Березин М.А., Истихин С.В., Кузнецов В.В. Практикум по расчетам технологического оборудования пищевых производств

Подождите немного. Документ загружается.

50...90 м/с (рис. 2.1). Для лучшего отделения межкристального оттека и

задержания кристаллов сахара внутри ротора центрифуги устанавливают

подкладочные и фильтрующие сита.

Процесс фуговки утфеля делится на три периода: образование осад-

ка, уплотнение и механическая сушка осадка. Первый период - обычная

фильтрация, причем давление обусловливается гидравлическим напором

под действием центробежных сил.

Во время второго периода центрифугируемая масса представляет со-

бой двухфазную систему, при чем вначале твердые частицы имеют мини-

мум точек касания.

В дальнейшем происходит сближение частиц с уменьшением объема

пор массы и выжимание жидкой фазы из этих пор. На межкристальную

жидкость оказывают давление твердые частицы и центробежные силы. С

течением процесса сжатия осадка число точек касания между частицами

увеличивается. Одновременно давление на жидкость, вызванное действи-

ем поля центробежных сил, падает вследствие уменьшения гидравличе-

ского напора по мере удаления межкристального раствора. Когда уровень

жидкости опускается до дренирующего слоя, начинается третий период.

К началу третьего периода на поверхности кристаллов и в местах их

соприкосновения остается межкристальная патока, удерживаемая капил-

лярными и молекулярными силами. Этот период характеризуется стека-

нием патоки по незаполненным порам с поверхности кристаллов до тех

пор, пока силы молекулярного сцепления оставшейся пленки патоки на

кристаллах уравновешиваются центробежными силами. Чтобы удалить

оставшийся на поверхности кристаллов раствор, их промывают водой и

сушат паром (пробелка).

Одной из характеристик центрифуг является ускорение центробеж-

ного поля, создаваемого ими. Отношение центробежной силы к силе тя-

жести является фактором разделения

(4.1)

Общая классификация центрифуг может быть дана в зависимости от

основных характеристик машин. В первую очередь центрифуги класси-

фицируются по фактору разделения. В зависимости от этой характеристи-

ки различают нормальные, у которых Ф

< 3000, и сверхцентрифуги, у ко-

торых Ф

> 3000. По осуществлению рабочего процесса центрифуги раз-

деляются на непрерывно и периодически действующие.

В сахарной промышленности применяют нормальные и фильтрую-

щие центрифуги.

По способу удаления осадка из ротора различают центрифуги с руч-

ной, гравитационной, 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 подвесные, когда опора расположена выше центра

тяжести ротора, а ротор укреплен внизу вала, и центрифуги, ротор кото-

рых расположен на верхнем конце вала.

Подвесная центрифуга циклического действия (рис. 3.1) со стоит из

ротора, подвешенного на валу в верхней опоре, пятискоростного асин-

хронного электродвигателя, механизма среза и вспомогательных уст-

ройств.

Работает центрифуга следующим образом. При достижении частоты

вращения ротора 23 с

-1

открывается шиберная заслонка утфелераспреде-

лителя, и утфель по лотку 19 поступает в ротор центрифуги. После загруз-

ки ротора до заданного объема датчик 9 загрузки утфеля дает команду на

закрытие шиберной заслонки. За тем электродвигатель набирает макси-

мальную частоту вращения 150 с

-1

, при которой происходит фуговка ут-

феля, регулируемая при помощи реле времени. По окончании фуговки

включается электромагнитный клапан, и вода поступает в устройство для

промывки сахара. Одновременно сегрегатор переключается на отвод бе-

лой патоки. После промывки и пропарки сахара происходит переключение

электродвигателя на меньшую скорость, и центрифуга начинает тормо-

зиться. При частоте вращения 5 с

-1

включается механический тормоз, и

электродвигатель выключается, а затем переключается на обратное вра-

щение ротора. При достижении ротором частоты вращения 7...10 с

-1

под-

нимается запорный конус, и к слою сахара при помощи пневмоцилиндра

подводится нож. По вертикали нож перемещается при помощи электро-

двигателя. По окончании выгрузки механизм среза занимает первоначаль-

ное положение, запорный конус опускается, сита промываются водой, и

начинается следующий цикл работы.

Расчетная часть

Начальная толщина слоя утфеля в центрифуге S

, м

(4.2)

где R = D/2 - радиус барабана центрифуги, м.

Объемная доля патоки в утфеле α, %

(4.3)

где с

- коэффициент растворимости сахара в патоке при данной ее добро-

качественности и температуре

Рис. 3.2. Подвесная центрифуга: 1 - устройство для промывки; 2 - механизм сре-

за; 3 - электродвигатель; 4 - тормоз; 5 - подвесная головка; 6 - пульт управления;

7 - вал; 8 - пневмо-цилиндр; 9 - датчик загрузки; 10 - распределительный диск;

11 - кожух; 12 - ротор; 13 - станина; 14 - запорный конус; 15 - труба для подвода

воды; 16 - патрубок для отвода образовавшихся паров; 17 - труба для подвода

пара; 18 - сегрегатор; 19 - лоток; 20 - пневмоцилиндр заслонки лотка

(4.4)

Количество патоки, вытекающей в период уплотнения утфеля в цен-

трифуге х, %

(4.5)

Содержание сахара, остающегося в центрифуге, на единицу объема

патоки, вытекающей в период уплотнения V, %

(4.6)

Масса уплотненного утфеля в центрифуге G

, кг

(4.7)

Толщина слоя уплотненного утфеля S

, м

(4.8)

Кинематическая вязкость патоки ν, м

/с

(4.9)

Коэффициент фильтрации патоки через сахар k

, м·с

(4.10)

Продолжительность отделения зеленой патоки τ

, с

(4.11)

где α

- коэффициент, зависящий от диаметра центрифуги (для D = 1,2 м α

= 0,054 и для D = 1,0 м α = 0,046); m - коэффициент пористости слоя утфе-

ля (m = 0,256); ω = π·n/30 частота вращения ротора, с

-1

Расчетная кинематическая вязкость ν

, м

/с

(4.12)

где ν

= 4,4·10

-7

/с - кинематическая вязкость воды; ν

= l,47·10

-4

/с -

кинематическая вязкость белой патоки.

Коэффициент фильтрации белой патоки через сахар k

, м·с

(4.13)

Коэффициент θ

(4.14)

где ρ

БП

- плотность белой патоки (ρ

БП

= 1392 кг/м

Конечная толщина утфеля S

, м

(4.15)

где q = G

/ ρ

- объем подаваемой в центрифугу воды, м

Оптимальная продолжительность подачи воды τ

, с

(4.16)

Время для отвода белой патоки после окончания воды τ

, с

(4.17)

Продолжительность пробелки τ

, с

(4.18)

Минимальный расход пара на пропарку сахара при нагреве его от t

= 60С° до t

= 90С°, м

за один цикл

(4.19)

где ρ

= 1115 кг/м

- плотность сахара; с

= 1,48 кДж/(кг·К) - удельная теп-

лоемкость сахара; i

= 2760 кДж/кг - удельная энтальпия пара, подаваемо-

го в центрифугу; i

= 2580 кДж/кг - энтальпия пара, выходящего из цен-

трифуги.

Коэффициент фильтрации пара k

пар

, м·с

(4.20)

где ν

пар

= 0,216·10

-4

/с - кинематическая вязкость пара.

Расход пара через слой сахара в центрифуге G

nap

, м

/с

(4.21)

Продолжительность пропарки τ

, с

(4.22)

Полный объем, возможный к загрузке утфелем:

- для обычной центрифуги (цилиндрический барабан), м

(4.23)

где d

- диаметр загрузочного отверстия, м (d

= 0,8 м);>

- для саморазгружающейся центрифуги (цилиндроконический бара-

бан), м

(4.24)

где H'

- высота конической части, м.

Расчетная производительность центрифуги А, кг/с

(4.25)

где φ - коэффициент заполнения центрифуги

(4.26)

здесь V

- общий объем центрифуги, м

(для цилиндрической центрифуги

= πD

H/4, для цилиндроконической центрифуги V

= πD

Н/4 +

πDH

/12); ε - отношение фактического числа оборотов центрифуги к но-

минальному (ε = 0,89).

Мощность, затрачиваемая для разгона центрифуги N

, кВт

(4.27)

где G

- масса центрифуги, кг; R - радиус центрифуги, м; ω - частота вра-

щения центрифуги, с

-1

; τ

- продолжительность разгона центрифуги, с (τ

50 с).

Мощность, затрачиваемая для разгона утфельного кольца в центри-

фуге N

, кВт

(4.28)

где G

= V·ρ

- масса утфеля в центрифуге, кг; r - внутренний радиус ут-

фельного кольца, м

(4.29)

здесь τ'

- продолжительность разгона утфеля, с (τ'

=40с); η = 0,8 -

коэффициент, учитывающий гидравлические и прочие сопротивления при

перемещении утфеля и патоки в барабане.

Мощность, затрачиваемая на трение центрифуги о воздух N

, кВт

(4.30)

где β = 1,32·10

-9

- эмпирический коэффициент.

Мощность, затрачиваемая на трение в подшипниках N

, кВт

(4.31)

где f ' = 0,03 - коэффициент трения, зависящий от конструкции подшип-

ника; G

= 380 кг - масса центрифуги; ν - окружная скорость на поверхно-

сти шейки вала в подшипнике, м/с

(4.32)

здесь d' - диаметр шейки вала, м (d' = 0,1 м).

В период разгонки и загрузки центрифуги мощность определяется

как сумма мощностей N

, кВт

(4.33)

Мощность в средний период работы N

, кВт

(4.34)

Мощность в конечный период работы N

III

, кВт

(4.35)

Средняя величина мощности на центрифугу с учетом длительности

периодов, кВт

(4.36)

Порядок оформления отчета

Отчет о расчетно-проектной работе должен включать:

- цель работы;

- теоретическую часть, в которой приводятся теоретические основы

процесса фуговки утфеля, краткая характеристика его основных стадий и

классификация центрифуг;

- расчетную часть, в которой приводится расчет центрифуги по

предлагаемому варианту (табл. 4.1), описание конструкции и принципа

действия центрифуги, марка которой указана в индивидуальном задании;

- графическую часть, в которой дается чертеж заданного типа цен-

трифуги и спецификация к нему.

Контрольные вопросы

1. Что называется процессом центрифугирования?

2. Какие виды центрифугирования вы знаете? Охарактеризуйте их.

3. В чем заключается сущность основных стадий процесса фуговки >

утфеля?

4. Какова классификация центрифуг сахарного производства?

5. Каково устройство и принцип действия центрифуги, указанной в

варианте?

6. Как производится пуск центрифуги?

7. Каково функциональное назначение подвесных головок центри-

фуг?

8. Что такое фактор разделения?

9. Что такое утфель?

10. Что называется пробелкой?

11. Чем отличается зеленая патока от белой?

12. Из каких составляющих складывается мощность привода цен-

трифуги?

Таблица 4.1 - Варианты индивидуальных заданий

5. РАСЧЕТ СЕПАРАТОРА

Цель работы: изучение теоретических основ процесса сепарирова-

ния; знакомство с классификацией сепараторов, их конструкциями и

принципом работы; выполнение расчета сепаратора.

Задание: выполнить расчет сепаратора если заданы: ω - угловая ско-

рость вращения барабана, рад/с; R

и R

- внешний и внутренний радиусы

тарелок, м; R

- максимальный диаметр диска, м; V - объем шламового

пространства, м

; т

- масса барабана, кг; с - расстояние от верхнего под-

шипника до центра тяжести, м; l - расстояние между верхним и нижним

подшипником, м; G - масса вращающихся частей сепаратора с сепарируе-

мой жидкостью, кг.

Теоретическая часть

Сепараторы могут быть классифицированы по следующим призна-

кам: технологическое назначение; конструкция барабана; способ выгрузки

осадка (шлама); принцип и характер выгрузки осадка; конструкция уст-

ройства для выгрузки осадка; способ под вода исходной гетерогенной

системы и отвода продуктов сепарирования; область применения (отрасль

промышленности); вид привода сепаратора.

По технологическому назначению сепараторы делятся на три основ-

ных класса:

1) сепараторы-разделители для разделения смеси жидкостей, не рас-

творимых одна в другой, и для концентрирования суспензий и эмульсий;

2) сепараторы-осветлители для выделения твердых частиц из жидко-

сти;

3) комбинированные сепараторы для выполнения двух или более

операций переработки жидкой смеси.

Комбинированные сепараторы называют универсальными, что под-

черкивает их многостороннее назначение. К ним относят сепараторы, в

которых процесс разделения совмещается с каким-либо другим процес-

сом. Так, известны сепараторы-экстракторы, сепараторы-реакторы.

К классу сепараторов-осветлителей можно отнести сепараторы-

классификаторы для дальнейшего диспергирования (гомогенизации) дис-

персной фазы эмульсий и их очистки от примесей (их относят к комбини-

рованным) и сепараторы для удаления из жидкостной системы микроор-

ганизмов, скапливаемых в шламовом пространстве вместе с другими ме-

ханическими примесями.

По конструкции сепараторы разделяют на тарельчатые и камерные.

Ротор тарельчатых сепараторов укомплектован пакетом конических таре-

лок, которые делят поток обрабатываемой жидкости на параллельно тон-

кие слои; ротор камерных сепараторов имеет реберную вставку (при од-

ной камере) или комплект концентричных цилиндрических вставок, раз-

деляющих 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 сепа-

раторов имеет тарелки, обеспечивающие подачу жидкости в межтарелоч-

ные пространства через отверстия, имеющиеся в самих тарелках.

Такие сепараторы часто называют сепараторами с центральной по-

дачей жидкости на тарелки. К этому типу относятся и сепараторы, в кото-

рых жидкость на вершину тарелок поступает из прорезей в тарелкодержа-

телях.

Второй тип сепараторов характеризуется тем, что жидкость в межта-

релочные пространства поступает с периферии и движется к центру бара-

бана. Тарелки в этих сепараторах отверстий не имеют.

По способу подвода исходной гетерогенной системы и отвода про-

дуктов сепарирования различают сепараторы трех типов: открытые, полу-

закрытые и герметические. В открытых сепараторах подача в ротор жид-

кой смеси и от вод полученных жидких фракций осуществляются откры-

тым потоком. Процесс сепарирования не изолирован от доступа воздуха.

В полузакрытых сепараторах жидкость подается в ротор открытым или

закрытым потоком, а отвод одной или обеих жидких фракций происходит

под давлением по закрытым трубопроводам. Процесс сепарирования не

изолирован от доступа воздуха. Роторы полузакрытого типа отличаются

от роторов открытого типа наличием устройства для вывода продуктов

сепарирования под давлением. В герметических сепараторах подача в ро-

тор исходной жидкости и отвод жидких фракций происходят под давлени-

ем по закрытым трубопроводам, герметически соединенным с выпускны-

ми патрубками, процесс сепарирования в них изолирован от доступа воз-

духа. Роторы герметических сепараторов отличаются от роторов откры-

тых и полузакрытых сепараторов конструкцией подводящих и отводящих

устройств.

По виду привода сепараторы подразделяют на три группы: с руч-

ным, комбинированным и электромеханическим приводом.

Основные элементы сепараторов: барабан, приводной механизм,

станина, коммуникация для подвода и отвода продуктов се парирования.

Рабочим органом сепаратора, в котором происходит процесс разделения,

является барабан.

Принцип действия сепаратора-разделителя (рис. 5.1 а) заключается в

следующем. Исходная гетерогенная система по центральной трубке по-

ступает в тарелкодержатель, откуда по каналам, образованным отверстия-

ми в тарелках, поднимается вверх и растекается между тарелками. Под

действием центробежной силы легкая фракция оседает на верхнюю по-

верхность нижележащей тарелки. По этой поверхности легкая фракция

движется к центру барабана, да лее по зазору между кромкой тарелки и

тарелкодержателем поднимается вверх барабана и отводится из сепарато-

ра

Тяжелая фракция в межтарелочном пространстве оттесняется к ниж-

ней поверхности тарелки, фракция движется по этой поверхности к пери-

ферии тарелки, и далее по зазору между разделительной тарелкой и

крышкой барабана поднимается вверх барабана и отводится из сепарато-

ра.

Сущность процесса осветления (рис. 5.1 б) заключается в следую-

щем. Продукт, подвергаемый очистке, по центральной трубке поступает в

тарелкодержатель, из которого направляется в шламовое пространство