 |
Разделение неоднородных систем
|
|
|
|
Цель работы:
- исследование процесса осаждения под действием силы тяжести и в поле действия центробежной силы; оборудование для отстаивания и осаждения;
- исследование процесса фильтрования при использовании в качестве фильтра различные материалы; устройства для центробежного осаждения.
Предмет и содержание работы.
Под неоднородной системой понимают систему, состоящую из двух или нескольких фаз, каждая из которых имеет свою поверхность раздела и может быть механически отделена от другой фазы. Любая неоднородная бинарная система состоит из внутренней (дисперсной) фазы, обычно находящейся в тонкораздробленном состоянии, и внешней фазы, или дисперсионной среды, в которой находятся частицы дисперсной фазы. Система, в которой внешней фазой является жидкость, называется жидкой неоднородной системой, а система с газовой внешней средой – газовой неоднородной системой.
В зависимости от физического состояния фаз различают следующие неоднородные жидкие и газовые системы: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы, туманы. Каждая из указанных неоднородных систем характеризуется концентрацией внутренней фазы и размерами ее частиц.
Суспензия состоит из жидкости и находящихся в ней твердых частиц. В зависимости от размеров частиц различают суспензии грубые (с частицами размером более 100мкм), тонкие (0,5-100 мкм) и мути (0,1-0,5 мкм). Промежуточное положение между суспензиями и истинными растворами занимают коллоидные растворы с размерами частиц менее 0,1 мкм.
Эмульсия состоит из двух несмешивающихся или частично смешивающихся жидкостей: дисперсной и дисперсионной. Размер частиц дисперсной фазы может колебаться в значительных пределах. Под действием гравитационной силы эмульсии обычно расслаиваются, однако тонкие эмульсии с размером капель дисперсной фазы менее 0,4-0,5 мкм, а также содержащие стабилизаторы, становятся устойчивыми и не расслаиваются в течение продолжительного времени. С увеличением концентрации дисперсной фазы может возникнуть состояние, когда дисперсная фаза обращается в дисперсионную, и наоборот. Такой взаимный переход называется инверсией фаз.
|
|
|
Пены состоят из жидкой дисперсионной и находящихся в ней пузырьков газа дисперсной фазы. Пены по своим свойствам близки к эмульсиям.
Пыль и дым состоит из газов и находящихся в них твердых частиц размером 0,3- 50 мкм, а туман – из газа (дисперсионной фазы) и взвешенных в нем капелек жидкости (дисперсной). Пыли обычно образуются при дроблении, смешивании и транспортировке твердых материалов. Размеры твердых частиц пылей составляют от 3 до 70 мкм. Дымы образуются при конденсации паров и газов при переходе их в жидкое состояние. Размер твердых частиц в дымах составляет 0,3-5 мкм. Размер жидких капель в тумане 0,3-3 мкм. Пыли, туманы и дымы представляют собой аэрозоли.
Осаждение. Осаждением называют процесс выделения твердых или жидких частиц из жидких или газовых неоднородных систем под действием силы тяжести, центробежных сил.
Отстаивание применяют для грубого разделения суспензий, эмульсий, пылей и дымов и характеризуется низкой скоростью процесса. Отстаиванием не удается полностью разделить неоднородную смесь на дисперсную и дисперсионную фазы. Однако простое аппаратурное оформление процесса и низкие энергетические затраты определили широкое применение этого метода разделения в пищевой и смежных отраслях промышленности. Сущность его заключается в том, что неоднородная система, находящаяся в аппарате в состоянии покоя или движущаяся в нем с малой скоростью, разделяется на составные части под действием силы тяжести. Наибольшая скорость осаждения частиц при отстаивании не обеспечивает выделения из смеси тонкодисперсных частиц, поэтому отстаивание, как правило, применяют для грубого разделения неоднородных систем.
|
|
|
На движение тела в жидкой среде оказывает влияние и его форма. Для процессов осаждения это влияние учитывается коэффициентом формы φ. При этом для шара условились принимать φ =1. Для частиц нешарообразной формы φ как правило, меньше 1, что видно из следующих данных:
Форма частиц Коэффициент
Округлая 0,77
Угловатая 0,66
Продолговатая 0,58
Пластинчатая 0,43
Поэтому, если форма частиц не шарообразна, как это имеет место во многих случаях, теоретическую скорость движения частиц вычисляют в зависимости от режима обтекания:
Для ламинарного режима
ω oc = [d2 g(ρ ч - ρc)] /18η – формула Стокса
Для турбулентного режима
ω oc = 5,45√ d [(ρ ч - ρ с)/ρ с],
где ρ ч – плотность частиц;
ρc – плотность среды.
В зависимости от действительной формы частиц, полученное значение ωос умножают на соответствующий коэффициент формы φ. При таком расчете получают скорость осаждения одиночной частицы данной формы в неограниченном пространстве:
ω' oc = ω φ. (1)
Это имеет место в том случае, когда концентрация неоднородной смеси очень мала и частицы дисперсной фазы не соприкасаются одна с другой (например, в газовых и разбавленных жидких неоднородных смесях). Если же смеси концентрированные, то в процессе осаждения частицы соприкасаются между собой, при этом частицы большего размера увлекают меньшие частицы. Такое осаждение называется стесненным или солидарным. При столкновении частиц вследствие их ударов одной о другую частично теряется энергия движения, т. е. увеличивается коэффициент сопротивления, вследствие чего уменьшается скорость осаждения.
Чем больше концентрация смеси, тем большее влияние на скорость осаждения оказывает явление стеснения.
Скорость осаждения является основной расчетной величиной при определении размеров и производительности машин и аппаратов для разделения неоднородных систем методом осаждения.
Отстойники периодического действия. В аппаратах периодического действия неоднородная смесь от начала до конца отстаивания во всей своей массе остается практически неподвижной; подача ее в аппарат, а также удаление из него продуктов разделения производится периодически.
|
|
|
Расчет отстойника сводится к определению площади поверхности осаждения F0 и объема отстойника.
По заданному количеству смеси, которое должно быть обработано в отстойнике за время отстаивания τ0, и по концентрациям можно определить объем осветленного продукта V. Таким образом, производительность отстойника (в м3/с)
V с = V /τ0 = h0F0/ τ0
Так как h0 / τ0 = woc,
V с = woc F0
Из этой формулы видно, что производительность отстойника равна произведению скорости осаждения на площадь поверхности осаждения и не зависит от высоты отстойника.
Затем вычисляют объем осадка, его высоту и общую высоту отстойника как сумму осветленного слоя и осадка. Таким образом, производительность периодически действующих отстойников зависит только от поверхности осаждения, а его общая высота определяется в основном объемом накапливающегося осадка, что приводит к большим затратам на сооружение отстойника.
Отстойники полунепрерывного действия. В отстойники полунепрерывного действия разделяемая смесь в течение некоторого времени подводится непрерывно, движется в отстойнике, разделяется, осветленный продукт также непрерывно отводится, а осадок удаляется периодически.
Так, например, в сахарном производстве для очистки загрязненной воды после транспортирования и мойки свеклы ее направляют в отстойники, представляющие собой земляные ямы длиной до 200 м, шириной до 50 м и глубиной около 2 м. Их выкладывают кирпичом на цементе или бетонируют. Водная суспензия медленно движется вдоль такого отстойника, а твердые частицы при этом осаждаются на дно. Осадок (грязь) удаляют после остановки завода.
В крахмало-паточном производстве крахмал из крахмального молока выделяется в деревянных лотках длиной до 30 м, шириной около 0,5 м и глубиной до 0,4 м; молоко движется вдоль этих лотков, и крахмальные зерна осаждаются на дно. Накопившийся на дне слой крахмала периодически удаляют. По такому же принципу работают отстойные газоходы для улавливания золы из дымовых газов. В этом случае газоходы закрыты сверху, так как в них движутся газы.
|
|
|
Скорость движения неоднородных смесей вдоль отстойников принимается по опытным данным. Следует, однако, иметь в виду, что скорость неоднородной смеси не должна превышать некоторой критической скорости, при которой потоком жидкой фазы не уносились бы осаждающиеся частицы заданного размера.
Кроме того, скорость движения потока должна быть такой, чтобы режим течения был ламинарным. В противном случае при турбулентном режиме, когда в потоке происходит перемешивание, процесс осаждения затрудняется, и поэтому эффект разделения уменьшается.
Отстойники непрерывного действия. Стремление интенсифицировать процесс отстаивания и уменьшить затраты труда за счет сокращения времени на выгрузку осадка привело к созданию непрерывнодействующих отстойников; в этих отстойниках подача неоднородной смеси и удаление продуктов разделения осуществляется одновременно и непрерывно.
Недостатками отстойников являются большие размеры их и незначительная (<0,5 м/ч) скорость осаждения частиц. Они особенно эффективны при разделении смесей, частицы которых имеют размеры <5 мкм, или когда их плотность близка к плотности среды.
Осаждение в центробежном поле. Эффективное выделение частиц из суспензий и эмульсий достигается осаждением их в поле действия центробежной силы, которая в десятки раз превосходит силу тяжести. Поле действия центробежных сил создается вращательным движением разделяемого потока при тангенциальном и напорном вводе его в неподвижный корпус аппарата (гидроциклона) или при направлении разделяемого потока во вращающийся барабан центрифуги или сепаратора, в которых происходит так называемое отстойное центрифугирование. При вращательном движении смеси на взвешенную частицу действует центробежная сила, отбрасывающая частицу от центра к периферии со скоростью, равной скорости осаждения.
Для разделения жидких неоднородных систем в центробежном поле применяются машины, которые называются центрифугами; процесс разделения называется центрифугированием.
Основным рабочим органом центрифуги является вращающийся барабан. Барабаны отстойных центрифуг должны быть сплошными, чтобы задерживать на своей поверхности частицы дисперсной фазы. Интенсивность центрифугирования характеризуется фактором разделения. Все центрифуги по величине фактора разделения разделяют условно на две группы: нормальные—с фактором разделения Fr<3000 и сверхцентрифуги (ультрацентрифуги), у которых Fr>3000.
|
|
|
По характеру протекания процесса разделения осадительные центрифуги в основном аналогичны отстойникам, поэтому они называются также отстойными центрифугами. Если в такой центрифуге обрабатывается малоконцентрированная суспензия, причем задачей обработки является полное удаление частиц дисперсной фазы из жидкости, т. е. осветление последней (например, очистка машинных масел от тонких взвесей), то такая центрифуга называется осветляющей; процесс центрифугирования в этом случае называется центробежным осветлением. К отстойным центрифугам относятся также описываемые ниже тарелочные сепараторы, с помощью которых производится центробежное сепарирование (разделение) эмульсий и осветление тонких суспензий.
Отстойные (осадительные) центрифуги. Как и отстойные аппараты, отстойные центрифуги по режиму работы можно подразделить на три группы:
1) центрифуги периодического действия; в эти центрифуги периодически подводится суспензия и периодически из них отводятся продукты разделения; такие машины в настоящее время применяются редко;
2) центрифуги полунепрерывного действия, когда неоднородная смесь подается непрерывно в течение некоторого времени; декантат также в течение этого времени отводится непрерывно,а осадок выгружается периодически; к этим центрифугам относятся обычные отстойные машины и сверхцентрифуги для осветления мутных систем.
3) центрифуги непрерывного действия, у которых подвод разделяемой смеси и отвод продуктов разделения осуществляется непрерывно; по этому принципу работают сепараторы и сверхцентрифуги для разделения эмульсий, а также шнековые осадительные центрифуги.
Непрерывно действующие осадительные или отстойные горизонтальные шнековые центрифуги применяются главным образом в крахмало-паточном производстве ванного осадка крахмала
Сепараторы. Сепараторы широко применяются для выделения сливок из молока, дрожжей из дрожжевого молока, осветления пива, мелассы и др. По технологическому назначению сепараторы подразделяются на сепараторы-разделители для концентрирования суспензий и эмульсий и сепараторы-осветлители для выделения твердых частиц из жидкости. По типу ротора различают сепараторы тарельчатые и камерные. Ротор тарельчатых сепараторов (рис. 6, а, б и в) укомплектован пакетом конических тарелок, разделяющих поток жидкости на тонкие слои. Тарельчатые сепараторы предназначены для разделения эмульсий и осветления тонких суспензий. В этих аппаратах благодаря установке в роторе пакета конических тарелок поток жидкости разделяется на большое число тонких слоев; это обеспечивает ламинарный режим прохождения жидкости и уменьшает путь осаждения частиц.
По способу выгрузки осадка из ротора различают сепараторы с ручной и центробежной выгрузкой. Более эффективны сепараторы с центробежным удалением осадка благодаря большей длительности их непрерывной работы и возможности автоматизации процесса.
По сравнению с аппаратами, осаждение в которых осуществляется в гравитационном поле, рассматриваемые сепараторы имеют следующие достоинства.
1. Частота вращения сепараторов в среднем 5000— 6000 об/мин, а диаметры их барабанов 250—300 мм, поэтому центробежное ускорение в тысячи раз больше гравитационного ускорения. Следовательно, скорость осаждения также в тысячи раз больше скоростей осаждения в поле земного тяготения. Гак, в молочном сепараторе с радиусами ротора R 2=64 и R 1 = 150 мм при n=6000 об/мин средняя по длине образующей скорость осаждения в 4000 раз больше скорости осаждения при отстаивании в тех же условиях в гравитационном поле.
2. Поверхность осаждения в сепараторах относительно большая, что обеспечивается большим количеством тарелок (несколько десятков) при незначительном расстоянии между ними. Такая большая поверхность обеспечивает высокую производительность сепараторов по сравнению с отстойными аппаратами. Площадь, занимаемая сепараторами, в тысячи меньше площади отстойников при той же производительности.
Кроме сказанного сепараторы имеют еще и то весьма важное преимущество перед отстойниками, что в них можно разделять смеси очень быстро и при необходимости стерильно, что очень существенно для пищевых продуктов.
Фильтрование. Фильтрованием называют процесс разделения суспензий, дымовых газов и пылей путем прохождения их через пористую перегородку, способную задерживать взвешенные частицы и пропускать фильтрат или очищенный газ. Фильтрование обеспечивает почти полное освобождение жидкости или газа от взвешенных частиц и поэтому имеет значительные преимущества перед осаждением. В качестве фильтровальных перегородок применяют ткани хлопчатобумажные (бельтинг, миткаль и др.), синтетические (капрон, нейлон, капрон-лавсан) и шерстяные, а также плетеные и штампованные металлические сетки, песок, гравий и пористые керамические материалы. Роль фильтровальной перегородки выполняет и слой осадка, который при фильтровании образуется на перегородке, причем его фильтрующие свойства зачастую более высокие, чем фильтрующие свойства перегородки.
В качестве вспомогательных материалов при фильтровании применяют измельченный асбест, костяной и древесный активные угли, диатомит, перлит и др. Их используют при непосредственном вводе в суспензию или путем предварительного намыва слоем на рабочую поверхность фильтра. Накапливаясь, вместе с осадком на фильтровальной перегородке, они значительно повышают пористость осадка и понижают его гидравлическое сопротивление, что в свою очередь увеличивает скорость фильтрования. Кроме того, применяемые при этом активные угли, диатомит и др., обладая адсорбционными свойствами, избирательно поглощают из жидкости не только мельчайшие частицы, но и красящие вещества, что широко используется при осветлении продуктов.
Все используемые в пищевой промышленности типы фильтров, которые соприкасаются непосредственно с продуктами, должны быть нейтральны и не переходить в него.
Получаемые при фильтровании осадки подразделяются на сжимаемые, частицы которых с повышением давления деформируются и уплотняются, а размер капилляров уменьшается, и несжимаемые, размер и форма частиц которых практически не меняются с увеличением давления при фильтровании. Сжимаемые осадки состоят из коллоидных или вообще из хлопьевидных частиц, а несжимаемые – из кристаллических и некристаллических твердых частиц. Сопротивление несжимаемых осадков при фильтровании меньше, чем сжимаемых.
По целевому назначению процесс фильтрования может быть очистным или продуктовым.
Очистное фильтрование применяется для разделения суспензий, очистки растворов от различного рода включений. В этом случае целевым продуктом является фильтрат. В пищевой промышленности очистное фильтрование применяется для осветления вина, виноматериалов, молока, пива, жиров, масел, сахарных сиропов и других продуктов.
Назначением продуктового фильтрования является выделение из суспензии, пыли диспергированных в них продуктов в виде осадка. Целевым продуктом является осадок. Примером такого фильтрования является разделение дражжевых суспензий.
Фильтрационные аппараты периодического действия. Песочный фильтрационный аппарат. Песочные фильтрационные аппарат относятся к группе аппаратов с зернистым слоем, применяются они в то случае, когда содержание твердой фазы в жидкости относительно мало.
Конструкция аппарата проста, является его достоинством. Качеств фильтрования высокое. Однако он имеет малую производительность вследствие малой скорости и малой поверхности фильтрования на единицу объема. Кроме того, при обслуживании фильтра-песочника требуется затрачивать много тяжелого физического труда на его перезарядку.
Фильтрационные чаны. В фильтрационных чанах фильтрующей перегородкой является сетка или ткань, задерживающая твердую фазу.
Для интенсификации этих аппаратов предлагают увеличивать разность давлений по обеим сторонам фильтрующей перегородки. Для этого фильтрационный чан герметизируется и в него подается сжатый воздух. Разность давлений может быть увеличена также путем создания вакуума в приемнике фильтрата. Такие установки, получили название нутч-фильтр
Рамные и камерные фильтр-прессы. Фильтр-прессы—аппараты, работающие под избыточным давлением, создаваемым насосом и достигающим 0,3—0,4 МПа. Они имеют существенные преимущества перед описанными ранее аппаратами, так как скорость фильтрования в них больше, а поверхность фильтрования, приходящаяся на единицу объема, значительна. Фильтрующей перегородкой в этих аппаратах является ткань. Род ткани выбирается в зависимости от характера фильтруемой жидкости и осадка.
Так, при фильтровании кислот применяются ткани из асбестового волокна и шерстяные ткани. При фильтровании нейтральных, слабокислотных или слабощелочных растворов применяются хлопчатобумажные ткани: бязь, бельтинг, холст.
Число рам в одном фильтр-прессе — от 10 до 60. Осадок задерживается тканью, а фильтрат проходит через ткань и стекает по бороздкам рифленой поверхности плиты. По мере того как полость рамы заполняется осадком, скорость фильтрации падает. Чтобы поддержать скорость фильтрации на постоянном уровне, по мере наполнения рамы осадком нужно увеличивать давление.
Рабочий цикл фильтр-пресса состоит из следующих операций: подготовки к работе, фильтрования, промывки, разгрузки фильтр-пресса от осадка. Последняя операция осуществляется следующим образом: зажимную плиту отводят в крайнее положение, а плиты и рамы раздвигают вручную два рабочих. Осадок при этом сбрасывается в люк, расположенный под фильтр прессами. Работа эта весьма трудоемкая и требует значительного физического напряжения. Вспомогательные операции в рабочем цикле фильтр-пресса занимают по времени от 10% до 30%. Время фильтрования в зависимости от характера суспензии и давления составляет от 60 до 300 мин.
Листовые фильтры. К этой группе аппаратов относится много конструкций, в которых поверхности фильтрования представляет собой плоские элементы, покрытые фильтрующей тканью. Фильтрующие элемент такого фильтра — это рама, на которую надет мешок из ткани. Поэтому листовые фильтры называют иногда мешочными фильтрами.
Фильтрационные аппараты непрерывного действия. Барабанный вакуум-фильтр. Эксплуатация периодически действующих фильтрационных аппаратов связана с тяжелой физической работой. К тому же вспомогательные операции составляют до 30% от продолжительности рабочего цикла. От этих недостатков свободны непрерывнодействующие фильтрационные аппараты. Из этих аппаратов наибольшее распространение в пищевой промышленности получили барабанные вакуум-фильтры.
Фильтрующие центрифуги периодического и полунепрерывного действия. В пищевой промышленности применяются фильтрующие центрифуги периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.
Рабочий цикл центрифуги состоит из следующих операций: разгона барабана, наполнения барабана суспензией, центрифугирования, промывки и пропаривания осадка, подсушивания осадка, торможения, разгрузки. Таким образом, значительную часть цикла составляют вспомогательные операции, которые занимают от 20 % до 40 % времени от продолжительности всего цикла. Особенно длительной и тяжелой операцией является выгрузка осадка, которая производится вручную при помощи лопатки. Выгрузка осадка удачно разрешена в так называемых саморазгружающихся (полунепрерывного действия) центрифугах.
Фильтрующие центрифуги непрерывного действия. В фильтрующие центрифуги непрерывного действия суспензия подается непрерывно, так же непрерывно удаляются из них осадок и фильтрат.
По способу удаления осадка центрифуги непрерывного действия разделяются на центрифуги с центробежной разгрузкой, со шнековой разгрузкой и с пульсирующим поршнем.
Оборудование, технические средства, инструмент:
1. мука, крупа манная, ячневая, кукурузная песок по50-100 г;
2. стеклянные стаканы вместимостью 250-500 мл;
3. центрифуга лабораторная;
4. весы;
5. фильтры бумажные, хлопчатобумажные, синтетические, металлические
|
|
|
