Расчет сепаратора-сливкоотделителя

Технологический расчет аппарата и вспомогательного оборудования

1. Выбор типа единичного аппарата

По технологическому назначению это оборудование подразделяют на две основные группы: сепараторы-молокоочистители и сепараторы-сливкоотделители. В сепараторах-молокоочистителях происходит центробежная очистка молока от механических и естественных примесей. К этой группе относят также отделители белка от сыворотки, сепараторы для обезвоживания творожного сгустка и сепараторы - бактериоотделители. В сепараторах-сливкоотделителях молоко разделяется на сливки и обезжиренное молоко, происходят нормализация молока по жиру (при применении дополнительного устройства), обезжиривание сыворотки и получение высокожирных сливок.

По конструктивным особенностям сепараторы подразделяют на открытые, полузакрытые, закрытые. В открытых сепараторах ввод молока и вывод его фракций не герметизированы, т. е. сливки и обезжиренное молоко контактируют с воздухом окружающей среды. В полузакрытых ввод молока может быть открытым или закрытым, но без напора, а вывод продукта -- закрытым, под давлением, создаваемым в сепараторе. В закрытых сепараторах ввод молока, разделение на фракции и их выход герметизированы. Поступление молока и отведение фракций осуществляют под давлением.

Сепараторы классифицируют также по способу удаления осадка из барабана: с ручной выгрузкой осадка после их полной остановки и разборки барабана, центробежной периодической и непрерывной выгрузкой при непрерывной работе сепаратора.

Сепараторы состоят из следующих основных частей: станины в виде чаши, барабана, приемно-выводного устройства и приводного механизма.

На станине смонтированы все части и узлы сепаратора, в нижней ее части расположен приводной механизм. В чаше станины укреплены тормоза, стопоры, удерживающие барабан от произвольного вращения при сборке и разборке, а также приемно-выводное устройство. Внутренняя часть станины (картер) одновременно является масляной ванной.

Барабан (сепарирующее устройство) -- исполнительный орган сепаратора, где молоко разделяется на фракции. Сепарирующее устройство бывает с верхним и нижним вводом молока. Наибольшее применение получили сепарирующие устройства с верхним вводом молока. Конструкция сепарирующего устройства молокоочистителей и сливкоотделителей имеет следующие различия: в сливкоотделителе молоко в межтарелочное пространство поступает через отверстия в тарелках, а в молокоочистителях -- с периферии, так как в тарелках молокоочистителя отсутствуют отверстия; приемно-выводное устройство молокоочистителя имеет один отводной патрубок (для очищенного молока), а сливкоотделителя -- два (для сливок и обезжиренного молока); межтарелочный зазор у молокоочистителя больше (2--5 мм), чем у сливкоотделителя (0,6--0,8 мм); периферийное (грязевое) пространство молокоочистителя больше, чем сливкоотделителя.

Приемно-выводные устройства, закрепленные в верхней части сепаратора, обеспечивают подачу молока в барабан и отвод из него фракций молока (сливок, обезжиренного молока, а также очищенного молока). Герметичность всех соединений создается резиновыми уплотнительными кольцами. Конструкции приемно-выводных устройств различны, Однако у всех имеются приемник для сливок и обезжиренного молока и диски напора для каждой фракции. Приемник состоит из двух изолированных камер для сливок и обезжиренного молока. Сливки как более легкая фракция выходят из барабана по нижнему патрубку, а обезжиренное молоко -- по верхнему. На выходном патрубке сливок установлены регулировочный винт, позволяющий регулировать жирность сливок, и ротаметр для определения количества сливок. Приемно-выводные устройства могут быть снабжены устройствами для нормализации молока по жиру.

Все промышленные сепараторы имеют электрический привод. Основными его частями являются электродвигатель; центробежная муфта, состоящая из ведущей и ведомой полумуфт; зубчатое ведущее колесо; ведомое колесо мультипликатора, вертикальный вал (веретено). В приводной механизм могут входить также и другие детали и узлы, усложняющие его конструкцию и обеспечивающие заданную частоту вращения барабана сепаратора. Передача движения от электродвигателя к барабану следующая. Вращение от вала электродвигателя передается ведущей центробежной полумуфте, затем после соприкосновения с ведомой центробежной полумуфтой вращение передается на горизонтальный вал. Ведущее зубчатое колесо на горизонтальном валу входит в зацепление с зубчатым колесом мультипликатора и передает вращение на вертикальный вал, а вместе с ним и на барабан. Этот способ передачи движения от электродвигателя на барабан сепаратора наиболее распространен, но известны и другие способы передачи вращения, обеспечивающие заданную частоту вращения барабана.

2. Описание конструкции аппаратов

2.1 Сепаратор - сливкоотделитель

Принцип действия сепаратора-разделителя (рис. ) заключается в следующем. Исходная гетерогенная система по центральной трубке поступает в тарелкодержатсль, откуда по каналам, образованным отверстиями в тарелках, поднимается вверх и растекается между тарелками. Под действием центробежной сипы легкая фракция оседает на верхнюю поверхность нижележащей тарелки. По этой поверхности легкая фракция движется к центру барабана, далее по зазору между кромкой тарелки и тарелкодержателем поднимается вверх барабана и отводится из сепаратора.

а б

Рис.2.3.1 Схема процесса разделения (а) и осветления (б) в барабанах тарельчатых сепараторов:

<--« - исходный продукт; <--<- легкая фракция;

оооо -осадок; <-- тяжелая фракция;

<--О - частицы, образующие осадок

Тяжелая фракция в межтарелочном пространстве оттесняется к нижней поверхности тарелки, фракция движется по этой поверхности к периферии тарелки, и далее по зазору между разделительной тарелкой и крышкой барабана поднимается вверх барабана и отводится из сепаратора.

Сепаратор-сливкоотделитель (рис. 2.6) состоит из станины 17 с приводным механизмом, приемно-отводящего устройства 12, гидроузла, чаши станины с приемником осадка 7 и глушителя, а также из пульта управления [36].

Молоко подается по трубопроводу и центральной трубке приемно-отводящего устройства во вращающееся сепарирующее устройство. В это время поршень сепарирующего устройства закрыт. В полости под поршнем находится вода. При работе сепаратора происходит незначительное ее вытекание из сепарирующего устройства и патрубка станины при подпитке. Для герметизации системы поршень поджимается к прокладке силой гидростатического давления. Молоко подается в сепарирующее устройство, проходит через отверстия в тарелкодержателе и вертикальные каналы пакета, распределяется в межтарелочных пространствах, разделяясь на сливки, оттесняемые к оси вращения, и обезжиренное молоко, оттесняемое к периферии сепарирующего устройства. Сливки и обезжиренное молоко выводятся через камеры напорных дисков.

Твердые частицы и тяжелые примеси, выделяющиеся из молока, поступают в периферийный объем сепарирующего устройства, где происходит их накопление и уплотнение. Во избежание потерь молока применяют только частичную выгрузку осадка при открытии каналов.

Разгрузку сепараторов осуществляют в один или два этапа. При одноэтапной разгрузке осадок выгружается без перекрытия устройства для подачи исходного продукта. Однако во избежание потерь продукта в период раскрытия сепарирующего устройства выгружается не весь осадок, а лишь его часть. При двухэтапной разгрузке сначала перекрывается устройство для подачи исходного продукта и удаляется жидкость из межтарелочного пространства, а затем уже открываются щели для выгрузки, в результате чего осадок выбрасывается из сепарирующего устройства в приемник под действием центробежной силы.

Сепаратор - сливкоотделитель

Производительность сепаратора П, м³/с,

(2.36)

где з - КПД сепаратора (з = 0,5…0,7); n - частота вращения ротора, сО№,

z - количество тарелок; б - угол наклона образующей конуса тарелки

(б = 45...60° ); Rб - большой радиус тарелки, м; Rм - меньший радиус тарелки;

- плотность дисперсионной среды (плазмы), кг/м³; - плотность дисперсионной фазы (жира), кг/м³; - динамическая вязкость дисперсионной среды Па·с: d - предельный диаметр жирового шарика, м;

Размер жировых шариков d, мм,

мм (2.37)

где m - массовая доля жира в обезжиренном молоке (m = 0,01 %).

Давление жидкости, выходящей из сепаратора р, Па,

МПа (2.38)

где - плотность обезжиренною молока (пахты), кг/м³ ( = 1028,5 кг/м³);

r_k - внутренний радиус кольца жидкости, м, (r_k = 0,2 м).

Время непрерывной работы сепаратора между разгрузками ф, ч,

с (2.39)

где а - объемная концентрация взвешенных частиц в сепарируемом продукте, % .

Критическая частота вращения вала щ_Кр, т. е. скорость, при которой происходит разрушение вала, с^-1,

 (2.40)

где К - сила, вызывающая прогиб вала на 1 м, Н/м, для сепаратора с жестко зацепленным (без амортизатора) верхним радиальным подшипником;

(2.41)

где Е - модуль упругости материала вал к Н/м² (Е =2·10¹¹ Н/м² для сталей);

I - момент инерции сечения вершкального вала, м ,

(2.42)

здесь d_в - диаметр.вала, м , d_в = 0,06 м;

;

Мощность электродвигателя сепаратора N, работающего в установившемся режиме, кВт,

(2.43)

где - КПД привода (= 0,92...0,95); N₁ - мощность, затрачиваемая для сообщения

выбрасываемой из сепаратора жидкости избыточного давления, кВт,

(2.44)

здесь p - давление жидкости на выходе, Па; p= (2,0...2,5)·10⁵ Па;

- КПД напорного диска ( ~ 0,3);

N₂ - мощность, необходимая для преодоления сил трения барабана о воздух, кВт,

(2.45)

здесь - плотность воздуха, кг/м' (=1,23 кг/м³);

F - общая площадь поверхности трения барабана, м².

(2.46)

здесь - окружная скорость барабана, м/с,

(2.47)

где N₃ - мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения в подшипниках, кВт,

(2.48)

здесь м - коэффициент трения (м=0,03 для шарикоподшипников);

- линейная скорость вращения вала, м/с,

(2.49)

где - диаметр вала, м.

3. Обоснование выбора материалов для изготовления оборудования

Для изготовления сепараторов, емкостей, насосов и др. используются нержавеющие пищевые стали. Трубопроводы изготавливаются из стекла, пищевых пластмасс, пищевой резины. Причем все оборудование подвергается мойке холодной и горячей водой с добавлением щелочи и кислоты. Поэтому в дополнение к сказанному необходимо, чтобы материалы были коррозионно стойкими в этих растворах.

Основные детали сепаратора (корпус, крышка, основание, затяжные кольца-гайки) изготовляют из поковок или штамповок из нержавеющей стали. Затяжные кольца имеют левую резьбу, что исключает возможность их самоотвинчивания при вращении барабана по часовой стрелке. Листы для изготовления тарелок барабана должны иметь маркировку завода -- поставщика металла. Торцевые уплотнительные кольца барабана должны быть изготовлены из упругих полимерных материалов, резиновые уплотнения барабана--из пищевой резины только формованием. Все уплотнения барабана (полимерные и резиновые) должны быть стойкими к дезинфицирующим и моющим растворам и обладать следующими свойствами: теплостойкостью не менее 80 °С; нетоксичностью и отсутствием постороннего запаха; стойкостью в 20%-ных растворах азотной кислоты и едкого натра; работоспособностью в условиях давления 20--30 МПа.

4. Прочностные расчеты

4.1 Расчет на прочность быстровращающейся обечайки барабана сепаратора

Одним из основных элементов конструкций сепараторов, центрифуг и другого оборудования являются цилиндрические или конические обечайки. В общем случае они находятся под совместным действием распределенных по поверхности инерционных нагрузок от собственной массы обечайки qс и массы обрабатываемой среды Рс, краевых сил Qс и момента М0.

Нормальные напряжения, возникающие в быстровращающихся обечайках от действия указанных нагрузок с другими в узлах их сопряжения с другими деталями ротора по формулам:

( 1 )

( 2 )

а на участках обечайки, отстоящих от края - по формулам:

и т.д.

1. Вычислить щкр и проверить условие виброустойчивости ротора сепаратора.

Исходные данные: Вал закреплен на одной шарнирной и второй податливой опорах с коэффициентом жесткости н/м.

Моменты инерции барабана относительно осей Z и X соответственно:

Yz =40,1 кг/мІ; Yx = 22 кг/мІ; m = 240 кг; щ =108с?№.

Решение:

В связи со значительной податливостью опоры можно пренебречь податливостью вала и считать его абсолютно жестким. Тогда критическую скорость ротора можно определить по формуле:

раз/с; ( 3 )

Таким образом , что обеспечивает хорошее самоцентрирование ротора в послерезонансной области.

2. Определить скорости цилиндра - конического ротора сепаратора и проверить прочность соединения обечаек ротора (барабана).

Исходные данные:

Внутренний диаметр барабана D = 2R = 640 мм, длина цилиндрической обечайки l = 385. Угол при вершине конической обечайки 2б = 90° С, диаметр загрузочного отверстия D0 = 0. Исполнительная толщина стенок цилиндрической и конической частей барабана S = Sк = 10 мм (принимаем). Рабочая угловая скорость барабана щ = 108 с?№. Плотность и температура обрабатываемой среды сс = 1029 кг/мі, t = 60 °C. Материал барабана Х18Н10Т, p = 7850 кг/мі. Коэффициент Пуассона м = 0,3. Прибавка к расчетной толщине стенки С = 1 мм. Коэффициент прочности сварных швов ц= 0,9.

Решение:

Допускаемое напряжение материала ротора при рабочей температуре МПа, где з = 1, МПа.

Допускаемое напряжение в зоне краевого эффекта

МПа.

Допускаемое напряжение в зоне краевого эффекта

[у]р.кр = 1,3[у]р = 1,3·152 = 197,6 МПа.

Расчет толщины стенок обечаек

1. Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки сепаратора.

Толщина стенки цилиндрической обечайки сепаратора определяют по формуле:

Примем Sц = 12 мм.

Расчет толщины стенки конической обечайки

Толщина стенки конической обечайки равна:

Примем Sк = 12 мм.

Допускаемая угловая скорость цилиндрической обечайки, находим по формуле:

где ш = 1-(R0/R)І = 1 (R0 = 0).

Допускаемая угловая скорость конической оболочки, находим по формуле:

Ротора цилиндро-конического:

[щ]k = min {[щ]ц ; [щ]к} = min {138,6 ; 101,34} = 101,34 раз/с;

Уравнения совместимости деформаций для узла соединения цилиндрической и конической обечаек барабана (рис) с учетом направления:

где для края цилиндрической оболочки при S = 12мм.

м;

;

;

м;

м;

;

раз;

раз,

для широкого края конической обечайки при Sк = S = 12 мм, б = 45°

;

;

;

н/м;

;

;

;

;

;

;

Подставив найденные значения раздельных и угловых деформаций в систему уравнений и упростив, получим:

Отсюда: краевая сила Q0 = 11301 н/м; краевой момент М0 = 518 Н.

Нормальные напряжения на внутренней поверхности края цилиндрической обечайки с учетом формул и направления действия нагрузок:

- Меридианалиное

- Кольцевое

-Эквивалентное

уэкв.ц = max {уmц;уtц} = max {30,155;26,66} = 30, 155 МПа.

Так как уэкв.ц < ц[у]р.кр(30,155<0,9·197,6) = 177,84 МПа, то

Условие прочности края цилиндрической обечайки выполняется.

Нормальные напряжения на внутренней поверхности края конической обечайки с учетом формул и направления действия нагрузок:

- Меридиальное

- Кольцевое

- Эквивалентное

уэкв.к = max {уmк;уtк} = max {25,06;61,98} = 61, 98 МПа.

Так как уэкв.ц < ц[у]р.кр(30,155<0,9·197,6<177,84)

уэкв.к < ц[у]р.кр(61,98МПа<0,9·197,6<177,84), то условие прочности узла соединения цилиндрической и конической обечаек ротора выполняется.

5. Ремонт сепаратора

При текущем ремонте сепаратора чистят барабан, тарелки, регулируют зазор между тарелками, проверяют набивку сальников, смазочный материал подшипников, заменяют смазку в подшипниках, проверяют зубчатые колеса, их износ, проверяют отклонение валов электродвигателя и редуктора (пары), осматривают муфту и полумуфту, пальцы и их износ, биение. При капитальном ремонте заменяют пальцы муфты, смазки, набивки, манжеты, подшипника барабана, контролируют тормоз барабана сепаратора. Другие работы определяются после деффектации и составления дефектной ведомости.

Значительный износ корпуса барабана и других деталей ротора сепаратора, а также наличие трещин на них привод к нарушению балансировки и появлению заметной вибрации. Вибрирующий сепаратор останавливают и не запускают в работу до тех пор, пока не будет обнаружена и установлена причина вибрации.

Часто изнашивается тормозной обод на барабане и тормозная лента. Тормозной обод обтачивают на станке, причем после каждого ремонта ротор подвергают статистической и динамической балансировкам. Изношенную тормозную ленту (накладки) заменяют. Надежные крепления тормоза на станине и кожухе, а также тормозных пружин регулярно проверяют; дефекты ликвидируют.

Отремонтированный сепаратор сдают в эксплуатацию после пробного пуска, при котором контролируют устойчивость вращения ротора, уровень шума, температуру подшипников, работу системы блокировки электродвигателя, тормоза и механизма запирания крышки.