Типові процеси та обладнання для розділення харчових середовищ

4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦІЯ 4

Типові процеси та ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ РОЗДІЛЕННЯ ХАРЧОВИХ СЕРЕДОВИЩ

розділення неоднорідний продукт харчовий

У харчовій промисловості у процесі обробки різних продуктів і матеріалів утворюються найрізноманітніші неоднорідні системи і часто виникає завдання розділення неоднорідних систем на складові частини. Під час дробіння вугілля перед спалюванням його в топках парових котлів, дробіння цукру-рафінаду на рафінадних заводах, подрібнення зерна на борошномельних заводах і в дробильних цехах спиртових та пивоварних заводів утворюється вугільний, цукровий, борошняний пил. Пил утворюється також під час просіювання різних сипких матеріалів: зерна, борошна, цукрового піску та інших продуктів. Процеси висушування і транспортування сипких матеріалів здебільшого супроводжуються пилоутворенням. Газові неоднорідні системи утворюються під час сушіння жому, барди, цукру-піску, солоду, під час транспортування борошна тощо. Прикладом утворення рідких неоднорідних систем може бути обробка соку цукрових буряків вапняним молоком, а потім вуглекислим газом. У результаті цього одержують суспензію - сатураційний сік, що складається з цукрового розчину і твердих частинок карбонату кальцію. При кристалізації цукру на заводах, під час кристалізації глюкози в крохмале-патоковому виробництві одержують суміші кристалів цукру, або глюкози з міжкристальним, розчином (утфелі). У теплових процесах прикладом утворення неоднорідної системи є туман, що виникає при конденсації водної пари внаслідок охолодження повітря. Такі системи утворюються під час випарювання цукрових розчинів, барди, молока, а також в перегінних апаратах спиртових заводів.

Будь-яка неоднорідна система складається із двох чи більшої кількості фаз. Одна з них-- дисперсна, або внутрішня фаза характеризується дуже подрібненим станом, інша ж, дисперсійна, або зовнішня, фаза оточує частинки першої і є середовищем, в якому розподілені частинки дисперсної фази. Дисперсна фаза і дисперсійне середовище неоднорідної системи можуть перебувати у будь-якому агрегатному стані: твердому, рідкому або газоподібному.

Рідкі неоднорідні системи поділяють на три класи: суспензії, емульсії і піни.

Суспензії -- системи, що складаються з рідкого дисперсійного середовища завислих у ньому твердих частинок.

Емульсії -- системи, в яких рідке дисперсійне середовище і завислі в ньому частинки однієї чи кількох інших рідин.

Піни -- системи, що складаються з рідкого дисперсійного середовища і завислих у ньому частинок газу.

З усіх трьох класів рідких неоднорідних систем у техніці найчастіше зустрічаються суспензії.

За ступенем подрібненості твердої дисперсної фази умовно розрізняють:

а) грубі суспензії, в яких розмір завислих частинок більший за 100 мкм;

б) тонкі суспензії з частинками твердої фази від 100 до 0,5 мкм;

в) каламуті, в яких розмір завислих частинок не перевищує 100 мкм; в каламуттях завислі частинки інтенсивно рухаються і не осідають під дією сили тяжіння;

г) колоїдні розчини -- з частинками у межах від 100 мкм.

Важливою характеристикою суспензій є їх концентрація. Підвищення вмісту твердої речовини збільшує в'язкість суспензії і при певній концентрації в'язкість може бути настільки значною, що суспензія втрачає властивості текучості і практично перестає бути рідиною.

В'язкість суспензії можна визначити за емпіричною формулою А.І. Бачинського

м = м₀ (1 + 4,5), Н*с/м²,

де м₀ --в'язкість чистої рідини, яка є дисперсійним середовищем, Н * с/м²;

-- вміст твердої фази в суспензії, який виражають відношенням об'єму твердої фази до загального об'єму всієї суспензії.

Газові неоднорідні (гетерогенні) системи являють собою газоподібне дисперсійне середовище із завислими твердими або рідкими частинками. Ці системи поділяють на дві групи: механічні і конденсовані системи, що відрізняються одна від одної способом утворення і розміром частинок.

Механічні газові системи утворюються під час дробіння або стирання твердих тіл, під час розпилювання рідин; такі дисперговані в газі частинки називають пилом. Розміри твердих частинок пилу коливаються в межах від 5 до 50 мкм.

Конденсовані газові системи утворюються в процесі конденсації частинок з газу (пари) або внаслідок взаємодії двох газів, в результаті чого частинки газу (пари) переходять в рідкий або твердий етан. У першому випадку утворюється туман, у другому -- дим. Розміри частинок у конденсованих газових системах коливаються в межах 0,3...0,001 мкм.

Пил та дим складаються з газової дисперсійної та твердої дисперсної фаз. Вони утворюються при подрібненні, змішуванні та транспортуванні твердих матеріалів.

Тумани складаються з газової дисперсійної та рідкої дисперсної фаз та утворюється при конденсації.

Пил, дим та туман представляють собою аерозолі.

Основні методи розділення неоднорідних систем, які використовуються в харчовій промисловості - відстоювання, фільтрування, центрифугування та сепарування.

Відстоювання - це процес розділення неоднорідних рідких або газоподібних систем в результаті виділення твердих або рідких частинок під дією гравітаційної сили.

Використовують відстоювання при грубому розділенні суспензій, емульсій та пилу.

Цей спосіб розділення характеризується низькою швидкістю процесу. Відстоюванням не вдається повністю розділити неоднорідну суміш. Однак просте оформлення процесу та низькі енергетичні витрати визначили широке використання цього методу розділення.

Відстоювання проводять в апаратах різноманітних конструкцій, які мають назву відстійники.

При відстоюванні повинні дотримуватися наступні умови: тривалість перебування розділяємого потоку в апараті повинна дорівнювати або бути більшою за час осадження частинок; лінійна швидкість потоку повинна бути меншою за швидкість осадження. При порушенні першої умови частинки не встигають виділитися та осісти в апараті, при порушенні другої умови виникаючі вихрові потоки змучують та виносять частинки, що осаджуються з відстійника.

Застосовують відстійники періодичної, напівбезперервної та безперервної дії.

Відстійники періодичної дії представляють собою циліндричні резервуари великого діаметру. Резервуари заповнюються суспензією, яка відстоюється в них протягом необхідного для розділення часу. Потім освітлений шар рідини зливають (декантують) через штуцера, які розташовані вище шару осаду. Осад (шлам) вивантажують вручну.

Для полегшення розвантаження відстійника, його днище виконують у формі конуса, що призводить до збільшення габаритної висоти апарату.

Висоту конуса можна значно зменшити, використовуючи скребки для переміщення осаду до розвантажувального отвору.

Розмір та форма відстійників залежить від концентрації дисперсної фази та розмірів частинок. Тривалість відстоювання залежить від в'язкості дисперсійної фази, яка знижується внаслідок підвищення температури. Тому для прискорення процесу відстоювання суспензію підігрівають (якщо це не суперечить технології).

Найбільше розповсюдження в промисловості отримали відстійники безперервної дії.

Відстійник представляє собою циліндричний резервуар з конічним дном та внутрішнім кільцевим жолобом вздовж верхнього краю відстійника. Мішалка з похилими лопатями, на яких розташовані гребки для переміщення осаду до розвантажувального люка, обертається із змінною частотою від 0,02 до 0,5 хв^-1.

Суспензія безперервно подається по трубі всередину резервуара. Освітлена рідина переливається в кільцевий жолоб та відводиться з відстійника. Шлам видаляється за допомогою насоса. Вилучення рідини із шламу, якщо вона являється цінною для виробництва або її вилучення необхідно за технологічними умовами, відбувається в установці для протиточного промивання.

У таких відстійниках досягається рівномірна щільність осаду, ефективне його обезводнення.

Недоліком гребкових відстійників є їх великі габаритні розміри.

В багатоярусних відстійниках, які представляють собою декілька відстійників, поставлених один на одний, або циліндричний резервуар з конічним днищем, всередині якого є конічні перегородки, що розділяють відстійники на яруси. В результаті цього значно зменшилися розміри та збільшилася площа поверхні відстоювання. Такі відстійники використовують на цукрових заводах для згущення сатураційних соків.

Відстійник складається з розподільчого пристрою, труби, стакана, гребкової мішалки, розвантажувального конуса, скребка, колектора, рами.

Відстійник має вал, на якому розташовані гребкові мішалки. Суспензія через розподільчий пристрій подається по трубам в стакани кожного ярусу відстійника. Освітлена рідина збирається через кільцеві жолоба у колектор. Яруси з'єднані стаканами для видалення шламу. Стакан кожного вище розташованого ярусу опущений нижнім кінцем у шар шламу знизу розташованого ярусу. Таким чином яруси відстійника послідовно з'єднані по шламу. Шлам видаляється тільки з нижнього ярусу через розвантажувальний конус, в якому встановлений скребок.

Продуктивність відстійників по освітленій рідині розраховується за формулою:

, м³/год,

де F - поверхні осідання або площа перерізу відстійника, м²;

h - висота шару освітленої рідини у відстійнику, м;

ф - тривалість відстоювання, год.

Фільтруванням називають процес розділення неоднорідних систем з твердою дисперсною фазою крізь пористі фільтрувальні перегородки, що пропускають дисперсійне середовище та затримують тверді частинки.

Фільтрування відбувається під дією різниці тисків перед фільтруючою перегородкою та після неї або в полі відцентрових сил.

Інтенсивність фільтрування залежить від якості суспензій, отриманих на попередніх стадіях технологічного процесу: дисперсної системи із зниженим опором осаду, без смолистих, слизових та колоїдних речовин.

В якості фільтрувальних матеріалів використовують зернисті матеріали - пісок, гравій для фільтрування води, тканини, картон, сітки, пористі полімерні матеріали, кераміку тощо.

За цільовим призначення процес фільтрування може бути очисним та продуктовим.

Очисне фільтрування використовують для розділення суспензій, очищення розчинів від різного роду включень (освітлення вина, виноматеріалів, молока, пива та інших продуктів). В цьому випадку цільовим продуктом є фільтрат.

Продуктове фільтрування - виділення з суспензії диспергованих в них продуктів у вигляді осаду, який являється цільовим продуктом (розділення дріжджових суспензій).

В залежності від виду фільтрувальної перегородки та властивостей самої суспензії фільтрування поділяється на:

фільтрування з утворенням осаду на поверхні фільтрувальної перегородки має місце, коли діаметр твердих частинок більший за діаметр пор перегородки;

фільтрування із закупорюванням пор відбувається, коли тверді частинки проникають в пори фільтрувальної перегородки /це відбувається вже на початку процесу фільтрування, що знижує продуктивність фільтра/;

проміжний вид фільтрування має місце у випадку закупорювання пор фільтрувальної перегородки та утворення осаду на поверхні фільтрувальної перегородки.

Фільтри за принципом дії поділяються на фільтри періодичної дії та фільтри безперервної дії, за тиском - на фільтри, що працюють під тиском, та фільтри, що працюють під розрідженням, а за конструкцією - на барабанні, дискові, стрічкові, патронні, листові тощо. За технологічним призначенням промислові фільтри поділяються на фільтри для очищення рідин та для очищення газів.

В фільтрах періодичної дії осад видаляється після припинення процесу фільтрування, в фільтрах безперервної дії - по мірі необхідності без зупинки процесу.

Фільтри періодичної дії

Нутч-фільтр, працюючий як під вакуумом, так і під надлишковим тиском, широко розповсюджений в малих виробництвах.

Вивантаження осаду відбувається механізовано. Для скиду осаду фільтр оснащений перемішуючим пристроєм у вигляді однолопатевої мішалки. Для видалення осаду з фільтра на циліндричній частині корпуса передбачений люк.

Фільтр складається з приводу; корпуса фільтра; мішалки; спускного крану; фільтрувальної перегородки; фільтрувальної тканини.

Суспензія та стиснуте повітря подаються крізь відокремлені штуцера, фільтрат видаляється крізь спускний кран 4. Фільтр оснащений запобіжним клапаном.

Цикл роботи фільтра складається із заповнення його суспензією, фільтрування суспензії під тиском, видалення осаду з фільтрувальної перегородки при працюючій мішалці та регенерації фільтрувальної перегородки. В таких фільтрах може відбуватися одночасне промивання осаду.

Рамний фільтр-прес використовується для освітлення виноматеріалів, вина, молока, пива та складається з упорна плити; рами; фільтрувальної перегородки; рухомої плити; горизонтальної направляючої; гвинта; станини; жолобу.

Фільтруючий блок складається з рам та плит, які чергуються між собою, та затисненою між ними фільтруючою тканиною або картоном. Рами та плити затискаються в направляючих затискаючим гвинтом. Фільтр монтують на металевій станині.

Кожна рама та плита має канали для введення суспензії та промивної рідини. На поверхні плит з обох боків розміщені збірні канали, обмежені зверху дренажними каналами, а знизу відвідним каналом.

При фільтруванні суспензія під тиском подається через канали в рамах і плитах та розподіляється по всім рамам. Фільтрат стікає по дренажним та збірним каналам в плитах та видаляється через відвідні канали. При промиванні осаду промивна рідина під тиском вводиться через відповідні канали, розподіляється по рамам та проходить зворотнім током через фільтрувальну перегородку, промиває осад, а потім видаляється з фільтра через відвідні канали. При промиванні відвідні канали всіх непарних плит блока повинні бути закриті.

Основним недоліком є трудомісткість вивантаження та заміни фільтрувальної перегородки. Для вивантаження осаду необхідне розбирання вручну фільтрувального блока та промивання плит і рам.

Фільтраційний апарат, що застосовується для відокремлення дробини від пивного затору складається з витяжної труби; пристрою для миття; пристрою для промивання дробини; гідравлічного пристрою; розпушувача; сітчастого дна; лопатки для вивантаження дробини; опори фільтр-апарата; завантаження затору; клапану для вивантаження дробини; приймальної ємності для дробини; кільцевого трубопроводу; приводу фільтр-апарата; підйомний пристрій; фільтраційного насосу.

Фільтри безперервної дії

Барабанні вакуум-фільтри використовують при безперервному розділенні суспензій концентрацією 50 ч 500 кг/м³ та можуть мати кришталеву, волокнисту, аморфну, колоїдальну структуру. Продуктивність фільтра залежить від структури твердих частинок та знижується у вказаній вище послідовності.

Барабанні вакуум-фільтри випускають із зовнішньою та внутрішньою фільтруючою поверхнею, яка обтягується текстильною фільтрувальною тканиною.

Горизонтальний перфорований барабан, що обертається, розділений перегородками на декілька секцій однакової форми, які за оберт барабана проходять декілька робочих зон: фільтрування, обезводнення, промивання, видалення осаду та регенерації фільтруючої тканини. Пристроєм, що керує роботою фільтра, являється розподільча головка, за допомогою якої секції барабана у певній послідовності під'єднують до магістралей вакууму, стиснутого повітря та промивної рідини.

У стадії фільтрування зона фільтра під фільтруючою тканиною з'єднується з вакуумом та фільтрат, що знаходиться у кориті, проходить крізь фільтрувальну тканину. Осад відкладається на її поверхні. Промитий та висушений осад безперервно зрізується ножем. Щоб зважені частинки не відстоювалися, корито оснащене мішалкою, що обертається.

Стрічковий фільтр складається з рами, привідного та натяжного барабанів, форсунки, вакуум-камери, гумової стрічки, лотка, натяжних роликів, колектора для відведення фільтрату, колектора для відведення промивної рідини, збірника осаду, фільтрувальної тканини.

Суспензія подається на фільтрувальну тканину з лотка. Фільтрат під вакуумом відсмоктується з камери та відводиться через колектор у збірник. Промивна рідина подається через форсунки на утворений осад та відсмоктується в камери, з яких через колектор відводиться в збірник.

На привідному барабані фільтрувальна тканина відокремлюється від гумової стрічки та огинає направляючий ролик. При цьому осад зіскальзує з фільтрувальної тканини та падає в збірник осаду. При проходженні фільтрувальної тканини між роликами вона промивається, просушується та очищується.

Поверхня фільтрувальної перегородки визначається з формули:

, м²,

G - продуктивність фільтра, м³/год;

T - термін кожного циклу фільтрування, с;

V - питома пропускна здатність фільтра, м³/м².

За відомою швидкістю фільтрування продуктивність фільтрів визначається за формулою:

G = FМхМT, м²/с.

Величина пропускної здатності фільтра:

V = , м³/м²,

де д - товщина осаду на перегородці, м,

V₀ - об'єм осаду на 1 м³ фільтрату, м³/м³.

Принцип створення відцентрової сили шляхом обертання потоку використовують для розділення рідких систем.

Центрифугування - процес розділення неоднорідних суспензій на фракції в полі відцентрових сил.

Розрізняють відстійне та фільтраційне центрифугування.

Центрифуги можуть бути з вертикальними та горизонтальними розташуванням вала та барабана; періодичної дії (суспензія та вивантаження осаду здійснюється періодично), напівбезперервної (суспензія подається безперервно, а осад вивантажується періодично) та безперервної дії (подача суспензії та вивантаження осаду відбувається безперервно).

Горизонтальна шнекова центрифуга безперервної дії отримала широке використання в харчовій промисловості в крохмале-патоковому виробництві для осадження крохмалю.

Вона складається з барабану, що обертається; розвантажувальні вікна для осаду; валу приводу шнека; вікна для проходження суспензії; патрубка для виведення відстою; шківу приводу барабана; патрубка подачі суспензії; труби для подачі суспензії в центрифугу; шнеку.

Принцип дії: вихідна суспензія по внутрішній нерухомій трубі подається у вал шнека з вікнами, через які попадає на внутрішню поверхню конічного барабану, що обертається. Важкі тверді частинки відкидаються відцентровою силою на внутрішню поверхню барабана та створюють шар осаду, який шнеком переміщується до розвантажувальних вікон.

Швидкості обертання барабана та шнека різноманітні, в результаті чого і реалізується рух осаду відносно барабана. Освітлена рідина поступає в широку частину конуса та відводиться через патрубки. Розрізняють зону відстоювання суспензії справа від вікон та зону ущільнення осаду - зліва.

Фільтруюча центрифуга періодичної дії складається з станини, перфорованого барабана, кришки, кожуха, ступці, підшипника, електродвигуна, шківа з пасовою передачею, дренажної сітки, фільтруючої тканини.

Суспензія завантажується в барабан зверху. Після завантаження суспензії барабан приводиться в обертання. Суспензія під дією відцентрової сили відкидається до внутрішньої стінки барабана. Рідка дисперсійна фаза проходить крізь фільтрувальну перегородку, а осад випадає на ній. Фільтрат по зливному патрубку направляється у збірник. Осад після закінчення циклу фільтрування вивантажують вручну через кришку барабана

Продуктивність відстійних центрифуг періодичної дії буде дорівнювати:

, м³/год,

де ф - загальний термін циклу центрифугування, рік;

V_б - об'єм завантаження, м³.

Середня об'ємна продуктивність центрифуги:

V = , м³/хв,

де G - кількість суспензії, що поступила на розділення, кг;

ф - заданий час роботи центрифуги, хв.

Продуктивність фільтрувальних центрифуг періодичної дії розраховується за формулою:

, кг/год,

де а - коефіцієнт завантаження барабана;

V_б - місткість барабана, м³;

с - густина завантажувальної суміші, кг/м³;

ф_ц - тривалість центрифугування, хв;

ф_п - тривалість допоміжних операцій, хв.

Масова продуктивність центрифуги:

G = , кг/с;

де q - кількість суспензії, одночасно завантаженої в ротор, кг.

Для відносно грубого очищення змішаних сумішей використовуються суспензійно-роздільні апарати /гідроциклони/, в яких осадження зважених в рідкому потоці частинок проходить у полі відцентрових сил.

Гідроциклони застосовуються в крохмале-патоковій промисловості для згущення кукурудзяної кашки і відділення від неї кукурудзяного зародка, в цукровому виробництві - для розділення сатураційних соків, очищення вапнякового молока від піску та очищення транспортерно-мийних вод.

Перевага цих апаратів полягає у простоті конструкції, низькій вартості, компактності та простоті обслуговування.

Гідроциклон складається з корпусу; патрубка підведення суспензії; зливного патрубка; патрубка відведення осаду.

Суспензія під тиском 0,2 ч 0,3 МПа підводиться тангенціально в циліндричну частину корпуса і гвинтоподібно по спускній спіралі рухається вниз. Разом з цим потоком рідини рухається вниз і тверді частинки, відкидаючись під дією відцентрової сили до поверхні конічної частини циклона. Згущений осад відводиться з апарата через нижній патрубок. У центральній частині циклона, завдяки гвинтовому руху периферійного потоку, виникає зворотній потік освітленої рідини, яка відводиться через верхню частину циклона.

Сепаруванням називається процес розділення неоднорідних рідких сумішей на фракції, що розрізняються за щільністю, в полі дії відцентрових сил.

Сепаратори використовуються для розділення емульсій (сепаратори-розділювачі), для освітлення суспензій (сепаратори-очисники), а також для згущення суспензій (сепаратори-згущувачі) та для класифікації твердої фази за розміром та щільністю частинок (сепаратори-класифікатори).

Часточки твердої фази можуть бути кристалічними, аморфними або волокнистими, різної твердості та форми тощо.

Рідка фаза суспензії може бути водою, органічною рідиною, водними розчинами кислот, солей та іншими продуктами.

Розрізняють сепаратори відкритого, напівзакритого та закритого типів.

У сепараторах відкритого типу подача суспензії та видалення рідкої фракції проводиться у вигляді вільних струменів, в напівзакритих сепараторах введення суспензії проходить у вигляді вільного струменя, а виведення відсепарованих фракцій - герметизоване. У сепараторах закритого типу введення суспензії та виведення відсепарованих фракцій проходить під тиском та герметизоване. Видалення твердого осаду може бути періодичним при повному розбиранні сепаруючого пристрою, що забезпечує швидке виведення осаду шляхом повного розкриття барабану та безперервним через сопла у стінках барабану.

За конструкцією барабана сепаратори поділяються на слідуючи типи:

сепаратори з конічними тарілками і ручним вивантаженням осаду. В залежності від схеми збірки барабана сепаратори цього типу можна використовувати в якості сепаратора-розділювача, сепаратора-очисника або сепаратора-очисника-розділювача;

сепаратори з циліндричними вставками і ручним вивантаженням осаду. Даний тип сепараторів використовується для тонкого освітлення суспензій або класифікації твердої фази за розміром часточок. Конструктивною особливістю даного типу сепараторів є наявність в барабані концентрично розташованих циліндричних вставок;

саморозвантажувальні сепаратори з періодичним відцентровим вивантаженням осаду. Основна перевага сепараторів даного типу полягає в очистці барабана від осаду без зупинки машини;

безперервнодіючі сепаратори з виведенням осаду через сопла.

Размещено на Allbest.ru