автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка центрифугального метода регенерации отработанных масел и очистки жиров пищевых производств

\ 1 №

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

На правах рукописи

АТАБАЕВ Акбар Бабаджанович

РАЗРАБОТКА ЦЕНТРИФУГАЛЬНОГО МЕТОДА РЕГЕНЕРАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ МАСЕЛ И ОЧИСТКИ ЖИРОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальность 05.18.12 процессы.машины и агрегаты

пищевой промышленности

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических «наук

Москва 1995

Работа выполнена в Московской государственной академии прикладной биотехнологии на кафедре "Сопротивление материалов, расчеты и конструирование пищевых машин".

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и

техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор СОКОЛОВ В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ИКОРОПАД Д. Е.

кандидат технических наук БЕЛОУСОВ А.Н.

Ведущее предприятие - АОЗТ "Хладопродукт", г. Москва.

Защита состоится /и^Ь^ 1995 года в час.

на заседании диссертационного Совета К 063.46.01 при Московской государственной академии прикладной биотехнологии по адресу: 109316, г. Москва, Ул. Талалихина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПБ.

Автореферат разослан /Ссл/^«^ Г99з года.

Ученый секретарь диссертационного Совета, к.т.н., доцент

ЗАБА2ГА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. К настоящему времени (за последнее десятилетие) в нашей стране было создано несколько установок для регенерации отработанных масел холодильных установок мясо-молочных производств. Однако они не получили широкого распространения из-за их относительной дороговизны и недефицитности масел. В последнее время резко увеличился дефицит масел, и холодильные участки производств часто вынуждены намного перерасходовать ресурс работы масел, что обусловливает уменьшение ресурса эксплуатации компрессоров. Наладить быстрый выпуск регенерационных установок достаточно сложно, и механические службы предприятий вынуждены, сами обеспечивать регенерации масел, бывших в употреблении.

Для предприятий мясо-молочной промышленности существует также проблема очистки животных жиров, сыворотки, бактериальных высокодисперсных суспензий.

Однако эти технические операции недостаточно' разработаны и апробированы в отрасли. В связи с этим возникла необходимость в поиске принципиально новых решений проблем очистки и регенерации суспензий.

Цель исследования. Целью диссертации являются:

- разработка нового метода очистки высокодисперсных суспензий с помощью сепараторов, в которых пакет стандартных тарелок заменен гибкой, конически усеченной спиральной вставкой из полимерного материала;

- разработка теории и экспериментальная проверка процесса в новом сепараторе;

- решение некоторых практических задач мясо-молочной промышленности, в частности - задачи центрифугальной регенерации отрабо-

7

тайных масел холодильных установок и очистки жиров животного происхождения с применением спирального сепаратора;

- теоретический анализ возможностей созданий специальных спиральных сепараторов с высоким фактором разделения.

Научная новизна работы. До настоящего времени ни конструкции, ни теории расчета сепараторов с конически усеченными и сферическими спиральными вставками не существовали. Поэтому разработки в этой области являются новыми и оригинальными.

(Для изобретенной конструкции сепаратора с конически усеченной спиральной вставкой получено положительное решение на выдачу патента Российской Федерации.)

Разработана новая конструкция центробежного сепаратора со сферически усеченной спиральной вставкой. Предложен способ изготовления профиля развертки сферически усеченной спиральной вставки.

Для разработанных конструкций сепараторов со спиральными конически усеченными вставками впервые выведена формула для расчета значения индекса производительности и произведена ее экспериментальная проверка.

На основании разработанных программ для ПЭВМ и выведенных формул установлена зависимость индекса производительности сепаратора от основных параметров спиральной вставки.

Практическая ценность. В результате экспериментальной проверки двухступенчатой очистки отработанных масел и жиров практическая задача очистки"оказалась решенной, и была доказана возможность регенерации отработанных масел холодильных установок и очистки жиров собственными средствами мясо-молочных комбинатов, которые обычно

широко оснащены центробежными сепараторами и центрифугами. 2

Выявлено также и особо важное значение применения нетарельчатых сепараторов со спиральными вставками, выполненными из комбинированного полимерного материала. Это актуально для выделения из суспензий вредных или радиоактивных материалов, уничтожение или обработка которых может или должна производиться вместе со спиральным элементом.

Апробация .работы. Разработанная регекерациокная установка применена в производственных условиях АОЗТ "Хладопродукт" г. Мое-: квы и АО "МИКОМС".

Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на Всероссийском совещании "Техника и технология пищевых производств" (г. Санкт-Петербург", 1993 год).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, выводов и приложений. Работа изложена на ^& страницах машинописного текста, содержит рисунков и ¡7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе диссертации произведен анализ современной проблемы очистки отработанных масел предприятий мясо-молочной промышленности. Рассмотрены способы очистки отработанных масел с помощью, фильтрования, центрифугирования, промывки масел водой. Доказано, что центробежные методы очистки отработанных масел для предприятий отрасли являются наиболее эффективными с учетом наличия

огромного парка центрифугальной техники, применяемой для осаждения и разделения.

Вторая глава посвящена выбору технологической схемы регенерации отработанных масел холодильных установок предприятий мясомолочной промышленности; включающей центрифугирование.

Разработана и исследована регенерационная схема, представленная на рис. I, предусматривающая использование спирального сепаратора.

Для испарения паров аммиака и воды из отработанного масла предложен простейший безконтактный нагреватель. На стадии предварительной грубой очистки рекомендована фильтрующая центрифуга -МГ-350, вместо которой, однако, возможно применение и других конструкций центрифуг или фильтров..

Тонкая очистка предложена посредством применения только сепаратора со спиральной, конически усеченной вставкой. Такой сепаратор способен обеспечивать гибкость технологических линий,не только осуществляющих Счистку отработанных масел холодильных установок.

В третьей главе изложены результаты исследований по разработке специальной конструкции центрифуг для тонкой очистки суспензий.

Создана специальная конструкция на базе стандартного сепаратора для молока (см. рис. 2 и 3), в котором пакет металлических тарелок заменен конически усеченной спиральной вставкой, выполненной из полимерного комбинированного материала, используемого в отрасли для упаковки молока и молочной продукции.

Рис. I . Схема регенерации отработанных масел холодильных установок предприятий мясо-молочной промышленности:

I - емкость для нагрева; 2 - адсорбер; 3 - емкость для дзмульгатора; 4 - сепаратор с пакетом металлических тарелок; 5 - фильтрующая центрифуга; б - сепаратор, вмонтированный спиральной вставкой; 7 - емкость регенерированного масла; 8 - масляный насос; 9 - кран.

вмонтированной конически усеченной

спиральной вставкой:

I - основание; 2 - входной канал; 3 -крышка; 4 - выходной канал; 5 - камера разделения; 6 - вставкодержатель; 7 -конически усеченная спиральная вставка.

Рис. 3. Развертка конически усеченной спиральной вставки:

Н - максимальная высота спиральной вставки; минимальная высота спи-, ральной вставки; £ - длина (развертки).

Установка работает следующим образом. Исходная суспензия, например, отработанное масло, поступает по входному каналу Z через отверстие вставкодержателя в камеру разделения 5 и распределяется по каналам, образованным витками спиральной вставки. Под действием центробежных сил твердая фаза,содержащаяся в суспензии, осаждается на внутренней поверхности спиральной вставки, а поток осветленной суспензии движется по каналам спирали аксиально и выводится из ротора через выходной канал 4, расположенный на крышке ротора 3. После работы разделительная вставка 7 извлекается из ротора вместе с осад-ком~и уничтожается - например, сжигается.

На созданную конструкцию получено положительное решение о выдаче патента Российской Федерации на изобретение по материалам заявки № 93-03-06 42/13, текст которой приведен в главе.

Для изобретенной конструкции сепаратора с конически усеченной спиральной вставкой впервые разработана методика расчета индекса производительности, основанная на правиле Соколовых. При ее использовании в выражении правила расчета индекса производительности Соколовых ,

5=-^- ш

найдено значение V- суммарного объема ограниченных полными цилиндрическими витками и частью витков конически усеченной спиральной вставки. В формуле (I) - угловая скорость,^ - ускорение свободного падения.

Дня установления.закономерностей, влияния дараметров. спиральной вставки рассечем ее плоскость» по оси вращения (рис. 4) и примем следующие обозначения:

2 - расстояние между витками;

Я, - радиус вставкодержателя;

Я, - радиус, начиная с которого уменьшается высота спирали;

Я.,А„,Н - наибольший радиус, минимальная и наи-3 к большая высота спиральной вставки;

Ък - тангенс угла наклона к оси вращения

® конической поверхности.

усекающей спиральную вставку; угловая переменная Архимедовой спирали.

Рис. 4.

Выразим высоту конически усеченной спиральной вставки через ее радиус из треугольника АБС (рис. 5):

' Рис. 5.

Высота спиральной вставки ¿с при текущем значении радиуса

Я >Я2

Следовательно:

^ _ Г ^ "рм Л ^

С * Ьес при ЯЬ^и

Анализируя задачу в цилиндрической системе координат, необходимо проинтегрировать выражение

. 4 гс

((~ (2)

Л о ^ о'

Находя пределы интегрирования по угловой переменной на основании уравнения спирали Архимеда и условий изготовления конической усеченной спиральной вставки, находим:

е.

М&^гУ'^^-У* <3) ё"

Проинтегрировав выражение (3) и поставив полученный результат в выражение Ш.тлучим значение^цля центробежного сепаратора с конически усеченной спиральной вставкой в следующем виде:

Выведенная формула для.расчета ¿1. спиральных конически усеченных вставок может быть использована также для оценок результатов очистки от дисперсных частиц различных жидкостей, используемых ь пищевой промышленности.

В четверток главе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований, грубой и тонкой очистки отработанных масел холодильных установок.

Зпспери<№нти проводились для стадии грубой очистки на фильтрующей полупрс/ышленной центрифуге МГ-ЗЬО с применением намывного слоя (смесь каолина с карьерным песком), а для стадии тонкой очистки испол зовался. специальный стенд (см. рис. I), включающий в себя специально смонтированный спиральный малолитражный сепара-тор-сливкоотделител'ь "Плава-Э" (рис. 6),

В таблице I приведены результаты дисперсионного анализа,полученные на перво;1 ступени очистки, а в таблице 2 - результаты, полученные на второй ступени очистки.

Для дисперсионного анализа впервые при исследовании результатов центрифугального разделения, был применен прибор "Автоматический анализатор изображения Llife Tas PLUS ".

Данные таблицы I свидетельствуют об эффективности применения для первой ступени очистки фильтрующих" центрифуг с намывным слоем.

Данные таблицы 2 свидетельствуют об эффективности применения для второй ступени тонкой очистки сепараторов с конически усеченными спиральными вставками.

Так как спиральная вставка представляет собой гибкую ленту, витки которой могут деформироваться и возможно нарушение геометрических характеристик спирали, была проведена экспериментальная проверка теоретически полученной величины индекса производительности для центробежного сепаратора "Плава - Ъ1', вмонтированного 10

Результаты дисперсионного анализа загрязнений отработанного масла холодильных установок на первой ступени - грубой очистки

Относительное количество частиц в масле

Диаметр частиц, мкм ; исходное : поело центрифугирования в роторе фильтрующей цент рифупи

0 = 100 л/ч : 0 = 75 л/ч : о = 50 л/ч

I : Д ; I : л : I : п

0,46 174 213 124 222 121 201 158

1,37 217 38 49 60 82 75 23

2,29 65 34 9 15 6 3 2

3,20 28 13 I . 7 3 , I I

4,П 7 7 0. 2 I ' 0 0

5,03 3 I 0 I 0 2 0

5,94 3 I 0 0 0 0 0

б,86 I I I I I I . I

7,77 2 I 0 0 0 I 0

8,68 I I 0 I 0 I 0

9,60 2 0 0 I I I 0

10,51 0 0 0 0 0 I 0

0,46-10,51 503 370 184 310 215 287 185

Примечание: I - ротор фильтрующей центрифуги без намывного слоя;

Е - ротор фильтрующей центрифуги с намывным слоем.

Результаты дисперсионного анализа загрязнений до и после очистки масла на второй ступени ее очистки

Диаметр час-

Относительное количество частиц в масле после центрифугирования в роторе сепаратора "Плава-Э".

тиц, МКМ ' ■ исходное: 0 - 50 л/ч : 0 = 40 л/ч : 0 = 20 л/ч : о = 10 л/ч : о = 5 л/ч

I : и : I : Д : I 1 л ; I : л : I : Л

0,46 466 146 323 486 236 199 III 122 93 82 102

1,37 233 39 91 174 21 94 36 36 26 17 15

2,29 97 17 26 23 9 29 5 23 4 I 7

3,20 12 7 4 7 2 5 3 4 0 0 0

4,11 0 2 I 3 0 I 0 0 - - -

5,03 I I 0 I - 0 - - - -

5,94 I I - 0 - - - - - .' - -

6,86 о 0 - - - - - - - - -

0,46-6,86 810 213 445 694 . 268 328 155 185 123 100 124

Примечание: I - сепаратор со спиральной конически усеченной вставкой;' П - сепаратор с пакетом конических тарелок.

и

конически усеченной спиральной вставкой. При этом воспользовались следующими характеристиками:

I = 4 мм, ^ = 4,5 мм,Аг= 25 мм,^ = 44 мм, Л = 200 с-1, СО = 1257 рад/с, 56°.

Ддк проверки расчетных формул был разработан способ экспериментального опрёделения значения , и в таблице 3 приведены полученные расчетные данные. Методика разработанного способа приводится в данной главе диссертации.

Таблица 3

Крупность разделения и другие данные для экспериментального определения индекса производительности центробежного сепаратора со спиральной конически усеченной вставкой (I) и с пакетом конических тарелок (П)

Производительность, л/ч Крупность разделения, мкм : ^отар^тар^: ( А|й)

: а :

50 3,43 2,52. 43,39 169

40 2,57 2,06 . 36,21 \ 180

20 2,52 2,06 72,42 125

10 2,06 1,60 87,80 94

5 1,60 1,60 175,00 70

На основании полученных данных (табл. 3) с использованием метода медианной фильтрации найдено среднее"значение экспериментально определенного индекса производительности:

2 эксп = 130 м2,

а теоретическое значение индекса производительности, рассчитанное ло формуле (4):

2 теоп

127 м2.

Погрешность экспериментального определения индекса производительности по сравнению с теоретически рассчитанным значением составила :

в = 2,4-Й.

Такое отклонение вполне допустимо для инженерных целей.

Исследована работа конически усеченной спиральной вставки на длительность. В таблице 4 приведена данные дисперсионного анализа, полученные после центрифугирования отработанного масла, которые свидетельствуют о незначительных изменениях результатов осаждения в зависимости от времени работы спиральной вставки.

Таблица 4

Результаты дисперсионного анализа загрязнений масла при различной длительности работы конически усеченной спиральной вставки

Диаметр частиц, мкм

Относительное количество частиц в масле после центрифугирования 30 мин: 60 мин: 90 мин!" 120 :,шн'1д0 мин;180 мин

0,46 276 lib 94 104 90 103 112

1,37 76 25 31 27 21 24 34

2,29 18 I 4 2 13 0 4

3,20 I 0 I ^ 7 0 2

4,П 3 0 0 I 2 0 0

5,03 0 0 I 0 0 J 0

5,94 3 0 0 0 i 0 0

6,86 I 0 0 0 0 и 0

7,12 • 0 0 0 0 0 0 0

0,46-7,12 378 142 131 134 134 127 152

На основании разработанной математической модели центробежного сепаратора с конически усеченной спиральной вставкой и составленных программ на ПЭШ установлена зависимость индекса производительности ¿Ё от основных параметров спиральной вставки (£,/?). На основании зависимостей,представленных на рис. 7 и 8, путем применения спиральных конически усеченных вставок и изменения шага вставки и диаметра ротора сепаратора можно достичь необходимой степени очистки для различных продуктов.

15оо

1000

=343 къ

о

(мг)

- _ л -

-- — — ---( ^ и

/-1

-

—<

0,601 от от аран от ощ ш о,т чоо$ Ф> £ ^

Рис. 7. Зависимости индекса производительности от шага спиральной вставки{£.), полученные на сепараторах "Ллава-Э"-1 и "ОСГБ-ОЗ"- П приспособленных' к применению конически усеченной спиральной вставки:

<Е к>т - индекс производительности сепаратора с пакетом конических тарелок; . сп в - индекс производительности сепаратора со спиральной вставкой.

Рис. 8. Зависимость индекса производительности спирального сепаратора от изменения максимального радиуса спиральной вставки (), при увеличении Д от 0,04 м до

0,08 м (сепаратор "Плава-Э"):

- индекс производительности сепаратора; ^ - максимальный радиус спиральной вставки.

В пятой главе диссертации приведены результаты экспериментальной проверки эффективности применения разработанной конструкции сепаратора со спиральной вставкой для очистки свиного жира, имеющего технологические характеристики (определяющие процесс центрифугального разделения), близкие к минеральным маслам.

Установлено, что с применением спирального сепаратора достигается

требуемая очистка жира от остатков шквары, исходное содержание которой в жире составляет от 0,1 до 0,5 %. При этом очищенный жир соответствует высшему сорту согласно ГОСТа 25292-82.

В связи с актуальностью проблемы обработки высокодисперсных систем биотехнологии (сыворотки, бактериальных жидкостей), требующей обеспечения высокого фактора разделения центрифуг, теоретически изучена возможность создания специальных сепараторов с

. ИРЗЦНОСТНйЯ

высоким фактором разделения. Для этого произведенаУоценка ротора сферической формы (рис. 9), позволяющей повышать /г.

Принимая центр кривизны на оси вращения, воспользуемся без-.даментной теорией оболочек, тогда для сферического ротора (рис. 9) "равнение Лапласа будет иметь вид:

о Р

2 1 = Т (5>

где: - окружное на:/ря~оппе;

/С - радиус ротора;

Р - нормальное давление;

£ - толщина стенки ротора.

р /

Рис. 9. Ротор центрифуги ЦРТП(а) и его расчетная схема (б).

Полное давление Р выражения (5) в данном случае состоит из давления жидкости Рж и интенсивности сил инерции на единицу площади стенки: р .г.

где: р - плотность материала ротора;

/3, - плотность разделяемой жидкости; углы, показанные на рис. 9;

Ы - угловая скорость вращения ротора.

Подставляя выражение (6) в уравнение (5 ) и решая полученное равенство относительно ¿¿- получим:

¿1 = 0,5 V * С,25^ж № (Сс-^- ( 7 )

Как известно, наибольшее окружное напряжение для цилиндри-

ческого ротора:

4 -<£/>(*&*+*)

) Лг где: А = -р

Из уравнения для , при оС= О применяя третью теорию прочности получаем толщину стенки сферического ротора [при допускаемом напряжении [ 6 ] },

Игл/е-Л) где: К

Из формулы (8)вытекает, что толщина стенки сферического ротора меньше толщины цилиндрического того же радиуса почти в 2 раза.

Принимая для сферического ротора и цилиндрического радиуса Д. одинаковые толщины стенок и одинаковые наибольшие окружные напряжения(для сферического ротора оС= 0) найдем выражения для 01фужных скоростей и и беря их отношение окончательно получим:

Таким образом выявлено, -что сферическая форма ротора допускает большую быстроходность по сравнению с цилиндрической и тем более с конической. Такой ротор так же можно оборудовать спиральной вставкой.

В диссертации разработан ротор со сферической 1фышкой, внутри которого используется спираль, выполненная из комбинированного полимерного материала. Спиральная вставка позволяет при сворачивании дополнять сферическое пространство полностью (рис. 10.).

В данной главе работы показано также, что форма верхней границы разверхки спиральной вставки сферического ротора, определяется по уравнению функции, обратной функции продля верхней границы(рис. 11.) :

Для конкретного случая приведенного на рис. 9

я

_&-^

Рис. 10. Расчетная схема сферического ротона спирального сепаратора с плоским основанием.

2

: — ~ - _ _ _ X

— — - _ — — — _ --X, _ -4 I

Рас. II. Форма развертки сферической спиральной, вставки-

+ { Ы,- Цг]ч

■ £

сф

а нижняя определяется уравнением линии, заданной параметрически:

где: Хт - абсцисса точки верхней границы развертки; Х£ - абсцисса точки нижней границы развертки;

- ордината точки верхней границ развертки; 2", - ордината точки нижней границы развертки; В - ваг спиральной вставки;

- радиус сферической вставки;

- высота части спиральной вставки от основания до центра сферы;

- параметр, задающий'нижнюю кривую ( У меняется в диапазоне от Д° );

зависимости координаты нижней границы по оси £ .пространства, ограничивающего спиральную вставку от текущего полярного радиуса.

Ротор со сферической вставкой к повышенной быстроходностью позволит выделять из жидкостей наиболее высокодисперсные частицы типа вирусов, вредных и токсичных примесей.

диссертации разработана также и теория расчета индекса про-язводитзльности сферических спиральных вставок и приведена окончательная формула в следующем виде:

У

и-^ + *

Таким образом создана перспектива очистки суспензий с высокодисперсными токсичными осадками, подлежащими уничтожению вместе со спиралью, например путем сжигания.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В диссертации произведена разработка принципиально новой конструкции центробежного сепаратора,в роторе которого вместо тривиального пакета тарелок установлена конически усеченная спиральная вставка, выполненная из гибкого неметаллического дешово-го материала.

2. В результате экспериментальной проверки с помощью установки, созданной на базе типового молочного тарельчатого сепаратора, доказана эффективность работы спиральных сепараторов.

3. Разработаны с использованием компьютерной техники теория и методы расчета сепараторов с конической и сферической усеченными спиральными вставками.

4. На модельной жидкости произведена экспериментальная проверка разработанной теории с погрешностью £ = 2,44$.

5. Доказана эффективность практического применения спирального сепаратора на второй ступени регенерации отработанных масел холодильных установок мясо-молочных производств, при условии корректировки существующих линий регенерации по рецептам, предложенным в диссертации.

6. Показано большое значение спирального сепаратора для малых предприятий и фермерских хозяйств на примере получения очищенного от остатков шквары свиного жира.

7. Проанализирована перспектива дальнейшего усовершенствования спиральных сепараторов путем повышения их фактора разделения при использовании сферических роторов.

8. Обоснована возможность при использовании спиральных сепараторов создания гибких технологических линий для обеспечения производства, переработки и хранения продукции мясо-молочной промышленности.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Соколов В.И., Атабаев A.B., Соколов Н.В. Расчет индекса производительности конически усеченных спиральных центробежных сепараторов для очистки масел. // Ж. "Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук", 1994, № 5, с. 40-43.

2. Соколов В.И., Атабаев A.B. Прочность сферических роторов центрифуг. // Ж. "Химическое.и нефтяное машиностроение", 1994,

№ 3, с. 13.

3. Соколов Н.В., Атабаев А.Б. Теория центробежных спиральных сепараторов. // Ж. "Хранение и переработка сельхозсырья", 1994,

№ б, с. 42-44.

4. Положительное решение на выдачу патента Российской Федерации по материалам заявки № 93-030642/13 "Ротор центробежного сепаратора". Соколов В.И., Атабаев A.B., от 05.02.1994 г.

5. Соколов В.И., Атабаев A.B., Соколов Н.В. Расчет индекса производительности спиральных вставок сферических сепараторов. // Ж. "Химическое и нефтяное машностроение". (В печати).