Материал: Д6385 Арсеньев ВВ Технологическое оборудование для разделения жидких и сыпучих неоднород систем производств

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

Кафедра техники пищевых производств

и торговли

Технологическое оборудование для разделения жидких и сыпучих неоднородных систем пищевых производств

Методические указания к лабораторной работе для студентов специальности 260601 очной и заочной форм обучения

Санкт-Петербург 2011

УДК 637.523.005

Арсеньев В.В., Мовчанюк Е.В., Верболоз Е.И. Технологи-ческое оборудование для разделения жидких и сыпучих неоднород-ных систем пищевых производств: Метод. указания к лабораторной работе для студентов спец. 260601 очной и заочной форм обучения. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2011. – 21 с.

Излагаются общие сведения об оборудовании для разделения жидких и сыпучих неоднородных систем. Рассматриваются конструкции и техничес­кие характеристики, приведены основные технологические расчеты фильт­ров и про-сеивателей.

Рецензент

Канд. техн. наук, доц. К.М. Федоров

Рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом уни-верситета

 Санкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных и пищевых технологий, 2011

Лабораторная работа цель работы

Целью работы является изучение оборудования для разделения жидких и сыпучих неоднородных систем в пищевой промышленности, приобрете­ние навыков выполнения технологических расчетов, а также составления технологических и кинематических схем.

Порядок выполнения работы

Приступая к выполнению лабораторной работы, студент должен вни­мательно прочитать данные методические указания, литературные источни­ки, затем перейти к изучению оборудования, имеющегося в лаборато­рии кафедры (по указанию преподавателя).

Студент уясняет назначение, принцип действия и изображает эскизы маши­ны в целом и ее отдельных узлов. В заключение составляет и оформляет отчет в соответствии с требованиями и сдает его преподавателю. На выполнение лабораторной работы и защи­ту отчета отводится 4 часа.

Оборудование для разделения суспензий

В пищевой промышленности большое распространение получили про­цессы фильтрования суспензий. Так, например, в свеклосахарном произ­водстве фильтрование применяется для отделения осадка от сатурационных соков и очистки сиропов. В пивоварении фильтрование используется для отделения дробины от сусла и осветления готового продук­та – пива. Фильтрование жидкостей широко применяют в виноделии, ликероводочном производстве и производстве соков.

Рамный фильтр-пресс

Существует множество конструкций фильтров и классификаций по разным их признакам. Одна из возможных классификаций дана на рис. 1.

Рис. 1. Классификация фильтров

Рамный фильтр-пресс (рис. 2) относится к числу распространенных видов фильтров периодического действия, используемых для разделения разбавленных суспензий.

Рис. 2. Рамный фильтр-пресс:

1 – плиты; 2 – рамы; 3 – опорный брус; 4 – неподвижная плита; 5 – подвижная плита; 6 – гидравлическая система

Фильтр-пресс состоит из ряда чередующихся плит 1 и рам 2 пря­моугольной или круглой формы, опирающихся боковыми лапами на два параллельных бруса 3 станины. Между плитами и рамами прокладывают фильтровальные тканевые перегородки («салфетки»), после чего весь пакет стягивается при помощи гидравлического механизма 6 между неподвиж­ной концевой плитой 4 и подвижной концевой плитой 5, переме­щающейся на роликах. Края плит имеют гладкую поверхность, а средняя часть – рифленую, причем желобки сообщаются в нижней части каждой плиты с каналом для отвода фильтрата. Вверху плиты имеются централь­ное отверстие для подачи суспензии и два крайних отверстия для пода­чи промывной жидкости. Рамы, также имеющие по три отверстия, образу­ют между каждыми двумя соседними плитами камеры для осадка. При стя­гивании всего пакета отверстия в плитах и рамах совпадают, образуя сквозные каналы для суспензии и промывной жидкости, а края салфеток играют роль уплотняющих прокладок. Каналы, сообщающиеся только с каме­рами, расположенными между плитами, заканчиваются у концевой плиты.

Суспензия, нагнетаемая насосом, поступает в камеры фильтр-прес­са, откуда фильтрат (жидкость), пройдя через обе салфетки каждой ка­меры, стекает по желобкам к выходным каналам, а осадок накапливается внутри камер. После заполнения камер подача суспензии прекращается, и по каналам, имеющимся только у половины плит, нагнетается промывная жидкость. В это время половина сливных каналов перекрывается крана­ми, поэтому промывная жидкость последовательно проходит через обе фильтровальные перегородки («салфетки») и слой осадка между ними. После промывки осадок часто продувают воздухом (иногда перегретым паром) для удаления остатков фильтрата. Затем отодвигают подвижную плиту, разъединяют плиты и рамы, удаляют осадок и снова стягивают весь пакет. Плиты и рамы, изготовляемые из чугуна, стали и керами­ки, при необходимости снабжают специальными каналами для теплоносителей и хлад-агентов. Фильтр-пресс имеет площадь поверхности до 140 м, рабочее давление – 1,5 МПа.

Рабочий цикл фильтр-пресса состоит из следующих операций: под­готовки к фильтрованию, промывки, разгрузки от осадка. Последняя операция осуществляется следующим образом: защищенную плиту отводят в крайнее положение, а плиты и рамы раздвигают вручную двое рабочих. Осадок при этом сбрасывается в люк, расположенный под фильтр-прессом. Работа эта весьма трудоемкая и требует большого физического напряже­ния. Вспомогательные операции в рабочем цикле фильтр-пресса занима­ют по времени от 10 до 30 %. Время фильтрации в зависимости от харак­тера суспензии и давления составляет от 60 до 300 мин.

Автоматический камерный фильтр-пресс

Все более широкое применение находят автоматизированные фильтр-прессы. Фильтр-пресс автоматический камерный (ФПАК) создан с целью устранения недостатков рамных фильтров (рис. 3).

Рис. 3. Автоматический камерный фильтр-пресс:

1 – плиты; 2 – фильтровальная ткань; 3 – щелевое сито; 4 – коническое днище; 5 – резиновый шланг; 6–7 – ножи; 8 – камера регенерации

Плиты 1 этого фильтра расположены горизонтально одна над другой. Каждая фильтровальная плита перекрыта щелевым ситом 3. Над ним находится фильтровальная ткань 2. Эта ткань представляет собой бесконечное полотно. Полотно перемещается системой роликов. Каждая плита имеет коническое днище 4, заканчивающееся трубой для отвода фильтрата. Между плитами укладыва­ются резиновые шланги 5, укрепленные по периметру плит. В шланги подается вода под давлением 0,8–1,0 МПа. При этом шланг раздувается и прижимает фильтровальную ткань к плите. Между соседними плитами образуется фильтровальная камера, в которую под давлением попадает суспензия. Когда фильтрование закончено, давление внутри шлангов снижается. Шланг сжимается, и между плитами образуется зазор. Это дает возможность переместить фильтровальную ткань и осадок на ней. Осадок на ткани, выходящей из фильтра, снимается ножами 6 и 7. За­тем ткань поступает в камеру регенерации 8, где промывается и очища­ется скребками. Фильтрование и промывка производятся под давлением 0,6 МПа. Толщина осадка составляет 5–20 мм. Фильтры выпускаются с площадью поверхности фильтрования 5–30 м². Для удаления осадка требуется 1 мин.

Достоинствами рассматриваемого фильтра, помимо автоматизации действия, являются компактность, отжим осадка диафрагмами и незначи­тельные затраты времени (около 2 мин) на вспомогательные операции (раздвигание плит, их затяжку, выгрузку осадка).

Барабанный вакуум-фильтр

Эксплуатация периодически действующих фильтрационных установок связана с тяжелой физической работой. К тому же вспомогательные oneрации составляют до 30 % от продолжительности рабочего цикла. Этих недостатков нет у непрерывнодействующих фильтрационных аппаратов. В пищевей промышленности наибольшее распространение из указанных аппаратов получили барабанные вакуум-фильтры (рис. 4). Он состоит из горизон­тального барабана 1 с цилиндрической стенкой (покрытой металлической сеткой и фильтровальной тканью), погруженного на 0,3–0,4 объема в ко­рытообразный сосуд 2.

Рис. 4. Барабанный вакуум-фильтр:

1 – барабан; 2 – сосуд; 3 – мешалка; 4 – осадок; 5 – ячейки; 6 – цапфа

Барабан, разделенный на 12 секций, медленно вращается (0,1–0,3 об/мин) на валу, один конец которого соединен с приводом, а другой в виде полой цапфы прижат к неподвижной распреде­лительной головке. С последней при помощи каналов в полой цапфе 6 сооб­щаются все ячейки барабана. Корпус головки разделен на 4 неравные по объему камеры, которые служат для отвода фильтрата (в наибольшую камеру), промывной жидкости (в среднюю камеру) и сжатого воздуха (в две наименьшие камеры). При вращении барабана первые две камеры последовательно при­соединяются к вакуумной линии, а две другие – к линии сжатого воздуха. Суспензия подается в корыто, снабженное медленно вращающейся мешалкой 3, предотвращающей осаждение твердых частиц.

При вращении барабана часть его ячеек 5 постоянно погружена в суспензию и сообщается через распределительную головку с вакуумом, поэ­тому фильтрат отсасывается и твердые частицы образуют осадок на поверх­ности фильтровальной ткани. Далее эти ячейки выходят из корыта, продолжая сообщаться с вакуумом, и слой осадка несколько обезвоживается по­средством потока всасываемого воздуха. Затем осадок проливается, при­чем промывная жидкость благодаря сообщению ячеек с вакуумом уходит через свои каналы в распределительной головке. Далее через слой осад­ка 4 с целью его просушки снова подсасывается воздух, после чего ячейки сообщаются с линией сжатого воздуха для «отрыва» осадка от фильтроваль­ной ткани и его разрыхления. На короткое время ячейка отключается от сжатого воздуха для «отрыва» осадка и вновь подключается к нему для продувки с целью регенерации фильтровальной ткани. Совершив полный оборот, ячейка снова погружается в суспензию, и ее рабочий цикл пов­торяется.

Таким образом, процесс фильтрования включает семь стадий:

1. Образование осадка и отсасывание фильтрата.

2. Просасывание воздуха через слой осадка для частичного уда­ления остатка фильтрата.

3. Промывку осадка.

4. Просасывание воздуха через слой осадка для частичного уда­ления остатка промывных вод.

5. «Отрыв» и разрыхление осадка.

6. Съем осадка.

7. Регенерацию фильтровальной ткани.

В стадиях 1–4 ячейки барабана присоединены к вакуумной линии, а в стадиях 5–7 – к линии сжатого воздуха.

Во избежание растяжения при продувке сжатым воздухом фильтроваль­ная ткань прижимается к поверхности барабана спирально намотанной тонкой проволокой. Способ удаления осадка зависит от его структуры и толщины. Плотные осадки толщиной d =10 мм снимаются ножом в виде наклонной широкой металлической полосы, устанавливаемой вдоль образующей барабана на некотором расстоянии от его поверхности. Для удаления осадка толщиной 2–4 мм используются тонкие параллельно распо­ложенные бесконечные шнуры с расстоянием между ними 6–25 мм.

Площадь поверхности барабанных ячейковых вакуум-фильт-ров – до 40 м² (диаметр барабана 1–3 м, длина 0,3–14 м). Вакуум-фильтры вращаются с частотой 0,1–3,0 об/мин и приводятся в движение электро­мотором мощностью 0,1–4,5 кВт.

Гидроциклоны

Гидроциклоны – это аппараты для разделения жидких неоднородных систем. Они появились недавно, но быстро начали внедряться в пищевых производствах, вытеснили громоздкие отстойники. Особенно интенсивно гидроциклоны применяются в крахмалопаточном производстве. Здесь они используются вместо размывных чанов для сгущения кукуруз­ной кашки и отделения от нее кукурузного зародыша, размывки крахмаль­ного молока и вместо центрифуг – для отделения песка из крахмальной суспензии, выделения крахмала и крахмального молока. Перспективным является применение гидроциклонов в сахарном производстве для разделения сатурационных соков. Проведенные в течение последних 5 лет работы по очистке известкового молока от песка при помощи гидроцик­лонов также дали положительные результаты. Возможно применение гидроциклонов для очистки транспортно-моечных вод во всех пищевых производ­ствах, где такие воды имеются (сахарном, спиртовом, крахмалопаточном и др.).

Достоинствами указанных аппаратов по сравнению с другими являются: простота устройства (они могут быть изготовлены в мастерских любых пищевых предприятий), невысокая стоимость, отсутствие движущихся час­тей, простота обслуживания и компактность.

Принцип действия гидроциклонов заключается в следующем. Суспен­зия под давлением 0,2–0,3 MПa и более подводится к патрубку 4, танген­циально нагнетается в цилиндрическую часть корпуса 3 (рис. 5), винто­образно по нисходящей спирали у стенки аппарата движется вниз, и твер­дые частицы, отбрасываясь под действием центробежной силы к стенкам конической части циклона 2 корпуса, осаждаются. Сгущенный продукт от­водится из аппарата шламовым патрубком. Вблизи от оси циклона вследст­вие винтообразного движения периферийного потока возникает обратный ток осветленной жидкости, направленный вверх. Эта жидкость патрубками 5 и 6 отводится из циклона.

Рис. 5. Схема циклона:

1 – нижний патрубок; 2, 3 – коническая и цилиндри­ческая части корпуса соответственно; 4 – подводящий (входной) патрубок; 5 – выводящий (выходной) патрубок; 6 – отводной патрубок

Несмотря на то, что гидроциклоны появились сравнительно недавно, существует множество их конструкций.

На эффект разделения главное влияние оказывает отношение диамет­ров нижнего d_н и выходного d_в (для слива) патрубков, которое принимается равным 0,37–0,4. Диаметр подводящего патрубка d_n прини­мают равным (0,14–0,3) D, диаметр выходного патрубка d_в = 0,2 D, угол конусности 10–15°.

Гидроциклоны объединяются в параллельно работающие группы.

Расчет фильтров

В процессе фильтрования Δр = соnst, а сопротивление слоя осад­ка изменяется с течением времени, поэтому скорость фильтрования явля­ется величиной переменной:

; (1)

где F – площадь фильтрования, м²; τ – продолжительность фильтрования, с.

Скорость фильтрования прямо пропорциональна перепаду давления Δp и обратно пропорциональна вязкости фильтрата m и общему гидравлическому сопротивлению слоя осадка R_ос и фильтрующей перегородки R_nep:

W = = = . (2)