Гидромеханические процессы, протекающие при производстве сахара: отстаивание и фильтрование.

Гидромеханические процессы – связаны с обработкой систем жидкостей и газов со взвешенными в них твердыми или жидкими частицами. К ним относятся осаждение в поле силы тяжести, в центробежном, электрическом и магнитном полях, фильтрование, перемешивание, течение жидкости или газа через слой сыпучих (зернистых) материалов. Движущей силой является разность давлений, обусловленная разностью плотностей обрабатываемых материалов. Скорость процесса определяется законами гидродинамики неоднородных систем. В сахарном производстве выделяют ноиболее важные процессы – это фильтрование и отстаивание.

Фильтрование, процесс разделения суспензий или аэрозолей при помощи фильтровальных перегородок , пропускающих жидкость или газ, но задерживающих твёрдые частицы. Фильтрование осуществляется в специальных аппаратах – фильтрах. Наряду с термином фильтрование для название этого процесса употребляется и термин "фильтрация". Ниже рассматривается наиболее важный вид фильтрации – разделение суспензий.

При фильтрации суспензий отделяемые от жидкости твёрдые частицы чаще всего образуют на фильтровальной перегородке слой влажного осадка, который при необходимости может промываться водой и др. жидкостями или продуваться воздухом с целью его осушки. Твёрдые частицы очень вязких и малоконцентрированных тонкодисперсных суспензий могут проникать в поры фильтровальной перегородки и задерживаться там, не образуя осадка. Возможно также фильтрация, при которой твёрдые частицы одновременно проникают в поры и образуют осадок. Для предотвращения или замедления закупорки пор применяют вспомогательные вещества (диатомит, перлит, асбест, целлюлозу и др.), которые либо наносят на фильтровальную перегородку, либо добавляют в суспензию. Принцип действия этих материалов заключается в том, что они образуют защитные сводики над порами. Жидкость, прошедшая через фильтровальную перегородку, называется фильтратом. Объём фильтрата, получаемый за малый промежуток времени с единицы поверхности фильтра, прямо пропорционален разности давлений и обратно пропорционален вязкости фильтрата и общему сопротивлению осадка и фильтровальной перегородки. В диф. форме это

                                                                   ,

где V – объем фильтрата, м³ ;

  s - площадь поверхности фильтрования, м² ;

  τ - продолжительность фильтрования, с;

ΔP – разность давлений на перегородке, Па;

  μ - динамическая вязкость жидкой фазы суспензии, Па·с;

R_ос – сопротивление слоя осадка, м ^-1 ;

R_ф.п. – сопротивление фильтровальной перегородки, м ^-1 .

Представляет собой переменную скорости фильтрования, выраженную в м/с.

Фильтруемая жидкость при движении через слой осадка и фильтровальную перегородку встречает гидравлическое сопротивление, для преодоления которого необходимо создание перепада давления (вакуума под фильтровальной перегородкой или избыточного давления над ней). При постоянном перепаде давления скорость фильтрования падает по мере увеличения толщины слоя осадка и, следовательно, возрастания гидравлического сопротивления. В случае подачи суспензии на фильтровальную перегородку поршневым насосом фильтрование происходит при непрерывном росте перепада давления с постоянной скоростью. Если же суспензия подаётся центробежным насосом, изменяются непрерывно как перепад давления, так и скорость фильтрования. С повышением температуры скорость фильтрования возрастает благодаря понижению вязкости суспензии.

Различают следующие виды фильтрования: а) собственно разделение суспензий – отделение содержащихся в них твёрдых частиц, задерживаемых на фильтровальной перегородке, через которую удаляется подавляющее количество жидкости; б) сгущение суспензий – повышение в них концентрации твёрдой фазы путём удаления через фильтровальную перегородку некоторой части жидкой фазы; в) осветление жидкостей – очистка от содержащегося в них небольшого количества тонких взвесей. Осадки, получаемые при фильтровании, бывают несжимаемые (их пористость в процессе фильтрования постоянна) и сжимаемые (пористость уменьшается). В случае несжимаемых осадков (например, частиц песка, кристаллов карбоната кальция) поток жидкости через фильтровальную перегородку ламинарен и скорость фильтрования пропорциональна перепаду давления и высоте слоя осадка. В случае сжимаемых осадков (например, гидроокисей металлов) эта зависимость более сложна и индивидуальна для каждой суспензии. Сжатие осадка приводит к увеличению гидравлического сопротивления и уменьшению скорости фильтрования. Для предотвращения сжатия к тонкодисперсным суспензиям добавляют коагулянты и флокулянты, способствующие агрегированию мелких частиц и повышению пористости осадка.

Фильтрование – эффективный метод разделения жидких неоднородных систем, широко применяемый в лабораторных и промышленных условиях (в химической, пищевой, нефтеперерабататывающей, горнорудной и др. областях промышленности). Ф. используется также для газов очистки.

Отстаивание, медленное расслоение жидкой дисперсной системы (суспензии, эмульсии, пены) на составляющие её фазы: дисперсионную среду и диспергированное вещество (дисперсную фазу), происходящее под действием силы тяжести. В процессе отстаивания частицы дисперсной фазы оседают или всплывают, скапливаясь соответственно у дна сосуда или у поверхности жидкости. (Если отстаивание сочетается с декантацией, то имеет место отмучивание.) Концентрированный слой из отдельных капелек у поверхности, возникший при отстаивании, называют сливками. Частицы суспензии или капли эмульсии, скопившиеся у дна, образуют осадок. Накопление осадка или сливок определяется закономерностями седиментации (оседания). Отстаивание высокодисперсных систем часто сопровождается укрупнением частиц в результате коагуляции или флокуляции. Структура осадка зависит от физических характеристик дисперсной системы и условий отстаивания. Он бывает плотным при отстаивания грубодисперсных систем. Полидисперсные суспензии тонко измельченных лиофильных продуктов дают рыхлые гелеобразные осадки.

Отстаивание— распространённый способ очистки жидкостей от грубодисперсных механических примесей . Его используют при подготовке воды для технологических и бытовых нужд, обработке канализационных стоков, обезвоживании и обессоливании сырой нефти, и в сахарном производстве. Оно является важным этапом в естественном самоочищении природных и искусственных водоёмов. Отстаивание применяется также для выделения диспергированных в жидких средах различных продуктов промышленного производства или природного происхождения.

Разделение неоднородных смесей в центрифугах может производиться либо по принципу отстаивания, либо по принципу фильтрации.

Как было указано выше, центрифугирование можно проводить по принципу отстаивания (в сплошных барабанах) или по принципу фильтрации (в дырчатых барабанах).

Съемными заслонками на этих окнах можно регулировать уровень жидкости внутри барабана и, следовательно, величину заполненного объема барабана, называемого зоной отстаивания. Для лучшего отстаивания жидкости желательно удлинить ее путь в центрифуге.

Центробежное отстаивание производят в барабанах со сплошными стенками. При действии центробежных сил суспензия расслаивается. Твердая фаза, как правило, более тяжелая, располагается в наружном слое, вблизи поверхности барабана, а жидкость собирается во внутреннем слое и сливается через край барабана.

Центробежное отстаивание производится в центрифугах и гидроциклонах. Наиболее важное значение имеют центрифуги, работа и устройство которых будут описаны ниже.

Центробежное отстаивание состоит из двух физических процессов: 1) осаждения твердой фазы, 2) уплотнения осадка.

Суспензия вводится в нижнюю часть барабана и под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам. Непосредственно у стенок образуется слой осадка, а жидкость образует внутренний слой и вытесняется из барабана поступающей на разделение суспензией. Поднимаясь кверху, жидкость переливается через закраину барабана и удаляется наружу.

Отстойное центрифугирование используется для разделения плохо фильтрующихся суспензий с малой концентрацией, а также для классификации суспензий по крупности и удельному весу частиц.

Фильтрационное центрифугирование применяется для разделения суспензий, имеющих дисперсионную фазу кристаллической или зернистой структуры, а также для обезвоживания влажных материалов, поры которых целиком или частично заполнены жидкостью.

Фильтрационное центрифугирование получило распространение в сахарной промышленности для фуговки утфеля.

Утфель представляет собой двухфазную вязкую массу, содержащую 45...60 % по объему кристаллов сахара и межкристальный раствор.

Процесс фуговки осуществляется за счет действия центробежной силы на утфель, загруженный в цилиндрический перфорированный ротор центрифуги, вращающейся с окружной скоростью 50...90 м/с (рис.).

Рис 1. Схема работы центрифуги

Для лучшего отделения межкристального оттека и задержания кристаллов сахара внутри ротора центрифуги устанавливают подкладочные и фильтрующие сита.

Процесс фуговки утфеля делится на три периода: образование осадка, уплотнение и механическая сушка осадка. Первый период — обычная фильтрация, причем давление обусловливается гидравлическим напором под действием центробежных сил.

Во время второго периода центрифугируемая масса представляет собой двухфазную систему, причем вначале твердые частицы имеют минимум точек касания.

В дальнейшем происходит сближение частиц с уменьшением объема пор массы и выжимание жидкой фазы из этих пор. На межкристальную жидкость оказывают давление твердые частицы и центробежные силы. С течением процесса сжатия осадка число точек касания между частицами увеличивается. Одновременно давление на жидкость, вызванное действием поля центробежных сил, падает вследствие уменьшения гидравлического напора по мере удаления межкристального раствора. Когда уровень жидкости опускается до дренирующего слоя, начинается третий период.

К началу третьего периода на поверхности кристаллов и в местах их соприкосновения остается межкристальная патока, удерживаемая капиллярными и молекулярными силами. Этот период характеризуется стеканием патоки по незаполненным порам с поверхности кристаллов до тех пор, пока силы молекулярного сцепления оставшейся пленки патоки на кристаллах уравновешиваются центробежными силами. Чтобы удалить оставшийся на поверхности кристаллов раствор, их промывают водой и сушат паром (пробелка).