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, 10 000 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 № 51 532 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 работКарамзин 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 № 51 532 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.