Совершенствование процессов разделения дисперсных жидкостных систем биологического происхождения с целью создания высокоэффективных типов сепараторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат технических наук Карамзин, Анатолий Валентинович

• Карамзин, Анатолий Валентинович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Карамзин, Анатолий Валентинович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процессов разделения дисперсных жидкостных систем биологического происхождения с целью создания высокоэффективных типов сепараторов»

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.