CC BY
4
УДК 664.2 DOI 10.24412/2311-6447-2024-2-231-244
Установка для разделения крахмальных гранул по их размеру - гидравлический классификатор
Installation for separating starch granules by size - hydraulic
classifier
Ст. преподаватель А.А. Заболотец, доцент А.И. Ермаков, Белорусский национальный технический университет, кафедра торгового и рекламного оборудования, тел. +375298885838 ermakov_a_i@mail. ru
ст. науч. сотрудник С.И. Корзан, Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию, отдел новых технологий и техники, тел. +375297017914 [email protected]
вед. науч. сотрудник В.В. Литвяк, Всероссийский научно-исследовательский институт крахмала и переработки крахмалсодер-жащего сырья - филиал ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр картофеля имени А.Г. Лорха», тел. +375291607220 besserk 1974@mail. ru
профессор Ю.Ф. Росляков Кубанский государственный технологический университет, кафедра пищевой инженерии [email protected]
Senior Lecturer A.A. Zabolotets, Associate Professor A.I. Ermakov, Belarusian National Technical University, chair of Trade and Advertising Equipment, tel. +375298885838 ermakov_a_i@mail. ru
Senior Researcher S.I. Korzan, Scientific-Practical Centre for Foodstuffs of the National Academy of Sciences of Belarus, Department of New Technologies and Equipment, tel. +375297017914 seroga. korzanmc@mail. ru
Leading researcher V.V. Litvyak, All-Russian Research Institute of Starch and Starch-containing Raw Materials Processing -Branch of Russian Potato Research Centre, tel. +3751607220 besserk1974@mail. ru
Professor Yu.F. Roslyakov Kuban State Technological University, chair of Food Engineering [email protected]
Аннотация. Предложенная конструкция относится к устройствам для проведения процессов гидравлического разделения (фракционирования) различных суспензий в поле гравитационных сил и может быть использована в пищевой промышленности, например, для разделения крахмальной суспензии на фракции по размеру крахмальных гранул. Может найти применение также в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, строительной и других отраслях промышленности. Гидравлический классификатор для разделения частиц суспензий по их размеру состоит из патрубка и вентиля для подачи суспензии, последовательно расположенных камер осаждения с коническим днищем, вентилями для вывода частиц из камер осаждения. Классификатор над камерами осаждения оснащается наклонной сетчатой фильтровальной перегородкой с углом наклона к горизонту от 10° до 35° (установлена на виброопорах и совершает колебательные движения), стенками камер осаждения, имеющими возможность изменения угла наклона к горизонту в диапазоне от 25° до 155°. Технический результат - повы
© А.А. Заболотец, А.И. Ермаков, С.И. Корзан, В.В. Литвяк, Ю.Ф. Росляков, 2024
шение эффективности классификации (фракционирования) частиц суспензий по их размеру, а также повышение производительности процесса классификации.
Abstract. The proposed design relates to devices for carrying out processes of hydraulic separation (fractionation) of various suspensions in a field of gravitational forces, and can be used in the food industry, for example, to separate a starch suspension into fractions according to the size of starch granules. It can also be used in chemical, petrochemical, pulp and paper, construction and other industries. A hydraulic classifier for separating suspension particles according to their size consists of a pipe and a valve for supplying the suspension, sequentially located sedimentation chambers with a conical bottom, and valves for removing particles from the sedimentation chambers. The classifier is equipped above the sedimentation chambers with an inclined mesh filter partition with an angle of inclination to the horizon from 10° to 35°, which performs oscillatory movements and is installed on vibration supports; the walls of the sedimentation chambers have the ability to change the angle of inclination to the horizon in the range from 25° to 155°. The technical result is an increase in the efficiency of classification (fractionation) of suspension particles according to their size, as well as an increase in the productivity of the classification process.
Ключевые слова: устройство, разделение, крахмальные гранулы, крахмал, суспензия, гидравлический классификатор
Keywords: device, separation, starch granules, starch, suspension, hydraulic classifier
В настоящее время очень востребованы в мире, а также в хозяйственном комплексе Российской Федерации и хозяйственном комплексе Республики Беларусь модифицированные крахмалы - крахмалы с целенаправленно измененными физико-химическими свойствами (ФХС) в результате воздействия физического или химического или сочетанного модифицированного агента на крахмальную структуру (субатомарную или атомарную, или молекулярную, или надмолекулярную) [1].
Ранее при разработке технологии кислотногидролизованных крахмалов [2, 3] была установленная корреляционная зависимость между ужесточением условий гидролиза крахмала минеральными кислотами, уменьшением размеров крахмальных гранул (КГ) и понижением условной вязкости водно-крахмальных клейстеров. В данной научной работе [2, 3] был продемонстрирован химический способ классификации КГ по размеру при помощи холодного (при температуре ниже температуры клей-стеризации крахмала, то есть с сохранением КГ) кислотного гидролиза крахмала.
На основании анализа строения крахмала и известных технологий крахмала и крахмалопродуктов можно высказать предположение, что крахмальная гранула является «квантом крахмала» - наименьшей и элементарной единицей, в которой заключено все разнообразие строения и свойств нативного крахмала (НК). Следовательно, создание технологического оборудования для разделения КГ по размеру является важной научной и прикладной задачей, решение которой позволит максимально возможным образом углубить переработку крахмалсодержащего сырья и получать НК стабильного качества с возможностью контроля и целенаправленного изменения физико-химических свойств без использования модифицирующих факторов, меняющих структуру НК.
Цель исследования - разработать инновационную эффективную установку для разделения КГ по их размеру - гидравлический классификатор (ГК). Объектами исследований являлись НК разного ботанического происхождения, крахмальная суспензия (КС), выделенные крахмальные фракции (КФ), а также технологии глубокой переработки крахмалсодержащего сырья, а именно технологии получения любого НК классифицированного по размеру КГ.
Поиск литературы по проблеме за последние 52 года (с 1971 по 2023 гг.) осуществляли при помощи компьютерных технологий (MS Word и MS Excel) и ресурсов Интернета по базам данных РИНЦ, eLibrary.Ru, WIKIPEDIA, Google Scholar, Re-searchGate, PubMed, Mendeley, Scopus по ключевым словам и словосочетаниям на
русском языке: «устройство», «разделение», «крахмальные гранулы», «крахмал», «суспензия», «гидравлический классификатор» и английском языке: «device», «separation», «starch granules», «starch», «suspension», «hydraulic classifier».
Для исследований использовали метод активного гидравлического разделения твёрдых частиц суспензии по их размеру в поле гравитационных сил. Инженерные чертежи установки для разделения КГ по размеру - ГК были созданы с применением персонального компьютера и современных компьютерных технологий пакета Microsoft Office (Word, Excel), а также программы для создания чертежей: AutoCAD и Компас-3D.
Известен ГК, включающий корпус с цилиндрической камерой и коническим днищем, расположенные в нижней части корпуса патрубок для подвода пульпы и патрубок для выгрузки песков, патрубок для подвода воды, установленные в верхней части корпуса сливной желоб и герметичный кожух с патрубком для отвода воздуха [4]. Недостаток этого ГК связан с отсутствием в нем конструктивных элементов, позволяющих регулировать качество классификации.
Также известен ГК, включающий корпус с цилиндрической камерой и коническим днищем, расположенные в нижней части корпуса патрубок для подвода пульпы и патрубок для выгрузки песков, тангенциальные патрубки для подвода воды в среднюю часть корпуса, установленные в верхней части корпуса сливной желоб и патрубок для отвода воздуха, расположенные соосно внутри корпуса с уменьшающимися сверху вниз диаметрами цилиндрические кольца, установленные внутри корпуса ра-диально пластины, расположенную в нижней части корпуса коническую обечайку, установленный в верхней части корпуса соосно с ним цилиндр с герметичным кожухом над цилиндром и с расположенным внутри цилиндра соосно с ним зазором параболическим отражателем, открытой своей частью обращенным к патрубку для подвода пульпы, патрубок для отвода воздуха расположен в верхней части герметичного кожуха [5]. Недостатком данного ГК, так же как и [4], является отсутствие в нем конструктивных элементов, позволяющих регулировать качество классификации.
Известен многосекционный ГК [6], содержащий корпус, камеры, мешалки, вы-гружатель и привод. В этом устройстве эффективность процесса возрастает за счет использования нескольких пирамидальных камер, увеличивающихся в размере от места загрузки исходного материала к сливному порогу. Нижняя часть каждой камеры состоит из трех частей: цилиндрической части для перемешивания пульпы, в нижней части переходящей в усеченный конус, вследствие чего и создаются стесненные условия; стеклянной цилиндрической камеры для наблюдения и регулирования процесса классификации и нагнетательной трубы, имеющей внутри форму спирали, через которую вода входит тангенциально. Ниже нагнетательной трубы имеется приемник для выгрузки осевшего материала, который разгружается через отверстие, периодически открывающееся посредством шарикового клапана, закрепленного на стержне. Однако в установке также отсутствует конструктивный элемент, позволяющий регулировать качество классификации.
В связи с большим количеством различных недостатков для повышения производительности процесса классификации и осуществления глубокой переработки по разделению частиц суспензии НК по размеру рекомендуется создание ГК для разделения частиц суспензий по размеру, который позволит улучшить качество разделяемой суспензии.
Нами было предложено инновационное технологическое оборудование - ГК для разделения частиц суспензий по их размеру [7], состоящий из патрубка и вентиля для подачи суспензии, последовательно расположенных камер осаждения с коническим днищем, вентилями для вывода частиц из камер осаждения. Отличается от известных типов технологического оборудования тем, что оснащен наклонной сетчатой фильтровальной перегородкой с углом наклона к горизонту от 10° до 35°, установлен-
ной на виброопорах и совершающей колебательные движения, стенками камер осаждения, имеющими возможность изменения угла наклона к горизонту в диапазоне от 25° до 155°, что позволяет регулировать длину участка осаждения U частиц требуемого размера в соответствии с уравнением:
V к
li = VgkL, (1)
V oci
где Уд - скорость движения частиц КС, м/с; Voci - скорость осаждения частиц i-го размера, м/с; hi - высота жидкости над стенкой i-й приемной камеры, м.
Суспензия (от позднелат. suspensio - подвешивание) - это дисперсная система, в которой дисперсной фазой являются частицы твердого вещества, находящиеся во взвешенном состоянии, а дисперсной средой - жидкость. Крахмальная суспензия, подлежащая разделению, представляет собой суспензию с температурой 45-50 °С и содержанием 28-32 % сухих веществ. На первоначальном этапе для отделения самых крупных КГ КС в ГК установлена сетчатая фильтровальная перегородка. Основной величиной, характеризующей процесс разделения частиц суспензии по размеру, является скорость W, м3/м2-с, то есть количество продукта, прошедшего в единицу времени через единицу площади поверхности сетчатой перегородки. Эта скорость прямо пропорциональна разности давлений продукта при разделении и обратно пропорциональна вязкости фильтрата и общему сопротивлению осадка и фильтровальной перегородки. В дифференциальной форме это равно:
w - dL=__
Sdr т( Roc + Rcpjl)'
где V - объем фильтрата, м3; S - площадь поверхности разделения, м2; т - время разделения, с; AP- разность давления, н/м2 (Па); ц - вязкость фильтрата, н-с/м2 (Па-с); Roc - сопротивление слоя осадка, м-1; Rср.п. - сопротивление фильтровальной перегородки, м-1;
V
Roc - ro Xo — ,
S
где ro - удельное объемное сопротивление осадка (сопротивление, оказываемое потоку фильтрата равномерным слоем осадка толщиной 1 м), м-2; ль - отношение объемов осадка и фильтрата.
Таким образом, движущей силой процесса разделения КГ по размеру в поле гравитационных сил является разность давлений продукта по обе стороны сетчатой фильтровальной перегородки.
Большое влияние на скорость разделения оказывает вязкость жидкой фазы суспензии. Кроме того, важно учитывать и форму ячеек сетчатой перегородки. Как известно, КС содержит частицы НК. Основной структурной характеристикой строения НК, обусловливающей его ФХС, является КГ. Выявлено большое разнообразие форм КГ. Были идентифицированы КГ правильной и неправильной овальной, округлой, многогранной формы.
Тонкость разделения определяется размером ячейки и формы сетки. Также важно учитывать и материал изготовления таких перегородок. В пищевой промышленности при классификации КС наиболее устойчивыми к коррозии и безопасными являются пластмассовые фильтровальные перегородки. Обычно тонкость разделения пластмассовых перегородок составляет около 50 мкм. Сетчатые фильтрующие элементы часто изготовляют многослойными, что несколько увеличивает тонкость и эффективность очистки, но приводит к росту гидравлического сопротивления фильтрующего элемента пропорционально количеству слоев сеток.
Структура образующегося при фильтровании осадка и, следовательно, его сопротивление потоку жидкости зависят от свойств твердых частиц и жидкой фазы суспензии, от условий разделения.
Предлагаемые наименования групп КФ, КГ, НК согласно ТУ BY 190239501.9242019 «Крахмал нативный, классифицированный по размеру гранул. Технические условия» [В.В. Литвяк, А.А. Заболотец / / РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию». Минск, 2019. - 16 с. - Государственная регистрация № 054974 от 23.01.2019 г.] в соответствии с размерами КФ приведены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики КФ НК в соответствии с размерами КГ
Номер КФ Наименование КФ Размер КГ, мкм
(0) «Максимус» («Maximus») 150-200
(1) «Макси» («Maxi») 100-150
(2) «Пионер» («Pioneer») 50-100
(3) «Супериор» («Superior») 30-50
(4) «Прима» («Prima») 20-30
(5) «Секунда» («Second») 10-20
(6) «Отход» («Departure») <10
Отстаивание - частный случай разделения неоднородных жидких или газообразных систем в результате выделения твердых или жидких частиц под действием гравитационной силы. В связи с чем при отстаивании должны соблюдаться следующие условия:
- продолжительность пребывания разделяемого потока в устройстве должна быть равна или больше времени осаждения частиц для создания условий, чтобы КГ КС успели выделиться и осесть в установке;
- линейная скорость потока должна быть меньше скорости осаждения для предотвращения создания вихревых потоков, которые взмучивают и уносят осаждающиеся частицы из классификатора.
На рис. 1 показан ГК для разделения частиц суспензий по их размеру. ГК содержит вентиль 1 и патрубок 2 для подачи суспензии в зону предварительного разделения, наклонную сетчатую фильтровальную перегородку 3 с углом наклона а к горизонту от 10° до 35°, оснащенную вибрационным устройством 4. Фильтровальная перегородка 3 имеет возможность создавать колебательные движения благодаря виброопорам 5. Вибрация в сочетании с наклоном поверхности фильтровальной перегородки позволяет ускорить процесс фильтрования и организовать удаление осадка с поверхности перегородки, а также предотвращает забивание частицами суспензии фильтровальной перегородки. Последовательно расположенные камеры осаждения 6, 7, 8, 9, 10 имеют коническое днище и стенки с возможностью изменения угла наклона в к горизонту в диапазоне от 25° до 155°. Величина угла наклона связана с коэффициентом трения КГ о поверхность перегородок. При установке угла наклона в менее 25° или более 155° частицы будут тормозиться на поверхности перегородок и плохо выводиться из соответствующих камер. Днище камер осаждения оснащено выходными вентилями 11, 12, 13, 14, 15 для вывода частиц в поддоны 16, 17, 18, 19, 20 соответственно. Вентиль 21 позволяет производить слив надосадочной жидкости с содержанием самых маленьких КГ по окончании процесса осаждения.
А Я 3
-сх]-4 /
4 А /
/
7 £ 9 10
Рис\ 1. Конструктивные особенности установки для разделения КГ по размеру - ГК
На рис. 2 продемонстрированы различные возможные варианты форм ячеек сетчатой фильтровальной перегородки ГК: в виде квадрата (рис. 2, а); в виде круга (рис. 2, б); в виде параллелограмма (рис. 2, в); в виде ромба (рис. 2, г).
а б в г
Рис. 2. Возможные варианты форм ячеек сетчатой фильтровальной перегородки ГК
ГК для разделения частиц суспензий по размеру работает следующим образом. Исходная КС, содержащая КГ различного размера и формы, путем открытия вентиля 1 подается под необходимым давлением через патрубок 2 на наклонную сетчатую фильтровальную перегородку 3 с углом наклона а к горизонту от 10° до 35°. Фильтровальная перегородка совершает колебательные движения благодаря наличию вибрационного устройства 4 и виброопор 5 для предотвращения ее забивания частицами суспензии. Вибрация в сочетании с наклоном поверхности фильтровальной перегородки позволяет ускорить процесс фильтрования и организовать удаление осадка с поверхности перегородки, а также предотвращает забивание частицами суспензии фильтровальной перегородки. После первоначального разделения суспензии с использованием сетчатой фильтровальной перегородки отделяются самые крупные КГ КФ (0) - «Максимус»/«Махт^» размером от 150 до 200 мкм.
Далее отфильтрованная суспензия поступает в последовательно расположенные камеры осаждения 6, 7, 8, 9, 10, имеющие коническое днище и стенки с возможностью изменения угла наклона в к горизонту в диапазоне от 25° до 155°, что позволяет регулировать длину участка осаждения 1{ частиц требуемого размера в соответствии с уравнением (1).
Каждая камера осаждения в зависимости от угла наклона стенки (въ вг, вз, вл) меняет длину участка осаждения ¡1, ¡2, ¡з, ¡л и ¡5 соответственно. Таким образом, каждая из камер ГК позволит получать определенный (требуемый) размер КФ: камера 1 -КФ (1) - «Макси»/«МахЬ с размером КГ 100-150 мкм, камера 2 - КФ (2) «Пио-нер»/«Рюпеег» с размером КГ 50-100 мкм, камера 3 - КФ (3) «Супериор»/«Эирегюг» с размером КГ 30-50 мкм, камера 4 - КФ (4) «Прима»/«Рпша» с размером КГ 20-30 мкм, камера 5 - КФ (5) «Секунда»/«Эесоп^> с размером КГ 10-20 мкм. Надосадочная жидкость с содержанием самых маленьких КГ после отстаивания через патрубок и вентиль 21 выводится из устройства, что дает возможность получить КФ (6) «От-ход»/«Вераг1иге» с размером КГ менее 10 мкм.
Возможность регулирования положения стенок позволит выводить из ГК КФ однородные по размеру частиц и настраивать ГК при работе с различной производительностью и концентрацией КС. По завершении процесса отстаивания осадок полученных КФ НК по выходным вентилям 11, 12, 13, 14, 15 выводится в поддоны 16, 17, 18, 19, 20 соответственно. Каждая полученная КФ НК подается в отдельный последовательно расположенный поддон. Следует отметить, что установка для разделения КГ по их размеру - ГК является универсальной и может быть применена не только для разделения по размеру КГ в КС, но и для разделения по размеру частиц любой другой суспензии.
Анализ научных данных по строению и свойствам НК и крахмалопродуктов [811] позволяет предположить, что КГ является наименьшей единицей крахмала, в которой заключено всё многообразие иерархической структуры крахмала и проявляемых им свойств на каждом уровне иерархической структуры (субатомарном, атомарном, молекулярном и надмолекулярном - гранулярном). Так, особенности иерархической организации НК показаны на рис. 3.
Амилопектин
Амилоза
Г СНаОН
1,6-гликозидная связь
[тачка ветвления)
нсХ-^Л снрн
Но:1--6н:1 9 нм С повторяющийся кластер рацемозной структуры
у с ^
лЯ^ 1,4-гликозидная VV-* связь
снгон
Гранула крахмала
(интеркапированные слои аморфной а
кристаллические слои амплопекгнна}
Ни ■
-И,
Линейные цепочки случайно разветвленной дендритной структуры
А-тип
ООООО
В-тип
ддштсг <Г"Р9: Р
ООООО ™ "СГ Кластеры с двойной спиралью (вид сверху) компактные перестановки
Линейные цепочки возможных конформаций одной спирали
Рис. 3. Особенности иерархической организации НК
Если классификацию КГ по размеру предполагается осуществлять в жидкой среде в поле гравитационных сил, то рассмотрим процесс падения частицы в вязкой среде. Так, особенности поведения частицы в жидкой среде приведены на рис. 4. На рис. 4, а схематически представлены силы, действующие на падающую частицу шарообразной формы. Для частицы диаметром й и плотностью рч сила тяжести, направленная вертикально вниз:
а
а - система сил, действующих на осаждающуюся частицу;
стью:
обтекание твердой частицы жидко-
б - ламинарный режим, в - переходная область, г - турбулентный режим;
д - график П.В. Лященко
д
в
г
Рис. 4. Особенности поведения частицы в жидкой среде Согласно закону Архимеда подъемная сила:
в
^ лсС3 ^
V 6 у
Рс 8
где д - ускорение свободного падения, м/с2.
А =
рс - плотностью среды, кг/м3.
Сила, заставляющая частицу падать,
^ лссС3 ^
V 6 У
Рс 8
где
в - А =
ГтС ^
V 6 У
(Рч - Рс)8
Среда,
в которой падает частица, оказывает сопротивление Я, которое будет зависеть от вязкости среды п, ее плотности рс, площади поперечного сечения частицы F и формы частицы.
Величина силы Я определяется по закону Ньютона из уравнения
к = ^РсРо
2
где £ - коэффициент сопротивления среды, зависящий от режима движения частицы; (Оос - скорость перемещения частицы, м/с.
При визуальном наблюдении за движением тел в жидкостях и фотографировании этого процесса обнаруживается следующая картина. При небольших скоростях движения тела относительно среды слои жидкости, набегая на него плавно, раздвигаются впереди тела (в лобовой части) и плавно смыкаются позади него (в кормовой части) (рис. 4, б). Сами слои не смешиваются между собой. Получается картина, несколько аналогичная ламинарному режиму движения жидкости в плавно изогнутых трубах. Так как частицам жидкости, обтекающим тело вблизи его поверхности, приходится за одно и то же время пройти путь, больший, чем частицам, находящимся в это время дальше от поверхности тела, то скорость движения жидкости у поверхности больше, чем на некотором расстоянии от нее. Вследствие этого слои жидкости перемещаются с различными скоростями относительно друг друга, и поэтому согласно закону внутреннего трения жидкостей Ньютона проявляются силы вязкостного трения. Следовательно, сила сопротивления зависит от вязкости среды, определяемой коэффициентом п. При увеличении скорости движения тела (или среды относительно него) плавность обтекания нарушается (рис. 4, в), струйки срываются, появляются завихрения. На процесс вихреобразования оказывают влияние скорость обтекания, форма тела и состояние его поверхности (гладкая, шероховатая). Чем больше скорость обтекания и шероховатость тела, сложнее его конфигурация, тем интенсивнее процесс вихреобразования. Зарождающиеся сзади тела вихри распространяются вдоль поверхности к передней его части (рис. 4, г).
Возникшие вихри уносятся общим потоком и на некотором расстоянии от тела исчезают («погасают»), а на их месте образуются новые и т.д. Вследствие образования вихрей и отрыва их от тела сзади него в ближайшей области образуется пространство с давлением меньшим, чем спереди; поэтому имеет место разность давления в жидкости со стороны лобовой и кормовой частей тела. Этой разностью давления и обусловливается в основном сопротивление движению тела в данных условиях обтекания. Величина сопротивления зависит от энергии, затрачиваемой на вихреобразова-ние: чем интенсивнее последнее, тем больше расход энергии, тем значительнее сила сопротивления. Здесь играют роль инерционные силы, возникающие при завихрениях. Поэтому сопротивление, вызываемое инерционными силами, называют сопротивлением инерционных сил или динамическим сопротивлением. Силы инерции характеризуются массой и скоростью движения жидкости относительно рассматриваемого тела, а масса - плотностью среды ра
Общее сопротивление слагается из сопротивлений вследствие трения и вихреобразования. Оба эти фактора действуют одновременно, но степень влияния каждого из них на общее сопротивление зависит от условий обтекания. В общем случае, как это вытекает из анализа физического явления обтекания, следует, что сила сопротивления Я зависит от ряда величин, главными из которых являются скорость обтекания (Оос, плотность рс, вязкость п, линейные размеры обтекаемого тела и его форма. В качестве характерного линейного размера I можно выбрать любой размер тела, удобный для замеров. Например, для шара - его диаметр.
Оседающая частица в начале своего движения движется ускоренно. Однако участок ускоренного движения невелик. Так как сила (в- А) становится равной силе Я, то в дальнейшем частица начинает двигаться равномерно со скоростью (ос. Эта величина может быть найдена из условия (в - А) = Я или
2
лй3 лй2 — 2
р-рс)рс 6 4 2
Решая это уравнение в отношении «ос, получим
/4щй (рч -рРС) — = -
ОС V 3Рс^
(2)
В этом уравнении коэффициент сопротивления среды £ будет зависеть от характера движения частиц, как это изложено выше.
Режим движения частицы определяется значением Ые, которое для падающей частицы находится из уравнения:
—ос йРс
Яе =
V
Значения коэффициента £ находятся в зависимости от величины Ые по уравнениям, приведенным в табл. 2.
Таблица 2
Определение коэффициента сопротивления среды, зависящего от режима дви-
Значение Ые Уравнения для нахождения £ Характеристика режима
Re>2 £ = 24/Ые Ламинарный
500>Ые>2 £ = 18,5/Ке0,6 Переходный
Ые>500 £ = 0,44 Турбулентный
Если в уравнение (2) подставить значение £ = 24/Ые для ламинарного режима, то получится уравнение:
[й2Ш(Рч -Рс)]
— = ■
ос
18?
которое носит название формулы Стокса.
Для турбулентного режима будет получено уравнение:
— = 5,45
1
й
(Рч -Рс) Рс
Применение уравнения Стокса для нахождения «ос связано с необходимостью решать задачу методом подбора. Необходимо сначала задаться режимом движения, затем определить «ос, а по найденному «ос определить режим движения и проверить, правильно ли был задан режим.
Для того чтобы устранить это неудобство, можно воспользоваться методом, предложенным П.В. Лященко. Решая уравнение (2) в отношении £, получаем
[4шй(Рч -Рс)]
4 = -
Зр —
/с о
Умножаем левую и правую части уравнения на формулу:
2 Л 2
г, — а р
Яе2 = ос ч Рс
V
После преобразования получим формулу:
Яе2 £ = 4йз(рч -рс)рсШ = 4 Зц2 3
( АЗ 2
й Рс Ш Рч -Рс
V
Рс
2
Правая часть уравнения (3) представляет собой видоизмененный критерий Архимеда. Поэтому можно написать:
4
Яе2 4 = — Аг . (4)
3
Критерий Аг не содержит значения «ос. Поэтому, найдя его значение, можно из выражения (4) определить величину £Ке2, а следовательно, и Ые. Зная величину
Ые, определяем «ос. Однако предварительно должны быть определены предельные значения числа Аг для различных режимов движения падающей частицы. Так, для ламинарного движения предельное значение Ые<2, £=24/Ке. Подставляя это значение в уравнение (4), найдем, что Ые=Аг/18 и при предельном значении числа Ые=2 критерий Аг=36. Следовательно, существование ламинарного режима ограничивается условием Аг<36.
Аналогично найдем, что переходный режим ограничивается изменением критерия Аг в пределах 36<Аг<8,3-104, а турбулентный режим будет соответствовать значению Аг>8,3-104. Расчет упрощается, если использовать график Аященко, представленный на рис. 4, д. На вертикальной оси отложены значения чисел £Ке2, а на горизонтальной оси - соответствующие числа Ые. Определив Ые, находим «ос:
Яе и
ос 7 '
Л ч
где ис - кинематическая вязкость, м2/с.
Кинематическая вязкость, в свою очередь, определяется по формуле
и, -П~,
Р
где п - динамическая вязкость (коэффициент динамической вязкости), Па-с; р - плотность жидкости.
На движение тела в жидкой среде оказывает влияние его форма. Для процессов осаждения это влияние учитывается коэффициентом формы ф. При этом для шара коэффициент формы ф равен 1. Для частиц не шарообразной формы ф, как правило, меньше 1. Поэтому, если форма частиц не шарообразна, как это имеет место во многих случаях, теоретическую скорость движения частиц вычисляют в зависимости от режима обтекания по одной из вышеприведенных формул; при этом определяющим размером является эквивалентный диаметр частиц; затем в зависимости от действительной формы частиц, полученное значение «ос умножают на соответствующий коэффициент формы ф. Значения коэффициента формы ф частиц, содержащихся в суспензии: округлая - 0,77; угловатая - 0,66; продолговатая - 0,58; пластинчатая - 0,43.
Под эквивалентным диаметром частицы данной формы б понимают диаметр шара, выполненного из того же материала, что и частица, объем которого равен объему частицы V:
^ = 3
— = 1,24л/г .
п
При таком расчете получают скорость осаждения одиночной частицы данной формы в неограниченном пространстве:
< = ®<Р .
При выводе изложенных формул предполагалось свободное осаждение частиц в неограниченной среде. Это имеет место в том случае, когда концентрация неоднородной смеси очень мала и частицы дисперсной фазы не соприкасаются одна с другой (например, в разбавленных жидких неоднородных смесях). Если же смеси концентрированные, то в процессе осаждения частицы соприкасаются между собой, при
этом частицы большего размера увлекают меньшие частицы. Такое осаждение называется стесненным или солидарным. При столкновении частиц вследствие их ударов одной о другую частично теряется энергия движения, то есть увеличивается коэффициент сопротивления, вследствие чего уменьшается скорость осаждения [12,13].
Чем больше концентрация смеси, тем большее влияние на скорость осаждения оказывает явление стеснения. Поэтому теоретическую скорость осаждения умножают на поправочный коэффициент, учитывающий объемную концентрацию С (в долях). Поправочный коэффициент может быть определен по нескольким формулам и графикам, полученным опытным путем.
Таким образом, после определения теоретической скорости движения частицы «ос выбирают соответствующий коэффициент формы ф и затем вычисляют коэффициент Л, учитывающий концентрацию суспензии.
Расчетная скорость стесненного (солидарного) осаждения определяется по формуле:
—Ос = рос .
Из всего вышесказанного сделаем следующие выводы. Разработана инновационная эффективная установка для разделения КГ по их размеру - ГК, которая отличается от аналогов, с одной стороны, простотой конструкции, а с другой - высокой эффективностью, позволяющей повысить производительность процесса классификации частиц суспензий по их размеру на фракции, произвести глубокое разделение КС по размеру КГ и любой другой суспензии по размеру содержащихся в ней частиц.
Использование разработанной установки для разделения КГ по их размеру - ГК - на предприятиях крахмальной отрасли Российской Федерации и Республики Беларусь позволит осуществлять более глубокую переработку крахмалосодержащего сырья и получать фракционированный НК с целенаправленно измененными ФХС без применения модифицирующих факторов (физических или химических, или сочетан-ных), а путем использования инновационных технологических приемов.
Установка для разделения КГ по их размеру - ГК - может с успехом применяться для разделения частиц по их размеру в различных суспензиях (например, в КС) за счет изменения углов наклона перегородок и регулировки скорости движущегося потока КС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жушман, А.И. Модифицированные крахмалы / А.И. Жушман. - Москва: Пи-щепромиздат, 2007. - 236 с. - Текст: непосредственный.
2. Алексеенко, М.С. Исследование особенностей холодного кислотного гидролиза картофельного и кукурузного крахмала / М.С. Алексеенко, Н.М. Новикова, В.В. Литвяк. - Текст: непосредственный // Пищевая промышленность: наука и технологии / научно-технический журнал. - 2019. Т. 12. - № 1(43). - С. 50-61.
3. Алексеенко, М.С. Оптимизация технологических условий получения кис-лотно-гидролизованного крахмала / М.С. Алексеенко, В.В. Литвяк, Н.М. Новикова. -Текст: непосредственный // Науковi пращ Нацюнального ушверситету харчових тех-нологш. - 2019. Т. 25. - №4. - С. 188-199.
4. Злобин, М.Н. Гидравлический классификатор «Труженик»: А.с. № 1351674. Ш, МПК7 В 03В 5/62; заявка № 4035801/22-03; заявитель: М.Н. Злобин; заявл. 17.02.1986, опубл. 15.11.1987 // Государственный реестр изобретений Российской Федерации. - Бюл. № 42. - 1987. - 4 с. - Текст: непосредственный.
5. Злобин, М.Н., Пермяков Г.П., Злобина О.А. Гидравлический классификатор: патент № 2029625. Ш, МПК7 В 03В 5/62; заявка №4737862/03; заявитель: Якутский научно-исследовательский и проектный институт алмазодобывающей
промышленности; заявл. 18.09.1989, опубл. 27.02.1995 // Российское агентство по патентам и товарным знакам. Бюл. № 6. - 1995. - 5 с. - Текст: непосредственный.
6. Калинкин, И.П. Новый справочник химика и технолога / И.П. Калинкин. -Москва: АНО НПО «Мир и Семья». - Т. 2. - 2006. - Текст: непосредственный.
7. Заболотец, А.А., Ермаков А.И., Литвяк В.В., Росляков Ю.Ф., Жаркова И.М., Янова М.А. Гидравлический классификатор для разделения частиц суспензии по их размеру: патент № 2771771. RU, МПК7 В 03В 5/62; заявка № 2021122577; заявитель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кубанский государственный технологический университет (ФГБОУ ВПО КубГТУ); заявл. 29.07.2021, опубл. 11.05.2022 // Государственный реестр изобретений Российской Федерации. Бюл. № 14. - 2022. - 12 с. -Текст: непосредственный.
8. Лобанов, В.Г. Атлас: морфологическая характеристика биологических объектов: монография / В.Г. Лобанов, Ю.Ф. Росляков, В.В. Литвяк [и др.]. - Краснодар: Изд-во «КубГТУ», 2021. - 279 с. - Текст: непосредственный.
9. Полумбрик, М.О. Углеводы в пищевых продуктах / М.О. Полумбрик, В.В. Литвяк, З.В. Ловкис, В.Н. Ковбаса. - Минск: ИВЦ Минфина, 2016. - 592 с. - Текст: непосредственный.
10. Литвяк, В.В. Атлас: морфология полисахаридов / В.В. Литвяк, Г.Х. Оспан-кулова, Д.А. Шаймерденова, Ю.Ф. Росляков [и др.]. - Астана: ТОО «EDIGE», 2016. -335 с. - Текст: непосредственный.
11. Литвяк, В.В. Крахмал и крахмалопродукты: монография. /под ред. д-ра техн. наук Ю.Ф. Рослякова. - Краснодар: Изд-во «КубГТУ», 2013. - 204 с. - Текст: непосредственный.
12. Бахмет, М.П. Инновационные ингредиенты в производстве печенья / М.П. Бахмет, В.В. Швец, А.А. Бажинова. - Текст: непосредственный // Современные проблемы качества и безопасности продуктов питания в свете требований технического регламента таможенного союза: сб. матер. Междунар. науч.- практич. интернет-конференции. - 2014. - С. 89-90.
13. Бахмет, М.П. Разработка технологии производства печенья из смеси ржаной муки и муки крупяных культур / М.П. Бахмет, Н.В. Мацакова, С.Б. Меретукова [и др.]. - Текст: непосредственный // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2015. - № 4 (346). - С. 72-74.
REFERENCES
1. Zhushman A.I. Modified starches / Zhushman A.I. - M.: Pishchepromizdat, 2007. - 236 p.
2. Alekseenko M.S., Novikova N.M., Litvyak V.V. Study of the features of cold acid hydrolysis of potato and corn starch / Alekseenko M.S., Novikova N.M., Litvyak V.V. // Food industry: science and technology / scientific and technical journal. - 2019. T. 12. -No. 1(43). - P. 50-61.
3. Alekseenko M.S., Litvyak V.V., Novikova N.M. Optimization of technological conditions for the production of acid-hydrolyzed starch / Alekseenko M.S., Litvyak V.V., Novikova N.M. // Science of the National University of Food Technologies. - 2019. T. 25. - No. 4. - pp. 188-199.
4. Zlobin M.N. Hydraulic classifier «Truzhenik»: A.s. No. 1351674. RU, MPK7 V 03V 5/62; application No. 4035801/22-03; applicant: M.N. Zlobin; application 02/17/1986, publ. 11/15/1987 // State Register of Inventions of the Russian Federation. - Bull. - No. 42. - 1987. - 4 p.
5. Zlobin M.N., Permyakov G.P., Zlobina O.A. Hydraulic classifier: Patent No. 2029625. RU, MPK7 V 03V 5/62; application No. 4737862/03; applicant: Yakut Research
and Design Institute of the Diamond Mining Industry; application 09/18/1989, publ. 02/27/1995 // Russian Agency for Patents and Trademarks. - Bull. No. 6. - 1995. - 5 p.
6. Kalinkin I.P. New reference book for chemist and technologist / Kalinkin I.P. -M.: ANO NPO «Peace and Family». - T. 2. - 2006.
7. Zabolotets A.A., Ermakov A.I., Litvyak V.V., Roslyakov Yu.F., Zharkova I.M., Yanova M.A. Hydraulic classifier for separating suspension particles by their size: Patent No. 2771771. RU, MPK7 V 03V 5/62; application No. 2021122577; applicant: Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education Kuban State Technological University (FSBEI HPE KubSTU); application 07/29/2021, publ. 05/11/2022 // State Register of Inventions of the Russian Federation. Bull. - No. 14. -2022. - 12 p.
8. Lobanov V.G., Roslyakov Yu.F., Litvyak V.V. and others. Atlas: morphological characteristics of biological objects: monograph. - Krasnodar: «KubSTU», 2021. - 279 p.
9. Polumbrik M.O., Litvyak V.V., Lovkis Z.V., Kovbasa V.N. Carbohydrates in foods. - Minsk: Information Computing Center of the Ministry of Finance, 2016. - 592 p.
10. Litvyak V.V., Ospankulova G.Kh., Shaimerdenova D.A., Roslyakov Yu.F. and others. Atlas: morphology of polysaccharides. - Astana: «EDIGE» LLP, 2016. - 335 p.
11. Litvyak V.V., Roslyakov Yu.F., Butrim S.M., Kozlova L.N. Starch and starch products: monograph. - Ed. Dr. Tech. Sciences, Professor Yu.F. Roslyakova. - Krasnodar: «KubSTU», 2013. - 204 p.
12. Bakhmet M.P., Shvets V.V., Bazhenova A.A. Innovative ingredients in the production of cookies. In the collection: Modern problems of food quality and safety in the light of the requirements of the technical regulations of the Customs Union. Collection of materials of the international scientific and practical Internet conference, 2014. - pp. 8990.
13. Bakhmet M.P. Development of technology for the production of cookies from a mixture of rye flour and cereal flour / Bakhmet M.P., Matsakova N.V., Meretukova S.B., Kasyanov G.I., Gritsenko D.G. // News of higher educational institutions. Food technology. - 2015. - No. 4 (346). - pp. 72-74.
