; 3 — привод; 4 — рама; 5 — сменная втулка рабочего вала; 6 — регулиру­емая напорная труба; 7 — клапан системы безразборной мойки; 8 — пакет тарелок

Рисунок 8. Дрожжевой сепаратор

Вход суспензии в сепаратор осуществляется по внешней кольце­вой трубе (рис. 8,б). Суспензия поступает под нижнюю перфори­рованную тарелку, достигает под действием центробежной силы нижней поверхности тарелки, частично разделяется и поступает в межтарельчатое пространство вышерасположенной тарелки. Пакет сепарационных тарелок увеличивает эффект сепарирования за счет сокращения пути свободного осаждения дрожжевых частиц. Если дрожжевая частица достигла нижней поверхности тарелки, то можно считать, что она практически выделилась из смеси. Осевшие частицы дрожжей через внутренние сопла поступают во внутрен­нюю кольцевую трубу и выводятся из сепаратора. Осветленная жид­кость выводится по периферийной трубе.

В саморазгружающийся сепаратор (рис. 9), который предназначен для разделения суспензий, содержащих более 1% твердых частиц, суспензия подается в барабан сверху через центральную впускную трубку и распределяется по перифе­рии с помощью распределительного конуса. Твердые частицы как более тяжелая фаза направляются к стенке барабана. Жидкость выходит из барабана в его верхней части после прохождения через дисковую насадку и встроенный насос с напорным диском. Осадок выгружается из барабана сепаратора через определенные интер­валы времени без остановки сепаратора. Выгрузка осадка дости­гается за счет того, что внутреннее дно барабана может свободно перемещаться по вертикали. Во время сепарирования дно под дей­ствием гидравлического давления уплотняющей жидкости прижи­мается к верхней части барабана, обеспечивая надежную герметиза­цию. Через определенные интервалы времени автоматически по заданной программе резко снижают давление уплотняющей жидко­сти, что вызывает перемещение дна барабана вниз. При этом от­крывается кольцевая щель, через которую под действием центро­бежной силы выгружаются твердые частицы.

Рисунок 9. Схема работы тарелок саморазгружающе­гося сепаратора

Повышение и понижение гидравлического давления осуществля­ются посредством «импульсов» рабочей жидкости, подаваемой сна­ружи в систему, приводящую в действие барабан. Эти импульсы и последующие выгрузки твердых частиц (известны под названием «выстрелов») регулируются устройством для выгрузки, приводи­мым в действие датчиком времени или самозащелкивающимся устройством, срабатывающим, как только твердые частицы дости­гают определенного уровня в пространстве, где они удерживаются.

Выгрузка твердых частиц может быть частичной, полной или комбинированной.

Сопловые сепараторы с непрерывным уда­лением осадка применяют для разделения суспензий, содер­жащих от 6 до 30 % твердых частиц. Центробежная сила, развивае­мая в таких сепараторах, в 6000...9000 раз больше силы тяжести. Производительность достигает 150 м³/ч.

Сепараторы высокопроизводительны, компактны, герметичны, изготовляются из антикоррозийных материалов, просты в обслужи­вании (сборка, разборка и периодическая промывка сепараторов производятся с помощью специальных устройств и моющих машин), не требуют значительных затрат ручного труда, могут работать по заданной программе. Недостаток аппаратов — высокая стоимость.

Производительность молочного сепаратора (в м³/ч) можно опре­делить по формуле

где η — КПД сепаратора (η =0,5...0,7);

d_ч — диаметр частиц жира, м;

п — частота вра­щения, с^-1;

z — число тарелок;

α — угол наклона тарелок (α =45...55°);

R_в и R_вн — соответственно внешний и внутренний радиусы тарелки, м;

t —температура сепариро­вания, °С (t =40...50 °С).

Разновидностью соплового сепаратора является бактофуга (рис. 10), которая представляет собой герметичный высокоскоростной сопловой сепаратор, выполненный в виде осветлителя и снабженный рубашкой для охлаждения, а также циклоном для деаэрации концентрата.

Преимущества бактофуги — высокий фактор разделения (это позволяет разделять суспензии, содержащие очень мелкие частицы, такие, как бактерии), непрерывная выгрузка концентрата твердых частиц, не содержащего воздуха; герметичный вход технологичес­кой жидкости и выход осветленной жидкости; охлаждение во время сепарирования, наличие устройства для предотвращения утечки загрязненного воздуха.

1 — вход технологической жидкости через полый вал; 2—выход концентрата через сопла; 3—шту­цер для выхода деаэрированного концентрата из циклона; 4 — поток циркулирующего воздуха в циклоне; 5 — штуцер для выхода осветленной жидкости из бактофуги

Рисунок 10. Схема бактофуги

В бактофуге сепарирование происходит также в барабане с набо­ром конических тарелок. Для непрерывной выгрузки осадка преду­смотрены два расположенных по периферии сопла 2. Технологичес­кая жидкость в условиях герметичности подается снизу в полый вал 1и под действием центробежной силы распределяется по тарелкам. Тяжелая фаза непрерывно разгружается через сопла вместе с небольшим количеством жидкой фазы. Основная часть осветленной жидкости в условиях герметичности выходит через штуцер 5. Влаж­ный концентрат, выходящий из сопл, собирается в крышке центри­фуги, а затем поступает в циклон, где деаэрируется. Концентрат выгружается из циклона через штуцер 3,а загрязненный воздух цир­кулирует через циклон и крышку барабана циклона.

Такие бактофуги применяют при очистке молока от находя­щихся в нем бактерий (до 99%), в фармацевтической промышленно­сти для извлечения осажденных белков (таких, как гамма-глобулин) и различных ферментов.

Гидроциклоны применяют для осветления, обогащения суспен­зий, классификации твердых частиц по размерам от 5 до 150 мкм, а также для очистки сточных вод после мойки пищевых агрегатов.

Корпус гидроциклона (рис. 7.12) состоит из верхней цилиндри­ческой части и конического днища. Качество разделения в гидроци­клонах зависит от угла конусности. Оптимальным считают угол, равный 10... 15°. При таком угле удлиняются коническая часть гид­роциклона и путь твердых частиц и, следовательно, увеличиваются время пребывания частиц и качество разделения.

1 — тангенциальный штуцер; 2 — патрубок; 3 — перегородка; 4 — цилиндрический корпус; 5 — коническое днище; 6 — штуцер для выхода

шлама

Рисунок 11. Гидроциклон

Суспензия подается тангенциально в цилиндрическую часть и приобретает вращательное движение. Скорость суспензии на входе в гидроциклон составляет 5...25 м/с. Под действием центробежной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона и движутся по спиральной траектории вдоль стенок вниз к штуцеру 6, через который отводятся в виде шлама. Осветленная жидкость дви­жется во внутреннем спиральном потоке вверх вдоль оси гидроци­клона и удаляется через патрубки 2.

Гидроциклоны, применяемые в качестве классификаторов, имеют диаметр 300...350 мм и высоту 1,0...1,2 м. Для сгущения гру­бых суспензий используются гидроциклоны диаметром 100 мм, для сгущения и осветления тонких суспензий — гидроциклоны диаме­тром 10...15 мм, обычно объединяемые в общий агрегат, в котором они работают параллельно (мультигидроциклон).

Производительность гидроциклонов (в м³/ч) может быть рассчи­тана по уравнению

где d_cл — диаметр сливного патрубка, м;

D — диаметр цилиндрической части, м;

Δр — перепад давления в гидроциклоне, Н/м².

Сверхцентрифуги (рис. 12) имеют ротор малого диаметра — не более 200 мм, вращающийся с большой скоростью — до 4500 мин^-1. Фактор разделения составляет 15 000. В таких центрифугах разде­ляют очень тонкодисперсные суспензии и эмульсии (обезжиривание молока).

1 — корпус; 2 — ротор; 3 — лопасть; 4 — подпятник; 5 — труба; 6 — отверстие для выхода осветленной жидкости; 7 — шпиндель; 8 — опора; 9 — шкив

Рисунок 12. Сверхцентрифуга

контрольные вопросы

1. От чего зависит частота вращения мешалки в отстойнике с гребковой мешалкой.

2. Чем отличается отстойник с гребковой мешалкой от многоярусного отстойника.

3. Классификация центрифуг.

4. Как регулируется содержание частиц очищенного продукта в НОГШ.

5. Для чего нужны тарелки сепаратора.

6. В чем основное отличие бактофуги от дрожжевого сепаратора.

7. За счет чего осветленная жидкость в гидроциклоне движется вверх.

литература

1. Кавецкий Г. Д., Васильев Б. В., Процессы и аппараты пищевой технологии, - М.: Колос, 2007. -555с.

2. Плаксин Д. С. Процессы и аппараты пищевых производств, - М.: «Информагротех», 2006. -735с.

Поиск по сайту: