Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)

Подождите немного. Документ загружается.

продуктів. У більшості цих машин передбачена механізована подача

сировини. Конструкцію промислових вовчків запозичено від побутових

м'ясорубок, лише збільшено геометричні розміри робочих органів. За

основну характеристику вовчка беруть діаметр дискової сітки: для

промислових типів — (80..300) мм\ число обертів черв'яка (100...200) за 1 хв

для тихохідних, (200...300) для середніх і понад 300 для швидкохідних

машин.

Кутери призначені для подрібнення м'яса і м'ясопродуктів, перетворення їх

на однорідну масу певних структурно-механічних властивостей. М'ясо в

кутерах подрібнюється серпоподібними і прямими ножами, встановленими

комплектно на одному, двох або чотирьох валах, причому одинарні ножі

занурюються у продукцію, попередньо подану в резервуар (чашу, барабан,

жолоб тощо).

4.3. Перемішування

Перемішуванням називають процес взаємопроникнення і розподілу частинок

однієї речовини в іншій у результаті їх вільного і вимушеного відносного

руху. Вільне переміщення може відбуватися внаслідок молекулярної дифузії,

різниці густин або температур у різних шарах рідини або під впливом

кількох з цих факторів одночасно. Під час молекулярної дифузії речовина

переміщується у тому напрямку, де концентрація її менша, і в такий спосіб

вирівнюватиметься концентрація в усьому об'ємі. Це явище пояснюється

тим, що молекули речовин перебувають у постійному русі, наштовхуються

одна на одну і змінюють напрям руху. Вони намагаються рухатись туди, де

менше зіткнень, тобто в той бік, де менша концентрація речовини.

Молекулярна дифузія завжди веде до повільного перемішування.

135

На практиці доцільніше застосувати перемішування за рахунок перенесення

елементарних частинок однієї рідини в іншу у процесі турбулентної дифузії

під час вимушеного руху компонентів, що перемішуються.

Перемішуванні системи можуть бути або рідинами, або сипкими речовинами,

причому перемішуватись можуть як речовини, що перебувають в однаковому

агрегатному стані, наприклад, дві або більше рідин, так і в різному — рідини

і тверді тіла і т.д.

Рідини поділяють на стискувані (гази) і нестискувані (краплинні). При цьому

серед власне рідин розрізняють ньютонівські (тобто такі, у яких в ламінарній

течії існує пряма пропорційність між коефіцієнтом тертя і градієнтом

швидкості) і не ньютонівські (пасти і тістоподібні тіла). Рух газів і

ньютонівських краплинних рідин описується однаковими законами, які,

проте, не застосовують для опису течії неньютонівських рідин. Закони ж

руху твердих сипких мас відрізняються від обох попередніх.

В різних галузях промисловості перемішування матеріалів застосовують з

метою: рівномірного розподілу однієї фази в іншій; підтримання дисперсної

фази в завислому стані; збільшення й оновлення поверхні контакту між

компонентами системи, які реагують, для прискорення хімічних і фізико-

хімічних процесів; створення організованого потоку рідини вздовж поверхні

теплопередачі для інтенсифікації тепловіддачі; підігрівання рідкої системи у

випадку подачі в неї гострої пари; проведення фізико-хімічних процесів,

наприклад процесів сатурації, кристалізації; проведення оксидаційних

процесів при подачі в систему повітря або кисню і т.і.; одержання суспензій,

емульсій, тощо; інтенсифікації біохімічних, хімічних та інших процесів.

Перемішування здійснюється або в спеціальних апаратах, які називають

змішувачами, або безпосередньо в апаратах, де відбуваються процеси масо-

чи теплообміну, біохімічні, хімічні та ін. Такі апарати мають відповідні

пристрої для перемішування — мішалки або перегрібачі. Залежно від

способу перемішування і технологічних вимог до проведення процесу

відповідно відрізняються конструктивно і мішалки.

Мішалки для перемішування газів і рідин під час транспортування їх в

трубах. У цьому випадку найпростішим пристроєм є Y-подібне сполучення

труб, якими підводять гази або рідини в загальний трубопровід. Доцільність

застосування перемішування в трубопроводі зумовлена дешевизною і

простотою цього способу.

136

При достатній довжині трубопроводу і швидкості руху компонентів

забезпечується добре перемішування. Для збільшення місцевої

турбулентності в трубопровід вмонтовують вставки (перегородки) різного

профілю, які мають обтікати газ або рідина.

Частіше для перемішування рідин у трубопроводі застосовують інжекторний

спосіб. При цьому один компонент подають через сопло по осі трубопроводу,

яким тече другий компонент. Ефективність перемішування в таких пристроях

можна підвищити, вмонтовуючи прості гвинтові вставки. Інжектор можна

використати також для подачі однієї з рідин в трубопровід.

Перемішування в посудинах здійснюють, застосовуючи відповідні

перемішувальні пристрої, встановлювані всередині цих посудин. До

найпростіших пристроїв такого типу належать сопла. їх застосовують для

перемішування кількох газів, а також для змішування рідин з газом або

пилуватих речовин. У соплі є вузьке гирло (вихід), крізь яке газ або рідина

надходить у простір, заповнений іншим газом або рідиною. Сопло можна

встановити також в широкій трубі, відкритій або з отворами з боку,

протилежного напряму потоку газу або рідини. Крізь ці отвори газ, який

надходить у трубу через сопло, підсмоктує з навколишнього простору інший

газ (найчастіше повітря). Найпростішим прикладом такого пристрою може

бути бун-зенівський пальник. Так само, як у випадку змішування газів,

можна розбризкувати рідину, яку подають у сопло під тиском (0,1...25) МПа).

Для поліпшення розсіювання рідини у просторі, заповненому газом, перед

гирлом сопла встановлюють спіральну насадку, яка надає рідині

обертального руху.

Розбризкування рідини у повітрі (газі) найчастіше застосовують під час

обробки води в сорбційних процесах. У разі потреби більш ефективного

перемішування рідкої суміші застосовують простий пристрій для

циркуляційного перемішування, який складається з всмоктувальної труби,

розташованої біля дна посудини, насоса і нагнітальної труби, яка подає потік

до поверхні рідини в апараті, наприклад через розбризкувальну головку над

рівнем рідини.

У дискових, конусних і кулькових мішалках робочим органом є відповідно

диск, порожнистий конус і куля, які обертаються на осі. У вібраційних

мішалках робочий орган — це плоский перфорований диск, закріплений на

валу, що переміщається то вгору, то вниз. Напрям потоку рідини

забезпечують профільовані отвори в диску. Енергетично ці мішалки дуже

економічні, придатні для пе-

137

ремішування рідких сумішей і суспензій. Особливо доцільно їх ви-

користовувати в апаратах, які працюють під тиском, оскільки вал, що

рухається у вертикальному напрямі, ущільнити значно легше, ніж обертовий.

Мішалки цього типу можна використовувати як емульгатори або збивалки.

Порівняно з обертовими мішалками, дія яких визначається до деякої міри

також тертям рідини об стінки посудини, їх перевага у тому, що вони

створюють вертикальний знакозмінний рух частинок, при якому немає

потреби якось спрямувати рух потоку. До того ж у випадку вібраційного

перемішування не утворюється лійкоподібна заглибина. Час, потрібний для

розчинення, гомогенізації або диспергування, при вібраційному

перемішуванні істотно скорочується. Поверхня перемішувальної рідини,

якщо мішалку встановлено правильно, навіть при значних амплітудах

коливання лишається спокійною і рівною; немає ні розбризкування, ні

підвищеного випаровування з поверхні. З конструктивного боку мішалки

обмежуються довжиною вала, яка не повинна перевищувати 2,5 м.

Рис. 4.9. Перемішувальні пристрої для сипких і пластичних тіл: а —

лопатевий змішувач; б — пнековип; в — пнековип з рухомою віссю

(перегрібач); г — змішувач ударного типу; д — барабанний

138

На рис. 4.9. наведено спеціальні типи перемішувальних пристроїв, які

використовують для перемішування сипких і пластичних тіл. Будова і

принципи дії кожного з них зрозумілі з рисунка, а призначення зумовлене

конструктивними особливостями. Деякі з них, де робочим органом є шнек,

одночасно перемішують матеріал і транспортують його.

4.4. Гідродинамічні процеси

4.4.1. Класифікація і характеристика неоднорідних систем

Будь-яка неоднорідна система складається з двох чи більшої кількості фаз.

Одна з них — дисперсна, або внутрішня фаза, що 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.

Газові неоднорідні (гетерогенні) системи уявляють 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 подрібнення 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 мк.

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 стан. У першому випадку

утворюється туман, у другому — дим. Розміри частинок у конденсованих

газових системах коливаються в межах (0,3...0,01) ммк.

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

Суспензії— системи, що складаються з рідкого дисперсійного середовища і

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.

139

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 мк.;

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

в) каламуті, в яких розмір завислих частинок не перевищує 100 ммк; в

каламутях завислі частинки інтенсивно рухаються (броунівський рух) і не

осідають під дією сили тяжіння;

г) колоїдальні розчини — з частинка^ми у межах від 100 ммк до величини

молекул.

Важливою характеристикою суспензій є їх концентрація. Підвищення вмісту

твердої речовини збільшує в'язкість суспензій і при певній концентрації

в'язкість може бути настільки значною, що суспензія втрачає властивості

текучості і практично перестає бути рідиною. З достатньою для розрахунків

точністю в'язкість суспензій можна визначити за емпіричною формулою А.І.

Бачинського

),(





541



, (4.3)

де



— в'язкість чистої рідини, яка є дисперсійним середовищем;



—вміст твердої фази в суспензії, який виражають відношенням об'єму

твердої фази до загального об'єму всієї суспензії.

Характерні особливості мають і емульсії. Вони мало стійкі і при певних

розмірах завислих частинок швидко розшаровуються. Емульсії істотно

відрізняються від суспензій здатністю перетворення фаз. При підвищенні

концентрації дисперсної фази, коли з'являється можливість безпосереднього

стикання окремих краплинок, останні зливаються в одну загальну систему, в

якій завислими частинками будуть вже частинки первісного дисперсійного

середовища. Таким чином, підвищення концентрації емульсії призводить до

обміну фаз: дисперсійне середовище перетворюється в дисперсійну фазу, а

дисперсійна фаза — в дисперсійне середовище.

В'язкість емульсій, так само як і суспензій, змінюється залежно від

концентрації, причому максимальна в'язкість відповідатиме такій

концентрації, при якій відбувається перетворення фаз.

У промисловості у процесі обробки різних продуктів і матеріалів

утворюються найрізноманітніші неоднорідні системи: дробіння вугілля перед

спалюванням його в топках парових котлів, дробіння цукру-рафінаду на

рафінадних заводах, тобто подрібнення зерна на борошномельних спиртових

та пивоварних

140

заводів утворюється вугільний, цукровий, борошняний пил. Пил утворюється

також під час просіювання різних сипких матеріалів: руди, вугілля, зерна,

борошна, цукрового піску та інших продуктів. Процеси висушування і

транспортування сипких матеріалів здебільшого супроводжується

пилоутворенням.

У теплових процесах прикладом утворення гетерогенної системи є туман, що

виникає при конденсації водяної пари внаслідок охолодження повітря. Такі

системи утворюються під час випарювання цукрових розчинів, барди,

молока, а також в перегонних апаратах спиртових заводів.

У виробничій практиці неоднорідні системи часто доводиться розділяти на їх

складові частини. Метод для розподілу вибирають залежно від характеру

складових частин системи і стану фаз. При цьому треба також враховувати

фізико-хімічні властивості середовища: в'язкість, густину, розмір частинок та

їх щільність тощо. Часто для розділення неоднорідних систем можна

застосувати кілька різних методів. Наприклад, газ від пилу можна очистити

фільтруванням крізь тканину або у відцентрованих і електричних осаджу-

вачах. Частіше у практиці для розподілу неоднорідних систем застосовують

такі методи: осідання, або відстоювання; фільтрування.

Осідання, або відстоювання в свою чергу можна здійснити у полях:

а)гравітаційному; б) відцентровому; в) електричному.

Фільтрування здійснюють звичайно у полях: а) гравітаційному; б)

відцентровому; в) поверхневих сил.

4.4.2. Осідання в гравітаційному полі

Неоднорідні рідкі або газові системи з більш-менш грубим подрібненням

дисперсної фази піддаються розділенню під дією самої тільки сили тяжіння.

Якщо густина дисперсної фази більша від густини дисперсійного

середовища, завислі частинки осідають на дно посудини, і, навпаки, якщо

густини завислих частинок менші, то останні спливають на поверхню.

Відокремлення частинок від в'язкого середовища, в якому вони перебувають

у завислому стані, під дією сили тяжіння називають відстоюванням або

осіданням. Швидкість осідання завислих частинок залежить як від густини,

та і від ступеня дисперсності, причому осідання відбуватиметься тим

повільніше, чим меншого розміру частинки дисперсної фази і чим менша

різниця між гус-тинами обох фаз. Практично методом осідання

користуються, головним чином, для розподілу грубих суспензій.

141

Узагальнене рівняння для швидкості осідання. Розрахунковою величиною

при визначенні розмірів і продуктивності відстійних апаратів є швидкість

осідання. Швидкість падіння тіл у безповітряному просторі визначають за

відомою формулою

,с/м,gU





(4.4)

де g — прискорення сили тяжшня,

с/м



— тривалість падіння, с

За цією формулою досить точно можна визначити швидкість падіння тіл

великого розміру у повітряному середовищі, оскільки опір середовища при

цьому буде незначним і зменшує силу тяжіння лише на (0,05...0,1)%. Проте в

разі падіння тіл дуже малої величини у більш в'язкому середовищі,

наприклад у воді, картина руху частинки зовсім інша. На початку тверді

частинки рухаються за законом вільного падіння тіла, потім з рівномірного

прискореного руху тіло переходить у сповільнений і, нарешті, тверда

частинка падає рівномірно із сталою швидкістю. Оскільки тривалість

першого періоду дуже мала, то першими двома періодами звичайно нехтують

і вважають, що протягом усього періоду руху тіло падає із сталою

швидкістю. Швидкість такого рівномірного падіння називатимемо

швидкістю осідання і позна-чимемо

. Цю швидкість можна обчислити за

загальним законом опору руху тіла у в'язкому середовищі.

Стала швидкість падіння частинок, очевидно, встановлюється тоді, коли сила

тяжіння, яка діє на частику G, стає рівною силі опору в'язкого середовища R,

тобто існує рівність

G=R. (4.5)

Сила тяжшня, за вирахуванням підйомної (архімедової), для частинок

кулькоподібної форми, завислих в дисперсійному середовищі, дорівнює

,H,g)(g)(VG





(4.6)

Де





— об'єм частинки,

;

d — діаметр частинки, м;

— густини відповідно твердої частинки і середовища,

м/кг

Силу опору середовища у загальному випадку визначають за

законом Ньютона

,H,











(4.7)

142

Де





— проекція поперечного перерізу кулекоподібної частинки на

напрямок її руху,



— коефіцієнт опору середовища.

Підставивши значення G і R у відповідне рівняння (4.5), матимемо

246







)(g





, (4.8)

або після скорочення на



і на 2

)(

pdppgd









(4.9)

звідки швидкість осідання

,с/м,

)(gd











(4.10)

Цю формулу називають узагальненим рівнянням для швидкості осідання.

В умовах осідання твердих частинок у повітряному (газовому) середовищі

густина дуже мала порівняно з густиною твердої частинки. Нехтуючи

величиною

у чисельнику, швидкість осідання у повітряному (газовому)

середовищі можна обчислити за формулою

,с/м,









(4.11)

Коефіцієнт опору середовища — величина безрозмірна. Вона є функцією

числа Рейнольдса і визначається дослідним шляхом. Цей коефіцієнт залежить

від швидкості руху частинок в середовищі, від їх розмірів, густини і в'язкості

середовища.

Експериментально встановлено, що є три режими обтікання твердого тіла,

яким відповідають три граничних значення коефіцієнта



: для ламінарного

режиму, тобто при 0 < Re < 2

;





(4.12)

для перехідного режиму, тобто коли 500 > Re > 2

;

,60

518





(4.13)

143

для турбулентного режиму, тобто коли 150000 > Re > 500 ко-

ефіцієнт опору сталий і дорівнює

440,



Розрахунок відстійника зводиться до визначення поверхні осідання і об'єму

відстійника. За заданою кількістю суміші, яку треба обробити у відстійнику

протягом відстоювання, і за відомими концентраціями можна визначити

кількість проясненого продукту

. Потім обчислюють об'єм осаду, його

висоту і загальну висоту відстійника, як суму висот проясненого шару і

осаду.

Відстійники напівбезперервної дії більш продуктивні, ніж періодично діючі

апарати, завдяки розвиненій поверхні осідання при меншій висоті шламового

відстою. В цих апаратах розділю-вана суміш протягом певного часу

безперервно надходить, рухається у відстійнику, розділяється; прояснена

рідина також безперервно відводиться, а осад видаляється періодично.

Відстійники уявляють собою відкриті, вириті в землі ями завдовжки 200 м,

завширшки 50 м і глибиною 2 м. Іноді такі відстійники викладають цеглою

або бетонують. Водяна суспензія повільно рухається вздовж такої споруди,

тверді частинки при цьому осідають на дно. Прояснена частина відводиться у

водомийще, а осад видаляють з відстійників звичайно після закінчення

виробництва.

За таким самим принципом працюють відстійні газоходи для вловлювання

золи з димових газів котельних установок. У цьому випадку газоходи зверху

закриті.

Найчастіше відстійники виготовляють у вигляді низьких циліндрів з

конусним дном. Щоб зекономити площу приміщень, відстійники роблять

багатоярусними.

На рис. 4.10 зображено схему п 'ятиярусного відстійника, застосо-вуємого на

цукрових заводах для згущення сатураційних соків. Це закритий

циліндричний резервуар 8 діаметром і висотою близько б м з конічним дном

10. Конічні перегородки 7 розділяють відстійник по висоті на яруси. В центрі

апарата встановлено вал 1 з гребками 6, який повільно обертається (один

оберт за 5.. .6 хе.). Скребки призначені для просування шламу до центра

апарата. Вал, виготовлений за типом "труба в трубі", має вікна; частина вікон

сполучає верхні горизонти ярусів з внутрішньою трубою, а інша частина —

нижні горизонти з кільцевим простором вала. Суспензія надходить в апарат

через трубу 21 на верхній ярус А, де відбувається часткове осідання. Потім

частково прояснена суспензія надходить крізь вікна в центральний канал

вала і звідси крізь вікна витікає в наступні яруси б. Згущену масу відводять

трубою 9 у приймач 4.

144

Рис. 4.10. Схема п'ятиярусного відстійника

4.4.3. Фільтрування

Загальні відомості

Фільтрування — найпростіший метод розподілу неоднорідних систем з

рідким і газовим дисперсійним середовищем. Фільтрування рідин і газів

досягається за допомогою проникнення їх крізь шпарувату перегородку, яка

затримує завислі частинки.

Перевага фільтрування перед процесом осідання полягає в тому, що рідини

або гази майже цілком звільняються від завислих частинок. Широке

застосування цього методу пов'язане не тільки з простотою його здійснення,

а й легкою пристосованістю до різних умов.

Залежно від властивостей неоднорідної системи звичайно вдається підібрати

такі умови фільтрування, за яких одержують

145

бажані результати. При цьому є велика можливість вибору тиску, швидкості

фільтрування, фільтрувальної перегородки та інших умов виконання

процесу. Чимале значення у цьому випадку має і конструктивне оформлення

фільтрувальної установки.

У процесі розділення суспензій крізь фільтрувальні перегородки є кілька

випадків фільтрування: 1) фільтрування з утворенням осаду і 2) фільтрування

без утворення осаду із закупорюванням шпар (закупорювальне

фільтрування).

У практиці можливий одночасний перебіг процесів фільтрування з

утворенням осаду і закупорюванням шпар. Процес фільтрування з

утворенням осаду у практиці зустрічається частіше, ніж фільтрування із

закупорювання шпар. Фільтрування з утворенням осаду застосовують

головним чином для рідин, що містять значну кількість завислих частинок. У

цьому випадку частинки майже не проникають у середину фільтрувальної

перегородки, а утворюють склепіння над її шпарами. Ці склепіння пере-

шкоджають проникненню частинок осаду в шпари перегородки і утримують

основний шар осаду.

Фільтрування без утворення осаду, або закупорювальне, застосовують для

рідин високої в'язкості, що містять незначну кількість завислих частинок. Ці

частинки проникають у шпари фільтрувальної перегородки і затримуються у

звивинах шпар,

поступово закупорюючи їх. В міру забруднення шпар фільтру-

вальної перегородки і утворення шару осаду умови фільтрування

поліпшуються, але продуктивність або об'ємна кількість фільтрату процесу

падає.

Схему фільтрувальної камери зображено на рис. 4.11. Фільтрувальна

перегородка ділить камеру фільтра на дві порожнини І і II.

У першу порожнину під тиском

, надходить суспензія. Під дією додатної

різниці тисків



в порожнинах проходить фільтрування крізь

перегородку, причому на ній утворюється осад. Чистий фільтрат стікає з

порожнини II, а осад періодично видаляють з фільтра. Необхідна для процесу

фільтрування додатна різниця тисків

)(



забезпечується різними

способами, але за певних умов

146