Лекция 3 - Процессы и аппараты пищевых производств

# Процессы и аппараты перерабатывающих производств

5В073200- Стандартизация и сертификация __ст.преводаватель__ Саидов А.М.

## Лекция 3

ЛЕКЦИЯ 3

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Цель: сформировать представление о гидромеханических процессах

План

1 Классификация неоднородных систем

2 Классификация методов разделения неоднородных систем и

3 Осаждение

1 Классификация неоднородных систем

Неоднородной называется система, состоящая из двух или нескольких физико-химических неоднородных (находящихся в различных агрегатных состояниях) фаз (например, газ — жидкость, жидкость — твердые частицы, газ — твердые частицы). Фаза, которая находится в мелкораздробленном состоянии, называется дисперсной (или внутренней). Фаза, представляющая собой среду, в которой распределены частицы дисперсной фазы, называется дисперсионной (или внешней). Она является сплошной фазой.

В зависимости от физического состояния фаз различают следующие неоднородные (гетерогенные) системы: эмульсию, суспензию, пену, туман, пыль, дым, примеры которых представлены в табл. 3.3.

Для эмульсий и пен характерна возможность перехода дисперсной фазы в дисперсионную и, наоборот, дисперсионной в дисперсную. Этот переход возможен при определенном соотношении фаз и называется инверсией (обращением) фаз

Неоднородные (гетерогенные) системы в зависимости от физического

Фаза | Неоднородная (гетерогенная) система | Примеры неоднородных систем
дисперсионная | дисперсная
Жидкая | Жидкая | Эмульсия | Молоко
Жидкая | Твердая | Суспензия | Смесь воды с песком при мытье овощей; смесь воды и дробленого зерна — пивные заторы
Жидкая | Г азовая | Пена | Пивная пена, грязная пена при флотации, мокрой очистке воздуха
Г азовая | Жидкая | Туман | Взвесь капель воды и воздуха при конденсации вторичного пара
Газовая | Т вердая | Пыль | Мучная, сахарная пыль
Г азовая | Т вердая | Дым | Продукт сгорания

2 Классификация процессов разделения неоднородных систем.

Образующиеся в технологических процессах неоднородные системы подразделяют в целях:

• охраны окружающей среды, в частности для защиты атмосферного воздуха и водоемов от загрязнения;

• получения сока, свободного от твердых частиц в сахарном производстве в сатурационных аппаратах;

• получения кристаллического сахара из утфеля;

• освобождения пивного сусла от дробины из пивных заторов;

• сгущения молока для увеличения концентрации в нем жира и для последующей выработки масла и т.д.

Классификация процессов разделения неоднородных систем по движущей силе, к которой также относится электрические (возникающие под действием электрического тока), приведена в табл. 3.4.

Классификация процессов разделения неоднородных систем

Метод разделения | Движущая сила | Процесс
Осаждение | Сила тяжести Центробежная сила Электрические силы | Отстаивание Осаждение центрифугированием, сепарированием Осаждение в электрическом поле
Фильтрование | Разность давле н и й Центробежная сила Электрические силы | Фильтрование Центрифугирование Эл е ктрофил ьтрование
Флотация | Разность давлени й Электрические силы | Пневматическая, напорная, эжекторная флотации Электролитическая флотация

3 Осаждение

Процесс выделения твердых или жидких частиц из жидких или газовых неоднородных частиц называется осаждением.

Осаждение в гравитационном поле называется отстаиванием. Механизм отстаивания достаточно прост: неоднородная система, находящаяся в покое или перемещающаяся с малой скоростью, разделяется на составные ее части за счет их сил тяжести. Данный процесс широко применяется для грубою разделения суспензий. эмульсий, дымов и пылей, так как скорость отстаивания частиц невелика.

Основными характеристиками процесса осаждения являются:

• скорость осаждения частиц;

• линейная скорость потока;

• продолжительность пребывания потока в аппарате;

• качество получаемых фракций.

Рассмотрим движение одиночной осаждающейся частицы массой т в неподвижной вязкой жидкости (рис. 3.25) и выведем уравнения для определения скорости отстаивания.

На шарообразную частицу диаметром d и массой т,, при осаждении действуют:

• сила тяжести:

„выталкивающая сила (Архимедова сила):

• сила сопротивления среды R состоит из сил трения и инерции по уравнению Ньютона:

При ламинарном движении, наблюдающемся при небольших скоростях и малых размерах частиц или при высокой вязкости среды, частица окружена пограничным слоем жидкости и плавно обтекается потоком (рис. 3.26, а). Потеря энергии в таких условиях связана в основном лишь с преодолением сопротивления трения.

С развитием турбулентности потока (например, с увеличением скорости движения тела) все большую роль начинают играть силы инерции. Под действием этих сил пограничный слой отрывается от поверхности тела, что приводит к понижению давления за движущимся телом в непосредственной близости от него и к образованию беспорядочных местных завихрений в данном пространстве (рис. 3.26, б). Начиная с некоторых значений критерия Рейнольдса, при развитии турбулентности потока (рис. 3.26, в) сопротивлением трения можно пренебречь, так как преобладаю щей силой становится встречное сопротивление.

4 Фильтрование

Процесс разделения жидких и газовых неоднородных систем через пористую перегородку, способную задерживать взвешенные частицы и пропускать фильтрат или очищенный газ, называется фильтрацией .

Движущимися силами процесса являются:

• перепад давления на фильтрующей перегородке (фильтрова- ние под действием перепада давления);

• центробежная сила (фильтровальное центрифугирование);

• электрическая сила (электрофильтрование).

Процесс фильтрования получил большое распространение во всех отраслях пищевой промышленности: в свеклосахарном про изводстве (для отделения осадка от сатурационных соков, для очистки сиропов); в пивобезалкогольном (для отделения дроби ны от сусла и осветления пива); в консервном (для осветления фруктовых соков) ; в хлебопекарном, мукомольном производстве (для очистки воздуха).

Типы фильтрования. Процесс фильтрования может происходить тремя способами

Фильтрование с образованием осадка на поверхности фильтрующей перегородки и образованием сводов. При этом способе твердые ч:астицы в первые моменты с начала фильтрования проходят через поры фильтрующей перегородки, но вскоре накапливаются на ней, и ч:ерез фильтр начинает протекать только осветленная жидкость-фильтрат (фильтрование заторов на пивных заводах).

Фильтрование с закупориванием пор. При таком способе фильтрования твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки, что приводит к снижению производительности фильтра (фильтрование пива).

Промежуточный вид фильтрования. При промежуточном виде фильтрования наблюдается и проникновение осадка в капилля ры, и их закупоривание, и образование сводов над устьями ка пилляров.

Тип фильтрования зависит от свойств суспензии, давления фильтрования и фильтрующей перегородки.

В зависимости от средних размеров частиц дисперсной фазы dч

различают процессы:

• фильтрование (dч > 100 мкм);

• микрофильтрование (100 > d,, > 0,05 мкм);

• ультрафильтрование (0,05 > dч > 10-3 мкм);

• обратный осмос (dч < 5. 10-3 мкм).

Виды фильтрующих перегородок. В качестве фильтрующих пере городок используют специальные ткани из волокон растительно го (хлопчатобумажные - бельтинг, миткаль и др.), животного (шерсть), минерального (асбест) происхождения и из синтетических волокон (капрон, нейлон и др.). В последнее время все шире стали применять пористые металлические, керамические и металлокерамические фильтрующие перегородки. В некоторых случаях используют слои песка, гравия и др.

Фильтрование под действием перепада давлений. Основной величиной при фильтровании под действием перепада давлений является скорость фильтрования в зависимости от структуры осад ка, толщины его слоя, характера фильтрующей перегородки, вяз кости жидкости, движущей силы процесса.

Фильтрование под действием центробежной силы. Разделение неоднородных систем под действием центробежной силы с помощью фильтрующей перегородки называют центрифугированием.

Аппараты, в которых осуществляется центрифугирование, называют центрифугами. Основная часть любой центрифуги - вращающийся с высокой скоростью цилиндрический барабан - ротор (с перфорированными или сплошными стенками), внутрь которого подается суспензия. Суспензия вращается и, находясь в поле действия центробежной силы, разделяется на дисперсную и дисперсионную фазы. Дисперсная фаза (твердые частицы) стремится осесть на фильтрующей поверхности барабана с ускорением ro2 R, где ro - угловая скорость вращения, R - радиус вращения. Дисперсионная фаза проходит через поры твердых частиц и через отверстия фильтрующей перегородки и удаляется из корпуса. Интенсивность разделения суспензии под действием центробежных сил определяется фактором разделения КР= ai R/g. Суспензия разделяется на осадок и осветленную жидкую фазу, называемую сливом.

5 Флотация

Процесс разделения жидких неоднородных систем, основанный на избирательном прилипании пузырьков газа к частицам, составляющим внутреннюю фазу системы, называется флотацией

Флотацию широко применяют для обезжиривания жидкостей и сточных вод мясо- и жиркомбинатов, выделения глютена из крахмального молока при производстве кукурузного крах мала, выделения кормовых дрожжей из культуральной жидкости и др.

В процессе флотации находящиеся в жидкости пузырьки газа прилипают к плохо смачиваемым водой (гидрофобным) частицам и поднимают их к поверхности жидкости, где они выщеляются вместе с образовавшейся пеной, тогда как хорошо смачиваемые водой (гидрофильные) частицы не прилипают к пузырькам газа, осаждаются на дно аппарата и удаляются.

Установлено, что чем больше число пузырьков газа в высоко дисперсном состоянии равномерно распределено в единице объема жидкой системы, т.е. чем выше степень аэрации ее, тем выше скорость флотации.

Флотация бывает пневматической, эжекторной, электролитической, напорной.

При пневматической флотации воздух вводят в жидкость под давлением через барботеры - трубы с отверстиями диаметром от 1 ДО 10 ММ.

При эжекторной флотации жидкость и воздух поступают в эжектор, в котором и обеспечивается хорошее смешение их.

При электролитической флотации через разделяемую водную смесь пропускают постоянный электрический ток. Образующиеся при электролизе воды кислород и водород используются для так называемой электрофлотации.

При напорной флотации (рис. 3.42), широко применяемой Q.ЛЯ обезжиривания жидкостей, смесь разделяемой жидкости и воздуха после эжектора 1 подается насосом 2 под давлением 0,3... 0,4 МПа в ресивер 3 и выдерживается в нем 1,5... 2 мин; при этом увеличивается растворимость воздуха в жидкости и образуется пересыщенная водно-воздушная эмульсия, которая затем через барботер 8 поступает во флотационную камеру 9 флотатора 10, работающего под атмосферным давлением. Всплывший во флотационной камере 9 жир отводится через слив 4, а осветленная жидкость из зоны отстаивания 6 по трубе 7 отводится через слив 5.

Загрязняющие вещества (осадок и ил) выводятся снизу. Во избежание загрязнения окружающей среды промышленные стоки фильтруют и вывозят на специальные полигоны (свалки).

Контрольные вопросы

1. Что называется жидкостью и какими основными свойствами она характеризуется?

2. От каких параметров зависит величина гидростатического давления?

3. Приведите примеры практического применения уравнения Бернулли.

4. Перечислите основные характеристики насосов, компрессоров, вентиляторов.

5. Объясните физический смысл обратного осмоса.

Существует ли отличие процесса фильтрования за счет перепада давления от мембранного процесса? Если существует, то в чем оно заключается?

Пилипенко, "Процессы и аппараты" стр. 50-63