Антипов С.Т. и др. Машины и аппараты пищевых производств. Книга 2. Том 1

Подождите немного. Документ загружается.

Глава

13 Оборудование для разделения жидкообразных 371

неоднородных пищевых сред

вания

полимерных пленок

ядрами

тяжелых металлов, не обладают достаточной по-

ристостью и потому имеют ограниченное применение.

Асимметричные

мембраны состоят, как правило, из двух и

более

слоев различ-

ной плотности и пористости. Несмотря на малые размеры пор в рабочем

слое

мем-

браны, гидравлическое сопротивление при фильтрации жидкости через него невели-

ко

из-за

очень малой толщины (длины капилляра).

Второй

слой

имеет высокую пористость и

большую

толщину, обеспечивающую

механическую прочность всей мембраны.

Слои

могут быть изготовлены из одного и

того

же полимера или из разных полимеров. Рабочий

слой

может быть нанесен на

любой

пористый материал (ткань, бумага и т. д.), если при этом обеспечивается на-

дежная

адгезия материала мембраны на выбранной подложке.

Мембраны

- полые волокна - изготовляют наружным диаметром от 40 мкм

до

2,5 мм и внутренним диаметром от 20 мкм до 1,5 мм. Толщина стенки

полого

волокна должна обеспечивать его прочность и устойчивость при действии внешнего

или

внутреннего давления. Несмотря на сравнительно

большую

неравномерность

пор,

полые волокна получили распространение в

аппаратах

для обратного осмоса и

ультрафильтрации, т. к. обеспечивают огромную поверхность фильтрации в единице

объема

аппарата.

Жидкими мембранами

называют

полупроницаемые пленки из молекул поверх-

ностно-активных веществ

(ПАВ),

образованные на поверхности пористой основы.

Необходимое

условие образования жидкой мембраны

—

наличие водородных связей

между молекулами воды и ПАВ. Такие ПАВ, как поливинилметиловый

эфир

и по-

ликсиэтилированные алкилфенолы,

эффективно

повышают солезадерживающую

способность

мембран.

Для

идеальных растворов осмотическое давление Р

зависит

от концентрации

раствора

xRT,

где

х - концентрация, кг/м

; R - универсальная

газовая

постоянная,

Дж/(кгК);

Г -

температура

раствора,

К.

случае реальных растворов требуется вводить поправку

= axRT ,

где

а - осмотический

коэффициент,

оцениваемый обычно по понижению точки

замерзания

исследуемого

раствора.

пищевой промышленности обратный осмос применяют при подготовке тех-

нологической

воды, при концентрировании термолабильных растворов, в том числе

фруктовых и овощных соков. В

связи

с тем, что процессы микрофильтрации,

ульт-

рафильтрации и обратного осмоса осуществляют под избыточным давлением, по-

этому

их принято

называть

баромембранными процессами.

Так как в баромембранных процессах разделения наблюдается некоторая анало-

гия с обычным фильтрованием, отметим принципиальные отличия мембранных

процессов. В процессе простого фильтрования частицы, содержащиеся в исходной

смеси,

задерживаются внутри пор фильтрующей перегородки или на ее поверхности

с образованием слоя

осадка.

С течением времени фильтрующая перегородка

забива-

ется мелкими частицами и скорость фильтрования

падает.

Процесс останавливают и

фильтрующую

перегородку (например, фильтровальный картон) выбрасывают или

372

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

регенерируют (фильтровальная ткань). В процессах с образованием слоя дополни-

тельно

вначале удаляют

слой

осадка.

Если

представить себе мембрану с равномерными порами, то при разделении

смеси,

содержащей частицы размером большим, чем размер пор, справедливо пола-

гать, что ни одна частица не проникнет в пору и не закупорит ее. В этом случае

мембрана обеспечивает разделение исходной смеси на два потока, один из которых

проходит

через мембрану (фильтрат), а второй (концентрат) уносит отделяемые

компоненты смеси на

следующую

степень разделения или в сброс.

Главная особенность мембранного разделения заключается в том, что в услови-

ях, когда размеры пор мембраны соизмеримы с размерами молекул растворителя и

растворенного вещества, совершенно меняется механизм фильтрования. Можно вы-

делить

несколько последовательных стадий мембранного процесса: перенос компо-

нентов исходного потока к поверхности мембраны; проникновение этих компонен-

тов в мембрану; прохождение их через мембрану; выход компонентов из мембраны

с противоположной стороны; распространение прошедших через мембрану компо-

нентов в растворе

справа

от мембраны.

Поток

веществ т через мембрану равен

т = к АС,

где

к - коэффициент проницаемости, характеризующий скорость процесса,

кг/(м

с),

АС

- движущая сила процесса, кг/кг.

важнейшим технологическим параметрам баромембранных процессов отно-

сятся скорость фильтрации, полнота разделения (селективность) и проницаемость

компонентов.

Скоростью

фильтрации называют объемный расход фильтрата, получаемого в

единицу времени с 1 м

площади мембраны.

Разделяющую

способность мембраны принято характеризовать селективностью R (%)

R = 100(С

-С

)/С

{

где

С\ и Сг

—

концентрации задерживаемого вещества в исходном растворе и фильтрате.

Иногда

R называют коэффициентом солезадержания.

Проницаемость G

(л/(м

-ч))

при данном давлении

выражается

соотношением

V/(FT),

где

V - объем фильтрата, л; F - рабочая площадь поверхности мембраны, м ; г -

продолжительность

процесса, ч.

Разделение

обратным осмосом и ультрафильтрацией происходит без фазовых

превращений. Работа А

(Дж) расходуется на создание давления в жидкости и про-

давливание ее через мембраны:

где

- работа на сжатие жидкости, Дж; А„

- работа на продавливание жидкости

через мембрану, Дж.

Так как жидкость несжимаема, величиной At обычно пренебрегают. Работа на

продавливание жидкости

равна

А„

=&pV,

где

Ар - перепад давления на мембране; Н/м ; V- объем продавливаемой жидкости м .

Глава

Оборудование для разделения жидкообразных

неоднородных пищевых сред

373

Наука — большая наука

всегда двигала

и будет двигать техническую мысль.

КАПИЦА ПЕТР ЛЕОНИДОВИЧ

(1894-1984),

физик,

академик

АН СССР

13.2

КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

Классификация мембранных модулей и

аппаратов.

Аппараты для обратного

осмоса

и ультрафильтрации бывают периодического и непрерывного действия.

По

способу расположения мембран

аппараты

делятся на

аппараты

типа

«фильтр-

пресс»

с плоскокамерными фильтрующими элементами,

аппараты

с цилиндрическими

и рулонными элементами и

аппараты

с мембранами в виде полых волокон.

Перечисленные

аппараты

состоят из отдельных секций или

модулей,

что позво-

ляет

собирать

аппараты

с различной площадью поверхности разделения.

зависимости от формы мембраны и

типа

ее укладки мембранные

аппараты

делят на четыре группы.

1. Аппараты, составленные из модулей

типа

«фильтр-пресс»

с плоскопарал-

лельными

фильтрующими элементами (рис.

13.5).

Модуль

состоит из рам и опорных

дренажных плит, через поры которых отводится фильтрат. Ширина

канала,

по кото-

рому

движется исходная жидкость,

зависит

от толщины прокладки (рамки) и обыч-

но

составляет

0,8...1,0

мм.

Модули

устанавливают на общей раме, а разделяемая

жидкость может последовательно перетекать из одного модуля в другой или пода-

ваться

каждый

модуль

независимо. В пределах одного модуля жидкость движется

по

каналам параллельно.

Аппараты, составленные из модулей

типа

фильтр-пресс, просты по конструк-

ции, удобны при монтаже и обслуживании. Недостатки

аппаратов

этого

типа

- низ-

кая скорость движения жидкости в канале, необходимость ручной сборки и разбор-

ки, сравнительно небольшая удельная фильтрующая поверхность.

Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами. Изготовляют трубчатые

элементы

двух типов: мембрану 1 наносят на внутреннюю поверхность пористой

несущей

трубки 2 (рис. 13.6, а) или на внешнюю поверхность (рис. 13.6, б) и

закры-

вают кожухом 3. Элементы с внутренней мембраной выгодно использовать в

бескорпусных

аппаратах,

когда фильтрат свободно изливается через поверхность

трубок

и собирается в установленных внизу лотках. При движении исходного рас-

твора по трубкам вдоль мембраны обеспечиваются наилучшие гидродинамические

условия

процесса.

трубчатым фильтрующим элементам относятся

также

цилиндрические патро-

ны, состоящие из цилиндрического пористого

каркаса,

покрытого мембраной. Па-

троны снабжены уплотнительными устройствами, позволяющими набирать из них

трубы

заданной длины.

374

Часть

II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

msmmmmmsmmm

Исходный

раствор

Фшыпрат

а)

Исходный

раствор

Фильтрат

Рис.

13.5

Схема

мембранного

модуля

типа

фильтр-пресс

Рис.

13.6

Схема

трубчатого

фильтрующего

элемента

мембраной:

- на

внутренней

поверхности;

6 - на

внешней

поверхности

Трубчатые

модули

характеризуются сравнительно малой удельной поверхно-

стью

фильтрации.

3. Аппараты с рулонными или спиральными модулями. Спиральный

модуль

устройством

напоминает спиральный теплообменник. Спираль модуля состоит из

ленты

упругого

дренажного материала 3, с двух сторон покрытого ленточными

мембранами 2. Поверх мембран уложена сетка 1 сепаратора. Такую многослойную

ленту

сворачивают в

рулон

(рис. 13.7) и помещают в цилиндрический корпус. Ис-

ходный

раствор с торца рулона поступает сразу во все каналы спирали, проходит по

ним и отводится в виде концентрата с противоположного торца. Фильтрат по дре-

нажному

слою

перемещается от периферии к центру спирали и выводится из

аппа-

рата

через центральную трубку.

Известны

модули

с вспомогательными трубками для отвода фильтрата, уста-

новленными

в нескольких местах рулона,

модули

с торцовым отводом фильтрата и

целая гамма конструкций, отличающихся способом укладки рулона.

Недостатки

аппаратов

этого типа - необходимость замены всего модуля при

местном

повреждении мембраны, а

также

сложность герметизации при высоком

рабочем

давлении.

Преимущества

модулей рулонного типа - высокая плотность укладки мембран

малая металлоемкость. На преимущества этой конструкции указывает тот

факт,

что

уже сейчас в мире действуют уста-

новки с модулями этого типа для опрес-

нения воды производительностью до

10000 м

в сутки.

4."

Модули

с мембранами типа по-

лых

волокон. Эти

модули

конструктивно

напоминают

модули

с трубчатыми мем-

бранами. Крепление волокон в торцах

модуля

осуществляется заливкой концов

Рис.

13.7

Схема

рулонного

фильтрующего

модуля

Глава

13 Оборудование для разделения жидкообразных

неоднородных пищевых сред

375

клеем

на основе эпоксидных

смол.

Полые

волокна, достаточно устойчивые по от-

ношению к внешнему и внутреннему давлению, не нуждаются в поддерживающем

каркасе,

поэтому возможна их плотная укладка в виде прядей внутри

модуля.

Такие

модули

характеризуются наибольшей удельной поверхностью фильтрации. Недос-

татки

модулей с фильтрующими волокнами - невозможность обеспечить перемеши-

вание

раствора вне волокна, тем

более

внутри его, а

также

необходимость предвари-

тельной

тщательной очистки раствора от посторонних частиц.

Модули

из полых

волокон

используют в основном в процессах обратного осмоса.

Мембранные

аппараты

имеют

большую

удельную

площадь поверхности разде-

ления,

просты в сборке и монтаже, надежны в работе. Перепад давления в

аппаратах

небольшой.

Недостатком

аппаратов

для обратного осмоса является высокое рабочее давле-

ние,

что приводит к необходимости использования специальных уплотнений

трубо-

проводов и арматуры, рассчитанных на высокое давление.

Общая

классификация центрифуг может быть

дана

в зависимости от основных ха-

рактеристик машин (рис.

13.8).

В первую очередь центрифуги классифицируются по

фактору разделения. В зависимости от этой характеристики различают нормальные, у

которых Ф

< 3000, и сверхцентрифуги, у которых Ф

> 3000. По осуществлению рабо-

чего

процесса центрифуги разделяются на непрерывно и периодически действующие.

Центрифуги нормальные, фильтрующие

Циклического

действия подвесные

Непрерывного действия

Саморазгру-

жающиеся

Автоматические

Горизонтальные

пульсирующим

удалением

осадка

Вертикаль-

ные

СО

S я

а и

ным ным ным

сад

ои

о.

ал

уд

ев

вм

ни

Рис.

13.8 Классификация центрифуг сахарного производства

сахарной промышленности применяют нормальные и фильтрующие центрифуги.

По

способу удаления осадка из ротора различают центрифуги с ручной, грави-

тационной, ножевой, пульсирующей, шнековой и инерционной выгрузкой.

По

характеру расположения вала, на котором закрепляется ротор, различают

центрифуги с вертикальным и горизонтальным расположением вала. Центрифуги с

вертикальным валом в зависимости от расположения опоры вала могут быть под-

весные, когда опора расположена выше центра тяжести ротора, а ротор укреплен

внизу вала, и центрифуги, ротор которых расположен на верхнем конце вала.

Полузакрытые

Герметические

Сопловые

(с соплами,

расположенными на пе-

риферии

ротора)

Сопловые

(с соплами, на

концах наклонных к оси

вращения

роторов)

Клапанные

РуЧБ

Б|

[ая

•а ьгн

р о

so I

верхним расположением

подвижного затворного

элемента

нижним расположением

подвижного затворного

элемента

радиальным перемеще-

нием подвижного затвор-

ного

элемента

ё т"

г»

Клапанные

верхним расположением

подвижного затворного

элемента

нижним расположением

подвижного затворного

элемента

радиальным перемеще-

нием подвижного затвор-

ного

элемента

Клапанные

„

§1

—

Ъ 4т;

СГ

в 3

ТЗ

верхним расположением

подвижного затворного

элемента

нижним расположением

подвижного затворного

элемента

радиальным перемеще-

нием подвижного затвор-

ного

элемента

„

рую

Пул

ая

и-

ег

г5

-о

•3

а>

Глава

13 Оборудование для разделения жидкообразных 377

неоднородных

пищевых сред

Сепараторы могут быть классифицированы по следующим

признакам

(рис.

13.9):

технологическое

назначение сепараторов; тип сепараторов по конструкции бараба-

на;

способ

выгрузки осадка

(шлама);

принцип и

характер

выгрузки осадка; конст-

рукция устройства для выгрувки осадка;

способ

подвода исходной гетерогенной

системы

и отвода продуктов сепарирования; область применения (отрасль промыш-

ленности);

вид привода сепаратора.

По

технологическому

назначению сепараторы делятся на три основных класса:

сепараторы-разделители, применяемые для разделения смеси жидкостей,

не растворимых одна в другой, и для концентрирования суспензий и эмульсий;

сепараторы-осветлители, предназначенные для выделения твердых

частиц

из

жидкости;

комбинированные сепараторы, служащие для выполнения двух или

более

операций переработки жидкой смеси.

Комбинированные

сепараторы называют универсальными, что подчеркивает их

многостороннее

назначение. К классу комбинированных относят сепараторы, в ко-

торых

процесс разделения совмещается с каким-либо другим процессом. Так, из-

вестны сепараторы-экстракторы, сепараторы-реакторы.

классу сепараторов-осветлителей можно отнести еще две группы: сепарато-

ры,

предназначенные для дальнейшего диспергирования (гомогенизации) дисперс-

ной

фазы

эмульсий и их очистки от примесей (эти сепараторы

получили

название

кларификаторы, иногда их относят к комбинированным), и сепараторы для удаления

из жидкостной системы микроорганизмов, скапливаемых в шламовом пространстве

вместе с другими механическими примесями.

Типы

сепараторов по конструкции барабана разделяют на две группы: тарель-

чатые и камерные. Ротор тарельчатых сепараторов укомплектован пакетом кониче-

ских

вставок

(тарелок),

которые делят поток обрабатываемой жидкости на парал-

лельные

тонкие

слои;

ротор камерных сепараторов имеет реберную вставку (при

одной

камере) или комплект концентричных цилиндрических вставок, разделяющих

его

объем

на кольцевые камеры, по которым обрабатываемая жидкость протекает

последовательно.

Тарельчатые

сепараторы независимо от отрасли их применения и назначения

можно

подразделить на два основных

типа.

Первый тип сепараторов имеет тарелки,

обеспечивающие

подачу жидкости в межтарелочные пространства через отверстия,

имеющиеся

в самих тарелках. Такие сепараторы очень часто называют сепаратора-

ми с центральной подачей жидкости на тарелки. К этому типу относятся и сепарато-

ры,

в которых жидкость на вершину тарелок поступает из прорезей в тарелкодержа-

телях.

Второй тип сепараторов характеризуется тем, что жидкость в межтарелочные

пространства поступает с периферии и движется к центру барабана. Тарелки в этих

сепараторах в большинстве своем отверстий не имеют.

По

способу

подвода исходной гетерогенной системы и отвода продуктов сепари-

рования различают сепараторы трех типов: открытые, полузакрытые и герметические.

открытых сепараторах подача в ротор жидкой смеси и отвод полученных

жидких

фракций

осуществляются открытым потоком. Процесс сепарирования

не изолирован от доступа воздуха.

полузакрытых сепараторах жидкость подается в ротор открытым или закрытым

потоком,

а отвод одной или обеих жидких

фракций

происходит под давлением по за-

крытым трубопроводам. Процесс сепарирования не изолирован от доступа воздуха.

378

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

Роторы

полузакрытого

типа

отличаются от роторов открытого

типа

наличием

устройства для вывода продуктов сепарирования под давлением.

герметических сепараторах подача в ротор исходной жидкости и отвод жидких

фракций

происходят под давлением по закрытым трубопроводам, герметически со-

единенным с выпускными патрубками, процесс сепарирования в них изолирован от

доступа воздуха. Роторы герметических сепараторов отличаются от роторов открытых

и полузакрытых сепараторов конструкцией подводящих и отводящих устройств.

По

виду привода сепараторы подразделяют на три группы: с ручным, комбини-

рованным и электромеханическим приводом.

Фильтры

классифицируются в зависимости от

признака

на следующие типы:

по виду давления, создаваемого для движения фильтруемой среды, - на

ваку-

ум-фильтры и фильтр-прессы;

по типу фильтрующих перегородок - на рамные, листовые, дисковые, патрон-

ные,

трубчатые;

по способу очистки - с ручной, механизированной и с регенеративной очисткой;

по способу действия - периодического и непрерывного действия.

пищевой промышленности прессы применяются для отделения жидкой

фазы

от

твердой (например, предварительного или окончательного отжатия пищевого расти-

тельного

сырья при производстве

соков),

для брикетирования, гранулирования и т. д.

По

конструкции прессы могут быть шнековыми, ленточными, валковыми,

поршневыми и т. д.

Знание есть сила, сила есть знание!

БЭКОН ФРЭНСИС

(1561-1626),

английский

философ

13.3

ОТСТОЙНИКИ, ЦЕНТРИФУГИ

СЕПАРАТОРЫ

Отстойники служат для разделения жидких неоднородных сред с разной плот-

ностью

их дисперсной и дисперсионной фаз.

сахарной промышленности для разделения сока I сатурации используются от-

стойники

типа

Дорра, Пассоса, Чугунова, системы Гипросахара и др.

отстойнике получается

75...80

% осветленного сока и 20... 25 % сгущенного

осадка к массе нефильтрованного сока I сатурации. Осветленный сок поступает на

контрольную

фильтрацию, а сгущенная суспензия направляется на вакуум-фильтры.

Отстойники изготовляются диаметром 4000..

.5500

мм и высотой 4000..

.6500

мм.

Их

производительность по переработке свеклы составляет

1000...2500

т/сут; общая

вместимость - 95... 150 м .

Все

отстойники имеют в принципе одинаковую конструкцию и различаются

устройствами для подвода нефильтрованного сока I сатурации, отвода осветленного

сока и удаления сгущенной суспензии.

Наиболее

рациональным способом отвода сгущенной суспензии является отвод

ее

из каждой секции

после

сгущения до определенной плотности. Такой отвод по-

зволяет избежать дополнительного перемешивания сгущенной суспензии при пере-

ходе

ее из одной секции отстойника в другую с соком I сатурации и улучшает про-

цесс отстаивания.

Глава

13 Оборудование для разделения жидкообразных 379

неоднородных пищевых сред

различных конструкциях отстойников отвод осветленного сока из секций

осуществляется

с помощью одного периферийного кольца или четырех концентри-

ческих колец, расположенных друг от друга на одинаковом расстоянии.

При

непрерывном процесс* отстаивания при постоянной производительности в

каждой секции отстойника устанавливается постоянная поверхность раздела между

осветленной

жидкостью и сгущенной суспензией. Эта поверхность располагается по

высоте секции, где общая скорость потока осветляемой суспензии допускает осаж-

дение

частиц

твердой

фазы.

Осветленная жидкость, находящаяся над поверхностью

раздела, непрерывно удаляется, а под эту поверхность подводится сок I сатурации.

Сгущенная суспензия отводится

также

из-под этой поверхности. Основным факто-

ром,

влияющим на высоту и объем отстойника, является скорость потоков освет-

ляемой

суспензии, осветленной жидкости и сгущенной суспензии. Осаждение твер-

дых

частиц

суспензии независимо от режима потоков возможно в тех случаях, когда

вертикальная составляющая скорости вихрей не превышает скорости осаждения

твердых

частиц

суспензии в спокойной среде.

Рассредоточенный отвод жидкости можно осуществить, например, при помощи

кольцевых

труб.

При расположении отверстий на трубах для отвода осветленного

сока необходимо живое сечение их принимать таковым, чтобы скорость входа сока

в них была одинаковой и не превышала допустимой скорости.

Равномерный подвод неосветленной суспензии от трубовала отстойника к по-

верхности раздела проще всего осуществлять при помощи конструкции, которая

несет скребки для удаления сгущенной суспензии, но при этом необходимо учиты-

вать, что скорость ввода неосветленной суспензии должна быть ниже скорости оса-

ждения твердых

частиц

суспензии.

Отстойник

системы

Чугунова (рис. 13.10) имеет

общую

площадь поверхности

отстаивания 9,4 м

на 100 т переработки свеклы при высоте всех секций 800 мм.

Сок

I сатурации поступает в подготовительную секцию 7, имеющую мешалку 5,

где

от него отделяется пена, затем при помощи специальной лопасти направляется в

приемник 3. Далее сок через окна 4 поступает во внутреннюю часть трубовала 2, отку-

да через

насадки

17 попадает в отдельные секции отстойника. Равномерное распреде-

ление

сока по отдельным секциям достигается при помощи

вставок

6. Отвод осветлен-

ного

сока осуществляется через кольцевые трубы 7, расположенные по периферии в

верхней части секций. Корпус 9 отстойника имеет воздушную оттяжку 10 и люки 75.

Сгущенная суспензия с днищ 14 отдельных секций лопастями 16 мешалок 77

направляется в сборники 13, в которых перемешивается лопатками 72. Отвод

сгу-

щенной суспензии осуществляется из каждой секции по трубам 8.

Чугунов

И.Г. установил, что осветление сока и окончательное уплотнение

сус-

пензии можно осуществить в один прием в секциях небольшой высоты. Время пре-

бывания сока в рабочих секциях такого отстойника

было

доведено до 80 мин.

Производительность

отстойников зависит от площади осаждения и скорости

осаждения твердых

частиц

суспензии. Средняя скорость осаждения осадка в таком

отстойнике составляет 0,54 м/ч, а продолжительность пребывания сока -

около

2,5 ч,

что

влечет за собой

большое

нарастание

цветности.

Скорость

опускания поверхности раздела осветленного сока и сгущенной

сус-

пензии при осаждении изменяется. Сначала скорость увеличивается, затем при дос-

тижении определенного максимума приобретает постоянную величину, по оконча-

нии массового осаждения скорость резко

падает.

380

Часть

II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых

сред

5900

3050

Рис.

13.10 Отстойник системы Чугунова