Расчет барабанного вакуум-фильтра. 2

         Расчет барабанного вакуум-фильтра

                                                                                                          Лист

                       Содержание  ___________________________2

          Введение  _________________________________________ 2

      1. Состояние  вопроса____.____________________________ _  7

      2. Техническое  описание и расчеты.____ __________________ 17

      2.1. Описание  принципа работы технологической  схемы.____  17

      2.2.Материальный  расчет и конструктивный расчет

 аппарата  установки____________________ _________________18

      2.3. Расчет  и подбор комплектующего оборудования________25

      2.4.Тепловой расчет аппарата__________________________27

      2.5.Гидравлический расчет продуктовой линии

и подбор нагнетательного оборудования________________37

      2.6. Требования охраны труда и техники безопасности______39

            Заключение ______________________________________41

            Список использованных источников__________________41

.                                         Введение 

      Крахмал вырабатывается из многих сельскохозяйственных  культур кукурузы, пшеницы, картофеля и др. Крахмал обеспечивает почти три четверти пищевой энергии, потребляемой человеком. Он также широко используется в фармацевтической, текстильной, целлюлозно-бумажной, химической и других отраслях промышленности. Первоначально предприятия, перерабатывающие картофель и кукурузу, получают сырой крахмал, влажность которого 50 - 52%, сырой крахмал на этих же предприятиях перерабатывают в сухой с влажностью для картофельного 20% и для кукурузного 13% или идет на изготовление крахмалопродуктов – патоки, глюкозы, декстринов и др.Технологические схемы получения сырого картофельного и кукурузного крахмала принципиально отличаются одна от другой, в связи с различающимся химическим составом двух видов сырья. Производство сухого крахмала картофельного или кукурузного принципиальных отличий не имеет.

Производство сырого картофельного  крахмала

Картофельный крахмал  получают из клубней картофеля. Картофель  содержит в среднем (%): сухих веществ – 25; из них крахмала 18,5; азотистых веществ – около 2; клетчатки – 1; минеральных веществ – 0,9; сахаров – 0,8; жира – 0,2; прочие вещества (пентозаны, пектиновые вещества и др.) – 1,6.

Перерабатывают высококрахмалистые сорта картофеля. Так, при повышении крахмалистости только на 1% может быть снижен расход сырья – картофеля на 6%.

После уборки картофеля до переработки  его хранят в буртах при температуре  не ниже 2 ºС и не выше 8 ºС. При температуре около 0 ºС  идет гидролиз крахмала и накопление сахара – этот процесс нежелательный. В настоящее время применяют вентилируемые бурты с активной вентиляцией. По этой технологии потери крахмала в 1,5 раза ниже по сравнению с традиционной технологией. В целях снижения потерь крахмала его хранят в виде полуфабрикатов – картофельную колику или сырой крахмал с использованием консервантов.   Производство сырого крахмала из картофеля включает следующие технологические операции: хранение картофеля; доставка картофеля на завод; отмывание картофеля в моечных машинах; взвешивание картофеля; тонкое измельчение картофеля на терочных машинах – получение кашки; выделение клеточного сока из кашки; отмывание свободного крахмала из кашки; выделение и рафинирование крахмального молока; промывание крахмала.

Доставка картофеля на производство осуществляется с помощью гидравлического  конвейера, при этом удаляются легкие примеси. Скорость вводно-картофельной смеси 0,75 м/с, расход воды 6 – 7м³ на 1 тонну картофеля.

Мойку картофеля проводят в моечных машинах, продолжительность мойки 10 – 14 мин, расход воды 200 – 400% к массе картофеля. Для учета массы перерабатываемого картофеля отмытые клубни взвешивают на автоматических весах.

Тонкое измельчение картофеля  проводят с целью извлечения крахмала из клеток картофельного клубня в  клеточном соке в виде крахмальных  зерен. Чтобы извлечь его, необходимо вскрыть клеточные стенки. Для  этого картофель измельчают на терочных машинах и получают смесь, состоящую  из свободного крахмала, разрушенных  клеточных стенок (мезги), невскрытых клеток картофеля и клеточного сока. Эту смесь называют кашкой картофельной.

Выделение клеточного картофельного  сока из кашки осуществляют на отсадительных шнековых центрифугах. Картофельный сок выделять из кашки необходимо, т.к. он пенится, вызывает коррозию аппаратуры, снижает вязкость крахмального клейстера и белизну крахмала.

В состав сока входят азотистые вещества, безазотистые органические вещества, сахара, минеральные вещества. В числе азотистых веществ сока находится аминокислота тирозин, которая под действием фермента полифенолоксидазы окисляется, образуя темноокрашенные соединения – меланины, которые адсорбируются зернами крахмала. С помощью шнековых осадительных центрифуг отделяют 70% клеточного сока с концентрацией 3,5 – 5%.

В последнее время для выделения  картофельного сока используют систему  гидроциклонов. На гидроциклонную станцию  подается разбавленная тонкоизмельченная  картофельная кашка, которая разделяется на крахмальную суспензию и смесь мезги с картофельным соком.

Разработана многоступенчатая станция  гидроциклонов, на которой выделяют и очищают крахмал, обескрахмаливают смесь мезги и картофельного сока. Картофельный сок направляют на утилизацию, а кашку – на следующую технологическую операцию – вымывание свободного крахмала.

Рафинирование крахмального молока. После выделения из кашки картофельного  сока получают крахмальную суспензию, которая содержит 4 – 8% мелкой мезги, до 1% растворимых веществ. С целью  очистки крахмальной суспензии  ее подвергают рафинированию. Процесс  ведут на ситовых станциях, оборудованных  центробежными, дуговыми ситами, применяют  гидроциклоны. Задача рафинирования  – освобождение крахмала от мезги  и получение крахмального молока необходимой концентрации.

Промывание крахмала проводят с  целью удаления из рафинированной крахмальной  суспензии мелкой мезги, содержание которой составляет до 0,5% в пересчете  на сухие вещества. Процесс проводят на дуговых ситах и микрогидроциклонных установках.

Выход сырого крахмала составляет 15,7% к перерабатываемому сырью.

Сырой крахмал в зависимости  от содержания в нем  влаги подразделяется на две марки: А (влажность 38 – 40%) и Б (влажность 50 – 52%). Крахмал каждой марки делится на три сорта.

            Производство сырого кукурузного крахмала

Для производства крахмала кукурузного  используют зерно кукурузы. Зерно  содержит 70% крахмала к массе сухого зерна, также содержит ценные вещества – белок (10 – 13%) и жир (до 6,5%). Сложность  получения крахмала заключается  в отделении белка, находящегося в плотной природной связи  с крахмалом в эндосперме зерна. Для выделения белка и жира применяют специальные методы и  оборудование. С одной стороны  это усложняет кукурузокрахмальное  производство, с другой – при  переработке зерна получают важные для народного хозяйства дополнительные продукты – белковые корма, кукурузное масло, кукурузные экстракты.

Технологическая схема производства сырого кукурузного крахмала включает следующие операции: замачивание  зерна; дробление зерна; выделение  зародыша; помол кукурузной кашки; ситование суспензий; выделение крахмала из крахмало-белковой суспензии; промывание крахмала.

Замачивание зерна – важнейшая  технологическая операция, от которой  зависит выход конечного продукта. В эндосперме зерна крахмал прочно удерживается кукурузным белком –  глютеном. Целью замачивания является размягчение зерна для ослабления и разрыва связей между белком и крахмалом, эндоспермом и зародышем и осуществление перехода из зерна в воду, используемую для замачивания, водорастворимых веществ. Замачивание ведут в присутствии серной кислоты при температуре 48 – 50 ºС в течение       48 – 50 ч.

В течение замачивания происходят физико-химические и биохимические  процессы. К концу замачивания  ферменты почти полностью инактивируются, при этом не теряют активность термофильные молочнокислые бактерии. Процесс  замачивания зерна ведут в  батарее замочных чанов по методу противотока. После замачивания  зерно набухает. Под действием  молочной кислоты, образующейся в результате молочнокислого брожения, оболочки зерна  становятся проницаемыми, что ускоряет переход водорастворимых веществ  – сахаров, декстринов, аминокислот, части белков, пектиновых веществ  в воду. Крахмал имеет возможность  освободиться. Данная дополнительная операция замачивания сырья проводится только для зерна кукурузы, тогда  как в технологии получения крахмала из картофеля после его измельчения  крахмал уже «свободен» для его  выведения из биологической измельченной массы.

Дробление зерна. Дробление проводят так, чтобы отделить зародыш, не повредив его. Зародыш – ценная составная часть зерна, в нем содержится 35% жира на сухие вещества зерна.

Для полного выделения зародыша и в целом виде дробление ведут  на дисковых дробилках двукратно. При  первом дроблении освобождается 75 – 85% зародыша и 20 – 25% крахмала, при втором – 15 – 20% зародыша и дополнительно  до 20% крахмала.

Зерно на дробление поступает с  температурой 35 – 40 ºС с сопровождающейся жидкостью – крахмальным молоком. После дробления зерно имеет вид крупки – этот полуфабрикат называют кашкой.

Выделение и промывание зародыша. Кашка, полученная после двукратного  дробления, содержит зародыш, оболочки, крахмал, глютен (нерастворимый белок), водорастворимые вещества. Цель данной операции – максимально извлечь зародыш из кашки вместе с суспензией крахмала, затем отделить зародыш от суспензии ситованием и далее промыть на ситах для полного удаления свободного крахмала.

Для выделения зародыша используют гидроциклонные установки. Под действием  центробежной силы кашка разделяется  на жидкую фракцию, содержащую зародыш  и суспензию крахмала, и тяжелую  фракцию, состоящую из частиц зерна, оболочек и частично суспензии крахмала.

Жидкую фракцию с гидроциклонов  направляют на сита отцеживания и  промывания зародыша, для чего используют дуговые сита с Д – 1.

Помол кукурузной кашки. После отделения  зародыша кашка представляет собой  смесь крупных частиц оболочек зерна, которые связаны с эндоспермом, дробленого чистого эндосперма, свободного крахмала и белка. Кашку пропускают через дуговые сита, где отцеживают свободный крахмал, глютен и часть мелкой мезги. Получают проход с сита – крахмальное молоко, его пропускают через капроновые сита № 64 – 70 и направляют на рафинирование.

Сход с сита  - оставшаяся на сите кашка, подвергается тонкому помолу на измельчающих машинах ударного действия.

Кашка после измельчения подается на станцию выделения мезги. Мезга  многократно промывается водой  на ситовых аппаратах для снижения содержания в ней крахмала. Выделяют крупную и мелкую мезгу.

Ситование крахмальной суспензии – крахмального молока проводят на дуговых ситах РЗ-ПРД или СД-1М, оснащенных капроновой ситовой тканью  № 67 – 73. Таким образом, проводится операция рафинирования крахмального молока.

Выделение крахмала из крахмало-белковой суспензии. Рафинированное крахмальное молоко содержит (%): 11 – 14 сухих веществ, в них 88 – 92; 6 – 10 белок (глютен); 0,5 – 1,0 жир; 2,5 – 5 растворимые вещества; 0,1 – мелкая мезга; 0,2 – 0,4 зола.

Глютен находится в крахмальном молоке в виде взвешенных частиц размером 1 – 2 мкм, плотность его ниже плотности крахмальных зерен. На этом свойстве основано их разделение. Операцию разделения крахмала и глютена проводят на центробежных сепараторах.

Промывание крахмала. После  отделения глютена крахмальное молоко еще содержит некоторое количество примесей. Для их удаления молоко промывают на вакуум-фильтрах.

Промытый крахмал содержит (% на сухие вещества): чистого крахмала 98,4 – 98,7%, примесей (белок, жир и др.) 1,3 – 1,6%.

Выход сырого крахмала 60 – 67% от массы  сухого сырья. Влажность сырого крахмала 42 – 48%.

Крахмал направляют на производство сухого крахмала и крахмалопродуктов.

                           Производство сухого крахмала

Сухой крахмал – это  «готовая» продукция крахмальных  заводов. Сухой крахмал хорошо хранится и транспортируется не изменяя своих свойств. Равновесная влага сухого картофельного крахмала 20%, кукурузного – 13%.

Содержание влаги в сыром  крахмале 40 – 55%, из них на долю свободной  влаги приходится 12 – 15%, сорбционно связанной – 35 – 38%. Тепловая обработка крахмала при повышенной исходной его влажности может привести к изменениям его свойств: растрескиванию крахмальных зерен, частичной клейстеризации, утере блеска. Поэтому сушку крахмала ведут в условиях, не допускающих его перегрева.

Схема производства сухого крахмала состоит из следующих операций: подготовка суспензии крахмала к механическому  удалению избыточной влаги; механическое обезвоживание крахмала; высушивание  и обработка сухого крахмала (дробление, прессование и упаковка). Очищенный  на ситах сырой крахмал в виде крахмальной суспензии концентрацией 36 – 38% направляют для получения  сухого продукта. Механическое обезвоживание проводят в осушающих центрифугах типа ФГН (фильтрующие горизонтальные, непрерывнодействующие) или в вакуум-фильтрах до содержания влаги первоначально в кукурузном крахмале 34 – 36%, в картофельном – 37 – 38%.

Для сушки крахмала до требующей  влажности используют в качестве теплоносителя подогретый воздух. Наибольшее распространение получили пневматические сушильные установки ПС-15, в которых  обеспечивается хороший контакт  крахмала с теплоносителем.

Из сушилки крахмал с температурой до 55 – 60 ºС подается в бункер – охладитель, затем в центробежный бурат для разрушения комочков крахмала. Далее крахмал просеивается в призматическом бурате и поступает на упаковывание. Крахмал гигроскопичен, поэтому при хранении поддерживается относительная влажность воздуха не ниже 90% и температура не более 10 ºС.

Выделение крахмала из пшеницы

     Пшеница – широкоизвестный источниккрахмала во всем мире благодаря ее

доступности в умеренном  климате и содержанию значительной фракции протеина, называемой «жизненноважным» глютеном.Для выделения крахмала пшеницу сначала измельчают с целью получения пшеничной муки. Она смешивается с водой до образования густой массы, которая затем подвергается кратковременному процессу созревания.Затем к смеси добавляется вода до

состояния жидкого теста, которое разделяется на отдельные  фракции с помощью

трехфазной декантерной центрифуги В этом процессе первой и самой тяжелой

фракцией является крахмал  качества А.Вторая фракция – это крахмал В и глютен. Третья фракция состоит из растворимых компонент, некоторого количества

очень мелких частиц (мезга), крахмала(крахмал С) и пентозанов.После удаления волокон с использованием сит крахмал А концентрируется сопловыми центрифугами и на конечном этапе промывается в гидроциклонах с использованием свежей воды.

Смесь крахмала В и глютена сначала разделяется с использованием сит. Затем

глютен промывается в барабане и сушится. После сушки глютен измельчается.

Этот так называемый жизнеспособный глютен используется в пищу и в качестве

обычной пищевой добавки  – например,добавки в тесто при выпечке хлеба.

Крахмал В концентрируется с использованием сопловых центрифуг. Крахмал

В смешивается с крахмалом А для преобразования в глюкозу. Этот крахмал В

также может быть обезвожен  в декантерной центрифуге и затем высушен и продан как вторичный крахмал Легкая фаза из трехфазной декантерной центрифуги, которая содержит фракцию пентозана, присутствующую в пшеничной

муке, затем обрабатывается энзимами и концентрируется с помощью выпарной

станции.

Другие источники крахмала

       Рис является одним из наиболее доступных, но мало используемых сырьевых

продуктов для получения  крахмала.Этосвязано с тем, что выделение крахмала

из риса осложнено небольшими размерами крахмальных зерен.

       Ячмень и овес произрастают в северном полушарии и являются важными диетическими продуктами, необходимыми для питания человека. Процесс выделениякрахмала из ячменя и овса схож с получением крахмала из пшеницы

1. Состояние вопроса

1.1 Теоретические основы процесса фильтрования

Фильтрование – это разделение неоднородной системы с твердой  дисперсной фазой, основанное на задержании твердых частиц пористыми перегородками.

Фильтрование осуществляется под  действием разности давлений перед фильтрующей перегородки и после нее. Интенсивность фильтрования зависит от количества суспензий, полученных на предыдущих стадиях технологического процесса: дисперсной системы с понижением сопротивления осадка, без смолистых, слизистых и коллоидных веществ.

При разделении неоднородных систем фильтрования возникает необходимость  выбора конструкции фильтра, фильтровальной перегородки, режима фильтрования.

В качестве фильтрующих материалов применяют зернистые материалы  – песок, гравий для фильтрования воды, различные ткани, картон, сетки, пористые полимерные материалы, керамику и т.д.

Классификация процесса фильтрования

1) По движущей силе: движущей  силой процесса фильтрования  является разность давлений по  обе стороны фильтровальной бумаги. Получить разность можно двумя  способами:

– создание избыточного давления над фильтром (рис. 1.1, а)

– создание вакуума (рис. 1.1, б)

2. По механизму фильтрования:

– с образованием осадка на поверхности фильтровальной перегородки. При этом твердые частицы не проникают внутрь перегородки.

– с закупориванием пор фильтровальной перегородки, твердые частицы проникают внутрь перегородки.

3) По целенаправленности процесса:

– получение чистого осадка;

– получение фильтрата;

– получение одновременно осадка и фильтрата;

4) По целевому назначению:

– очистное фильтрование, его применяют для очистки растворов от включений, а целевым продуктом является фильтрат.

– продуктовое фильтрование, его целью является получение осадка (НУТЧ-фильтры, барабанные вакуум фильтры).

Рисунок 1.1

 Схема фильтрования: а – под  избыточным давлением; б – под вакуумом

Процесс разделения суспензий на фильтрах состоит из нескольких операций: промывка осадка на фильтре, при этом с помощью  фильтра, фильтрат выделяется из пор  осадка; продувка осадка воздухом с  целью вытеснения из пор оставшейся промывной жидкости; сушка осадка нагретым воздухом.

Фильтрование обычно протекает  в ламинарном режиме. Скорость фильтрования – это объем фильтрата полученный с 1м² фильтрующей поверхности за 1с:

ω= , [м³/м²×с].

Скорость процесса прямо пропорциональна  разности давлений и обратно пропорциональна  сопротивлению осадка. Процесс описывается  следующим кинетическим уравнением:

, (*)

где V – объем фильтрата, м³; F – площадь поверхности фильтрования, м²; t-продолжительность фильтрования, с; – перепад давлений, Н/м²; – вязкость жидкой фазы, Н×с/м²; R_ос – сопротивление осадка, м^-1; - сопротивление фильтровальной перегородки, м^-1.

Если предположить, что в фильтровальную перегородку не проникают твердые  частицы, то сопротивление  можно принять постоянным, а сопротивление осадка изменяется с увеличением слоя осадка.

Примем, что при прохождении 1 м³ фильтрата, образуется х₀ м³ осадка, тогда:

х₀V=h₀F, h₀= х₀V/F,

где h₀-высота осадка, м.

Допустим, что сопротивление слоя осадка пропорционально его высоте:

R_oc r₀h₀=r₀x₀V/F,

где r₀ – удельное сопротивление осадка, м^2.

Подставив, полученное выражение в  уравнение (*):

Пренебрегая, сопротивлением фильтровальной перегородки получим:

Для начального момента фильтрования (V=0): =

Для случая фильтрования при имеем:

Полученное уравнение применимо  как к сжимаемым, так и к  несжимаемым осадкам и показывает, что увеличением объема фильтрата  скорость фильтрования уменьшается.

Из этого уравнения можно  найти продолжительность фильтрования:

Таким образом, продолжительность  фильтрования прямо пропорциональна  квадрату объема полученного фильтрата.

Удельная производительность фильтрата  в (м³/м²):

V_f= -

1.2 Оборудование: фильтровальные аппараты

       Классификация фильтровальных аппаратов приведена на рисунке1.2.

В фильтрах периодического действия фильтрующая перегородка неподвижна, а в фильтрах непрерывного действия она перемещается, проходя через зону очистки, в которой регенерируется. Оба эти класса разделяются на фильтры, работающие под давлением или под вакуумом. В классе фильтров периодического действия выделяют отдельно группы фильтров, работающих под давлением столба жидкости над фильтрующей поверхностью или создаваемым насосом. Вакуумные фильтры называют также нутч-фильтрами.

Рисунок 1.2. Классификация фильтровальных аппаратов

Схема песочного фильтровального  аппарата как аппарата подгруппы  фильтров с зернистым слоем представлена на рисунке 1.3 Такие фильтры применяют при относительно малом содержании твердой фазы в жидкости. Они работают и как шламовые, и как закупорочные. Такие фильтры очищают воду на ликероводочных заводах. На нижний диск фильтра, покрытый тканью, насыпают слой мелкого песка, далее через слой ткани слой крупного песка и затем на верхний диск укладывают слой ткани. Суспензия подводится сверху под давлением 0,02…0,03 МПа, фильтрат отводится снизу. На верхней крышке аппарата предусмотрен кран для отвода воздуха. В начальный период фильтрования фильтрат получается мутным, и лишь по истечении периода обдержки», составляющего 15…30 мин, он осветляется. Это объясняется тем, что в начальный период работы на поверхности песочного фильтра еще не отложился достаточно толстый слой шлама, и он работает как аппарат закупорочного фильтрования. При этом через него проходит часть частиц дисперсной фазы суспензии, имеющих малые размеры. По мере накопления шлама, фильтрование переходит в шламовое и проходившие ранее через фильтр частицы задерживаются шламом. В результате фильтрат осветляется. Скорость фильтрования 250…750 дм3/(м2*ч). Когда она существенно падает, аппарат перезаряжается.

Рисунок 1.3 Схема песочного фильтра

. Рисунок 1.4 Схема фильтрационного чана: 1-фильтрующая ткань, 2 – мешалка, 3 – корпус, 4 – решетка.

В фильтрационном чане (рис.1.4.) установлена сетка с тенью, на которой накапливайся слой осадка. Верхняя часть осадка периодически перемешивается мешалкой. При необходимости осадок удаляют через насадок большого поперечного сечения. Для интенсификации фильтрования можно повысить давление над осадком. Перепад давлений на фильтре удается увеличить также созданием вакуума полости под фильтрующим слоем (нутч-фильтры).

Для работы при избыточном давлении 0,3…0,4МПа применяют фильтр-прессы. Они представляют собой набор рам (элементов), на которые натянута или между которыми уложена фильтрующая ткань (пластины). Фильтрат проходит через фильтрующие слои и удаляется через бороздки на рамных элементах, собирающиеся в отводящий канал. Подводящий коллектор распределяет фильтруемую жидкость в пространстве между рамными элементами. Рамные элементы фильтров собирают в батареи по 10…60 шт., уплотняемые по торцевым поверхностям с помощью винтового пресса или другого зажимного устройства. После достаточно полной закупорки пор, происходящей обычно в течение 60…300 мин, фильтрующие элементы периодически удаляют вместе с осадком и заменяют.

Трудоемкость обслуживания фильтр-прессов можно уменьшить. Это достигается использованием механизированного зажима плит. Такие автоматические камерные прессы применяют лов фильтрования тонкодисперсных суспензий.

Автоматический камерный фильтр-пресс (рисунок 1.5, а) состоит из горизонтально расположенных одна над другой фильтрующих плит 2, расстояние между которыми составляет 23. «30 мм.

С обеих сторон плит установлены  направляющие. Между патами через  ролики протянута бесконечная лента  фильтрующей ткани 3, натяжение которой  осуществляется натяжным устройством. Для образования отдельных камер  в пазах рам установлены резиновые  шланги 1. Уплотнение в камерах осуществляется при подаче жидкости в шланги под  давлением 0,8… 1,0 МПа (рис. 2.4 б).

Рисунок 1.5  Автоматический камерный фильтр-пресс:

а-схема фильтра: 1-шланг резиновый уплотняющий; 2 – опорная щелевидная плита; 3 – фильтрующая ткань; 4 – нож для съема осадка; 5 – нож подчистки; 6 – камера регенерации; 7 – поддон; 8 – камера для чистого фильтрата; 9 – камера для суспензии; б-уплотняющие шланги:

1 – опорная плита; 2 – шланг; 3 – ткань; 4 – опорная щелевидная  плита.