автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процессов разделения дисперсных жидкостных систем биологического происхождения с целью создания высокоэффективных типов сепараторов

На правах рукописи

КАРАМЗИН АНАТОЛИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕСОВ РАЗДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТИПОВ СЕПАРАТОРОВ

Специальности: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств 05.02.13 — Машины, агрегаты и процессы (пищевая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва - 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский Государственный Университет Пищевых Производств» на кафедре ТОПХ при поддержке ФГУП НИИ «Мир-Продмаш» и ГНУ ВНИМИ.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Глебов Леонид Александрович

Научный консультант: доктор технических наук, профессор -

Семенов Евгений Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Жуков Валерий Григорьевич

кандидат технических наук, профессор Зайчик ЦалериЙ Рувимович

Ведущая организации: Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский институт консервной и овощесушильней промышленности

Защита состоится: _декабря 2006 года в 10 часов на заседании

Диссертационного совета Д 212.148.05 при ГОУВПО «Московский Государственный Университет Пищевых Производств» по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д.11, МГУПП, корпус А, ауд_.

Приглашаем Вас принять участие в заседании диссертационного совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью организации, по выше указанному адресу на имя ученого секретаря совета Д 212.148.05 Максимова Алексея Сергеевича.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГУПП.

Автореферат разослан «_» ноября 2006 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.148.05 у кандидат технических наук Максимов A.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В последние годы в пищевой промышленности появилась необходимость создания новых типов сепараторов для различных отраслей промышленности (молочная, микробиологическая, спиртовая и др.), обладающих более высокими характеристиками разделяющей способности по сравнению с выпускаемыми моделями.

Наметившаяся тенденция, связанная с вступлением России в ВТО, предъявила более высокие требования к качеству выпускаемой продукции. В частности новые стандарты по молоку требуют очень высокого уровня очистки молока от микрофлоры.

Это вызвало необходимость разработки новых конструкций и организации производства, впервые в отечественной практике, параметрического ряда сепараторов-бактофуг.

Новые требования экологии^ и охраны окружающей среды вызвали необходимость создания сепараторов с высокой разделяющей способностью для глубокой очистки фильтрата послеспиртовой барды на спиртовых заводах и сокращения вредных сбросов в окружающую среду.

Это, в свою очередь, привело к необходимости более глубокого изучения механических процессов, протекающих в этих сепараторах.

Работа выполнялась в рамках планов работ ФГУП НИИ «Мир-Продмаш» 2003-2005 гг.

Цель работы

Научное обоснование и разработка оптимальных конструктивных параметров жидкостных сепараторов, обеспечивающих заданные интегрированные характеристики разделения гетерогенных жидкостных систем в молочной и спиртовой промышленности.

Задачи исследования

К Провести аналитические исследования по моделированию кинетики межтарелочных потоков для расчета эффективности процесса разделения гетерогенных жидкостных систем в стесненных условиях осаждения и обоснования оптимальных конструктивных параметров сепаратора, для заданного технологического режима, с целью создания прогрессивных конструкций машин и модернизации существующих моделей сепараторов.

2. Разработать математическую модель кинетики движения жидкости, с учетом стесненных условий осаждения, в межтарелочном пространстве барабана сепаратора, для исследования влияния конструктивного оформления м^жтар елочного пространства барабана сепаратора на эффективность разделения гетерогенных жидкостных систем.

3. Провести анализ гетерогенных жидкостных систем биологического происхождения и выявить факторы, влияющие на эффективность разделения исследуемых жидкостей в барабане сепаратора с целью оптимизации режимов их разделения.

4. Создать экспериментальные стенды для проведения исследований процессов сепарирования гетерогенных жидкостных систем, в том числе по бактофугальной очистке молока и осветлению фильтрата послеспиртовой барды.

5. Разработать исходные требования и технические задания на создание параметрического ряда сепараторов для бактофугальной очистки молока производительностью 1000, 3000, 5000, 10000 л/ч и модернизации конструкции сепаратора для осветления фильтрата послеспиртовой барды.

6. Осуществить авторский надзор за разработкой конструкторской документации и изготовлением опытно-промышленных образцов сепараторов-бактофуг и сепаратора для осветления фильтрата послеспиртовой барды на Плавском заводе «Смычка» и Махачкалинском заводе «Сепаратор».

Объект исследования

Процессы разделения гетерогенных жидкостных систем биологического происхождения в центробежных жидкостных сепараторах типа разделителей с питающими каналами.

Методы исследования

В работе использовали аналитические методы решения задач механики сплошной среды для вращающихся потоков жидкости и кинетики частиц, движущихся в этих потоках. Экспериментальные исследования проводили на модернизированных промышленных образцах сепараторов. Обработку результатов вели с использованием современного программного обеспечения на компьютере Pentium 4.

Научная новизна работы заключается в следующем

На основе модели сплошной среды и на базе кинетических зависимостей движения частиц дисперсной фазы в асимметричных межтарелочных потоках (сепараторы с питающими каналами) проведено аналитическое и численное моделирование процессов седиментации дисперсной фазы биологического происхождения в пакете тарелок жидкостного сепаратора.

На основе данных гранулометрического состава твердой фазы суспензии и аналитических зависимостей процесса сепарирования частиц критического диаметра, при их движении в межтарелочных потоках, получены расчетные формулы значений коэффициентов осветления и уноса для асимметричных межтарелонных потоков.

В проведении экспериментальных исследований, с целью проверки адекватности разработанной математической модели процесса сепарирования, с результатами обработки экспериментальных данных методами статистического анализа и учета концентрации твердой фазы, при количественном анализе процессов седиментации в жидкостях биологического происхождения.

В создании инженерных методов расчета новых типов сепараторов с высокой разделяющей способностью, создаваемых на базе барабанов с питающими каналами.

Практическую ценность работы представляют

Разработка методов для расчета основных конструктивных параметров сспараторов-бактофуг с высокой разделяющей способностью для бактофугирования и осветления пищевых жидкостей. Программа официально зарегистрирована и хранится в архивном фонде ФГУП НИИ «Мир-Продмаш».

Разработка технических заданий и конструкторской документации на: опытно-промышленные образцы: *

• сепаратора-бактофуги для молока производительностью 500 л/ч

- сепаратора-бактофуги для молока производительностью 1000, 3000, 5000» 10000 л/ч

- сепаратора-осветлителя для осветления фильтрата послеспиртовой барды производительностью 8000 л/ч

- новые конструкции сепараторов защищены патентом РФ Кз 51532 от 14.03.2005 г.

Апробация работы

Отчет «Агромаш» по теме «Расчет потоков в межтарелочном пространстве сепаратора-бактофуги, разработка эскизов базовых узлов сепаратора» по Договору №02-05 от 06 сентября 2005 г (исполнитель работ — Карамзин А.В.).

Протокол заседания научно-технического совета при ФГУП НИИ «Мир-Продмаш» №6 от 25.08.2005. (см. Приложение V).

Доклад на круглом столе «Культура питания», в рамках Международной специализированной выставки «Индустрия детского и школьного питания», по теме «Бактофугальная очистка молока для производства высококачественных продуктов детского питания» 12-14 апреля 2006 г.

На защиту выносятся

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов разделения гетерогенных жидкостных систем в центробежных жидкостных сепараторах с асимметричными межтарелочными потоками.

2. Методы экспериментального определения влияния основных конструктивных параметров на гидродинамику межтарелочных потоков и процесс седиментации твердой фазы суспензии в барабане сепаратора.

3. Методика расчета оптимальных конструктивных параметров сепараторов осветлителей с высокой разделяющей способностью для молочной, спиртовой и других отраслей промышленности.

4. Новые конструкторские решения при создании сепараторов бактофуг для молочной промышленности и сепараторов осветлителей для обработки фильтрата послеспиртовой барды.

Публикации

По результатам исследований опубликовано 5 работ, в том числе 1 монография, 5 статей в научных журналах.

Патент РФ № 51532 от 14.03.2005 г. и 2 научных отчета.

Внедрение

На Плавский машиностроительный завод переданы техническое задание и конструкторская документация на сепаратор-бактофугу Ж5-ОСЦП-1(М) производительностью 500 л/ч и 1000 л/ч, а также на сепараторы-бактофуги производительностью 3000, 5000 и 10000 л/ч.

На Махачкалинский завод «Сепаратор» переданы техническое задание и конструкторская документация на сепаратор-бактофугу 1000 л/ч и 5000 л/ч и сепаратор для осветления фугата послеспиртовой барды производительностью до 8000 л/ч.

Объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 181 страницу, в том числе: 35 рисунков и фотографий, 103 наименования списка литературы (из них иностранной 5), приложений 20 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, дана характеристика работы, определены основные направления реализации цели, показана новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе приведен анализ научных исследований в области сепарирования, развитие и современное состояние проблем возникающих в данной области.

Центрифугу для обработки гетерогенных жидкостных систем в 1836 г, впервые создал Пензольдт, позднее, во Франции в виноделии начали эксплуатироваться непрерывно действующие центрифуги. Дальнейшее совершенствование данного вида оборудования получило благодаря изобретению Густава Лаваля, создавшего в 1878 г. первую центрифугу (сепаратор) с частотой вращения ротора 6000 об/мин.

Развитие теоретических методов исследования динамики потоков жидкости и кинетики взвеси в отстойниках разного типа, основанное на фундаментальных законах физики, получило в большом количестве работ отечественных ученых, среди которых следует отметить работы Г. И. Бремера, Е. М. Гольдина, В. А. Карпычева, Г. А. Кука, Н. Н. Липатова, И. В. Лысковцова, П. Г. Романкова, Е. В. Семенова, В.И, Соколова, В. Д. Суркова и целого ряда других ученых. Среди зарубежных исследований, прежде всего, нужно выделить работы Шмитца, Л. Матча и В. Раиса, М. Брейтера и К. Польгаузена, И. Пьюба и Ф. Крейта, М. Келлера и др.

Наиболее полный технологический расчет сепараторов был проведен Г. И. Бремером, который впервые в 1928 г. установил

аналитические зависимости производительности сепаратора от размера наименьших частиц, выделяющихся при центробежном разделении.

В дальнейшем проф. Е.М. Гольдиным были получены дифференциальные уравнения динамики моногенной ньютоновской жидкости в предложенной им специфической для межтарелочной полости биконической системе координат (термин, введенный проф. В.А. Карпычевым). Результаты количественного анализа данных уравнений, полученные различными учеными (Е.М. Гольдин, В.А. Карамзин, Е.В. Семенов и др.), были позднее эффективно использованы данными авторами при исследовании кинетики частиц в межтарелочных потоках сепарирующих машин различного назначения. Причем, полученные результаты проведенного анализа движения частиц в межтарелочном потоке согласовывались с опытными данными Ю.П. Золотина, H.H. Липатова и др.

Теоретический и экспериментальный анализ потоков жидкости в роторах базируется, в основном, на фундаментальных исследованиях в области механики сплошной среды и прикладной математике.

С помощью методов теории аналитических функций Е. М. Гольдиным и его учениками в работах был развит общий подход к постановке и решению задач о движении вязкой несжимаемой жидкости в рабочем объёме барабана сепаратора.

Сравнительный анализ способов разделения различающихся по плотности фаз ГЖСБП показывает, что в современных условиях поточного производства наиболее прогрессивным и высокопроизводительным способом разделения смесей является центробежный. В промышленности используют жидкостные сепараторы, например, для осветления пива (марок ВСП, А1-ВПО), осветления сусла (марки ВСМ), для отделения белкового осадка из сусла (марки ВСС). Эксплуатируются сепараторы многих марок для разделения и очистки молока (А1-ОЦМ-5, А1-ОЦМ-Ю, Ж5-ОМЕ-С, А1-ОЦМ-25, Ж5-ОСН-С и др).

Сепараторы всех типов включают привод, барабан, прнемно-отводящее устройство и приемник осадка (рис. 1).

В данной работе, проблема анализа совершенствования процессов центрифугального осветления жидкостей биологического происхождения исследуется в основном на примере молока и послеспиртовой барды.

Показано, что дальнейшее развитие исследований целесообразно проводить с целью учета влияния стесненного осаждения и расположения питающих каналов, в барабане сепаратора, на эффективность процесса сепарирования.

Поскольку обрабатываемые мало кон центрированные суспензии обладают свойствами вязкой жидкости, в качестве приближенной модели внутрироторных потоков суспензии обычно принимают (достаточно условно) модель ньютоновской (вязкой несжимаемой) жидкости. Поэтому в качестве исходных кинетических уравнений динамики жидкости выбирают систему уравнений Навье—Стокса.

Рис, 1, Сепаратор-молокоочиститель (разрез общего вида):

1 — станина. 2 - указатель масла. 3 — вертикальный вал, 4 — винтовое зубчатое колесо. 5 — тахометр, 6 — чаша. 7 — гидроузел, 8 — приемник осадка, 9 — барабан, 10 — крышка. 11 — коммуникации. 12 — циклон

На основе проведенного анализа обоснован выбор объекта исследования, сформулированы задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке методики расчета эффективности процессов естественного отстоя и центробежного разделения дисперсных жидкостных систем обычно формулируют как задачу количественного моделирования явления массопереноса твердой и жидкой фаз суспензии. При этом в простейшем случае предполагают, что исследуемый процесс является изотермическим, плотность и вязкость среды не зависят от концентрации, и, следовательно, распределение концентрации твердого не оказывает влияния на обтекание частицы потоком жидкости. Кроме того, при анализе поведения таких высокодисперсных суспензий как

8

промывные воды, пивное сусло, молоко, вино, фруктовый сок и другое, исходят из модели движения изолированной твердой сферической частицы (дрожжевые клетки, бактерии, жировые шарики и белковые частицы молока, эритроциты крови и др>)* Что создает предпосылки условно анализировать "внутреннюю" и "внешнюю" задачи

гидродинамики независимо друг от друга. В соответствии с этим сначала определяют поле скоростей и давление невозмущенного потока ("внутренняя" задача гидродинамики), а затем движение' собственно изолированной твердой частицы в потоке ("внешняя" задача гидродинамики), где силу межфазового взаимодействия

"жидкость+твердое" учитывают с помощью формулы Стокса.

При исследовании процесса естественного отстоя взвеси в суспензиях типа сусло, вино, молоко и др., как явления массопереноса, развивающегося в поле силы тяжести, скорость осаждения частицы может быть рассчитана исходя из принципа Даламбера, выражающего условие равновесия приложенных к частице сил и силы инерции. На частицу, движущуюся со скоростью V в покоящейся жидкости (например, при естественном отстое взвеси в сусле, белковой частицы в емкости с молоком) гипотетически действуют: вес Р = V - л53/6» где р1 — плотность

частицы, 5 - диаметр частицы, g - ускорение свободного падения; сила давления (Архимеда) РАр = рУ§, где р — плотность жидкости; сила сопротивления среды Рс.

н - РАР р т V

л

Рис. 2 Схема к расчету скорости осаждения сферической частицы в

жидкости

Если к перечисленным силам добавить: даламберову силу инерции Рд = - пкМсЦ, где ш = тт + шп, шт ~ р(У - масса частицы,

т„ — рУ/2 - присоединенная масса, <1у/ск - вектор ускорения частицы, то согласно принципу Даламбера получим (рис. 2):

Р + РАр +Рс+ Рд = 0. (1)

Принимая во внимание, что осаждение частицы в жидкостном объеме практически протекает при установившемся режиме, силой инерции Рд в уравнении (I) можно пренебречь по сравнению с остальными членами этого уравнения. В результате чего вместо (1) приближенно будем иметь:

Р + РАр+Рс=0. (2)

Поскольку осаждение тонкой взвеси в покоящемся объеме жидкости развивается при сравнительно малых значениях скорости частиц (число Рейнольдса не превышает единицу), то силу сопротивления рассчитывают по формуле Стокса:

Рс = -ЗтгцЗУ, (3)

где ц - ру, V - кинематическая вязкость жидкости.

Проецируя на ось х, выбранную по вектору % ускорения свободного падения» уравнение (2), с учетом (3) будем иметь (рис.2):

3*Ц5У - (и53/6)Д-н - 0, (4)

где Д = р! - р > 0.

Из уравнения (4) находим скорость седиментации частицы при естественном отстое, т. е. скорость осаждения взвеси в целом в поле силы тяжести:

V = Д^-32/(18ц). (5)

Формула (5) является основополагающей в теории седиментации тонких взвесей.

Внутренняя, задача гидродинамики потока в межтарелочном пространстве сепаратора

Основной рабочий объем сепаратора представляет собой ярус (включающей до сотни и более единиц) усеченных конусов (тарелок).

Для расчета поля скоростей и давления потока в отдельно взятом межтарелочном пространстве сепаратора в качестве исходных принимаем векторное уравнение Навье-Стокса, отнесенное к подвижным, вращающимся вместе с ротором, осям координат

ди/дг + (иУ)и = - 0га<1Р + 2ш х и + уДи (б)

где

Р ~ Р - Рж ш2(тпа - 2соза)2/2 (7)

-динамическое давление а - полуугол конусности ротора,

и - вектор относительной скорости жидкости,

ф - угловая скорость ротора,

рж - плотность жидкости,

V - кинематическая вязкость,

V и А - операторы Гамильтона и Лапласа, а также уравнение неразрывности

(1т1= 0. (8)

В качестве системы отсчета, в которой проводится исследование поставленной задачи, выбираем предложенную Е.М. Гольдиным биконическую систему координат Ог8г (рис. 3), жестко связанную с ротором. В данной системе отсчета исследуемое течение можно рассматривать как ограниченное двумя усеченными конусами г = 0 и г = Ь, где Ь - расстояние между конусами (межтарелочный зазор).

Рис. 3 Биконическая система координат Уравнение сохранения массы (8) при осесимметричном режиме: диМ + Эи ¿дг + иД = 0 (9)

В таком случае, с учетом принятых допущений условия прилипания жидкости к стенке канала и постоянства расхода жидкости через стенку, будем иметь граничные условия:

иг = 0, иа — 0, иг =0, при ъ =0, 2 =Ь, (10)

где иг, ц3) их - радиальная, окружная и поперечная составляющие скорости потока.

Согласно (6) уравнения относительного тонкослойного (ъ « г) движения вязкой несжимаемой жидкости в проекциях на оси биконической системы координат при установившемся осесимметричном режиме течения приближенно имеют вид:

игдиУЭг + мгдиг!дг - и»2/г = -(дР/дг)/р + 2шиа5ша + у^и/Эг2, (11)

итд\1$/дг + и^ди^/Эх + и,иэ/г = -2шигзта 4- уЗ и ъ1дг2, (12)

игдху^дт + ИгдиЛдг + (ид2^а)/г = -(д?/дг)/р - 2шиас1§а + vд2ut/дz2 (13)

Сравнительный анализ (по порядку величин) слагаемых в уравнениях при слоистом режиме течения (и2 » 0) приводит к дополнительному упрощению уравнений

ч&ъ^дх2 = (ЭР/Эг)/р, (14)

(ЭР/Эг) = 0, (15)

д(гиг)/5г = 0. (16)

Из (15) и (16) следует, что

Р = Р(г),иг - К2)/г, (17)

где Дг) — функция, подлежащая определению.

На основе (14), (16), (17) делаем заключение, что

Г'(г) = г(5Р/Зг)/ц . (18)

Так как обрабатываемые в сепараторе суспензии высокодисперсны, то характер движения частиц в плане тарелки примерно такой же, как и у жидкости. Иначе говоря, частицы в плоскости (г, <р) движутся как взвешенные, т.е. принимают V, » иг, » иф. Отсюда следует, что

траектории частиц и жидкости приближенно совпадают и используются для расчёта кинетики частиц в межтарелочном пространство сепаратора и, кроме того, для построения так называемой характеристической функции при анализе кинематических характеристик асимметричного режима течения жидкости в том же рабочем объёме.

Асимметричный режим течения жидкости

На базе линейной теории течений жидкости в узком зазоре между двумя соосными вращающимися с одинаковыми угловыми скоростями конусами создаются предпосылки для теоретического и численного анализа межтарелочных потоков по решениям задач, полученным в замкнутой форме. При этом поток между тарелками описывают аналитической функцией комплексного переменного, вид которой связан с конкретной конструкцией сепаратора, в том числе, и для случая сепаратора с питающими отверстиями, сепаратора с шипиками и направляющими планками и др.

С этой целью для анализа кинематики асимметричного потока жидкости в межтарелочном пространстве сепаратора вводят плоскость комплексного переменного <р) = Яехр(1ф), \ = - проекцию

конического объёма, моделирующего межтарелочный поток, на плоскость, перпендикулярную оси вращения ротора. Причём, фундаментальную роль при исследование потоков данного типа играет так называемая характеристическая функция W(z), связанная с продольной уг = ур и окружной - составляющими скорости потока (рис. 4) соотношением W(z) = г(у9 + ¡уг)5та/К, (19)

где К(х, X) = М(х, К) + ¡К(х, X),

М(х,Х)= 1 + со$Х(к—х) — ¿(-^е-"созЦк+х); (20)

к-1 к=1

Жх, X) = 1 + ^¿(-1)ке-к15пА(к-х)- е^]Г(-1)ке-ьНтХ(к+х); (21)

к-1 к=1

где - х - поперечная координата,

А, = h(cösina/v)IÜ - параметр Гольдина Е.М., h - расстояние между тарелками, со - угловая скорость ротора, V - кинематическая вязкость жидкости.

В пренебрежении поперечной vx составляющей скорости течения, малой в условиях узости расстояния между тарелками, в качестве продольной и окружной составляющих скорости потока между тарелками принимают

vr = N(x, ВДг№(Х)], v9 = М(х, Щг№(*)],

где N(x, Я,), М(х, X) вычисляются по (20), (21).

Для теоретического анализа потоков между тарелками ряд учёных (Е. М. Гольдин, В.А.Карамзин, Е.В.Семёнов и др.) использовали также и такие методы как численного интегрирования, методы итераций и малого параметра.

Сепараторы с подводящими и выходными каналами различных типов широко используются, в частности, в молочной промышленности.

Внешняя задана гидродинамики потока в межтарелочном

пространстве сепаратора

При решении внешней задачи гидродинамики межтарелочного пространства, а именно, проблемы расчета силового воздействия потока жидкости на частицу, будем полагать, что действующие на частицу силовые факторы выбираются такими же, какими они были бы при решении внутренней задачи гидродинамики однородной жидкости в том месте, где находится частица. Решая внешнюю задачу гидродинамики, учитывают, что на изолированную частицу, введенную каким-либо образом в невозмущенный поток, и движущуюся со скоростью v, со стороны окружающей жидкости гипотетически действуют (рис. 4): сила давления (Архимеда), вытекающая из уравнения Эйлера динамики жидкости во вращающейся системе отсчета: РАр = [-<o2r + 2(<d х u)]pÄV, г - радиус-вектор точки, v(vr, Ve, v«), u(ur, ue, uz,) - соответственно, векторы скорости частицы и потока, V = я63/б - объем частицы; вес Р; сила сопротивления среды Рс; подъемная сила Жуковского Рж = kjpoV[(v -и) х го tu], где k] < 1 - безразмерный коэффициент, учитывающий поправки на те допущения, которые связаны с распространением теоремы Жуковского (справедливые для случая плоскопараллельного обтекания бесконечного цилиндра) на случай пространственного обтекания частицы произвольной формы.

Добавим, в относительном движении, к перечисленным силам:

-даламберову силу инерции

Рд = - mdv/dt, (22)

где m = шт + m„, тТ = pTV - масса частицы, тп = ржУ/2 - присоединенная масса частицы [10];

CO

Рк

Рис. 4. Схема сил, действующих на сферическую частицу и сил инерции в межтарелочном пространстве барабана сепаратора

где

- переносную силу инерции, рассчитываемую по зависимости Pn.p - gradO>, (23)

Ф рт ö)2(rsina - zcosa)2/2, и поэтому

Pnep = {pTe>2rsin2a, 0, -pTö>2rsmacosa}; - поворотную силу инерции Рк - -2pTV(o» х v).

Тогда согласно принципу Даламбера получим Рар +Рс + Рж + Р +Рд + Рпер +Рк = 0.

(24)

(25)

(26) гетерогенных при высоких

Д ■ Рт - Рж

Принимая во внимание, что центробежное разделение жидкостных систем в роторах сепараторов протекает угловых скоростях, в условиях, когда разность плотностей является конечной величиной, слагаемыми, соответствующими весу частицы Р, силе Жуковского Рж и даламберовой силе инерции Рд в уравнении (26) можно пренебречь по сравнению с остальными членами этого уравнения. Таким образом, вместо (26) будем иметь приближенно

'Ар

+ Рс + Р„ср + РК " 0.

(27)

Проецируя векторное уравнение

V = и + У{Дш2гзт2а, 0, -Дсо2гзтасо5а}/(3яц5). (28) по

осям г, г, для составляющих скорости частицы в продольном и поперечном направлениях получим

уг = и, + УДш2тп2а/(Злй6), (29)

V* - иг - УДю2тпасо8а/(37ф6). (30)

Расчет составляющих скорости V, и частицы будем производить в предположении, что в продольном и окружном направлениях частица движется как взвешенная, вместе с потоком жидкости, т. е. уг » и„ Уэ да и$, а в поперечном направлении г, как в слоистом потоке, т. е. когда их « 0. Тогда, в соответствии си,= и [/г и (29), (30) будем иметь приближенно

уг = 11(/г + УДш2г8т2а/(37гц5), (31)

V* = - \гДсо2гз1пасо8а/(Зяцб). (32)

Формулы (31), (32), являются исходными для расчета основных характеристик движения взвеси в межтарелочном пространстве барабана сепаратора.

Осесимметричный режим осаждения

Для расчёта текущего критического диаметра частицы, описывающей траекторию ОС (рис. 5) в межтарелочном пространстве барабана

сепаратора, будем исходить из системы дифференциальных уравнений этой траектории

(1Г/С1Уг = тпа/у» = с!г/с1уг, (33)

где согласно (31), (32), приближённо

уг = <2/(2лгЬ8та), у2 = Д.а>2гзтасоза-52/(18ц), Д < 0, (34)

С> = И/п — расход жидкости через межтарелочное пространство сепаратора, N - производительность сепаратора, (п + 1) — число тарелок в пакете барабана сепаратора, V » — иэ, и® - вычисляется как

и3 =я<о(24-2Ьг3 + 1132)/(2луЬ3г).

Рис. 5. Схема меридионального сечения межтарелочного

объема

Проиесс сепарирования при асимметричном режиме течения Если в качестве питающих каналов используются круговые отверстия в тарелке (часто расположенные с постоянным угловым шагом в 120е), то межтарелочный поток развивается в условиях отсутствия осевой симметрии,

он становится трёхмерным по проекциям скорости уг, Уа, V, и координатам г, 2.

В таком случае траектория частицы в межтарелочном пространстве барабана сепаратора описывается системой дифференциальных уравнений (33).

Первое равенство в (33) является дифференциальным уравнением движения частицы в плоскости Я, Э. Решая его, получают уравнения траектории движения частиц в этой плоскости, т. е. в плане тарелок. В принятых упрощениях эти траектории практически совпадают с траекториями движения жидкости.

В целях упрощения количественного анализа скорости \и у&, заменяют их осреднёнными значениями уг\ Уэ° и, кроме того, считается известным параметр А, где

А = яД'Сй2г23зт2асо$а'52/(9ц(3), (35)

где г2 - длина образующей тарелки.

Считая для определённости, что осаждению подлежат частицы плотностью меньшей, чем плотность жидкости, т.е. Д < 0, рассчитывают траекторию частицы с начальными координатами (в плане тарелки) Яо, д = до» 2=0, расположенными по окружности малого радиуса вблизи питающего канала (источника). Для чего численно интегрируют (33) по г до тех пор, пока значения координат частицы К(г) и д(г) не попадут в некоторую малую окрестность стока или частица не выйдет из межтарелочного объёма барабана сепаратора. В результате приходят к расчётным траекториям.

При этом Е.М. Гольдиным введёна величина р, характеризующая поправку» которую следует вводить в расчет критического диаметра при учете асимметрии и окружного отставания или опережения межтарелочного потока, связанная с 6кр и 6крЕ (где б^р критический диаметр частицы в условиях асимметричности режима осаждения, 5крв - критический диаметр частицы по Бремеру, т.е. в условиях осесимметричности режима осаждения):

Р =5КР/5КРВ = (А.р/А^) - (г23 - г,3)"2 (Г, (36)

где

Р° = (Акр/3)1'2, А,р ^Л^Д А,рб = Акрб(5.рб). (37)

Так как скорости уг, в источниках и стоках (теоретически)

обращаются в бесконечность, то при практическом интегрировании системы (33) начальную точку выбирают на некотором удалении от источника.

Так как безразмерный диаметр р (36) зависит от траектории частицы, то для характеристики остроты сепарирования выбирают некоторый, осредненный по всем траекториям, критерий р°.

После чего вводится величина <т„ характеризующая среднее квадратическое отклонение параметра р (36). Причём, величина ств является характеристикой процесса сепарирования, поскольку с её помощью

оценивают неравномерность остроты сепарации в межтарелочном объёме барабана сепаратора. В работе даны формулы расчёта величин (3° и ос. Таким образом, с учётом поправки на асимметрию потока и на окружное смещение жидкости, приходят к зависимости

6«р = Р'-бч,® - Рв[27цР1ёа/(пД.ю:!г23)]ш. (38)

Кинематика асимметричных режимов течения жидкости (и осаждения частиц), помимо основных режимных параметров X, характеризующего отношение поворотной силы Кориолиса к силе вязкости, и ц, характеризующего относительную величину силы инерции потока, зависит и от таких факторов как число и место расположения питающих и отводящих каналов, размеров тарелки и др.

0.915 0,910 0,905 0,900 0,895 0,690 0,885 0,880 0,875 0.870 0,865 0,880

0,0

1. ш т

—— (10* 0,5 - - - 0.25

5,0 10,0

Параметр Гольд и на

15,0

20,0

Рис. 6. Зависимость поправочного коэффициента рв к рассчитанному по Бремеру значению критического диаметра частицы от параметра Гольдина X

С целью обоснования методики упрощённого расчёта радиуса Яп расположения питающего канала воспользуемся формулой

6(2) = {27иСКИ - 2)/[илЬ©2(г3 -'К1Э)Д51п2асо8а)]}|й, (39)

полагая в ней г = К„, ъ = 0. Разрешая которую в дальнейшем относительно К„, получим

Я» = + (27рСНёа)/(илш2502Д)]ш, (40)

здесь 5о — заданное по условиям проведения технологического процесса значение диаметра частицы, подлежащей удалению из обрабатываемой суспензии; = N/(3600^), N - производительность сепаратора, м3/ч, (г + 1) — число тарелок в пакете, остальные параметры имеют тот же смысл, что и ранее.

Результаты проведенного анализа эффективно использованы при конструировании, доработке и модернизации серийной модели сепаратора марки ОСЦП для целей бактериальной очистки жидкостных систем биологического происхождения типа молока и выделения дрожжевых клеток из барды в спиртовом производстве.

В основе определяющей результаты сепарирования концепции полагаются параметры, относящиеся к трём группам:

17

механические параметры — число оборотов ротора п или угловая скорость со, производительность сепаратора N или расход С? жидкости через одно межтарелочное пространство;

физические параметры — плотность дисперсионной среды р и плотность дисперсной фазы рь кинематическая вязкость жидкости V;

геометрические параметры — минимальный К.) и максимальный Яг радиусы тарелок сепаратора, межтарелочный зазор Ь, полуугол конусности а или угол наклона тарелки к горизонту р = я/2 - а.

Помимо этого к важнейшим показателям, определяющим результаты процесса седиментации твердой фазы в жидкости, следует отнести гранулометрический состав дисперсной фазы и концентрацию её в исходной суспензии.

Сохраняя смысл применяемых в данной главе обозначений физико-механических и геометрических параметров процесса сепарирования, преобразуем формулу (39)

■-Р

р,-р) <41>

(где 8 = бк, и = и(с) — поправка Бреннера на стеснённый характер осаждения твердой фазы суспензии) к безразмерному виду, для чего произведём группировку сомножителей в подкоренном выражении (2.85), и имея в виду, что ц = ру

I 27зт2 а у я(1 - £)со5а

(где £ = р1/р > 1 - относительная плотность). Введём обозначения _ 7Г-(1 -£)-СОЗХ _ <3 .2 _ СОЬ2-БШСС

К" 2ЪЫа ' Ч~о>.(^-а?)' Г~* <43>

где к - безразмерный параметр, характеризующий относительную (эффективную) плотность твердой фазы; ц - безразмерный расход через одно межтарелочное пространство (аналог числа Россби) -характеризующий отношение силы инерции потока к силе Кориолиса,

собшсс „ „ „ , - - параметр Е.М. Голь дина (44)

В качестве обобщающего результата проведенных исследований на рис. 7 приведены результаты расчетов, проведенные по формуле (42), позволяющей впервые учесть влияние на процесс сепарирования таких важных факторов как расположение питающих каналов и стесненного осаждения.

Результаты приведенные на рис. 7 легли в основу построения математической модели процесса седиментации с учетом конструктивных и гидродинамических параметров.

О.ОЕ+ОО

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

Отношение радиуса расположения питающего канала к макс, радиусу тарелки

Рис. 7 График зависимости размера сепарируемой частицы от расположения питающего канала и производительности сепаратора

Графики 1,2,3,4 - зависимость размера частиц от расположения питающего канала полученная в результате исследований с учетом данных по Бремеру, и поправок Гольдина и Бреннера, Г^^З"^ - зависимость размера частиц от расположения питающего канала по Бремеру.

1,1' — производительность 1 м3/ч;

2,2' — производительность 0.5 м3/ч;

3,3* — производительность 0.35 м3/ч;

4,4" - производительность 0.2 м3/ч.

Третья глава посвящена методике и описанию экспериментальной установки для исследования процессов сепарирования пищевых жидкостей.

Применение процессов сепарирования для тонкого осветления и очистки продуктов от микрофлоры взамен термической обработки позволяет существенно повысить качество продуктов.

исходной схемой для получения основных теоретических результатов по механическому центробежному разделению суспензий типа молоко, растительное масло, фугат послеспиртовой барды и другое, является модель изолированной твердой сферической частицы малого диаметра, перемещающейся заданным образом в ламинарном потоке вязкой несжимаемой жидкости, ограниченном межтарелочным

19

пространством барабана сепаратора. Исходя из анализа такой модели, находят все основные показатели эффективности процесса механического разделения суспензии.

Так, при заданном гранулометрическом составе дисперсной фазы (клетки бактерий, жировые шарики или механические примеси в плазме молока и др.) в виде плотности (частости) или функции распределения твердой фазы по размерам, исходя из реализации некоторой траектории частицей определенного размера, рассчитывают частотный коэффициент осветления

Если по - количество частиц всевозможных размеров в единице объема смеси, а п - количество частиц размером больше заданного в том же объеме, то в качестве характеристической функции распределения принимают отношение этих величин

\|/(5) = п/п0 (45)

Частотный коэффициент осветления (относительное частотное содержание частиц микрофлоры в осадке) рассчитывают по формуле

С - (По - Пф)/п0 - (46)

где Пф; - количество частиц всевозможных размеров в единице объема фугата, ^ - переменная интегрирования, выраженная в долях межтарелочного зазора, бвк - критический диаметр по Бремеру, принимаемый в виде:

5(2) = {27ц<51еа/[жо2(И23 - И^Д)]}"2, (47)

где <3 — расход жидкости через одно межтарелочное пространство, м3/с; Кь К2 - соответственно, наименьший и наибольший радиус тарелки.

При этом коэффициент уноса (относительное частотное содержание частиц микрофлоры в фугате) выражается через коэффициент осветления по формуле к = 1 - С, или в виде

к = пф/п0= (48)

о

В качестве объекта исследования эффективности процесса центробежной очистки жидкости биологического происхождения от микроорганизмов выбирали натуральное коровье молоко.

В молоке жир присутствует в виде эмульсии или суспензии в молочной плазме. Диаметр жировых шариков колеблется от 0,1 до 20 мкм, средний размер — 3...4 мкм. Число жировых шариков в 1 см3 молока составляет около 15 млрд.

Средняя массовая доля белка в молоке составляет 3,2 % (с колебаниями от 2 до 4,5 %). В состав белков входят казеин (в среднем 2,5...2,5 %) и сывороточные белки (0,6 %).

В молоке белок находится в виде коллоидных частиц размером 50...300 нм и характеризуется высокой термоустойчивостью.

20

Решение поставленной задачи по результатам анализа эффективности процесса очистки сырого молока от бактериального загрязнения проводили на экспериментальной установке, разработанной в лаборатории центрифугальной техники отдела центрифугальной техники и экстрагирования ФГУП НИИ"МИР-ПРОДМАШ".

На рис. 8 представлена принципиальная схема установки по очистке сырого молока от бактерий, на рис. 9 - внешний вид экспериментальной установки по очистке сырого молока от бактерий.

Экспериментальная установка состоит из следующих основных элементов: ёмкости с сырым молоком, насоса, трубопроводов, теплообменника, системы КИП, регулирующей и запорной арматуры, сепаратора-бактофуги.

В качестве макетного образца был выбран сепаратор-сливкоотделитель марки Ж5-ОСЦП-1 с отдельными «доработками». Указанный образец сепаратора был поставлен ОАО ПМЗ «Смычка» на период проведения испытаний.

Сепаратор был смонтирован в производственном участке ГНУ ВНИМИ совместно с представителями ОАО ПМЗ «Смычка» и представителями ФГУП НИИ «Мир-Продмаш», опробован на воде и подготовлен к дальнейшим испытаниям.

Рис. 8. Принципиальная схема экспериментальной установки

Рис. 9. Внешний вид экспериментальной установки по очистке сырого молока от бактерий (фото)

Было показано, что наиболее достоверными характеристиками процесса осветления жидкостей биологического происхождения и технологического процесса сепарирования, являются коэффициент осветления и коэффициент уноса.

Предложен метод оценки центрифугального осветления пищевых жидкостей биологического происхождения на сепараторе с высокой разделяющей способностью и спецификой конструктивного оформления,

В Четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и сопоставление их с теоретическими данными.

Согласно плану проведения опытов ставилась задача подтвердить качественное и количественное соответствие результатов по основному показателю эффективности очистки - коэффициенту уноса, полученными опытным путём с данным показателем, найденным теоретически в условиях бактофугировании молока, при разной производительности сепарирующей машины.

При проведении испытаний исследовалась эффективность конструктивных изменений, вносимых в сепаратор Ж5-ОСЦП-1, на основании исследований проведенных соискателем. Испытания проводились по различным схемам подключения сепаратора-бактофуги в технологическом процессе.

Результаты микробиологических исследований приведены в таблице 1. Для получения достоверных данных в экспериментах отбиралось 3 пробы последовательно через 2 минуты работы установки.

Эффективность очистки по общей обсемененностн бактериями приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты экспериментов при различных режимах работы сепаратора

Режим работы сепаратора Коэффициент осветления, %

Расположение питающего канала Кп/Кща* Производительность м3/час Теоретическое Экспериментальное

од од 80 77

0,35 74 70

0,5 57 51

0,5 од 86 83

0,35 81,5 81,5

0.5 73 70

0,8 од 93 91

0,35 90 87

0,5 82 79

Анализ полученных данных свидетельствует о стабильности полученных результатов. Вместе с тем, как показали испытания, эффективность очистки молока от бактерий зависит от качества (общей обсемененности) сырого молока.

Согласно плану проведения опытов ставилась задача подтвердить качественное и количественное соответствие результатов по основному показателю эффективности очистки * коэффициенту уноса, полученными опытным путём с данным показателем, найденным теоретически в условиях бактофугировании молока, при разной производительности сепарирующей машины.

В качестве исходной функции распределения по общей обсеменённости молока принималось частотное распределение, полученное Ю.Б. Панченко и Г.Б. Моргослеповой.

Экспериментальную проверку осуществляли на сепараторе марки Ж5-ОСЦП-1(М) с параметрами: производительность - N = 0,25; 0,35; 0,50 м3/ч; частота вращения ротора - п = 3000 об/мин; число тарелок в барабане -г = 63; минимальный диаметр тарелки - ёь = 66 мм; угол наклона тарелки -Р = 50 динамическая вязкость жидкости (молока при 55 вС) - р - 5-10^ Па-с; разность плотностей бактериальной взвеси и плазмы молока - А = 110 кг/м3.

При обосновании эффективности работы сепаратора по очистке молока от микрофлоры в качестве исходных использовали данные по

гранулометрическому составу микробов в сыром молоке, представленные в на рис 10.

Используя формулы

с = (По - ПфУпо = ¡у^-Д)**;

5(г) = {27р<21еа/[7га>2(Я23 - 1113)Д)]}1/2,

к = пф/п0 -= , на базе операционной среды Ма1сЬа<3 были

о

рассчитаны зависимости коэффициентов уноса к от производительности

23

сепаратора по точной (5К - 5КБ) и уточненной (5КС = 5,/U1'2, U — 0,68 модели процесса осаждения микроорганизмов). При этом в целях упрощения расчётов ступенчатая функция распределения аппроксимировалась линейной регрессионной зависимостью вида

F(5) = kS + b. (49)

Входящие в уравнение регрессии (49) вычислялись в среде EXCEL с помощью ПАКЕТА АНАЛИЗА и инструмента Регрессия,

В результате было найдено: к = 1,148; b = -0,167 и поэтому в силу (49) принимали

F(S) = 1,1486-0,167. (50)

Так как табличное значение F-критерия при доверительной вероятности 0,95, v, = k = 1 и v2= n-k-1 =11-1-1=9 составляет Ртабл = 5,12, то в силу того, что FpiC4 > Ртабл, уравнение регрессии следует признать адекватным.

Значимость коэффициента к оценивали по коэффициентам статистики, используя t-критерий Стьюдента tk = 1,1477/0,08984 = 12,77.

Табличное значение t-критерия при уровне значимости 5 % и степенях свободы (11-1-1=9) составляет t^j, = 2,62. Так как tpttC4 > то коэффициент к значим, существен.

и

е

«

Т

ШЧастость всей микрофлоры

■ Частость без патогенной микрофлоры

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Размеры бактерий, мкм

Рис.10. Гистограммы относительных частот микрофлоры молока по размерам

Производительность с*п»рпоря, *уб.м/ч

—•— Нестесненное осаждение частиц

—ш—Стесненное осаждение частиц

—*— Опытные данные

Рис. 11. Зависимости коэффициентов уноса от производительности, для сепаратора марки Ж5-ОСЦП-1(М)

Анализ данных показывает, что найденные опытным путём значения коэффициента уноса коп либо превышают (в области изменения производительности сепаратора N < 0,25 мэ/ч), либо находятся (в области изменения производительности 0,25 < N < 0,35 м3/ч) между прогнозируемыми по теории соответствующими значениями коэффициента уноса кт, полученными в допущении идеализированных условий осаждения взвеси (по Бремеру) и при учёте стеснённого характера осаждения частиц, что указывает на наличие адекватности рассчитанных на базе найденных в главе 2 теоретических зависимостей результатов по осветлению суспензий наблюдаемым в реальных условиях данным по эффективности очистки для общей обсеменённости сырого молока.

Таким образом, исходя из проведенного анализа, удалось обосновать количественное и качественное согласие теоретических и опытных результатов, полученных в работе.

Зависимость коэффициента уноса или коэффициента осветления, которые непосредственно связаны между собой, от расположения питающего канала и производительности сепаратора приведена на рис. 12. Из графиков видно, что наибольшая эффективность очистки молока достигается при расположении питающих каналов на периферии, что и было реализовано в промышленных моделях сепараторов-бактофуг.

И 100,00 I 90,00

ш

£

£ ■я

£ •е-

8 £

80,00 70,00 60,00 50,00

40,00

0,00

А ' 1

* V

к У4*

а // Я" V к

0,20 0,40 0,60

Производительность сепаратора, м.куб/ч

Рис. 12. Зависимость коэффициента осветления от производительности и расположения питающего канала (теоретические и экспериментальные значения).

Графики 1,2,3 — экспериментально установленные данные по осветлению (сепарированию) молока в зависимости от производительности ГД^З" —теоретические данные.

1,Г - соотношение радиусов питающего канала к тарелке 0,8;

2,2" — соотношение радиусов питающего канала к тарелке 0,5;

3,3" — соотношение радиусов питающего канала к тарелке 0,2;

Острой проблемой для России и стран СНГ является вопрос переработки послеспиртовой барды, которой только на российских спиртзаводах образуется порядка 10 млн. т в год при низком содержании сухих веществ (СВ) - от б до 8%, в зависимости от сырья и технологической схемы производства. Эта проблема приобрела особую актуальность в последнее десятилетие в связи с резким уменьшением поголовья скота на отечественных фермах и откормочных комплексах. Традиционный и наиболее простой путь использования барды - скармливание в нативном виде - стал затруднительным и экономически убыточным при транспортировке ее в таком виде на расстояние более 20 - 30 км.

Исследование эффективности процесса осветления фильтрата проводилось на сепараторе Ж5-ОСЦП-1 (м) в лаборатории центрифугальной техники ФГУП НИИ «Мир-Продмаш»

В соответствии с техническими параметрами машины имеем:

(3 = У/[3600<г - 1)] м3/с;

ю = 2тга/60 = 837 рад/с;

Г| = (¡„¡„/(гСоэр) = 0,05/(2*Соз50°) = 0,033, м;

г2 = <1т«/(2*Со5р) = 0,33/(2'Со550°) = 0,087 м.

Принимая для спиртовой барды динамическую вязкость как для воды, т. с. полагая

р. = 0,001 Па-с, разность плотностей жидкой и твердой фаз Д « 82 кг/м3, будем иметь

5*2 = 54'Ц'Р/[тг-ш2(гг3 - г(3)-Д-5та'5т2а].

Испытания по осветлению фильтрата проводились на сепараторе Ж5-ОСЦП-1(М).

Фильтрат доставляли в емкостях с Корыстовского спиртового завода.

Фильтрат, на котором проводились исследования имел следующие показатели:

Общее содержание сухих веществ в барде -8.6%

Содержание сухих веществ в фильтрате - 5.1%

Содержание растворенных сухих веществ - 3.9%

Содержание взвешенных сухих веществ в фугате - 1.2%

Исходя из опыта эксплуатации спиртовых заводов, остаточное содержание сухих веществ в фильтрате не должно превышать Сф=0.2-0.4%. Более тонкое осветление требует применения ультрафильтрации, что приведет к большим производственным затратам.

Испытания проводились при различных проиэводительностях сепаратора.

В пакете тарелок использовались 3 типа питающих канала.

Питающие каналы располагались на расстоянии Яп/Яшм- 0,2;0,5;0,8 образующей тарелки от основания.

Результаты испытаний полученные с помощью КУЛЬТЕР ТА II приведенные на рис 13, показывают, что унос мелкой фракции в фугате в процессе сепарирования увеличивается с увеличением производительности сепаратора и приближением радиуса расположения питающих каналов к центру. Для обеспечения величины остаточной взвеси в пределах 0.3% производительность сепаратора снижается примерно до 500 л/час, что соответствует половине его производительности при нормальном режиме работы.

■ производ ительность 0,2 куб.м/час —•—производ ительность 0.4 куб.м/час * производ ктепьность 0,6 куб.м/час и.'« II производительность 0,8 куб.м/час

* м

1 к

1 °° | те I 70

5 00

-

ол а 4 0,3 0Л

Рис.13 Экспериментальные результаты в графическом исполнении

Счетчик КУЛЬТЕР ТА И с приставкой "РСА" специально разработан для изучения гранулометрического состава частиц. Это 16-канальный анализатор, производящий анализ частиц по размерам, начиная с 0,4 мкм и до нескольких сотен микрон.

Счетчик ТА II обеспечивает четыре результата

1. Длительность анализа (1/10 секунды).

2. Общее число анализированных частиц.

3. Дифференциальное распределение по массе (или объему).

4. Суммарное распределение по массе (или объему).

С приставкой «РСА»

5. Дифференциальное распределение по числу частиц

6. Суммарное распределение по числу частиц

Планирование и статистическая обработка эксперимента проводилась по методике идентичной методике использованной при экспериментах на молоке.

Проведенные исследования, позволили разработать исходные требования к сепараторам, которые будут устанавливать в типовых комплектах оборудования для обработки фильтрата послеспиртовой барды и получить дополнительно ценные белковые продукты, а также улучшить охрану окружающей среды.

В пятой главе показано, что на основании проведенных исследований в отделе Центрифугальной техники и экстрагирования была разработана бактофуга Ж5-ОСЦП-1(М) производительностью до 1000 л/час. Этот сепаратор был изготовлен Плавским машиностроительным заводом «Смычка». Сепаратор демонстрировался на Всероссийской выставке «Золотая Осень 2004» и был награжден «Золотой медалью» выставки.

В настоящее время на конкурсной основе по заданию Минсельхоза РФ совместно с ГНУ ВНИМИ и Плавским заводом «Смычка» разработаны и поставлены на серийное производство сепараторы-бактофуги производительностью 1000, 3000, 5000 и 10000 л/час.

28

Предварительные экономические расчеты показали, что экономический эффект от внедрения одного такого сепаратора производительностью 3000 л/ч за счет повышения качества молока может достигать 3.000.000 руб/год.

В настоящее время на спиртовых заводах чаще реализуется усеченный вариант данной технологии, где сушат только твердую фазу барды. При этом утилизация фугата представляет огромные проблемы, как технологические, так и в первую очередь экологические.

Поэтому в данной работе была сделана попытка усовершенствовать представленную схему утилизации барды с тем, чтобы можно было отказаться от дорогостоящей и энергоемкой выпарной линии, но при этом решить проблему утилизации жидкой фазы послеспнртовой барды, а также по возможности повысить качество получаемого кормопродукта.

На основании результатов исследования в качестве сепаратора для осветления спиртовой барды был рекомендован сепаратор марки Ж5-ВСС-2, применяемый для осветления горячего пивного сусла, с параметрами: производительность - V = 16 м3/час; частота вращения барабана - п = 5000 об/мин, количество тарелок - г = 150 шт, минимальный и максимальный диаметры тарелки, соответственно, (!„,)„ - 120 мм, (1тм = 330 мм, угол наклона образующей тарелки -(5 = 50е (а — 40°). Для завода 3000 дал спирта в сутки производительность по фильтрату барды, подаваемого на участок сепарации, составит 15 мэ/час. Для этого продукта фактическая производительность сепаратора значительно ниже чем на пивном сусле и составит не более 7,5 м3/час.

Расчет экономической эффективности от внедрения одного модернизированного сепаратора Ж5-ВСС-2 (м) может достигать 500 тыс. руб/год на один сепаратор.

В приложениях представлены результаты экспериментов, методики оценки результатов экспериментов, результаты внедрения проведенных исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована целесообразность применения в перерабатывающих отраслях промышленности АПК способов механической эвакуации дрожжевых и бактериальных взвесей из обрабатываемого сырья, с помощью тонкослойного разделения на сепараторах-бактофугах.

2. Предложены методы совершенствования процесса центрифугальной очистки жидкости от микрофлоры на базе обоснованного количественного научно-технического анализа процесса, для чего использовались данные морфологических и культуральных особенностей патогенной и санитарно-показательной микрофлоры. При этом учитывалось

то, что концентрация твердой фазы в жидкостных смесях растительного и животного происхождения во многих случаях значительна и процесс сепарирования носит стесненный характер.

3. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана математическая модель и методика расчета оптимальных конструктивных параметров сепаратора с высокой разделяющей способностью, типа бактофуги, в основу которой положено моделирование по критериальным параметрам источников и стоков асимметричных межтарелочных потоков в барабане сепаратора.

4. Дано обоснование количественного моделирования процесса седиментации твердой фазы жидкостей биологического происхождения, исходя из понятия текущего критического диаметра частицы и с учетом начального распределения концентрации примеси по объему смеси, по основным показателям эффективности данного процесса - критическому диаметру частицы, КПД процесса, объемным и счетным значениям коэффициентов осветления и уноса, кинетике концентрации.

5. На основе анализа эффективности процесса эвакуации бактерий и взвесей из жидкости биологического происхождения, проведена проверка адекватности разработанной в диссертации математической модели данного процесса, на основе количественного анализа бактофугировання молока и осветления фугата послеспиртовой барды на опытной модели сепаратора.

6. В результате проведенных экпериментов, по частотным характеристикам бактовзвеси в сыром и обработанном на сепараторе молоке, с последующей обработкой полученных данных методами статистического анализа, было обосновано принятое в работе концептуальное положение о необходимости учета концентрации твердой фазы при количественном анализе процессов седиментации в жидкостях биологического происхождения.

7. Результаты обработки данных экспериментальных исследований по удалению остаточных дрожжевых клеток в фугате послеспиртовой барды подтвердили правильность выдвинутых концептуальных положений и позволили распространить их на широкий круг жидкостей биологического происхождения.

8. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны исходные требования, технические задания и конструкторская документация на отдельные узлы, для изготовления четырех моделей сепараторов-бактофуг для молочной промышленности и одного сепаратора для спиртовой. На отдельные элементы конструкции получен патент РФ.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Семенов Е В., Глебов Л. А., Карамзин A.B. Моделирование процесса бактофугирования жидкостей биологического происхождения по частотным характеристикам бактовзвеси. // Труды инженерно-экономического института РЭА им. Г.В. Плеханова. Вып. 4.- М.: 2004.- С.225-232.

2. Семенов Е В.» Карамзин A.B. К анализу явления массопереноса в концентрированных гетерогенных жидкостных систем Я Труды инженерно-экономического института РЭА им. Г.В. Плеханова. Вып. 3.- М.: 2003.- С. 510-515.

3. Семенов Е В., Карамзин A.B. К вопросу о разделении концентрированных гетерогенных жидкостных систем// Теоретические основы химической технологии.- 2003. № 3. - С. 258-264.

4. Семенов Е В., Карамзин A.B. О разделении концентрированных суспензий // Сборник докладов на научно-технической конференции 'Техника, процессы, расчеты". МГУПБ.- 2003.- С. 44-45.

5. Семенов Е.В., Карамзин A.B., Журба О.С, Акулов Н.И. Количественное моделирование процессов массопереноса в перерабатывающих производствах АПК. М.:200б г.- С. 286

Подписано в печать 16.11.06. Формат 30x42 1/8. Бумага типографская № 1. Печать офсетная. Печ. л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ 316.

125080, Москва, Волоколамское ш., 11 ИК МГУПП

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРО- 13 ЦЕССОВ СЕПАРИРОВАНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ ЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМ

1.1. Исторический обзор развития теории процессов сепариро- 13 вания

1.2. Современное состояние проблемы центробежного разделе- 16 ния гетерогенных жидкостных систем

1.3. Особенности конструкций сепараторов, используемых в пи- 25 щевой, молочной и других отраслях промышленности

1.4. Особенности гетерогенных жидкостных систем биологиче- 35 ского происхождения

1.5. Выводы к главе

1.6. Цели и задачи исследования

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА 44 СЕПАРИРОВАНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ ЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

2.1. Постановка задачи

2.2. Кинетика седиментации гетерогенных жидкостных систем в 45 гравитационном поле

2.3. Гидродинамика потоков жидкости в межтарелочном про- 56 странстве сепаратора

2.4. Процесс сепарирования в межтарелочном пространстве сепа- 66 ратора

2.5. Моделирование и выбор конструктивных параметров бара- 83 бана сепаратора по критериальным параметрам процесса сепарирования

2.6. Выводы к главе

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬ- 92 НОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СЕПАРИРОВАНИЯ ПИЩЕВЫХ ЖИДКОСТЕЙ

3.1. Обоснование целесообразности применения методов центро- 92 бежной обработки пищевых жидкостей для их очистки

3.2. Методика расчета частотного коэффициента осветления

3.3. Характеристики используемого для очистки от микроорга- 96 низмов сырья

3.4. Методика оценки эффективности сепарирования фильтрата 99 послеспиртовой барды на сепараторе

3.5. Описание экспериментальной установки и режимов ее рабо- 100 ты

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПОД- 104 ТВЕРЖДАЮЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ НА ПРИМЕРАХ ПРОЦЕССА БАКТОФУГИРОВАНИЯ МОЛОКА И ОСВЕТЛЕНИЯ ФИЛЬТРАТА ПОСЛЕСПИРТОВОЙ БАРДЫ.

4.1. Микробиологическое исследование очистки молока при раз- 104 ных режимах работы сепаратора

4.2. Обоснование рациональных режимов работы сепаратора при 106 бактофугировании молока

4.3 Технологическая схема переработки фильтрата послеспирто- 122 вой барды

4.4. Описание эксперимента по сепарированию фильтрата послес- 127 пиртовой барды

4.5. Исследование процесса осветления фильтрата послеспирто- 129 вой барды

4.6. Выводы к главе

ГЛАВА 5. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В 137 ПРОМЫШЛЕННОСТЬ.

5.1. Внедрение сепараторов-бактофуг производительностью 1000, 137 3000, 5000 л/ч (1, 3, 5 м3/ч) в промышленность

4.2. Внедрение сепараторов для осветления фугата послеспирто- 139 вой барды в промышленность

4.3. Выводы к главе 5 150 6. Выводы по диссертационной работе 151 СПИСОК РАБОТ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ В ДИССЕРТАЦИИ 153 ПРИЛОЖЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ ОБЗНАЧЕНИЯ с, с0 - объемная концентрация твердой фазы в исходной суспензии; сф - объемная концентрация твердой фазы в фугате;

1 - диаметр частицы, м; с!кр - критический диаметр частицы, м;

Г - объемная характеристическая функция распределения;

Рв - выталкивающая сила, Рс- сила сопротивления, Н;

§ - ускорение свободного падения, м/с ; Ь - межтарелочное расстояние, м; к, к] - коэффициент формулы Стокса, Па-с/м ; 1 - характерная длина, расстояние между частицами, м; ш - масса частицы, кг; N - производительность сепаратора, м3/ч;

N0 - число частиц в единице объема, 1/м ; п - счетная плотность распределения, 1/м3; р - давление, Па; ц - расход жидкости, м3/с; безразмерный расход; II|, Л2 - минимальный и максимальный продольные размеры тарелки, м; Яе - число Рейнольдса; г - радиальная координата, м; Т - период времени, с; I - время, с; иг, %, и2 - продольная, окружная и поперечная скорость жидкости, м/с; уг, уэ , у2 - продольная, окружная и поперечная скорость твердой частицы, м/с; ъ - осевая координата, м; число тарелок в барабане сепаратора; 2а - угол конусности тарелки; Р - технологический к.п.д. процесса;

А - разность плотностей фаз, кг/м ;

§ - диаметр частицы, м; 8 - объемный коэффициент уноса; С, - счетный коэффициент осветления; г| - объемный коэффициент осветления; к: - счетный коэффициент уноса; X - параметр сепарирования; (I - динамическая вязкость, Па-с; v - кинематическая вязкость, м2/с; р, рж, рт - плотность, плотность жидкости и твердой частицы, кг/м3; ц> - счетная функция распределения; ю - угловая скорость ротора, рад/с.

Процессы механического разделения гетерогенных жидкостных систем биологического происхождения (ГЖСБП) являются объектом всесторонних экспериментальных и теоретических исследований в пищевой, мясной, молочной и смежных отраслях промышленности.

Это обусловлено тем, что во многих случаях с целью повышения качества выпускаемой продовольственной продукции по ходу проведения технологического процесса возникает необходимость по очистке, разделению, осветлению, обогащению и другим видам обработки перерабатываемого сырья. В промышленности это осуществляют, в частности, применяя процессы отстоя, фильтрования, центрифугирования, бактофугирования и других путем воздействия на жидкостные системы из различающихся по плотности фаз силовых полей различной природы (поля силы тяжести, центробежного силового поля и др.) [87].

В пищевой промышленности и связанных с ней производствах механическое разделение реализуется в процессах очистки молока, медицинских суспензий, получения кормовых дрожжей из барды, осветлении сусла и нива, обогащении дробины и т.д. Так, производство кормовых дрожжей осуществляют на центрифугах и сопловых сепараторах, осветление сусла проводят как в условиях естественного отстоя, так и путем сепарирования. При этом, как показано на экспериментах с молоком, виноматериалами, лекарственными и микробиологическими жидкостями при центрифугальной обработке сырья происходит практически полная эвакуация из обрабатываемого объема микрофлоры, в том числе, и патогенной, т. е. реализуется как бы холодная пастеризация продукта (молока, вина, сусла, пива) [1], [4], [6], [82], [90].

В молочной промышленности сырое молоко с целью очистки его от механических и других примесей подвергают фильтрованию и - по этапам проведения технологического процесса - как правило, многократной центробежной обработке. При этом, исключительно важное значение, имеет проблема очистки сырого молока от вредной микрофлоры, от чего зависят сроки его хранения и транспортировки, качество продуктов переработки молока - сливок, сметаны, творога, сыра и др. [7].

Наметившаяся тенденция, связанная с вступлением России в ВТО, предъявила более высокие требования к качеству выпускаемой продукции. В частности новые стандарты по молоку требуют очень высокого уровня очистки молока от микрофлоры [84], [93]-[95],[97].

Это вызвало необходимость разработки новых конструкций и организации производства, впервые в отечественной практике, параметрического ряда сепараторов-бактофуг [84], [86].

Новые требования экологии и охраны окружающей среды вызвали необходимость создания сепараторов с высокой разделяющей способностью для глубокой очистки фильтрата послеспиртовой барды на спиртовых заводах и сокращения вредных сбросов в окружающую среду.

Таким образом, в последние годы в пищевой промышленности появилась необходимость создания новых типов сепараторов для различных отраслей промышленности (молочная, микробиологическая, спиртовая и др.), обладающих более высокими характеристиками разделяющей способности по сравнению с выпускаемыми моделями.

Это, в свою очередь, привело к необходимости более глубокого изучения механических процессов, протекающих в этих сепараторах.

Работа выполнялась в рамках планов работ ФГУП НИИ «Мир-Продмаш» 2003-2005 гг.

Цель работы

Научное обоснование и разработка оптимальных конструктивных параметров жидкостных сепараторов, обеспечивающих заданные интегрированные характеристики разделения гетерогенных жидкостных систем в молочной и спиртовой промышленности.

Задачи исследования

1. Провести аналитические исследования по моделированию кинетики межтарелочных потоков для расчета эффективности процесса разделения гетерогенных жидкостных систем в стесненных условиях осаждения и обоснования оптимальных конструктивных параметров сепаратора, для заданного технологического режима, с целью создания прогрессивных конструкций машин и модернизации существующих моделей сепараторов.

2. Разработать математическую модель кинетики движения жидкости, с учетом стесненных условий осаждения, в межтарелочном пространстве барабана сепаратора, для исследования влияния конструктивного оформления межтарелочного пространства барабана сепаратора на эффективность разделения гетерогенных жидкостных систем.

3. Провести анализ гетерогенных жидкостных систем биологического происхождения и выявить факторы, влияющие на эффективность разделения исследуемых жидкостей в барабане сепаратора с целью оптимизации режимов их разделения.

4. Создать экспериментальные стенды для проведения исследований процессов сепарирования гетерогенных жидкостных систем, в том числе по бактофугальной очистке молока и осветлению фильтрата послеспиртовой барды.

5. Разработать исходные требования и технические задания на создание параметрического ряда сепараторов для бактофугальной очистки молока производительностью 1000, 3000, 5000, 10000 л/ч и модернизации конструкции сепаратора для осветления фильтрата послеспиртовой барды.

6. Осуществить авторский надзор за разработкой конструкторской документации и изготовлением опытно-промышленных образцов сепараторов-бактофуг и сепаратора для осветления фильтрата послеспиртовой барды на Плавском заводе «Смычка» и Махачкалинском заводе «Сепаратор».

Объект исследования

Процессы разделения гетерогенных жидкостных систем биологического происхождения в центробежных жидкостных сепараторах типа разделителей с питающими каналами.

Методы исследования

В работе использовали аналитические методы решения задач механики сплошной среды для вращающихся потоков жидкости и кинетики частиц, движущихся в этих потоках. Экспериментальные исследования проводили на модернизированных промышленных образцах сепараторов. Обработку результатов вели с использованием современного программного обеспечения на компьютере Pentium 4.

Научная новизна работы заключается в следующем

На основе модели сплошной среды и на базе кинетических зависимостей движения частиц дисперсной фазы в асимметричных межтарелочных потоках (сепараторы с питающими каналами) проведено аналитическое и численное моделирование процессов седиментации дисперсной фазы биологического происхождения в пакете тарелок жидкостного сепаратора.

Получены расчетные формулы значений коэффициентов осветления и уноса для асимметричных межтарелочных потоков, с учетом гранулометрического состава твердой фазы суспензии и аналитических зависимостей процесса сепарирования частиц критического диаметра, при их движении в межтарелочных потоках.

Доказана адекватность разработанной математической модели процесса сепарирования, с результатами обработки экспериментальных данных методами статистического анализа и учета концентрации твердой фазы, при количественном анализе процессов седиментации в жидкостях биологического происхождения.

Создана методика расчета новых типов сепараторов с высокой разделяющей способностью, создаваемых на базе барабанов с питающими каналами.

Практическую ценность работы представляют

Разработка методов для расчета основных конструктивных параметров сепараторов-бактофуг с высокой разделяющей способностью для бактофугиро-вания и осветления пищевых жидкостей. Программа официально зарегистрирована и хранится в архивном фонде ФГУП НИИ «Мир-Продмаш».

Разработка технических заданий и конструкторской документации на: опытно-промышленные образцы:

- сепаратора-бактофуги для молока производительностью 500 л/ч

- сепаратора-бактофуги для молока производительностью 1000, 3000, 5000 л/ч (1, 3, 5 м3/ч)

- сепаратора-осветлителя для осветления фильтрата послеспиртовой барды производительностью 8000 л/ч (8 м3/ч)

- новые конструкции сепараторов защищены патентом РФ № 51532 от 14.03.2005 г.

Апробация работы

Отчет «Агромаш» по теме «Расчет потоков в межтарелочном пространстве сепаратора-бактофуги, разработка эскизов базовых узлов сепаратора» по Договору №02-05 от 06 сентября 2005 г. с ГНУ ВНИМИ (исполнитель работ -Карамзин A.B.).

Протокол заседания научно-технического совета при ФГУП НИИ «Мир-Продмаш» №6 от 25.08.2005. (см. Приложение V).

Доклад на круглом столе «Культура питания», в рамках Международной специализированной выставки «Индустрия детского и школьного питания», по теме «Бактофугальная очистка молока для производства высококачественных продуктов детского питания» 12-14 апреля 2006 г.

На защиту выносятся

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов разделения гетерогенных жидкостных систем в центробежных жидкостных сепараторах с асимметричными межтарелочными потоками.

2. Методы экспериментального определения влияния основных конструктивных параметров на гидродинамику межтарелочных потоков и процесс седиментации твердой фазы суспензии в барабане сепаратора.

3. Методика расчета оптимальных конструктивных параметров сепараторов осветлителей с высокой разделяющей способностью для молочной, спиртовой и других отраслей промышленности.

4. Новые конструкторские решения при создании сепараторов бактофуг для молочной промышленности и сепараторов осветлителей для обработки фильтрата послеспиртовой барды.

Публикации

По результатам исследований опубликовано 6 работ, в том числе 1 монография, 5 статей в научных журналах.

Патент РФ № 51532 от 14.03.2005 г. и 2 научных отчета.

Внедрение

На Плавский машиностроительный завод переданы техническое задание и конструкторская документация на сепаратор-бактофугу Ж5-ОСЦП-1(М) производительностью 500 л/ч и 1000 л/ч, а также на сепараторы-бактофуги производительностью 3000, 5000 л/ч.

На Махачкалинский завод «Сепаратор» переданы техническое задание и конструкторская документация на сепаратор-бактофугу 1000 л/ч и 5000 л/ч и сепаратор для осветления фугата послеспиртовой барды производительностью до 8000 л/ч.

Объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 183 страницу, в том числе: 35 рисунков и фотографий, 103 наименования списка литературы (из них иностранной 5), приложений 21 страниц.