автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Интенсификация работы фильтрующей центрифуги с коническим ситом для крахмалосодержащих суспензий

На правах рукописи

. ХОРУНЖЕВА ОЛЬГА ЕВГЕНЬЕВНА

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОТЫ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЦЕНТРИФУГИ С КОНИЧЕСКИМ СИТОМ ДЛЯ КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩИХ СУСПЕНЗИЙ

Специальность 05.18.12 — «Процессы и аппараты пищевых производств» (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 \ АВГ 2014

Москва 2014

005551923

005551923

Работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств».

Научный руководитель:

Жуков Валерий Григорьевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Лагуткин Михаил Георгиевич,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский

государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

Березовский Юрий Михайлович,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ГНУ ВНИХИ Россельхозакадемии

Ведущая организация: ГНУ ВНИИПБ Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится «18» сентября 2014 г. в конференц-зале в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.148.10 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д. 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств».

Автореферат и диссертация размещены на официальных сайтах ВАК Министерства образования и науки РФ http://vak.ed.eov.ru и ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» http://www.mgupp.ru.

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.148.10, , ^

доктор технических наук, профессор ^-/{ш^Л- Никифоров ЛЛ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Во многих отраслях промышленности применяется крахмал и его производные. Крахмал получают из крахмалосодержащего сырья, среди которого картофель занимает существенную долю.

При переработке крахмалосодержащего сырья одним из основных технологических процессов является отделение крахмальных зерен из кашки и мезги. Перспективным является механическое разделение крахмалосодержащей суспензии в фильтрующих центрифугах с коническим ситом. При этом для расчета технологических показателей работы центрифуг требуется знание величин ряда структурно-механических характеристик разделяемых крахмалосодержащих суспензий, некоторые из которых неизвестны и потому требуют исследований. Для аналитического описания центрифугального разделения крахмалосодержащих суспензий к таким характеристикам относятся коэффициент трения разделяемой суспензии на коническом сите центрифуги, коэффициент проницаемости и пористость осадка. Обладая несомненными технологическими преимуществами, фильтрующие центрифуги не получили широкого применения из-за неполного использования их возможностей, как в конструкции, так и в учете свойств разделяемых суспензий. В этой связи повышение эффективности их работы является актуальным. В них недостаточно полно используются заложенные возможности эффективности разделения.

Работа выполнялась в рамках Программы Россельхозакадемии по проблеме «Разработать современные ресурсосберегающие методы и технологии высокоэффективной переработки сельскохозяйственного сырья при производстве экологически безопасных продуктов адекватного питания».

Степень разработанности проблемы. Теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов центрифугирования посвящены работы Соколова В.И., Жукова В.Г., Аснера В.И., Бремера Г.И., Гельперина

Н.И., Зарубина JI.C., Каминского B.C., Терешина Н.И., Шкоропада Д.Е., Шлау A.B., Грейса Д., Дьери И., Ненигера Е., Сторроу И. и др. Процессами разделения осаждением пищевых систем занимались Е.М. Гольдин, В.А. Жужиков, ВА. Карамзин, H.H., Г.А. Кук, H.H. Липатов, L. Svarovsky и др. Исследованию структурно-механических свойств суспензий, посвящены работы И.А. Рогова, Ю.А. Мачихина, С.А. Мачихина, A.B. Горбатова, В.Д. Косого Э. Бернхардта, Г.В. Виноградова, М.П. Воларовича, Э. Гатчека, Б.В. Дерягина, Д.М. Мак-Келви,, A.M. Маслова, П.А. Ребиндера, Э.Т. Северса, Ф. Эйриха и др.

Целью работы является повышение эффективности работы центрифуги с коническим ситом для крахмалосодержащих суспензий.

Основные задачи исследования

1. На основе анализа литературного обзора по существующим конструкциям центрифуг с коническим ситом для крахмалосодержащих суспензий выявить направление интенсификации их работы.

2. Усовершенствовать конструкцию ротора фильтрующей центрифуги конического сита для интенсификации ее работы.

3. Исследовать коэффициент трения осадков крахмалосодержащих суспензий по коническому ситу фильтрующей центрифуги для определения угла раскрытия конической поверхности сита.

4. Определить коэффициент проницаемости осадка картофельной суспензии, являющийся расчетным параметром процесса фильтрации.

5. Определить коэффициент открытой пористости осадка картофельной суспензии, являющийся расчетным параметром процесса фильтрации.

6. Получить расчетные формулы для определения производительности и времени безнапорной фильтрации в усовершенствованном роторе фильтрующей центрифуги с коническим ситом.

7. Провести экспериментальное сравнение работы конической фильтрующей центрифуги с традиционным и усовершенствованным роторами,

подтверждающее целесообразность предложенного направления совершенствования центрифуги.

Научная новизна работы

1. Выявлены основные причины, ограничивающие эффективное использование центрифуг с коническим ситом, и определено направление совершенствования их конструкций.

2. Определены коэффициенты трения основных крахмалсодержащих суспензий (картофель, сорго, пшеница, рожь) и их осадков по фильтрующей поверхности конического сита центрифуги. На основе полученных данных определен необходимый угол раскрытия конической поверхности сита центрифуги для обеспечения движения осадков отмеченных выше суспензий крахмалосодержащего сырья без зависания на фильтрующей поверхности.

3. Экспериментально определен коэффициент проницаемости осадка картофельной суспензии в условиях действия инерционных сил в роторе центрифуги.

4. Экспериментально определен коэффициент открытой пористости осадка картофельной суспензии в условиях действия инерционных сил в роторе центрифуги.

5. Разработаны усовершенствованные конструкции роторов инерционных фильтрующих центрифуг для интенсификации их работы.

6. Получены аналитические формулы для расчета производительности процесса и времени безнапорной фильтрации в кольцевых карманах с осадком между коническим ситом и перегородками ротора фильтрующей центрифуги.

Практическая значимость работы

1. Получено в соавторстве 6 патентов на усовершенствованные конструкции роторов фильтрующих центрифуг с инерционной выгрузкой осадка и 2 патента по сопутствующей тематике.

2. Разработаны устройства регулирования движения осадка по фильтрующей поверхности конического сита центрифуги.

3. Определен угол раскрытия конической фильтрующей поверхности сита центрифуги для обеспечения движения по ней осадка исследованных крахмалсодержащих суспензий без зависания.

4. Получены формулы для расчета производительности процесса и времени безнапорной фильтрации осадка в кольцевых карманах фильтрующей центрифуги с коническим ситом.

5. Результаты работы применены при создании конструкции опытного образца центробежного конического сита на Кореневском экспериментальном заводе, входящем в состав ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов.

Предмет и методы исследования

Предметом исследования явились конструкции фильтрующих центрифуг и подлежащее разделению в них крахмалосодержащее сырье. Методы исследования основывались на традиционных экспериментальных методиках, современной приборной технике, современном представлении гидродинамики и аналитического описания фильтрационных потоков в роторах фильтрующих центрифуг.

На защиту выносятся:

- выбранное направление интенсификации работы фильтрующих центрифуг с коническим ситом;

- полученные количественные характеристики параметров осадков крахмалосодержащего сырья для организации и расчетов эффективного процесса центробежного фильтрования в центрифугах с коническим ситом и кольцевыми перегородками;

- формулы расчета производительности и времени безнапорной фильтрации, характерной для условий поведения осадка как пористого тела в большей части конического сита.

Достоверность полученных результатов основывается на проработке литературных источников по исследуемой теме, применении традиционных экспериментальных методик, современной приборной технике, современном представлении гидродинамики и аналитического описания фильтрационных

потоков в роторах центрифуг, а также подтверждена сравнительными экспериментами процесса фильтрации в роторах с коническим полым ситом и при наличии кольцевых перегородок.

Публикации it апробация работы

По результатам выполненных исследований опубликовано 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, а также получено 8 патентов, список которых приведен в конце автореферата.

Результаты исследований были представлены на конференциях: IV Международная научно-практическая конференция «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности», г.-Москва, 2006; научно-практическая конференция «Интеграция фундаментальных исследований -основа развития современных аграрно-пищевых технологий», г. Углич, 2007.

Структура и объем работы

Объем диссертации составляет 194 страниц, включающих 52 рисунка, 15 таблиц, 150 литературных источников, включающих 14 собственных публикаций и патентов. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений, списков литературы и обозначений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность рассматриваемой работы и целесообразность исследований, сформулирована цель, изложены задачи исследования, представлена научная новизна и практическая значимость выбранного направления исследований.

В главе 1, содержащей литературный обзор по заявленной цели исследования, рассмотрены основные методы разделения высококонцентрированных пищевых суспензий, проведен их анализ для обоснования наиболее рационального способа разделения. Проанализированы основные конструкции аппаратов центробежного фильтрования. Сделан вывод о целесообразности применения фильтрующих центрифуг с коническим ситом.

Отмечено, что в конических центрифугах при высоком энергетическом воздействии интенсивная фильтрация происходит лишь на 15 - 30 % фильтрующей поверхности сита. Этот эффект связан с неравномерностью течения высококонцентрированной суспензии по окружной координате конического сита. И из этого факта следует возможность проскока частично отфильтрованного и движущегося далее подобно твердому телу осадка и необходимостью его предотвращения. При этом определено направление совершенствования конструкций таких аппаратов. Далее, по материалам обзора, сформулированы задачи исследования.

Глава 2 посвящена выработке направления в совершенствовании фильтрующих центрифуг и усовершенствованию ротора центрифуги с коническим ситом и возможностью его осевого смещения, направленным на интенсификацию его работы.

В литературе, посвященной исследованиям работы центрифуг, отмечается, что при центробежном фильтровании в инерционной центрифуге с коническим ротором сложно регулировать перемещение осадка по коническому ситу.

Поскольку фильтрующая поверхность сита центрифуги не является гладкой, то при движении элементов осадка может происходить "отскок" частиц и отдельных элементов из их скоплений от поверхности, и в следующий момент будет их касание фильтрующей поверхности уже на большем радиусе. Таким образом, фильтрация осадка продолжается в условиях дополнительной ударной нагрузки со стороны поверхности ротора. Удар снова может оттолкнуть элемент от фильтрующей поверхности. Такими скачками осадок может передвигаться по фильтрующей поверхности вплоть до момента удаления в приемник осадка. В результате фильтрующая поверхность ротора работает не полностью и с недостаточной эффективностью. Для предотвращения этого нежелательного эффекта и более полного использования фильтрующей поверхности сита необходимо было усовершенствовать конический ротор, снабдив его средством регулирования движения осадка.

В связи с этим необходимо, чтобы движущейся осадок на всей фильтрующей поверхности был прижат к ней инерционными силами. Такое прижатие к фильтрующей поверхности осуществляется с помощью кольцевых перегородок, размещаемых внутри конического сита по его длине с постоянным или регулируемым в процессе вращения зазором между ними и поверхностью сита. На рис. 1 представлена схема ротора инерционной центрифуги со средством регулирования движения осадка в виде нескольких кольцевых перегородок и устройством их требуемого осевого смещения. Для дробления осадка перегородки могут быть снабжены гребенкой со стороны фильтрующей поверхности, а с внутренней стороны иметь сплошную стенку, огораживающую осадок в зоне фильтрования для снижения вентиляционного эффекта.

Данная центрифуга работает следующим образом. Суспензия, поступающая по питающему патрубку 4 на малое основание 9 конической фильтрующей поверхности 6, расслаивается на осадок и фильтрат. Фильтрат удаляется из ротора в приемник фильтрата 2, откуда самотеком выводится из корпуса 1. Частично обезвоженный осадок, встречаясь с кольцевой перегородкой 7, отбрасывается центробежными силами на фильтрующую

Рис. 1. Схема ротора центрифуги по патенту 2346954.

поверхность 6, приобретая окружную скорость ротора в этой радиальной координате. Наружные кольца 8, размещенные по ходу движения осадка сразу за внутренними кольцевыми перегородками 7, сбрасывают отфильтрованную жидкость с наружной поверхности фильтрующего сита, предотвращая тем самым ее повторное втягивание капиллярными силами в уже частично осушенный осадок. Приторможенный слой осадка проходит через зазор между кольцевыми перегородками 7 и фильтрующей поверхностью 6, продолжая интенсивно фильтроваться. На следующей, по ходу движения осадка, кольцевой перегородке 7 процесс повторяется. Осадок сбрасывается в приемник осадка 3, откуда выводится под действием собственного веса из корпуса 1.

Устройство осевого смещения перегородок штоком 5 может периодически смещать перегородки 7 к фильтрующей поверхности 6. Тогда осадок задерживается в кольцевом кармане на расчетное время фильтрации. После этого обратным осевым движением штока 5 данные перегородки смещаются, открывая зазор. Осадок сбрасывается в следующий кольцевой карман, где может осуществляться его промывка. Далее процесс повторяется.

Таким образом, по длине всей фильтрующей поверхности происходит интенсивная фильтрация жидкости из осадка, вследствие периодического принудительного прижатия осадка к фильтрующей поверхности. В результате чего интенсифицируется процесс обезвоживания осадка, улучшаются параметры получаемого продукта.

В главе 3 изложен материал по определению физико-механических характеристик крахмалосодержащих суспензий.

Экспериментально определяли коэффициенты трения

крахмалосодержащих суспензий по коническому ситу центрифуги.

Суспензия, раскрученная лопатками приемного устройства центрифуги, начинает течь по фильтрующей поверхности в условиях интенсивного разделения с образованием осадка. Эта стадия фильтрования, условно обычно называемая напорной, заканчивается примерно на первой трети длины

ю

конического сита. Большая длина этого участка может привести к проскоку фильтрата вместе с осадком. За этим участком осадок приобретает свойства, близкие к твердому телу, и продолжает перемещаться к широкому краю конического сита центрифуги. При этом процесс фильтрации существенно замедляется.

Для обеспечения движения осадка без проскальзывания по фильтрующей поверхности должно выполняться требование превышения половины угла раскрытия конического сита а над углом трения осадка по фильтрующей поверхности, который неизвестен для осадков крахмалосодержащих суспензий (рисунок 2).

При этом для унификации параметров сита этот угол должен быть определен общим для основных крахмалосодержащих суспензий.

Для определения коэффициента трения осадками крахмалосодержащих суспензий по поверхности сита использовали лабораторную установку, состоящую из пластины 1 с углублением, в которую помещали осадок 2 крахмалсодержащих суспензий (рисунок 3).

При измерении фиксировали силу 5, при которой начиналось движение пластинки 3, прижатой с усилием N по поверхности продукта. В качестве исследованных продуктов были осадки картофельной, пшеничной и ржаной

суспензий, суспензии сорго. Таким образом, моделировались реальные условия центрифугирования для определения значений определяемых коэффициентов треиия крахмалосодержащих суспензий по фильтрующей поверхности сита.

Значение коэффициента трения/осадков по коническому ситу вычисляли по формуле

где 5 - сила сдвига, /V - сила прижатия.

Получили графические зависимости изменения коэффициента трения и необходимого угла трения крахмалосодержащих суспензий с разным содержанием количества сухих веществ от давления, создаваемого центробежной силой. На рисунке 4 отражена часть результатов. Всего получено 27 аналогичных рисунков с графиками для различных видов крахмалосодержащих суспензий.

3

1 — пластина с углублением для суспензии 2— крачмалоеодержашая сусисичия

Рис. 3. Схема лабораторной установки.

Давление, Па

Влияние давления на изменение коэффициента трения картофельной суспензии с разным содержанием сухих веществ, %:

• 23,15 -23,75 4 24,35 - 24,95 - 25,55

23,15 23,75 24,35 24,95 25,55 Содержание сухих веществ, % Влияние содержания сухих веществ на изменение коэффициента трения картофельной суспензии при разном давлении Па:

♦ 55 Я65 а75 «85 &95 М05

0,6

о

еЁ

-е-

t о

0,4

0,3

0,2

0,1

её

55 65 75 85 95 105 Давление, Па

0,55

0,5

0,45

0,4

Ьй 0,35 0,3 0,25

¥ €4

>>

■ У

А*'

■г

40 42,7

Содержание сухих веществ, %

Изменение коэффициента трения от давления суспензии сорго с разным содержанием сухих веществ, %:

♦ 40 а 42.7

Влияние содержания сухих веществ суспензии сорго на изменение коэффициента трения при разном давлении, Па:

♦ 55 «65 Л, 75 * 85 Х95 «105

Начало рис. 4.

0,45

0,4

0,35

3 0,3 я •е-■е-

8 0,25

0,2

0,4 0,38 0,36

1 °'34

0

О. 0,32

1 °>3 | °-28

f °'26

| 0,24 0,22 оа

24 26 28 30 32 34 Содержание сухих веществ, %

Влияние содержания сухих веществ пшеничной суспензии на изменение коэффициента трения при разном давлении, Па: «55 «65 * 75 Х85 *95 «105

0,15

55 65 75 85 95 105 Давление, Па

Изменение коэффициента трения от давления пшеничной суспензии с разным содержанием сухих веществ,

%:

♦ 24 »26 -»28 *30 - 32 -34

0,34

#

65 75 85 Давление, Па

Изменение коэффициента трения от давления ржаной суспензии с разным содержанием сухих веществ, %:

20 22 24 26 Содержание сухих веществ,с

Изменение коэффициента трения ржаной суспензии от содержания сухих веществ при разном давлении, Па:

■ 20

■22

>24 *26 • 28

♦55 - 65 »75 «85 «95 «105

Окончание рис.4.

Вид полученных графиков позволил сделать следующее допущение: поскольку уменьшение значения коэффициента трения при увеличении давления составляет 10 - 15 %, поэтому будем считать осадок твердым телом, а определяемый коэффициент трения между осадками крахмалсодержащих суспензий и коническим ситом центрифуги поверхностным свойством осадков.

40 0,8 --------------------------1-------,-,-----;------

30 0,6 , -----;------------------

, 25 | 0,5 ----г-.........................................|.......—---------4-7..............|-

& р, " ^ ^ [ Суспензия сорго

«20 | 0,4 ; Т 1

с, Ржаная суспензия

*" I0'3 :...............................

Пшеничная суспскзкя

10 4.............................I------

5 о.1 |------I—-----------------4--

0 0 .........---------1...............—

55 65 75 85 95 105

Давленнг.Ш

Рис. 5. Влияние давления, создаваемого в роторе центрифуги, на коэффициент трения и угол трения крахмалосодержащих суспензий.

Исходя из графика (рисунок 5), следует, что для перемещения любой из исследованных видов крахмалсодержащих суспензий по коническому ситу центрифуги без зависания их осадков половина угла раскрытия конуса сита должна составлять не меньше 37°, а угол раскрытия конического ротора должен составлять 74°или несколько более.

Также, экспериментально определяли коэффициент проницаемости к осадка картофельной суспензии опытным путем, пропуская определенное количество жидкости через образец с заданными поперечными размерами. Для его определения при различных условиях центробежного фильтрования картофельной суспензии была создана лабораторная установка.

Картофельна ясуспензия

1

Суспензияс ерго

1 Ржаная суспензия

Пше нкчная суспензия

В ходе экспериментов получены зависимости влияния силы, имитирующей действие центробежных сил на осадок картофельной суснензии (рисунок 6) и перепада давления жидкости (рисунок 7), на коэффициент проницаемости осадка картофельной суспензии.

О 5 10 15

Сила прижания осадка, Н Рис. 6. Влияние силы прижатия на величину коэффициента проницаемости осадка картофельной суспензии при разном перепаде давления, кПа: #4 и 8 А12 «16

4 8 12 16

Перепад давления, кПа Рис. 7. Влияние перепада давления на величину коэффициента проницаемости осадка картофельной суспензии при разной силе прижатия осадка, Н: #0 «5 4 10 *15

По результатам эксперимента коэффициент проницаемости принят осредненной постоянной величиной для рассчитанных условий центрифугирования картофельной суспензии.

Он был принят равным к = 7,2-10"13 м2.

Экспериментально определяли значение открытой пористости осадка картофельной суспензии по методике, описанной в ГОСТ 26450.1-85. Породы горные. Метод определения коэффициента открытой пористости жидкостен асы щением.

Коэффициент открытой пористости 8 рассчитывают по формуле тъ-тх

•100%

(2)

тъ-т2

По расчетным данным получили зависимость (рисунок 8) изменения коэффициента открытой пористости от силы, сжимающей осадок при центробежном фильтровании.

в.-?

5 10 15

Сила, сжимающая осадок, Н

Рис. 8. Влияние силы, сжимающей осадок, на коэффициент открытой пористости.

В главе 4 изложен материал по выводу формул для расчета производительности процесса и времени безнапорной фильтрации в кольцевых карманах с осадком между коническим ситом и перегородками ротора фильтрующей центрифуги.

Представлены аналитические зависимости для центробежной безнапорной фильтрации осадка в кольцевом кармане конического ротора с учетом структурно-механических свойств осадка.

При центробежном фильтровании в кольцевом кармане конического ротора перед слоем осадка отсутствует напорное кольцо жидкости. Поэтому фильтрация в коническом роторе рассматривается как безнапорная (рисунок 9).

ч

Рис. 9. Схема ротора центрифуги с коническим ситом для вывода расчетных формул.

к ди к(02

--- + иг =--Г

V дt V

1д_ г дг

{ржгиг) = О

(3)

(4)

Решение дифференциального уравнения (3) движения жидкости в цилиндрических координатах в форме, предложенной Н.Е. Жуковским, совместно с уравнением неразрывности (4) и нахождение постоянных интегрирования проводим при граничных условиях, соответствующих

Л

отсутствию напорного кольца перед осадком — — 0 (безнапорная фильтрация)

дг

и скорости фильтрации в начальный момент времени, т.е. при

I = 0,иг(г, 0) = 0.

Тогда выражение радиальной скорости примет вид

18

и=г

Р»

ксо2 (, -Р->Л 1-е к

Расход жидкости через боковую поверхность сита определяется

У

_ 2п ксо2 (г23 -

Тру

С V \

1-е *

V

(6)

Поскольку для реальных условий процесса центробежной фильтрации

-В-!

величина е к «1, то объем отфильтрованной жидкости <2 за время г можно выразить

^ _ 2пксо2(г1 - г? )р1ёа д <7>

Используя выражение для Q, найдем время, за которое из осадка вытечет заданный объем жидкости. Если известно отношение объема жидкости в осадке ко всему объему осадка (объемная влажность осадка), то <2 = сг<2о, где а -коэффициент объемной влажности осадка, 20 ~ объем осадка. Кроме того коэффициент просветности ¡3 можно заменить в соответствии с теоремой, доказанной Жуковым, легко определяемым коэффициентом пористости е. Для типовых пищевых осадков они связаны по теореме Жукова В.Г. формулой (3 = е2/3. Тогда

Зод0у£2/ 3

'""2 лк^-г?)^ Ю

Дан пример расчета по формулам, приведенным выше.

На рисунке 10, изображен один из результатов расчета в виде трехмерной поверхности отклика зависимости объема £1 отфильтрованной жидкости (воды) в зависимости от времени фильтрации / и значения Г/ радиуса внутренней границы осадка при радиусе расположения периферийного края кольцевой перегородки г2=0,15 м.

Таким образом, экспериментальными исследованиями изучено влияние центробежной силы при фильтровании на коэффициент сквозной пористости

осадка картофельной суспензии. Средняя величина сквозной пористости равна 62%. Также показано, что в пределах изменений реальных значений центробежной силы во вращающемся сите коэффициент сквозной пористости можно принять с некоторой погрешностью постоянным.

Рис. 10. Зависимость объема отфильтрованной жидкости (воды) от времени фильтрации / и значения г, радиуса внутренней границы осадка.

В главе 5 представлены результаты эффективности процесса фильтрования проведенного на инерционной центрифуге, с ротором, снабженным устройством регулирования движения осадка в виде сплошных кольцевых перегородок.

Для проверки работы модернизированного ротора со средством для регулирования движения осадка были проведены сравнительные испытания традиционного и модернизированного ротора. В качестве сравнения определяли содержание сухих веществ в осадке после фильтрования в обоих роторах при разной исходной концентрации (12 — 27)% осадка. Экспериментальные данные приведены на рисунке 11.

Фактор разделения Фактор разделения

а) концентрация суспензии 12% б) концентрация суспензии 21 %

Рис. 11. Сравнительные зависимости содержания сухих веществ в осадке после разделения суспензии картофельной кашки с разной концентрацией в роторе традиционной центрифуги ■ и модернизированном роторе Щ.

Результаты подтверждают положительное влияние кольцевых перегородок. Их наличие приводило к пятнадцати - двадцатипроцентному увеличению содержания сухих веществ в осадках.

Основные результаты работы и выводы

1. Исследованы физико-механические свойства крахмалосодержащих суспензий, в результате получены значения коэффициента трения для осадков картофельной, пшеничной суспензии, суспензии сорго и ржи, и также коэффициентов проницаемости и пористости для осадка картофельной суспензии.

2. Определен требуемый угол наклона фильтрующей поверхности к оси вращения центрифуги для обеспечения движения осадка исследуемых видов крахмалосодержащих суспензий. Половина угла раскрытия конуса должна быть не менее 37°.

3. Установлено, что в пределах реальных нагрузок центрифугирования коэффициент проницаемости осадка картофельной суспензии практически не меняется от действия давления фильтруемой жидкости, а от силы со стороны

самого осадка уменьшается незначительно. Определена его средняя величина, равная к = 7,2-10"13 м2.

4. Определена средняя пористость осадка картофельной суспензии, составившая е = 0,62.

5. Подтверждено существенное влияние средства регулирования движения осадка в роторе на увеличение содержания сухих веществ в осадке, т.е. снижения его конечной влажности.

6. Получены формулы для расчета производительности и времени центрифугирования осадка в роторе конической центрифуги с перегородками.

7. Результаты работы приняты к использованию на Кореневском экспериментальном заводе при разработке инерционной центрифуги с коническим ситом.

Список публикаций по теме диссертации Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Жуков В.Г., Никифоров JIJI., Хорунжева O.E., Чечиков И.В. Расчет оборудования для очистки сточных вод от грубодисперсных примесей [Текст] // Известия вузов. Пищевая технология. 2011. №1(319). С.79-82.

2. Жуков В.Г., Никифоров JIJI. Константинов С.Н., Хорунжева O.E. Расчет сорбционных фильтров [Текст] // М. Мясная индустрия. 2012. №3. С. 56 -58.

3. Жуков В.Г. Хорунжева O.E. Коэффициент проницаемости осадка картофельной суспензии [Текст] // Хранение и переработка сельхозсырья. № 1. 2014. С 7-9.

4. Жуков В.Г., Хорунжева O.E., Чесноков В.М. Расчет параметров центрифугирования картофельной кашки в конической центрифуге [Текст] // Хранение и переработка сельхозсырья. № 4. 2014. С.

Патенты РФ на изобретешь

5. Патент 2346953 Российская Федерация МПК7 С08В 30/02, 30/00. Устройство для разделения суспензий, преимущественно крахмалосодержащих

[Текст] / В.Г.Жуков, Н.Д.Лукин, В.Г.Костенко, О.Е.Хорунжева ; заявл. 07.11.2007; опубл.: 20.02.2009. бюл. № 5.

6. Патент 2346954 Российская Федерация МПК7 С08В 30/02, 30/00. Устройство для разделения суспензий, преимущественно крахмалосодержащих [Текст] / В.Г.Жуков, Н.ДЛукин, ВГ.Костенко, О.Е.Хорунжева ; заявл.07.11.2007; опубл.: 20.02.2009. бюл № 5.

7. Патент 2373221 Российская Федерация МПК7 С08В 30/02 В02С 18/06. Устройство для измельчения крахмалсодержащего сырья [Текст] / В.Г.Костенко, Н.Р. Андреев, Н.ДЛукин, В.Г.Жуков, О.Е.Хорунжева, Л.В.Кривцун; заявл. 29.12.2008; опубл.:20.11.2009. бюл № 32.

8. Патент 2389733 Российская Федерация МПК7 С08В 30/02, 30/04. Устройство для разделения суспензий, преимущественно крахмалосодержащих [Текст] / В.Г.Жуков, Н.Д.Лукин, В.Г.Костенко, О.Е.Хорунжева; заявл. 29.12.2008; опубл.: 20.05.2010. бюл. № 14.

9. Патент 2422463 Российская Федерация МПК7 С08В 30/02. Устройство для разделения суспензий, преимущественно крахмалосодержащих [Текст] / В.Г.Жуков, Н.ДЛукин, В.Г.Костенко, О.Е.Хорунжева; заявл. 11.12.2009; опубл. 27.06.2011. бюл.№ 18.

10. Патент 2422464 Российская Федерация МПК7 С08В 30/02. Устройство для разделения суспензий, преимущественно крахмалосодержащих [Текст] / В.Г.Жуков, Н.ДЛукин, В.Г.Костенко, О.Е.Хорунжева; заявл. 11.12.2009; опубл. 27.06.2011. бюл. № 18.

11. Патент 2455313 Российская Федерация МПК7 С08В 30/04. Устройство для разделения суспензий, преимущественно крахмалосодержащих [Текст] / В.Г.Жуков, В.Г.Костенко, Н-ДЛукин, О.Е^Хорунжепа, М.Ю.Коренков; заявл. 22.12.10; опубл.10.07.2012. бюл. № 19.

12. Патент 2461573 Российская Федерация МПК7 С08В 30/00. Способ определения качества картофеля, используемого для переработки на крахмал [Текст] / В.Г.Жуков, Н.ДЛукин, В.Г.Костенко, О.Е.Хорунжева; заявл. 28.12.10; опубл.20.09.2012. бюл. № 26.

Статьи, опубликованные в сборнике материалов конференции

13. Костенко В.Г., Кривцун JI.B., Ладыгина Е.А., Жуков В.Г., Хорунжева O.E. Изучение структурно-механических свойств ржаной кашки [Текст] // Сб. тр. МГУПП "Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности М.: МГУПП, 2006. С.155-159.

14. Костенко В.Г., Кривцун Л.В., Ладыгина Е.А., Жуков В.Г., Хорунжева O.E. Изучение структурно механических свойств картофельной кашки и мезги [Текст] // Сб. материалов научно-практической, конференции "Интеграция фундаментальных и приклад1гых исследований - основа развития современных аграрно-пищевых технологий. Углич: 2007. С. 171-172.

Список обозначений dl — ширина бесконечно узкой конической поверхности, м; ds - площадь бесконечно узкой конической поверхности, м2;/- коэффициент трения, б/р; к - коэффициент проницаемости, м2; N — сила прижатия, Н; т - масса, кг; Р -модифицированное давление, Па; р - давление в жидкости, Па; Q - объем отфильтрованной жидкости, м3; Q0 - объем всего осадка, м3; q - расход жидкости, м3/с; г - радиальная координата точки жидкости, м;S- сила сдвига, Н; / - время, с; иг- радиальная скорость жидкости в осадке, м/с; z - ось вращения; а - половина угла раскрытия конического сита, град; ß -коэффициент просветности, б/р; s - коэффициент пористости, б/р; ц-коэффициент динамической вязкости жидкости, Па-с; v - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с; а - коэффициент объемной влажности осадка по свободной влаге, б/р; р - плотность жидкости, кг/м3; со - угловая скорость барабана центрифуги, рад/с.

Подписано в печать:

29.07.2014

Заказ № 10141 Тираж -120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 wwvv.autoreferat.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ»

На правах рукописи

04201460412

ХОРУНЖЕВА ОЛЬГА ЕВГЕНЬЕВНА

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОТЫ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЦЕНТРИФУГИ С КОНИЧЕСКИМ СИТОМ ДЛЯ КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩИХ СУСПЕНЗИЙ

Специальность: 05 Л 8.12 - Процессы и аппараты пищевых производств Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Жуков В.Г.

Москва -2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение......................................................................................... 5

Глава 1. Литературный обзор............................................................... 11

1.1. Обзор процессов механического разделения высоконаполненных

суспензий пищевых производств......................................................... 11

1.1.1 .Осаждение................................................................................ 12

1.2.1.Фильтрование............................................................................. 14

1.2. Обзор применяемых центробежных роторных аппаратов для разделения высоконаполненных суспензий пищевых производств.............................. 16

1.3. Физико-механические свойства крахмалосодержащих суспензий и

осадков, определяющие их механическое разделение................................. 30

1.3.1. Физические свойства крахмалосодержащих суспензий...................... 30

1.3.2. Фильтрационные свойства........................................................... 34

1.4. Обзор аналитических решений процесса центробежного фильтрования..... 41

1.5. Заключение и выводы по литературному обзору................................. 49

Глава 2. Разработка роторов фильтрующих центрифуг с интенсивным разделением.................................................................................... 50

2.1. Выработка направления в совершенствовании фильтрующей центрифуги

для высоконаполненных суспензий....................................................... 50

2.2. Усовершенствование центрифуги с коническим ситом и возможностью осевого движения перегородок............................................................. 50

2.3. Варианты конструкций................................................................. 54

2.4. Заключение и выводы по главе 2..................................................... 60

3. Исследование физико-механических характеристик крахмалосодержащих суспензий с определением основных параметров, необходимых для

организации процесса их центрифугирования.......................................... 61

3.1. Экспериментальное определение углов трения крахмалосодержащих суспензий........................................................................................ 61

3.1.1. Картофельная суспензия............................................................................................................................65

3.1.2. Зерновые суспензии........................................................................................................................................73

3.1.2.1. Сорго........................................................................................................................................................................73

3.1.2.2. Пшеница................................................................................................................................................................78

3.1.2.3. Рожь..........................................................................................................................................................................82

3.1.3. Выводы по экспериментальному определению углов трения крахмалосодержащих суспензий......................................................................................................................87

3.2. Экспериментальное определение коэффициента проницаемости крахмалосодержащих суспензий........................................................................................................................87

3.3. Экспериментальное определение коэффициента пористости крахмалосодержащих суспензий......................................................................................................................91

3.4. Заключение и выводы по главе 3............................................................................................................93

Глава 4. Аналитические исследования процесса центробежной фильтрации в

коническом роторе......................................................................................................................................................94

4.1. Обоснование исходных уравнений и решение............................................................................94

4.2 Пример расчета с обоснованием правильности выбранных нагрузок для

экспериментального определения коэффициентов и результатами расчетов..........100

4.3. Заключение и выводы по главе 4............................................................................................................105

5. Сравнительные эксперименты центрифуг с коническим ситом....................................103

5.1. Создание экспериментальной установки........................................................................................103

5.2. Проведение сравнительных исследований..................................................................................105

5.3. Анализ полученных результатов............................................................................................................106

5.4. Заключение и выводы........................................................................................................................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ............................................................................................111

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................................................112

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ..............................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................................130

Приложение 1 ....................................................................................................................................................................128

Приложение 2......................................................................................................................................................................133

Приложение 3..................................................................................................................................................................139

Приложение 4....................................................................................................................................................................144

Приложение 5....................................................................................................................................................................150

Приложение 6....................................................................................................................................................................155

Приложение 7....................................................................................................................................................................160

Приложение 8....................................................................................................................................................................165

Приложение 9....................................................................................................................................................................168

Приложение 10..................................................................................................................................................................170

Приложение 11..................................................................................................................................................................172

Приложение 12..................................................................................................................................................................174

Приложение 13..................................................................................................................................................................176

Приложение 14..................................................................................................................................................................178

Приложение 15..................................................................................................................................................................180

Приложение 16..................................................................................................................................................................182

Приложение 17..................................................................................................................................................................184

Приложение 18..................................................................................................................................................................186

Приложение 19..................................................................................................................................................................188

Приложение 20..................................................................................................................................................................190

Приложение 21..................................................................................................................................................................192

Приложение 22..................................................................................................................................................................194

ВВЕДЕНИЕ

При походе в магазин покупатели обращают внимание на ингридиенты тех продуктов, которые собираются купить. Так, в состав многих продуктов питания входит крахмал или его составляющие. В основном его применяют в мясной промышленности для производства мясных продуктов и полуфабрикатов [102], в кондитерской промышленности [66] для производства мармелада, пастилы, тортов, различных десертов, в молочной промышленности [78] для производства сметанных продуктов, йогуртов, низкокалорийных майонезов, мороженого, маргарина, кефирных напитков, сгущенных молочных продуктов, плавленых сыров. В птицеводстве [68, 122] он используется в качестве кормовых добавок богатых белком. Помимо пищевой промышленности крахмал и его производные применяются в бумажной промышленности [133], которая является крупнейшим потребителем крахмала. Различные виды крахмала используются для повышения качества бумаги, для изготовления упаковочного материала, составов для изготовления одноразовой посуды. Крахмал распространен также как основа для производства клея. Из-за неспособности поддерживать патогенную среду крахмал, в основном кукурузный, используется в фармацевтической промышленности [130]. Его добавляют в качестве связующего при прямом прессовании при изготовлении таблетированных лекарственных средств, а также для получения определенной массы таблетки. В текстильной промышленности [95] модифицированные крахмалы применяются для шлихтования, аппретирования и приготовления загущающих составов. Поэтому крахмал является одним из главным составляющих производства вышеперечисленных отраслях промышленности.

Область использования крахмала продолжает увеличиваться в основном за счет расширения его применения в пищевой промышленности с целью повышения технологических и в ряде случаев пищевых свойств продуктов, а также для снижения их себестоимости. При стабильном росте потребления крахмала и наличии широкой номенклатуры оборудования для его получения важным

направлением является повышение эффективности работы существующего оборудования. Поскольку технологическое оборудование часто обычно предназначено для обработки лишь конкретного вида сырья, повышение эффективности его работы достигается совершенствованием организации процессов за счет модернизации оборудования и его универсализации и имеет скрытые резервы его совершенствования.

Среди технологических процессов переработки крахмалосодержащего сырья, одно из главных мест занимает выделение зерен крахмала из измельченного крахмалосодержащего сырья механическим разделением [131]. На этой стадии за счет модернизации оборудования имеются широкие возможности в направлении регулирования производительности, автоматизации, обеспечения сохранности свойств получаемого продукта, универсализации оборудования для обработки различных суспензий со схожими характеристиками.

В этой области исследований интересен вопрос разделения высоконаполненных суспензий типа крахмалосодержащего сырья на фильтрующих центрифугах с коническим ситом, позволяющих осуществлять непрерывный процесс разделения и выделения крахмала. При этом они имеют существенные возможности для повышения эффективности их работы, о чем свидетельствуют многочисленность и непрерывность появления все новых их модификаций и соответствующих им расчетных методик [62].

Целью работы является повышение эффективности работы центрифуги с коническим ситом для крахмалосодержащих суспензий.

Основные задачи исследования

- На основе анализа литературного обзора по существующим конструкциям центрифуг с коническим ситом для крахмалосодержащих суспензий выявить направление интенсификации их работы.

- Усовершенствовать конструкцию конического сита фильтрующей центрифуги для интенсификации ее работы.

- Исследовать коэффициент трения осадков крахмалсодержащих суспензий по коническому ситу фильтрующей центрифуги для определения угла раскрытия конической поверхности сита.

- Определить коэффициент проницаемости осадка картофельной суспензии, являющийся расчетным параметром процесса фильтрации.

- Определить коэффициент пористости осадка картофельной суспензии, являющийся расчетным параметром процесса фильтрации.

- Получить расчетные формулы для определения производительности и времени безнапорной фильтрации в усовершенствованном роторе фильтрующей центрифуги с коническим ситом.

- Провести экспериментальное сравнение работы конической фильтрующей центрифуги с традиционным и усовершенствованным роторами, подтверждающее целесообразность предложенного направления совершенствования центрифуги.

Научная новизна работы

- Выявлены основные причины, ограничивающие эффективное использование центрифуг с коническим ситом, и определено направление совершенствования их конструкций.

- Разработаны усовершенствованные конструкции роторов инерционных центрифуг для интенсификации их работы.

- Экспериментально определены коэффициенты трения осадков основных крахмалсодержащих суспензий (картофель, сорго, пшеница, рожь) по фильтрующей поверхности конического сита центрифуги. На основе полученных данных определен необходимый угол раскрытия конической поверхности сита центрифуги для обеспечения движения осадков отмеченных выше суспензий крахмалосодержащего сырья без зависания на фильтрующей поверхности.

- Экспериментально определен коэффициент проницаемости осадка картофельной суспензии в условиях действия инерционных сил в роторе центрифуги.

- Экспериментально определен коэффициент пористости осадка картофельной суспензии в условиях действия инерционных сил в роторе центрифуги.

- Получены аналитические формулы расчета производительности процесса и времени безнапорной фильтрации в кольцевых карманах с осадком между коническим ситом и перегородками ротора фильтрующей центрифуги.

Практическая значимость работы

- Получено 6 патентов на усовершенствованные конструкции роторов фильтрующих центрифуг с инерционной выгрузкой осадка, и 2 патента по сопутствующей тематике.

- Разработаны устройства регулирования движения осадка по фильтрующей поверхности конического сита центрифуги.

- Определен угол раскрытия конической фильтрующей поверхности сита центрифуги для обеспечения движения по ней осадка исследованных крахмалсодержащих суспензий без зависания.

- Получены формулы для расчета производительности процесса и времени безнапорной фильтрации осадка в кольцевых карманах фильтрующей центрифуги с коническим ситом.

- Результаты работы применены при создании конструкции опытного образца центробежного конического сита на Кореневском экспериментальном заводе, входящем в состав ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов.

Апробация работы

По результатам выполненных исследований опубликовано 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, а также получено 8 патентов, список которых приведен в конце автореферата.

Результаты исследований были представлены на конференциях: IV Международная научно-практическая конференция «Аналитические методы измерений и приборы в пищевой промышленности», г. Москва, 2006; научно-практическая конференция «Интеграция фундаментальных исследований - основа развития современных аграрно-пищевых технологий», г. Углич, 2007.

Предмет и методы исследования

Предметом исследования явились конструкции фильтрующих центрифуг и подлежащее разделению в них крахмалосодержащее сырье. Методы исследования основывались на традиционных экспериментальных методиках, современной приборной технике, современном представлении гидродинамики и аналитического описания фильтрационных потоков в роторах фильтрующих центрифуг.

На защиту выносятся:

- выбранное направление интенсификации работы фильтрующих центрифуг с коническим ситом;

- полученные количественные характеристики параметров осадков крахмалосодержащего сырья для организации и расчетов эффективного процесса центробежного фильтрования в центрифугах с коническим ситом и кольцевыми перегородками;

- формулы расчета производительности и времени безнапорной фильтрации, характерной для условий поведения осадка как пористого тела в большей части конического сита.

Достоверность полученных результатов основывается на проработке литературных источников по исследуемой теме, применении традиционных экспериментальных методик, современной приборной технике, современном представлении гидродинамики и аналитического описания фильтрационных потоков в роторах центрифуг, а также сравнительными экспериментами, подтверждающими перспективность применения кольцевых перегородок в коническом сите.

Структура и объем работы

Объем диссертации составляет 194 страниц, включающих 52 рисунка, 15 таблиц, 150 литературных источников, включающих 12 собственных публикаций и патентов. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов списков литературы и обозначений и приложений.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В технологии крахмала одной из основных операций является выделение зерен крахмала из крахмалосодержащей суспензии, которое можно осуществлять фильтрующих центрифугах [5, 73]. Для их эффективного использования в процессе разделения необходимо знать свойства обрабатываемых суспензий и получаемых после обработки осадков. При разнообразии свойств, обрабатываемых материалов, для фильтрования в центрифугах необходимо знать те свойства, которые напрямую связаны с движением продукта по рабочей поверхности аппарата [6] и его фильт�