Исследование процесса центрифугирования утфелей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

5.

6.

Christensen T., Munksgaard L. Quantitative fractionation of casein by precipitation or ion-exchange chromatography // Milchwissenschaft. - 1989. — 44. —8. — P. 480-484,;,.

Sariogo D.C., Paquet D., Aubert F., Linden G.

Purification 'of aji-casein by fast protein liquid chromatography // J. Dairy Sci. — 1989. — 72. — № 9. — P. 2242-i2246-

7. Янковский Д.С., попова Т.В., Федин Ф.А. Методы выделения и очистки казеинового комплекса и /?-казе-инов // Сб. науч. тр. — Киев: УкрНИИНТИ, 1981 .-»И* С. 113-121.. . ;

Кафедра пищевой биотехнологин и химии

Постфшла 'О&Ю'РьМЮр.-ф.' '* ■> 1

W -JJ:

621.928 3J

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ УТФЕЛЕЙ

Г.М. ЧУДАКОВ.

Северо-Кавказский научно-исследовательский институт сахарной свеклы и сахара

Разделение утфелей в цейтрифугах — заключительная технологическая операция, от которой зависит качество сахара и потери его в мелассе. В настоящее время на сахарных заводах более 80% производственных объемов перерабатывается в центрифугах периодического действия. Цикличность работы, низкая производительность, сложность управления, большие затраты физического труда на обслуживание и ремонт центрифуг не удовлетворяют требованиям современного сахарного завода [1]. Все попытки разработчиков повысить производительность за счет увеличения разовой загрузки ротора, напряженности центробежного поля, частоты циклов при сокращении их продолжительности приводят к значительному увеличению энергозатрат на переработку утфеля. Около 1/3 сахара, содержащегося в утфеле, после циклических центрифуг направляют на повторное уваривание и кристаллизацию из-за несовершенной системы промывки и выгрузки.

Значительным техническим достижением сахарной промышленности стало создание фильтрующих центрифуг непрерывного действия с инерционной выгрузкой осадка, работающих по принципу ’’тонкого слоя” толщиной 1-5 мм. Тонкослойное центрифугирование предполагает зависимость производительности от величины фильтрующего сита. Поэтому усилия разработчиков направлены на исследование динамики движения частиц продукта вдоль фильтрующего сита и поиск перспективных вариантов геометрических форм фильтрующих элементов: < ■

■ ; = ; , , 11) С? —.производительность центрифуги .. по утфелю, кг/с;

К5 — коэффициент пропорционально-

где

S

сти;

фильтрующая поверхность ротора,.

F

. пщк

где /?,_

№. Н

м ;

£1MS — индекс производительности центрифуги, м2,

— фактор разделения

w2Rq

ПЛ

g

■Ш’

(2)

радиус схода кристаллического, сахара из ротора, М; : 1 .

угловая скорость и частота вращения ротораУ .Ь :

Наряду с хорошо изученным процессом циклического центрифугирования тонкослойное центрифугирование сахарных утфелей рассматривается как частный случай центробежной фильтрации, со своими особенностями и кинетическими зависимостями [2, 3]. Анализ опытно-производственных результатов центрифуг непрерывного действия указывает на то, что для достижения более полного отделения межкристального раствора необходйм поиск дополнительных возможностей интенсификации тонкослойного центрифугирования утфелей.

Нами исследован процесс непрерывной центробежной фильтрации утфелей при условии относительного движения слоя рыхлого продукта по наклонному фильтрующему ситу во вращающемся роторе с активной воздушной вентиляцией. Ана-: литическое описание процесса выполнено с учетом кинетических закономерностей сложного тепло-' массообмена при нестационарном температурное влажностном режиме, нарастании напряженности центробежного поля и увеличении вязкости межкристального раствора. >.

Время пребывания продуктов в роторе изменяется в зависимости от величины производительности центрифуги

Г = Г0 - КУС2, (3)

где г0 — максимальное время пребывания' продуктов на фильтрующем сите при производительности, близкой, к нулю, с;

Ки — коэффициент линеаризации зависимости г = /(£))

К = di/dQ.

т-

Средняя скорость движения продуктов по фильтрующему ситу

(5)

где г — продолжительность центрифугиро-

вания, с;

/, — длина фильтрующего Сита, м.

L =

R - Я,

sin а_

R

(6)

■<Р СР

где $ Я0 — радиусы подачи утфеля и схода са хара, м;

■/_; — среднее значение угла.. профиля фильтрующей поверхности; . .,

-у — отношение максимального к мин-' мальному радиусов фильтрующе] сита ротора.

ї

1. IV- ч. 5(НЙ

..у

■; .ї г.іхг . Ьіі [+Гг

^ ---------

ІД 1.*28.3'

'Кпей :

: М ПП";ЛП-*? ЛЙНфР-^■ра'йеїґТІ ' \-:іі\ Ог7; О

і¥ ыяпгн-

ІІСТЙЙЧК а"К . ЦЗЙСТВДЯ і:>: ПииіОі и кшл^д.ии їтгекпгфіі-Р’І •■■ 'утбе -

)П “ДїїН'фО-їтг ;т н;і-(Г-ту г:: Ьо-:& підем ся і'-г-нй. Аиа-:■ с учл";им :о илміО*

[Iі іЯР,грНСІ-іККГТССТТІ :•£І -1 ИЙіії-

кэмша-

,.І іР-ГлНП-

(3)

і\рл сите . Сян ■і-.и.'

і і.и н -:а нті-і -ч)

■■. 1«“і бн.-ь-

І

щ

ірФїТИрО;

II

Н.

І::.!

г+і:

. і: VI і ■ :-

■ эта; щсг.б

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 4, 2000

79

Для конической и лопастной формы роторов найдена величина среднего радиуса ь области активной зоны центробежной фильтрации

/?+/?,

Я. 0,75

025

*

(7)

При этом среднее значение расчетного радиуса для лучших отечественных и зарубежных конструкций составляет 80-83% от максимальных значений (при кп = 3-5).

Продолжительность непрерывного центрифугирования является одним из основных факторов процесса. Для установившегося режима работы центрифуги качество сахара достигается при определенном отношении величины производительности

ґ —

Со

в,

А;

100

(8)

где

Ш

л-

О_(100-К) 5Р

100

К-

5р 100

§■

(10)

(11)

где

я —

содержание межкристального раствора в единичном объеме кристаллического сахара.

Скорость центробежной фильтрации, равная количеству оттека в 1 м“, проходящего через . .ч1' фильтрующего сита, имеет вид. м3/

1^

5 Лг

АР

8,335 —

V.

м

Д Р

(12)

где о —средний размер кристаллов сахара,

м;

V — кинематическая вязкость межкри-сталыялго раствора, Ш/с:

и =^р„; (13)

ц — динамическая вязкость межкристального раствора, Па-с; рц — плотность межкристального раствора, кг/м3;

. — полное сопротивление центробежной фильтрации, м1: * ■

= 8.33/1

Ь!

_1_

~к1

(14)

Толщина слоя продуктов на радиусе Яс схода складывается из толщины слоя кристаллического сахара /гс и толщины остаточной пленки межкристального раствора Лмк.

Полное сопротивление фильтрации можно представить в виде

+ км,

где

— масса кристаллического сахара, одновременно находящаяся в роторе центрифуги, кг;

секундная производительность по сахару, кг/с;

/г; — толщина слоя сахара на фильтрующем сите, м;

процентное содержание кристаллического сахара в утфеле.

Перепад давления на текущем радиусе фильтрующего сита определяется как движущая сила процесса : ,

АР = + АРв^: (9)

где .Ч,. — толщина слоя межкристального раствора в пересчете на площадь фильтрующего сита, м; р — плотность утфеля, кг/м3;

АРю — перепад давления воздуха в фильтрующем сите, равный 0,01-0,04 МПа.

Среднюю толщину слоя межкристального раствора на фильтрующем сите в начале и в конце центрифугирования . определим по фактическим данным качества утфеля и кристаллического сахара

(15)

— сопротивление фильтрующего сита;

— коэффициенты линеаризации зависимости сопротивления фильтрации от производительности центрифуги С], вязкости межкристального раствора^., среднего размера кристаллов сахара (1.

к =—• « д<2'

к = — <* Ж

(16)

Потребная длина фильтрующего сита функционально зависит от совокупности факторов процесса центрифугирования утфелей, обеспечивающих эффективное разделение, и может быть записана в дифференциальной форме

і аи

К

$)К'

(17)

где

К1 — коэффициент, учитывающий влияние формы фильтрующего ротора центрифуг.

При центрифугировании утфелей разных ступеней кристаллизации потребная длина будет значительно отличаться. По этой причине снижается эффективность разделения утфелей, что компенсируется дополнительной промывкой кристаллов сахара, увеличивающей его потери.

Эффективность разделения утфеля составляет

■12

(18)

г, , — содержания межкристального рас-

твора в объемах кристаллического сахара соответственно для исходного утфеля и отцентрифугированно-го сахара, равные д = 0,78 -1,38 и 1?С2Х = 0,06 -0,1о в диапазоне первой и последней ступеней кристаллизации;

А — критерий эффективности центри-фугирования^тфелей

А = 0,12Рд

К *

(19)

Величину фактора разделения фильтрующих центрифуг непрерывного действия для получения

Таблица

Модель центрифуги Частота вращения ротора, мин -1 Фактор разделения Максимальный диаметр ротора, мм Площадь фильтрующего сита, м2 Ширина фильтрующего сита, м Расчетная производительность, т/ч Производительность по утфелю 2-й кристаллизации, т/ч

КОНТИ-6 2600 2200 590 0,42 1.8 4 3,5

КОНТИ-8 2200 2000 750 0,66 2,3 5 \ 4-5

К-750, БМА 2200 2000 750 0,51 2,3 5 ' 5

К-1000, БМА 1750 1700 1000 1.25 3,1 7~ 6-7

РКУ-630/360 1 2300 1860 630 0,45 1,9 4,3 4

ФПИ-132 1К-01 1760 1500 2270 1650 1320 1.7 4,1 9 8-10 :

ФВИл-106 1 Н-1 1750 1800 1060 2,5 4,2 9,5 9-12

качественного кристаллического сахара из утфе-лей можно найти с учетом основных параметров процесса • <

к у (100-Ю , л

^ = °'8577,п1^ (20)

Установлена зависимость качества перерабатываемого утфеля от его качества и условий центрифугирования

* *1 ^ ^ 100 Q ~ Ц^В/яю

(21)

где

/Г„ —коэффициент, учитывающий условия получения качественного! сахара на длине фильтрующего сита;

Вс — ширина фильтрующего сита центрифуги, м.

Проведенные исследования позволяют внести некоторые уточнения в оценку влияния параметров фильтрующего сита на работу центрифуг: заданная длина фильтрующего сита обеспечивает более полное выделение межкристального раствора, ширина фильтрующего сита оказывает влияние на величину производительности центрифуги.

По отношению рабочих объемов конических и лопастных центрифуг при одинаковых удельных нагрузках на фильтрующее сито находим коэффициент производительности

Н.гтЬ.ЬЯ, Н?т К,

(22)

М.

К. =

2лР>^ЬЛК,,

где Мп, Мг

т

г

Я

и, и

объем кристаллов сахара в роторах лопастных и конических центрифуг, кг;

количество ярусов в роторе; число лопастей в одном ярусе; высота лопастей;

максимальный рабочий радиус фильтрующего сита центрифуг, м; длина фильтрующего сита, необходимая для осуществления более полного разделения утфеля (Ьп = с учетом времени центрифугирования, напряженности центробежного поля;

КЙ, Кк — коэффициенты, учитывающие влияние геометрических форм фильт-, рующего сита. Величина коми

,, нальной производительности центрифуг с инерционной выгрузкой осадка при одинаковых условиях выполнения процесса пропорцио-

... , нальна ширине фильтрующего си-■ ч- та.

Из сравнения конических и лопастных центрифуг (таблица) видно, что высокая производительность последних обусловлена особенностями конструкции их фильтрующего ротора. Поскольку увеличение ширины фильтрующего сита достигается в центрифугах с лопастным ротором (увеличением высоты лопасти и числа лопастей в роторе, устройством многоярусного ротора), то их конструктивным отличительным признаком должна стать развитая фильтрующая поверхность, а следовательно, более высокая производительность.

На рисунке изображен многоярусный ротор лопастной центрифуги непрерывного действия с четырьмя пакетами лопастей: / — фильтрующая лопасть; 2 — ускорительная чаша; 3 — приемник оттеков; 4 — распределитель утфеля; 5,6,7 — диски; 8 — кольцевые камеры; 9 —■ радиальные отверстия. Центрифуга имеет корпус 10, на валу 11 которого крепится ротор. Исходный утфель поступает в центр ротора, где попадает на ускори-

|! ; 111

%.ы

ГЕЛЫ) i. Лг1 |

УД.'М ЛИСН д.::" у: I::

яр^й г.тх 1 \\ii\i\ [:.‘.ТМ1 ... -п С!

;-Г!=жк

А-.1Ы:

П

текя

куат

налы

углщ

Е.Н.

д

ИГПР

дичи

Г’ТПЛ

рЧК"“1

"I

|..и 1_И Г(ЛЩ1

ЫЗ V

ОЛГ-р* ._о- I

:■: в я

ч!МЙС;1

тс-*р.

И1:1-й

т

ш у эчсщ Б

диг^(

.ЧМ“.1Г

Сй !"р г мйЯП

И«й Г-Г Т Л

КГрР.“П|

ш

М'.'Н.

Та .п\»|

-уьн:1

КН'.-И

Таблица

'оизводитель-ть по утфелю 1-й криетал-изации, т/ч

3,5

4-5

5

6-7 4 ■

8-10

9-12

1ающие вли-эорм фильт-шна немилости цент-выгрузкой IX условиях пропорцио->ующего си-

ШХ центри-изводитель-эстями кон-:кольку уве-достигается величением оре, устрой-онструктив-:а стать раз-довательно,

ш ротор ло-1СТВИЯ с че-ыьтрующая - приемник 5,6,7 — радиальные 10, на валу [ый утфель ■ на ускори-

тельную чашу, увлекается во вращательное движение и под действием центробежной силы поднимается на пластины распределителя. Зазор между пластинами выбирается таким образом, чтобы не допустить перегрузки фильтрующего сита.

Если производительность центрифуги меньше номинальной, то под нагрузкой работают нижние ярусы ротора. При повышении производительности повышается и-уровень заполнения распределителя утфеля, следовательно, большая часть фильтрующей поверхности многоярусного ротора вводится в работу. На фильтрующем сите происходит разделение утфеля на кристаллический сахар и межкристальный раствор. Последний вытекает в кольцевые камеры, а затем через радиальные отверстия направляется из ротора в приемники оттека. Кристаллы сахара, двигаясь вдоль сита, очищаются и отводятся из ротора. Длина фильтрующего сита всех ярусов ротора выбирается оптимальной для номинальной удельной нагрузки из условия получения качественного сахара. По мере

изменения качества утфелей с возрастанием ступеней кристаллизации необходимо увеличивать диаметр ротора или частоту его вращения. Величина производительности таких центрифуг функционально зависит от ширины фильтрующего сита согласно уравнению (22). Полученный результат позволяет значительно увеличивать номинальную производительность центрифуг.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сапронов А.Р. Технология сахарного производства. — М.: Колос, 1998. — 495 с.

2. Подготовка к центрифугированию утфеля последнего продукта на непрерывнодействующих центрифугах / И.Н. А'киндинов, Н.А. Люсый, Е.Г. Волкова и др. // Сахарная пром-сть. — 1975. — № 10. — С. 14-17.

3. Андреев В.Г., Коломиец В.Ф. Исследование геометрических параметров фильтровальных роторов непрерывнодействующих центрифуг // Сахарная пром-сть. — 1973. — № 3. — С. 25-28.

Лаборатория кристаллизации

Поступила Q9.06.2000 г.

• I ■ ‘к: "П.П г; : <-'■■■■ ■ ■ . : Г'Л> ‘

663.55

‘ ' : СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ , ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО СПИРТА МЕТОДОМ -- ЗАМКНУТОЙ РЕКТИФИКАЦИИ

Е.Н. КОНСТАНТИНОВ,1 А.И. ФРИДТ, А.А. ФРИДТ

.,-,В последние годы с появлением небольших акционерных предприятий возрос интерес к периодическому способу получения пищевого этилового спирта. Это объясняется тем, что данные предприятия не могут организовать непрерывную работу ректификационных установок.

Предельным режимом периодической ректификации, обеспечивающим максимальный выход сортового спирта, является режим замкнутой ректификации [1]. В этом случае дистиллят отводится из установки не постоянно, а порциями; путем опорожнения рефлюксной емкости через определенные интервалы времени. Несмотря на достоинства этого способа разделения спиртосодержащих смесей, его широкое применение сдерживается тем, что для получения спирта высокого качества интервалы времени между отборами порций дистиллята должны быть значительны. Это существенно увеличивает время гонки, а следовательно, и энергозатраты.

В смежных отраслях промышленности при разделении периодической ректификацией сложных многокомпонентных смесей для удаления примесей используются двухсекционные колонны с промежуточной емкостью между секциями [2-4]. Это позволяет значительно, быстрее, чем при обычной периодической ректификации, получать фракции тяжелолетучих, промежуточных и легколетучих компонентов.

Цель настоящей работы — исследование возможности получения высококачественного спирта в двухсекционной колонне с промежуточной емкостью между секциями, работающей в режиме замкнутой ректификации.

Исследование проведено с помощью математической модели стационарного режима замкнутой ректификации [5]. В качестве разделяемой смеси была принята модельная смесь, включающая 20 примесей, характерных для спирта-сырца, получаемого из мелассы. При этом суммарное содержание альдегидов, эфиров, высших спиртов и кислот принято максимально допустимым в соответствии с ГОСТ на спирт-сырец. Расчеты проводили для исходного сырья с различной крепостью спирта: 35, 50 и 88 об.%. Объем исходной смеси принимался равным 4000 л. Число теоретических тарелок изменялось от 20 до 40. Объем жидкости на теоретической тарелке принимался равным 20 л.

Анализ профиля концентраций примесей по высоте колонны показал, что для колонн с различным числом тарелок и исходных смесей с различи ной крепостью спирта высшие спирты и кислоты сосредоточены практически полностью в нижней части колонны. Их содержание в верхней части колонны ничтожно мало и не сказывается на качестве дистиллята.

Качественно другая картина наблюдается для альдегидов и эфиров. Для исходных смесей с крепостью спирта 35 и 50 об.% имеется максимум концентрации этих примесей на третьей снизу теоретической тарелке и минимум — в верхней части колонны. При этом тарелки, на которых наблюдается минимум концентраций альдегидов, находятся выше тарелок с минимумом концентраций эфиров. Для исходной смеси с крепостью спирта 88 об.% отсутствует максимум концентраций этих примесей. Однако наблюдается ярко выраженный минимум их концентраций, :