Процессы осаждения и фильтрации

 

Во многих отраслях пищевой и перерабатывающей промышленности приходится иметь дело с неоднородными (гетерогенными) системами. Например, такие системы образуются при просеивании сыпучих материалов на мукомольных заводах в виде мучной пыли, при дроблении сахара в виде сахарной пыли, при измельчении зерновых культур и др. На крахмально-паточных заводах при смешивании сыпучих материалов с жидкостями неоднородные системы представляют суспензии в виде крахмального молока, при мойке растительного сырья образуются грязевые суспензии, при прессовании плодов и овощей на консервных заводах образуются соковые суспензии с частицами мякоти и т.п.

Выше была приведена классификация и свойства неоднородных систем по агрегатному состоянию (см. гл.2). Классификация по размерам частиц, входящих в неоднородные системы, носит условный характер, поскольку дисперсные фазы систем содержат частицы разных размеров. Например, суспензии по эквивалентному диаметру () классифицируются на крупнозернистые с более 1 мм, среднезернистые, у которых = 100мкм…1 мм, мелкозернистые - = 5…100 мкм, тонкие - = 100нм…5мкм, коллоидные = 1…100 нм [42]. Под эквивалентным диаметром частицы понимается диаметр сферы, объем которой равен объему частицы из того же материала . К этой классификации можно с некоторым приближением добавить и эмульсии. Например, молоко, у которого размер жировых шариков составляет несколько микрометров, относится к тонким эмульсиям. Сухие пыли условно можно считать мелкозернистыми и тонкими газовыми суспензиями.

В пищевых производствах приходится разделять суспензии и эмульсии на фракции. Методы разделения обуславливаются видом неоднородной системы и состоянием ее фаз, а также зависят от физико-механических свойств среды. Технология разделения определяется требованиями к конечной продукции и требованиями экологии. Например, очистка газов от пыли или обработка мучной или сахарной пыли предусматривает не только использование циклонов, но и фильтрование через матерчатые рукавные или барабанные фильтры.

Известны два основных метода разделения неоднородных систем: осаждение и фильтрация (рис. 7.1).

 

 

Рис. 7.1. Классификация методов разделения гетерогенных систем

 

Осаждение. В процессе осаждения частицы движутся относительно сплошной среды. При фильтрации дисперсионная среда пропускается через пористые материалы. Для интенсификации процессов осаждения и фильтрации используются гравитационное, центробежное и электромагнитные поля.

Показателем качества процессов разделения сред является эффект разделения, под которым понимается отношение количества компонента, выделенного из дисперсной фазы, к начальному его количеству в смеси .

Пример. Определить степень обезжиривания молока, если исходная жирность молока составляла = 3,8%, жирность полученных сливок = 20% и обрата = 0,06%.

Имеем .

Рассмотрим физические явления, происходящие при осаждении частиц дисперсной фазы суспензии в поле гравитационных сил. Пусть частицы плотностью с характерным эквивалентным диаметром находятся в жидкой среде, имеющей вязкость и плотность . На отдельную частицу среды будут действовать следующие силы:

- сила тяжести ;

- сила выталкивания (сила Архимеда) ;

- центробежная сила ;

Если поместить среду в электромагнитное поле, то появится дополнительная сила

Сумма векторов этих сил даст равнодействующую . Если , то частица будет перемещаться с какой-то определенной скоростью осаждения. При этом возникнет еще одна сила, которая будет препятствовать перемещению частицы – это сила сопротивления среды , зависящая от вязкости среды и направленная в сторону противоположную движению частицы.

Для осаждения эмульсий и суспензий используются устройства, называемые центрифугами, и сама операция называется центрифугованием.

Для центрифуг фактором разделения является отношение центробежной силы к силе тяжести , где - радиус барабана центрифуги. В зависимости от значения фактора разделения различают нормальные центрифуги () и сверхцентрифуги (. Методика технологического расчета центробежной центрифуги приведена в [17].

На рис. 7.2 показан общий вид центробежной центрифуги. Центрифуга представляет собой вращающийся барабан, помещенный в кожух. Барабаны фильтрующих центрифуг перфорированные, осадительных – сплошные.

При вращении в жидкой фазе возникает гидростатическое давление, которое является движущим фактором процесса фильтрации жидкости через осадок, который задерживается фильтрующим ситом.

Технология разделения включает три периода: в течение первого периода о вращающейся центрифуге происходит фильтрование жидкости с образованием осадка, во втором периоде происходит удаление жидкости из пор осадка. В третьем периоде отфильтрованный осадок подвергают отжиму или сушке.

Рис. 7.2. Центрифуга периодического действия

Технические данные центрифуги приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1. Технические параметры центробежной центрифуги

Показатели	Значения
Диаметр ротора, м	0,4
Емкость ротора, м3	0,063
Частота вращения ротора, об/мин
Фактор разделения
Максимальная загрузка, кг
Установленная мощность, кВт	3,0

Пусть в цилиндрическом барабане центрифуги, вращающемся с угловой скоростью , находится жидкость плотностью . Под действием центробежной силы жидкость примет форму цилиндра. Выделим из этой жидкости элементарный цилиндр радиусом и толщиной стенки . Масса этого цилиндра будет равна . Действующая на этот цилиндр центробежная сила . Разделим эту силу на боковую поверхность цилиндра и в результате деления получим элементарное давление . Проинтегрировав полученное выражение в пределах от до , где - радиус внутренней поверхности вращающейся жидкости, - радиус внутренней поверхности барабана, получим выражение относительно давления жидкости на внутреннюю поверхность барабана центрифуги , н/м².

Пример: Пусть ротор центрифуги диаметром 0,05 м вращается со скоростью 1666,6 с^-1. Найдем давление вращающейся жидкости плотностью кг/м³ на стенки ротора, если толщина слоя жидкости равна 5 мм.

н/м².

Мощность на раскручивание барабана центрифуги , где - масса барабана; - время раскручивания барабана.

Мощность на преодоление сил трения , где - сила нормального давления (сила, прижимающая жидкость к поверхности барабана); - коэффициент трения; - диаметр вращающейся жидкости.

Фильтрование. Рабочим органом аппаратов для фильтрования является фильтр, представляющий собой пористое тело, способное пропускать сквозь себя фильтрат и задерживать твердые частицы. В качестве фильтрующего материала используют мелкоячеистые сита, ткани, сыпучие материалы и др. При фильтровании частицы в зависимости от их размера могут проходить через поры фильтра или задерживаться ими, поэтому процесс фильтрования может быть с образованием осадка, когда частицы проходят через поры фильтра; с частичным закупориванием пор и с полным закупориванием пор.

Фильтр оказывает сопротивление движению жидкости, поэтому в фильтрах с помощью насосов или другими средствами создают перепад давлений, чтобы ускорить процесс фильтрации.

Показателем интенсивности процесса фильтрации является скорость фильтрования, равная количеству фильтрата, проходящего через единицу поверхности фильтра в единицу времени , где - объем фильтрата, отнесенный к поверхности фильтра, - время фильтрования.

Процесс фильтрования может осуществляться при постоянном давлении или при постоянной скорости. Скорость фильтрования зависит от физико-механических свойств суспензии, характеристик осадка, свойств фильтра и других факторов.

При установлении закономерностей процесса исходят из двух основных уравнений:

- уравнения расхода ;

- уравнения перепада давления ,

где - скорость течения жидкости в капиллярах; - сечение пор; - число капилляров фильтра; - эквивалентный диаметр капилляра; - длина капилляра; - плотность фильтрата; - коэффициент трения.

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: