Общая характеристика сепарирования

Содержание

1 Введение

2 Общая характеристика  сепарирования. Литературный обзор  оборудования

3 Технологический расчет  аппарата и вспомогательного  оборудования

3.1 Выбор типа единичного  аппарата

3.2 Описание конструкции  аппаратов

3.3 Сепаратор-сливкоотделитель

4 Обоснование выбора материалов  для изготовления оборудования

5 Прочностные расчёты

6 Правила использования  сепаратора

7 Вывод

8 Список использованных  источников

 

Введение

 

 

 

Около 80-ти лет назад Джон Ньюкомб изобрел сепаратор, который  предназначался для отделения частиц пыли от воздуха при производственных процессах. В 1926 году сепаратор Ньюкомба привлек внимание Лесли Грина, который  предложил использование сепаратора в быту. После подписания соглашения между Лесли Грином и Джоном Ньюкомбом, в 1927 году, появился первый аппарат  для чистки без фильтра-мешка  – «Newcombe Bagless». Сепарирование –  разделение жидких неоднородных смесей в поле центробежных сил на сепараторах. Поле центробежных сил характеризуют  фактором разделения, представляющим собой отношение ускорения центробежной силы к ускорению силы тяжести  при определенном геометрическом размере. При сепарировании вся масса  обрабатываемой суспензии разделяется  на тонкие слои движущиеся в радиальных каналах. Для многих отраслей промышленности процесс сепарирования различных  жидкостей и твердых веществ  является ключевым. Основная концепция  использования сепараторов в  условиях современного производства –  быстрое и качественное разделение различных жидкостей и твердых  веществ в непрерывном режиме.

Сепаратор получил широкое  применение в различных энергосистемах дизельных, паровых и атомных  электростанций, в нефтегазовой отрасли  при очистке сбросных и шламовых вод, промышленных жидкостей.

Для обогащения и очищения руды от пустой и ненужной породы используют также различные сепараторы. Для  металлической руды подходит электрическая, магнитная и химическая сепарации.

При изготовлении фармакологических  препаратов применяются разнообразные  аппараты для очищения от побочных продуктов производства. Также сепарация  используется для разделения биологического материала на различные фракции.

Фактически все модификации  сепараторов широко используются в

пищевой промышленности для  решения специфичных задач сепарирования. Предотвращение контакта продукта с  кислородом и повышения температуры  продукта при сепарировании, высокие  санитарно-гигиенические стандарты. Основными примерами использования  сепараторов являются:

• снижение потребления кизельгура и повышение фильтрационной способности пива;
• снижение энергопотребления и химикатов в масложировой промышленности;
• производство оливкового масла высшего качества;
• восстановление эфирных масел лимона после холодного прессования;
• производство сливок, обезжиренного молока и других молочных продуктов.

Современная технология молочного  производства предусматривает широкое  применение разнообразных сепараторов. Эти агрегаты позволяют очистить молоко от твердых включений, а также  разделить его на фракции с  неоднозначной плотностью без изменения  химической структуры веществ, входящих в его состав. Сепарация осуществляется за счет центробежной силы, возникающей  в аппарате, в результате чего частицы  у которых удельная масса больше, отбрасываются к его стенкам. Чем выше скорость молочного потока в резервуаре, тем эффективней  процесс разделения молока на легкую и тяжелую фракцию. Сепарирование  молока – разделение его на две  фракции различной плотности: высокожирную и низкожирную .

 

 

2.Общая характеристика процесса сепарирования. Литературный обзор оборудования

Сепарирование – это механическая обработка молока с целью разделения его на тяжелую и легкую фракции. В основе действия сепаратора лежит  принцип использования центробежной силы, возникающей в главном рабочем  органе сепаратора – барабане при  вращении. Сепарирование применяют  для разделения молока на сливки и  обезжиренное молоко, а также для  его очистки от механических и  естественных примесей. Кроме этого  при сепарировании из сыворотки  выделяют белки, получают высокожирные сливки, отделяют микроорганизмы от молока и др. Под действием центробежной силы молоко разделяется благодаря  различию плотностей фракций: плотность  дисперсной фазы (жира) меньше, чем дисперсионной  среды (плазмы молока), или плотность  дисперсионной среды (плазмы молока) меньше, чем дисперсной фазы (частиц механических и естественных примесей).

Сепарирование молока осуществляется в специальных машинах – сепараторах. Сепараторы, предназначены для разделения молока на сливки и обезжиренное молоко, называют сепараторами-сливкоотделителями, а для очистки молока – сепараторами-молокоочистителями. Сепараторы-сливкоотделители с устройствами нормализации молока называются сепараторами- нормализаторами .

Сепараторы могут быть классифицированы по таким признакам:

1. По технологическому назначению:

• сепараторы-разделители;

• сепараторы-осветлители;
• комбинированные сепараторы;

2. По конструкции барабана:

• тарельчатые;
• камерные;

 

 

3. По способу выгрузки осадка:

• периодический;

• непрерывный;
• пульсирующий;

4. По способу подвода исходной гетерогенной системы и отвода продуктов сепарирования:

• открытые;
• полузакрытые;
• герметические;

5. По виду привода:

• ручной привод;
• комбинированный привод;
• электромеханический привод.

Сепараторы-разделители  применяют для разделения смеси  жидкостей, не растворимых одна в  другой, и для концентрирования суспензий  и эмульсий.

Сепараторы-осветлители  используют для выделения твердых  частиц из жидкости, например сепаратор-молокоочиститель .

Комбинированные сепараторы служат для выполнения двух или более  операций переработки жидкой смеси. Их называют универсальными, что подчеркивает их многостороннее назначение. К ним  относят сепараторы, в которых  процесс разделения совмещается  с каким-либо другим процессом. Например сепараторы-экстракторы, сепараторы-реакторы.

По конструкции барабана сепараторы разделяют на тарельчатые  и камерные. Ротор тарельчатых  укомплектован пакетом конических вставок, которые делят поток  обрабатываемой жидкости на параллельно  тонкие слои. Независимо от отрасли  их применения и назначения, можно  подразделить на два основных типа. Первый тип имеет тарелки, обеспечивающие подачу жидкости в межтарелочные  пространства через отверстия, имеющиеся  в самих тарелках. Такие сепараторы называют с центральной подачей

жидкости на тарелки. К  этому типу относятся и сепараторы, в которых жидкость на вершину  тарелок поступает из прорезей в  тарелкодержетелях. 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. Примеры некоторых барабанов  показаны на рис.1.

сепарирование аппарат  осадок

Рис.1 Технологические схемы  барабанов сепараторов различных  типов:

а – барабан сепаратора-разделителя (сливкоотделителя); 6 – барабан сепаратора-осветлителя (молокоочистителя); в – барабан  соплового сепаратора (творожного); г – барабан сепаратора с периодической  выгрузкой осадка; 1 – тарельчатые  вставки; 2 – осадок (сепараторная слизь); 3 – тяжелая фракция (обезжиренное молоко); 4 – легкая фракция (сливки); 5 – осветленная жидкость (чистое молоко); 6 – творожная сыворотка; 7 – приемник творога; 8 – творожный  сгусток; 9 – сопло; 10 – напорный диск сливок; 11 – напорный диск обезжиренного  молока 12 – разгрузочные окна; 13 –  подвижное днище (поршень); 14 – клапан управления движением поршня; 15 –  приемник осадка.

 

В сепараторах-молокоочистителях  происходит выделение из молока механических и естественных примесей, а также  разделение суспензий и эмульсий, в которых плотность дисперсной среды ниже плотности выделяемых при сепарировании частиц. Наиболее эффективная очистка молока достигается  при применении центробежных молокоочистителей.

Основными элементами сепараторов  является: барабан, приводной механизм, станина, коммуникация для подвода  и отвода продуктов сепарирования. Рабочим органом сепаратора, в  котором происходит процесс разделения, является барабан.

Сепаратор работает таким  образом: через открытый кран молокоприемника  молоко поступает в приемную поплавковую  камеру, обеспечивающую постоянством расхода постоянный напор. Затем  молоко через калиброванное отверстие  поступает в центральную трубку барабана сепаратора, в котором оседает  большая часть механических примесей. Далее молоко, проходя через пространство пакета тарелок, дополнительно очищается  и, собираясь в центральной части  барабана, выходит через боковое  окно в корпусе барабана в сборник.

В открытых сепараторах ввод исходного продукта и вывод жидких фракций осуществляются в виде свободой струи при доступе воздуха. В  этом случае образуется молочная пена, ухудшающая условия эксплуатации сепараторов. В полугерметичных сепараторах  молочное сырье подается под. давлением. Герметические – в которых подача в ротор исходной жидкости и отвод жидких фракций происходят под давлением по закрытым трубопроводам, герметически соединенным 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.

Вывод твердого осадка (сепараторной слизи) может быть периодическим  при полной разборке и мойке сепарирующего  устройства – Вывод твердого осадка (сепараторной слизи) может быть периодическим  при полной разборке и мойке сепарирующего  устройства – барабана (сепараторы с ручной выгрузкой осадка);пульсирующим, обеспечивающим выброс в течение  долей секунды без остановки  сепаратора путем раскрытия барабана (саморазгружающиеся сепараторы); непрерывным  – выброс осадка происходит через  сопла в стенках барабана (творожные).

По виду привода сепараторы подразделяют на три группы: с ручным, комбинированным и электромеханическим  приводом.

Основными составными частями электрических сепараторов являются его станина, на которую устанавливается барабан. В станине так же размещается электропривод. Для подачи молока и вывода готового продукта сепаратор оборудован специальной приемно-выводной системой. Некоторые сепараторы оборудованы двигателями без использования контактных щеток. Это существенно повышает его надежность и позволяет использовать в течение больших промежутков времени. Среди преимуществ электрического привода, основным является простота использования такого вида сепаратора. В отличие от ручного его работа не требует больших физических усилий со стороны владельца. Нажатия кнопки будет вполне достаточно. Как следствие повышается производительность. При использовании безщеточных электроприводов работа сепаратора может не прекращаться в течение долгого времени.

Сепараторы по принципу действия можно  разделить на центробежные, центробежно-вихревые, центрифужные, прессо-шнековые, вибрационные и отстойные.

Центробежные  сепараторы в свою очередь разделяются на саморазгружающиеся сепараторы, сопловые сепараторы и сепараторы со сплошной оболочкой барабана. Центробежные, центробежно-вихревые сепараторы работают на использовании силы самого потока воздуха (газов). Сепарация осуществляется за счет действия сепарационного пакета, который направляет газожидкостный поток таким образом, что созданный вихревой эффект отбрасывает из среды газа на стенки сосуда капельную влагу и механические примеси. Является самым эффективным методом очистки газа(воздуха)от влаги и механических примесей без использования фильтрующих элементов. Центрифужные сепараторы работают все по принципу вращения барабана под большой центробежной силой, в тысячи раз больше силы тяжести. Сепарация и седиментация происходят непрерывно и быстро. Приводятся в действие при помощи электродвигателя двумя способами в современном виде:

1. Через муфту-вал червячного  колеса-червяк-червячное колесо-вал барабана. Барабан монтируется на валу и вращается с более высокой скоростью чем муфта электродвигателя.

2. Через приводной плоский ремень  соединяющую прямым образом муфту электродвигателя и муфту вала, на которую монтируется барабан сепаратора.

Сепарация в прессо-шнековых сепараторах представляет собой процесс из просеивания, фильтрации и прессования. Шнек вращается в цилиндрическом сите. Сито может иметь размер ячеек от 0,1 до 1,0 мм. Первичное вещество подается в рабочую часть сепаратора. В сите из частичек, имеющих размер больший ячейки сита, создается фильтрующий слой, который задерживает более мелкие частицы в жидкости. Лопасти шнека продвигают твердые частицы к выпускному отверстию. Поверхность сита очищена и образуется новый фильтрующий слой. Лопасти шнека очищают сито при каждом вращении и продвигают твердые массы к выпускному отверстию. Где твердые массы под давлением шнека обезвоживаются и спрессовываются в твердое вещество. Давление в первой части сита низкое, но оно увеличивается по мере возрастания концентрации твердых веществ в выходящем продукте. Сила трения твердой заглушки в цилиндрическом раструбе и двойной заслонки регулятора выходного отверстия создает противодавление.

 

3. Технологический  расчет аппарата и вспомогательного  оборудования.

По технологическому назначению это оборудование подразделяют на две ос-

новные группы:  сепараторы-молокоочистители и сепараторы-сливкоотделители. В сепараторах-молокоочистителях происходит центробежная очистка молока от механических и естественных примесей. К этой группе относят также отделители белка от сыворотки, сепараторы для обезвоживания творожного сгустка и сепараторы - бактериоотделители. В сепараторах-сливкоотделителях молоко разделяется на сливки и обезжиренное молоко, происходят нормализация молока по жиру (при применении дополнительного устройства), обезжиривание сыворотки и получение высокожирных сливок.

По конструктивным особенностям сепараторы подразделяют на открытые,

полузакрытые, закрытые. В открытых сепараторах ввод молока и вывод его фракций не герметизированы, т. е. сливки и обезжиренное молоко контактируют с воздухом окружающей среды. В полузакрытых ввод молока может быть открытым или закрытым, но без напора, а вывод продукта — закрытым, под давлением, создаваемым в сепараторе. В закрытых сепараторах ввод молока,разделение на фракции и их выход герметизированы. Поступление молока и отведение фракций осуществляют под давлением.Сепараторы классифицируют также по способу удаления осадка из бара-

бана: с ручной выгрузкой осадка после их полной остановки и разборки барабана, центробежной периодической и непрерывной выгрузкой при непрерывной работе сепаратора.Сепараторы состоят из следующих основных частей: станины в виде чаши,

барабана, приемно-выводного  устройства и приводного механизма.

На станине смонтированы все части и узлы сепаратора, в  нижней ее части расположен приводной механизм. В чаше станины укреплены тормоза, стопоры, удерживающие барабан от произвольного вращения при сборке и разборке, а также приемно-выводное устройство. Внутренняя часть станины (картер) одновременно является масляной ванной.

Барабан (сепарирующее устройство) — исполнительный орган  сепаратора, где молоко разделяется на фракции. Сепарирующее устройство бывает с верхним и нижним вводом молока. Наибольшее применение получили сепарирующие устройства с верхним вводом молока. Конструкция сепарирующего устройства молокоочистителей и сливкоотделителей имеет следующие различия: в сливкоотделителе молоко в межтарелочное пространство поступает через отверстия в тарелках, а в молокоочистителях — с периферии, так как в тарелках молокоочистителя отсутствуют отверстия; приемно-выводное устройство молокоочистителя имеет один отводной патрубок (для очищенного молока), а сливкоотделителя — два (для сливок и обезжиренного молока); межтарелочный зазор у молокоочистителя больше (2—5 мм), чем у сливкоотделителя (0,6—0,8 мм); периферийное (грязевое) пространство молокоочистителя больше, чем сливкоотделителя.

Приемно-выводные устройства, закрепленные в верхней части  сепаратора, обеспечивают подачу молока в барабан и отвод из него фракций молока (сливок, обезжиренного молока, а также очищенного молока). Герметичность всех соединений создается резиновыми уплотнительными кольцами. Конструкции приемно-выводных устройств различны, Однако у всех имеются приемник для сливок и обезжиренного молока и диски напора для каждой фракции. Приемник состоит из двух изолированных камер для сливок и обезжиренного молока. Сливки как более легкая фракция выходят из барабана по нижнему патрубку, а обезжиренное молоко — по верхнему. На выходном патрубке сливок установлены регулировочный винт, позволяющий регулировать жирность сливок, и ротаметр для определения

 

количества сливок. Приемно-выводные устройства могут быть снабжены устройствами для нормализации молока по жиру.

Все промышленные сепараторы имеют электрический  привод. Основными его частями являются электродвигатель; центробежная муфта, состоящая из ведущей и ведомой полумуфт; зубчатое ведущее колесо; ведомое колесо мультипликатора, вертикальный вал (веретено). В приводной механизм могут входить также и другие детали и узлы, усложняющие его конструкцию и обеспечивающие заданную частоту вращения барабана сепаратора. Передача движения от электродвигателя к барабану следующая. Вращение от вала электродвигателя передается ведущей центробежной полумуфте, затем после соприкосновения с ведомой центробежной полумуфтой вращение передается на горизонтальный вал. Ведущее зубчатое колесо на горизонтальном валу входит в зацепление с зубчатым колесом мультипликатора и передает вращение на вертикальный вал, а вместе с ним и на барабан. Этот способ передачи движения от электродвигателя на барабан сепаратора наиболее распространен, но известны и другие способы передачи вращения, обеспечивающие заданную частоту вращения барабана.

3.2. Описание конструкции  аппаратов

                         3.3.  Сепаратор – сливкоотделитель

Принцип действия сепаратора-разделителя (рис. ) заключается в следующем. Исходная гетерогенная система по центральной трубке поступает в тарелкодержатсль, откуда по каналам, образованным отверстиями в тарелках, поднимается вверх и растекается между тарелками. Под действием центробежной сипы легкая фракция оседает на верхнюю поверхность нижележащей тарелки. По этой поверхности легкая фракция движется к

 

центру барабана, далее по зазору между кромкой тарелки и тарелкодержателем поднимается вверх барабана и отводится из сепаратора.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                              

 

а                                                 б

Рис.2.3.1 Схема  процесса разделения (а) и осветления (б) в барабанах тарельчатых сепараторов:

<—« - исходный  продукт;    <—<- легкая фракция;

оооо -осадок;      <—   тяжелая фракция;

<—О - частицы,  образующие осадок

Тяжелая фракция  в межтарелочном пространстве оттесняется  к нижней поверхности тарелки, фракция движется по этой поверхности к периферии тарелки, и далее по зазору между разделительной тарелкой и крышкой барабана поднимается вверх барабана и отводится из сепаратора.

Сепаратор-сливкоотделитель (рис. 2.6) состоит из станины 17 с приводным  механизмом, приемно-отводящего устройства 12, гидроузла, чаши станины с приемником осадка 7 и глушителя, а также из пульта управления [36].

Молоко подается по трубопроводу и центральной трубке приемно-отводящего устройства во вращающееся сепарирующее устройство. В это время поршень сепарирующего устройства закрыт. В полости под поршнем находится вода. При работе сепаратора происходит

незначительное  ее вытекание из сепарирующего устройства и патрубка станины при подпитке. Для герметизации системы поршень поджимается к прокладке силой гидростатического давления. Молоко подается в сепарирующее устройство, проходит через отверстия в тарелкодержателе и вертикальные каналы пакета, распределяется в межтарелочных пространствах, разделяясь на сливки, оттесняемые к оси вращения, и обезжиренное молоко, оттесняемое к периферии сепарирующего устройства. Сливки и обезжиренное молоко выводятся через камеры напорных дисков.

Твердые частицы  и тяжелые примеси, выделяющиеся из молока, поступают в периферийный объем сепарирующего устройства, где происходит их накопление и уплотнение. Во избежание потерь молока применяют только частичную выгрузку осадка при открытии каналов.

Разгрузку сепараторов  осуществляют в один или два этапа. При одноэтапной разгрузке осадок выгружается без перекрытия устройства для подачи исходного продукта. Однако во избежание потерь продукта в период раскрытия сепарирующего устройства выгружается не весь осадок, а лишь его часть. При двухэтапной разгрузке сначала перекрывается устройство для подачи исходного продукта и удаляется жидкость из межтарелочного пространства, а затем уже открываются щели для выгрузки, в результате чего осадок выбрасывается из сепарирующего устройства в приемник под действием центробежной силы.

               Сепаратор - сливкоотделитель

 

Производительность сепаратора П, м³/с,

   (2.36)

где η – КПД  сепаратора (η = 0,5…0,7); n – частота вращения ротора, с־¹,

z - количество тарелок; α - угол наклона образующей конуса тарелки

 

               Сепаратор - сливкоотделитель

 

Производительность сепаратора П, м³/с,

   (2.36)

где η – КПД  сепаратора (η = 0,5…0,7); n – частота вращения ротора, с־¹,

z - количество тарелок; α - угол наклона образующей конуса тарелки

 

 

               Сепаратор - сливкоотделитель

 

Производительность сепаратора П, м³/с,

   (2.36)

где η – КПД  сепаратора (η = 0,5…0,7); n – частота вращения ротора, с־¹,

z - количество тарелок; α - угол наклона образующей конуса тарелки

(α = 45...60° );  Rб – большой радиус тарелки, м; Rм – меньший радиус тарелки;

- плотность дисперсионной среды  (плазмы), кг/м³; - плотность дисперсионной фазы (жира), кг/м³; - динамическая вязкость дисперсионной среды Па·с: d - предельный диаметр жирового шарика, м;

Размер жировых шариков d, мм,

мм     (2.37)

где m - массовая доля жира в обезжиренном молоке (m = 0,01 %).

Давление жидкости, выходящей из сепаратора р, Па,

МПа    (2.38)

где - плотность обезжиренною молока (пахты), кг/м³ ( = 1028,5 кг/м³); 

r_k - внутренний радиус кольца жидкости, м, (r_k = 0,2 м).

Время непрерывной  работы сепаратора между разгрузками τ, ч,

с      (2.39)

где а - объемная концентрация взвешенных частиц в сепарируемом продукте, % .

Критическая частота  вращения вала ω_Кр, т. е. скорость, при которой происходит разрушение вала, с^-1,

       (2.40)

 

где К - сила, вызывающая прогиб вала на 1 м, Н/м, для сепаратора с жестко зацепленным (без амортизатора) верхним радиальным подшипником;

(2.41)

где Е - модуль упругости материала вал к Н/м² (Е =2·10¹¹ Н/м² для сталей);

I - момент инерции сечения вершкального вала, м ,

          (2.42)

 здесь d_в - диаметр.вала, м , d_в = 0,06 м;

;

 

Мощность электродвигателя сепаратора N, работающего в установившемся режиме, кВт,

      (2.43)

где - КПД привода ( = 0,92...0,95); N₁ - мощность, затрачиваемая для сообщения

выбрасываемой из сепаратора жидкости избыточного давления, кВт,

       (2.44)

здесь p - давление жидкости на выходе, Па; p= (2,0...2,5)·10⁵ Па;

- КПД напорного  диска ( ~ 0,3);

N₂ - мощность, необходимая для преодоления сил трения барабана о воздух, кВт,

                 (2.45)

здесь - плотность воздуха, кг/м' ( =1,23 кг/м³);

F - общая площадь поверхности трения барабана, м².

                             (2.46)

здесь - окружная скорость барабана, м/с,

                         (2.47)

где N₃ - мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения в подшипниках, кВт,

       (2.48)

здесь μ - коэффициент трения (μ=0,03 для шарикоподшипников);

 - линейная скорость вращения вала, м/с,

         (2.49)

где - диаметр вала, м.

 

 

4. Обоснование выбора  материалов для изготовления  оборудования.

Для изготовления сепараторов, емкостей, насосов и  др. используются нержавеющие пищевые стали. Трубопроводы изготавливаются из стекла, пищевых пластмасс, пищевой резины. Причем все оборудование подвергается мойке холодной и горячей водой с добавлением щелочи и кислоты. Поэтому в дополнение к сказанному необходимо, чтобы материалы были коррозионно стойкими в этих растворах.

Основные детали сепаратора (корпус, крышка, основание, затяжные кольца-гайки) изготовляют из поковок или штамповок из нержавеющей стали. Затяжные кольца имеют левую резьбу, что исключает возможность их самоотвинчивания при вращении барабана по часовой стрелке. Листы для изготовления тарелок барабана должны иметь маркировку завода — поставщика металла. Торцевые уплотнительные кольца барабана должны быть изготовлены из упругих полимерных материалов, резиновые уплотнения барабана—из пищевой резины только формованием. Все уплотнения барабана (полимерные и резиновые) должны быть стойкими к дезинфицирующим и моющим растворам и обладать следующими свойствами: теплостойкостью не менее 80 °С; нетоксичностью и отсутствием постороннего запаха; стойкостью в 20%-ных растворах азотной кислоты и едкого натра; работоспособностью в условиях давления 20—30 МПа.