Расчет сепаратора-разделителя

 

Продолжительность работы – 2 часа

 

Цель работы – изучение общего устройства и работы сепараторов различного назначения и проведение расчетов основных показателей работы сепаратора-разделителя.

 

порядок выполнения работы

 

1. Изучить общие положения.

2. Провести расчет основных показателей согласно варианта.

 

Содержание отчета

 

1. Вычертить схему процесса разделения эмульсии.

2. Выписать задание согласно варианта и привести методику расчета с подстановкой цифровых данных.

3. Привести выводы по работе.

 

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Сепараторы могут быть классифицированы по следующим признакам: технологическое назначение; конструкция барабана; способ выгрузки осадка (шлама); принцип и характер выгрузки осадка; конструкция устройства для выгрузки осадка; способ подвода исходной жидкости и отвода продуктов сепарирования; область применения (отрасль промышленности); вид привода сепаратора (рис. 2)

По технологическому назначению сепараторы делятся на три основных класса:

1) сепараторы-разделители для разделения смеси жидкостей, не растворимых одна в другой, и для концентрирования суспензий и эмульсий;

2) сепараторы-осветлители для выделения твердых частиц из жидкости;

3) комбинированные сепараторы для выполнения двух или более операций переработки жидкой смеси.

Комбинированные сепараторы называют универсальными, что подчеркивает их многостороннее назначение. К ним относят сепараторы, в которых процесс разделения совмещается с каким-либо другим процессом. Так, известны сепараторы-экстракторы, сепараторы-реакторы.

К классу сепараторов-осветлителей можно отнести сепараторы-кларификаторы для дальнейшего диспергирования (гомогенизации) дисперсной фазы эмульсий и их очистки от примесей (их относят к комбинированным) и сепараторы для удаления из жидко­стной системы микроорганизмов, скапливаемых в шламовом про­странстве вместе с другими механическими примесями.

По конструкции широко используются тарельчатые сепараторы, которые укомплектованы пакетом конических вставок (тарелок), которые делят поток обрабатываемой жидкости на параллельно тонкие слои. Тарельчатые сепараторы, независимо от отрасли их применения и назначения, можно подразделить на два основных типа. Первый тип сепараторов имеет тарелки, обеспечивающие подачу жидкости в межтарелочные пространства через отверстия, имеющиеся в самих тарелках. Такие сепараторы часто называют сепараторами с центральной подачей жидкости на тарелки. К этому типу относятся и сепараторы, в которых жидкость на вершину тарелок поступает из прорезей в тарелкодержателях. Второй тип сепараторов характеризуется тем, что жидкость в межтарелочные пространства поступает с периферии и движется к центру барабана. Тарелки в этих сепараторах в большинстве своем отверстий не имеют.

По способу подвода исходной гетерогенной системы и отвода продуктов сепарирования различают сепараторы трех типов: открытые, полузакрытые и герметические.

В открытых сепараторах подача в ротор жидкой смеси и отвод полученных жидких фракций осуществляются открытым потоком. Процесс сепарирования не изолирован от доступа воздуха. В полузакрытых сепараторах жидкость подается в ротор от­крытым или закрытым потоком, а отвод одной или обеих жидких фракций происходит под давлением по закрытым трубопроводам. Процесс сепарирования не изолирован от доступа воздуха. Роторы полузакрытого типа отличаются от роторов открытого типа наличием устройства для вывода продуктов сепарирования под давлением.

В герметических сепараторах подача в ротор исходной жид­кости и отвод жидких фракций происходят под давлением по за­крытым трубопроводам, герметически соединенным с выпускными патрубками, процесс сепарирования в них изолирован от доступа воздуха. Роторы герметических сепараторов отличаются от роторов открытых и полузакрытых сепараторов конструкцией подводящих и отводящих устройств.

По виду привода сепараторы подразделяют на три группы: с ручным, комбинированным и электромеханическим приводом.

Основные элементы сепараторов: барабан, приводной механизм, станина, коммуникация для подвода и отвода продуктов сепарирования. Рабочим органом сепаратора, в котором происходит процесс разделения, является барабан (рис. 1.).

Рис.1 - Схема процесса разделения (а) и осветления (б) в барабанах тарельчатых сепараторов:

<-«- исходный продукт; <—< - легкая фракция; оооо - осадок;

<— - тяжелая фракция; <—0 - частицы, образующие осадок

Принцип действия сепаратора-разделителя (рис. 1., а) заключается в следующем. Исходная жидкость по центральной трубке поступает в тарелкодержатель, откуда по каналам, образованным отверстиями в тарелках, поднимается вверх и растекается между тарелками. Под действием центробежной силы легкая фрак­ция оседает на верхнюю поверхность нижележащей тарелки. По этой поверхности легкая фракция движется к центру барабана, далее по зазору между кромкой тарелки и тарелкодержателем поднимается вверх барабана и отводится из сепаратора.

Тяжелая фракция в межтарелочном пространстве оттесняется к нижней поверхности тарелки, фракция движется по этой поверхности к периферии тарелки, и далее по зазору между разделительной тарелкой и крышкой барабана поднимается вверх барабана и отводится из сепаратора.

Сущность процесса осветления (рис. 1, б) заключается в следующем. Продукт, подвергаемый очистке, по центральной труб­ке поступает в тарелкодержатель, из которого направляется в шла­мовое пространство между кромками пакета тарелок и крышкой. Жидкая фаза поступает в межтарелочные пространства. По межта­релочным зазорам она поднимается вверх и через прорезь выходит из барабана.

Основные конструктивные факторы, которые оказывают су­щественное влияние на эффективность процесса сепарирования являются:

частота вращения барабана, размеры барабана и тарелок, расстоя­ния между тарелками.

Сепаратор-сливкоотделитель (рис. 1) состоит из станины 17 с приводным механизмом, приемно-отводящего устройства 12, гидроузла, чаши станины с приемником осадка 7 и глушителя, а также из пульта управления.

Молоко подается по трубопроводу и центральной трубке приемно-отводящего устройства во вращающееся сепарирующее устройство. В это время поршень сепарирующего устройства закрыт. В полости под поршнем находится вода. При работе сепаратора происходит незначительное ее вытекание из сепарирующего устройства и патрубка станины при подпитке. Для герметизации системы поршень поджимается к прокладке силой гидростатического давления. Молоко подается в сепарирующее устройство, проходит через отверстия в тарелкодержателе и вертикальные каналы пакета, распределяется в межтарелочных пространствах, разделяясь на сливки, оттесняемые к оси вращения, и обезжиренное молоко, оттесняемое к периферии сепарирующего устройства. Сливки и обезжиренное молоко выводятся через камеры напорных дисков.

Твердые частицы и тяжелые примеси, выделяющиеся из мо­лока, поступают в периферийный объем сепарирующего устройст­ва, где происходит их накопление и уплотнение. Во избежание по­терь молока применяют только частичную выгрузку осадка при от­крытии каналов.

Разгрузку сепараторов осуществляют в один или два этапа. При одноэтапной разгрузке осадок выгружается без перекрытия устройства для подачи исходного продукта. Однако во избежание потерь продукта в период раскрытия сепарирующего устройства выгружается не весь осадок, а лишь его часть. При двухэтапной разгрузке сначала перекрывается устройство для подачи исходного продукта и удаляется жидкость из межтарелочного пространства, а затем уже открываются щели для выгрузки, в результате чего осадок выбрасывается из сепарирующего устройства в приемник под действием центробежной силы.

 

Рис. 3 - Сепаратор – сливкоотделитель с пульсирующей выгрузкой осадки: 1-пробка спуска масла; 2-указатель уровня масла; 3- горизонтальный вал; 4 – тахометр; 5 – пробка залива масла; 6 – трубка подвода воды в сепарирующее устройство; 7 – приемник осадка; 8- зажим; 9 – гайка; 10 – сепарирующее устройство; 11 – крышка; 12 – приемно-отводящее устройство; 13,14 - напорные диски; 15 – центральная трубка; 16 – штуцер подвода воды; 17 – станина; 18 – вертикальный вал

 

 

 

 

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

 

Задание: выполнить расчет сепаратора если заданы:

ω - угловая скорость вращения барабана, рад/с;

R_б и R_м – внешний и внутренний радиусы тарелок, м;

R_д – максимальный диаметр диска, м;

V – объем шламового пространства, м³;

m_б – масса барабана, кг;

с – расстояние от верхнего подшипника до центра тяжести, м;

G – масса вращающихся частей сепаратора с сепарируемой жидкостью, кг;

l – расстояние между верхним и нижним подшипником.

 

МЕТОДИКА РАСЧЕТА

 

Производительность сепаратора П, м³/ч,

 

(1)

 

где - поправочный коэффициент, учитывающий разницу между теоретическим и реальным процессом ( =0,2…0,5);

z = (130..150) шт – число тарелок;

- угол наклона образующей конуса тарелки ( =45…60°);

d – эквивалентный диаметр частицы легкой фракции (размер жировых шариков), м;

и - плотность сливок и молока, кг/м³ ( =960…1000 кг/м³; =1000…1030 кг/м³);

- динамическая вязкость продукта, Па·с;

_слив=(1,5…5,6)·10^-3 Па·с; _nax=1,7·10^-3 Па·с; _мол =(0,6…1,3)·10^-3 Па·с.

 

 

Размер жировых шариков d, мм,

 

d = (m / 0,04)+0,5 (2)

 

где m – массовая доля жира в обезжиренном молоке (m =0,01%).

 

Давление жидкости, выходящей из сепаратора р, Па,

 

(3)

 

где - плотность обезжиренного молока (пахты), кг/м³ ( =1030 кг/м³);

r_к – внутренний радиус кольца жидкости, м (r_к= 0,015 м).

 

Время непрерывной работы сепаратора между разгрузками , ч,

(4)

 

где а – объемная концентрация взвешенных частиц в сепарируемом продукте, % (а = 0,3%).

 

Критическая частота вращения вала , т.е. скорость, при которой происходит разрушение вала, с^-1,

(5)

 

где К – сила, вызывающая прогиб вала на 1 м, Н/м, для сепаратора с жестко зацепленным (без амортизатора) верхним радиальным подшипником;

(6)

 

где Е – модуль упругости материала вала, Н/м² (Е=2·10¹¹ Н/м² для сталей);

I – момент инерции сечения вертикального вала, м⁴,

(7)

 

где d_в – диаметр вала, м (d_в = 0,040…0,045 м)

 

Мощность электродвигателя сепаратора N, работающего в установившемся режиме, кВт,

(8)

 

где - КПД привода ( = 0,92…0,95);

N₁ – мощность, затрачиваемая для сообщения выбрасываемой из сепаратора жидкости избыточного давления, кВт,

(9)

 

где р – давление жидкости на выходе, Па; р = (2,0…2,5)·10² Па;

- КПД напорного диска ( 0,3);

N₂ – мощность, необходимая для преодоления сил трения барабана о воздух, кВт.

(10)

 

здесь - плотность воздуха, кг/м³ ( = 1,23 кг/м³);

F – общая площадь поверхности трения барабана, м²,

(11)

 

где v_б – окружная скорость барабана, м/с,

 

(12)

 

где N₃ – мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения в подшипниках, кВт,

(13)

 

где - коэффициент трения ( =0,03 для шарикоподшипников);

v_ц – линейная скорость вращения вала, м/с,

 

(14)

 

где d_в – диаметр вала, м.

Таблица - Варианты индивидуальных заданий

Номер вари­анта	с^-1	Rб м	Rм м	Rд м	V·10^-3 м^3	mб, кг	с, м	l, м	G, кг
		0,18	0,060	0,075	4,8		0,30	0,57
		0,18	0,060	0,075	4,9		0,30	0,58
		0,16	0,060	0,075	5,0		0,31	0,59
		0,16	0,070	0,075	5,0		0,34	0,60
		0,17	0,070	0,075	4,9		0,32	0,61
		0,17	0,070	0,075	4,8		0,33	0,61
		0,18	0,070	0,075	4,7		0,34	0,60
		0,17	0,060	0,075	4,8		0,31	0,59
		0,16	0,065	0,080	4,9		0,30	0,58
		0,18	0,065	0,080	5,0		0,30	0,58
		0,18	0,065	0,080	5,1		0,32	0,59
		0,20	0,065	0,080	5,2		0,33	0,60
		0,20	0,065	0,080	5,3		0,34	0,61
		0,20	0,065	0,080	5,2		0,34	0,62

 

Продолжение таблицы

		0,20	0,065	0,080	5,2		0,33	0,61
		0,18	0,065	0,080	5,3		0,32	0,60
		0,19	0,065	0,080	5,3		0,31	0,60
		0,19	0,075	0,085	5,2		0,32	0,60
		0,19	0,075	0,085	5,3		0,32	0,59
		0,17	0,075	0,085	5,4		0,33	0,59
		0,17	0,075	0,085	5,5		0,33	0,59
		0,19	0,075	0,085	5,6		0,34	0,58
		0,19	0,070	0,085	5,4		0,34	0,60
		0,20	0,070	0,085	5,3		0,35	0,61
		0,20	0,070	0,085	5,2		0,35	0,62

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

 

1. Кавецкий Г. Д. Процессы и аппараты пищевой технологии / Г.Д. Кавецкий, Б.В. Васильев.— М.: Колос, 1997-2000.-551с.

2. Кавецкий Г.Д. Технологические процессы и производства (пищевая промышленность) / Г.Д. Кавецкий, А.В. Воробьева. – М.: КолосС, 2006. – 368с.

3. Машины и аппараты пищевых производств. Кн. 1 / Под ред. акад. В. А. Панфилова. — М.: Высшая школа, 2001. — 703 с.

4. Машины и аппараты пищевых производств. Кн. 2 / Под ред. акад. В.А.Пан­филова. — М.: Высшая школа, 2001. — 680 с.

5. Процессы и аппараты: методические указания к лабораторным работам / В.И. Лобанов. – Барнаул: Изд-во АГАУ, 2006. – 116 с.

6. Технология пищевых производств /Под ред. Л. П. Нечаева. — М.: КолосС, 2005. - 768 с.

7. Федоренко И.Я. Переработка сельскохозяйственного сырья на малогабаритном оборудовании: учебное пособие / И.Я. Федоренко, С.В. Золотарёв. – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 1998. – 317с.

 

 

 

Учебно-методическое издание

 

 

Лобанов Владимир Иванович

Бузоверов Сергей Юрьевич

 

 

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

 

Методические указания

к выполнению практических работ

 

Редактор

Технический редактор

 

 

ЛР №020648 от 16 декабря 1997 г.

Подписано в печать 2010 г. Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов. Печать ризографная. Гарнитура «Times New Roman». Усл. печ.л.. Уч. изд. л.. Тираж 100 экз. Заказ №.

 

Издательство АГАУ

656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98

62-84-26