Центробежные сепараторы
Историческая справка
В немецком коммерческом издании Milch-Zeitung от 18 апреля 1877 г. было дано описание только что изобретенного приспособления, предназначенного для отделения сливок от молока. Оно представляло собой «барабан, благодаря вращению которого в течение некоторого времени на поверхности молока образовывается слой сливок, который можно снимать обычным способом».
Прочитав эту статью, молодой шведский инженер Густав де Лаваль заявил:
«Я докажу, что центробежная сила действует в Швеции не хуже, чем в Германии». 15 января 1878 г. в ежедневной газете Stockoims Dagblad появилось сообщение: «Со вчерашнего дня началась демонстрация центробежной машины для снятия сливок. Этот показ будет продолжаться ежедневно с 11 до 12 ч. утра на ул. Регерингсгатан, в доме №41 на первом этаже. Эта машина соединена с барабаном, который приводится в движение с помощью ременного блока.
Рис.1 Густав де Лаваль, изобретатель первого центробежного сепаратора непрерывного действия.
Будучи легче молока, сливки вытесняются центробежной силой на его поверхность, откуда по желобку стекают в отдельный сосуд. Молоко, оказавшееся под сливками, направляется на периферию барабана, откуда по другому желобу течет в другой сосуд».
С 1890 г. разработанные Густавом де Лавалем сепараторы стали оснащаться специально сконструированными коническими тарелками, патент на которые был выдан в 1888 г. немцу Фрехерру фон Бехтольшайму (Freiherr von Bechtolsheim) и куплен в 1889 г. шведской фирмой АВ Separator, одним из акционеров которой был Густав де Лаваль.
Сегодня большинство моделей подобных машин оборудованы пакетами конических тарелок.
Рис.2 Один из самых первых сепараторов, Альфа А 1, выпускавшийся с 1882 г.
Осаждение под действием силы тяжести
В историческом масштабе центробежный сепаратор — изобретение недавнее. Немногим более ста лет назад единственным способом отделения одного вещества от другого было использование естественного процесса осаждения под воздействием силы тяжести. Осаждение — непрерывный процесс. Частички глины во взбаламученной луже постепенно оседают, и вода становится прозрачной. То же самое происходит с тучами песка, перемешанными с водой в волнах прибоя или поднятыми ногами купальщиков. Нефть, вытекшая в море, легче воды, и поэтому она постепенно поднимается и формирует пятна на поверхности воды.
Осаждение под воздействием силы тяжести также изначально использовалось в молочном производстве для отделения сливок от молока. Парное молоко оставлялось в сосуде. Через некоторое время жировые шарики агрегировались и всплывали на поверхности, где образовывали слой сливок. Последний затем снимался вручную.
Требования к осаждению
Жидкость должна представлять собой дисперсию, то есть смесь из двух или более фракций, одна из которых сплошная. Сплошная фаза молока может фигурировать как плазма молока или обезжиренное молоко. Жир содержится в плазме молока в форме круглых шариков различного диаметра — до 15 микрон. В молоке также содержится третья фракция, состоящая из разрозненных твердых частичек, в том числе клеток вымени, измельченной соломы, шерсти и т.д.
Фракции, которые нужно отделить, не должны растворяться друг в друге. Растворенные вещества не могут быть разделены методом осаждения.
Растворенная лактоза не может быть отделена центрифугированием. Тем не менее она может кристаллизоваться. А кристаллы лактозы можно разделить с помощью осаждения.
Фракции, которые нужно разделить, должны также иметь различную плотность. Фракции молока удовлетворяют этому требованию: у твердых примесей плотность больше, чем у обезжиренного молока, а у жировых шариков — меньше.
Как происходит осаждение?
Мы знаем, что камень, брошенный в воду, утонет, а пробка всплывет на ее поверхность, потому что камень «тяжелее», а пробка «легче» воды.
Вероятно, у некоторых вызовет затруднение вопрос о том, что случится с камнем или куском железа, если вместо воды их опустить в сосуд с ртутью. Опыт достаточно простой. Ртуть — жидкий металл, имеющий высокую плотность, поэтому и железо, и камень останутся на ее поверхности.
Рис.3 Подмешиваемый в воду песок тонет, а нефть всплывает.
Плотность
Каждое вещество обладает характеристикой, называемой плотностью. Плотность является мерой тяжести вещества и может быть выражена в кг/м3. Если мы положим на весы один кубический метр железа, то они покажут 7860 кг (плотность железа 7860 кг). Плотность воды при комнатной температуре составляет 1000 кг/м3, а камня (гранита), пробки и ртути при комнатной температуре — 2700, 180 и 13 550 кг/м3 соответственно.
Когда в воду опускают какой-либо предмет, утонет он или останется на ее поверхности, зависит от того, какова его плотность по сравнению с плотностью воды. Если плотность предмета выше плотности воды, он утонет, в противном случае предмет останется на поверхности воды.
Плотность обычно обозначается греческой буквой ρ. При плотности какой-либо частицы, равной ρ p и плотности жидкости, равной ρ 1 разницу в их плотности можно обозначить как (ρ t — ρ 1). Например, разница плотностей камня и воды составляет (2700 — 1000) = 1700 кг/см3, что является положительным числом, т.к. плотность камня больше плотности воды. Поэтому, если мы опустим в воду камень, он утонет.
Что касается пробки, то здесь разность получается с отрицательным результатом, т.к. плотность пробки ниже плотности воды. Следовательно, брошенная в воду пробка не утонет, а останется на ее поверхности. Пробка будет двигаться в направлении, противоположном силе притяжения.
Рис.4 Пробка легче воды, поэтому она не тонет. Камень тонет, потому что он тяжелее.
Рис.5 И железо, и камень, и пробка имеют меньшую плотность, чем ртуть, поэтому они в ней не тонут.
Скорость осаждения и всплытия
Твердая частичка или жидкая капелька, движущаяся под действием силы тяжести сквозь вязкую жидкость, в конечном счете приобретает постоянную скорость. Она называется скоростью осаждения. Если плотность частицы ниже, чем плотность жидкости, она будет двигаться вверх со скоростью всплытия.
Эти скорости обозначаются буквами Vg (g — сила тяжести). Величина скорости
осаждения/всплытия определяется следующими физическими параметрами:
• Диаметром частицы d. м
• Плотностью частицы ρ p, кг/м3
• Плотностью непрерывной фазы, ρ 1, кг/м3
• Вязкостью непрерывной фазы η, кг/м,с
• Ускорением силы тяжести g = 9,81 м/с2.
Если известны значения всех вышеперечисленных параметров, то можно рассчитать скорость осаждения/всплытия частицы или капли при помощи следующей формулы, выведенной из закона Стокса:
Эта формула (уравнение 1) показывает, что скорость осаждения/всплытия частицы или капли:
• Возрастает пропорционально квадрату диаметра частицы; это означает, что частица диаметром
2 см будет опускаться или всплывать в четыре раза быстрее (22 = 4), чем частица диаметром 1 см
• Возрастает с увеличением разницы плотностей между фазами
• Возрастает с уменьшением вязкости непрерывной фазы.
Скорость всплытия жирового шарика
Жировые шарики в молоке, помещенном в сосуд, поднимаются к поверхности молока. Скорость их всплытия может быть рассчитана с помощью вышеприведенной формулы. Используемые в решении нижеследующего уравнения средние показатели справедливы при температуре окружающего воздуха около 35°С:
Как видим из полученного результата, жировые шарики поднимаются очень медленно. Комочек диаметром в три микрона движется вверх со скоростью 0,6 мм/ч. Скорость всплытия шарика вдвое большего диаметра составит 22 х 0.6 = 2,4 мм/ч. На практике шарики жира образуют крупные скопления и их всплытие происходит гораздо быстрее.
На рис. 6 схематически показано, как жировые шарики различного диаметра движутся под воздействием силы тяжести через молочную сыворотку. В момент времени 0 жировые шарики находятся на дне сосуда. По истечении t минут произошло некоторое осаждение, а через 3 t минут самый крупный жировой комочек достиг поверхности. К этому моменту жировой шарик средних размеров поднялся
до средней отметки на полпути к поверхности, а самый маленький преодолел только четверть пути.
Жировой шарик средних размеров достигнет поверхности через 6 t минут, а самый маленький — через 12 t минут.
Периодическое сепарирование под действием силы тяжести
В сосуде А, показанном на рис.7, содержится жидкость, в которой во взвешенном состоянии находятся твердые частицы одинаковых размеров и более плотные, чем жидкость. Для того чтобы находящиеся на поверхности жидкости частицы опустились на дно, должно пройти довольно много времени. Расстояние, которое они должны преодолеть в этом случае, составляет h1 м.
Рис.6 Скорости всплытия жировых шариков различных диаметров.
Рис.8 В этом сосуде происходит непрерывное отделение твердых фракций от жидкости.
Время осаждения может быть сокращено при условии сокращения этой дистанции. Высоту сосуда (В) уменьшили, а площадь увеличили с тем, чтобы объем остался неизменным. Дистанция осаждения (h2) уменьшилась до 1/5 от первого варианта (h), и время, требуемое для полного разделения фракций,
также сократилось до 1/5. Но следует помнить, что чем больше сокращается дистанция и время осаждения, тем больше становится площадь сосуда, в котором происходит осаждение.
Непрерывное сепарирование под действием силы тяжести
Простейший сосуд, в котором может осуществляться непрерывное отделение частичек разного диаметра от жидкости, показан на рис.8. Жидкость, содержащая частички в виде шлама, поступает в сосуд с одного его конца и движется в направлении выхода на другом конце под определенным напором.
При движении частички оседают с различной скоростью в зависимости от их диаметров.
Экраны увеличивают производительность
Пропускная способность разделительного сосуда повышена при увеличении его площади, но при этом сосуд станет слишком громоздким и неудобным в работе. Вместо этого можно увеличить зону под осаждения, установив в сосуде горизонтальные экраны (см. рис. 6.2.9).
Теперь имеется ряд «разделительных каналов», в которых осаждение частиц может происходить с той же скоростью, что и в сосуде, показанном на рис.8. Общая пропускная способность сосуда умножается на число таких каналов. Общая площадь (то есть суммарная площадь всех экранов) для осаждения, помноженная на число осадительных каналов, определяет максимальную пропускную способность сосуда при сохранении качества очистки, то есть при недопущении ухода частиц ограниченного или более крупного размера вместе с очищенной жидкостью.
Рис.9 Горизонтальные экраны, которыми оснащен разделительный сосуд, значительно увеличивают площадь, на которой происходит осаждение.
При непрерывном отделении взвеси от жидкости в сосуде с горизонтальными экранами осадительные каналы будут постоянно забиваться собирающимися в них частицами. В конце концов процесс остановится.
В сосуде с наклонными экранами, показанном на рис.10, частицы, оседающие на экранах, соскальзывают под действием силы тяжести с экранов и скапливаются на дне сосуда.
Почему частицы, оседающие на экранах, не захватываются жидкостью, текущей вверх между экранами? Объяснение дано на рис.11, на котором показан разрез части осадительного канала. Когда жидкость течет между экранами, ее пограничный слой, ближайший к экранам, тормозится трением, и поэтому скорость его падает до нуля.
Стационарный пограничный слой оказывает тормозящее воздействие на соседний слой, и так далее в направлении к центру канала, где скорость максимальная.
Получается профиль скоростей, как показано на рисунке. — ламинарный поток в канале. Частицы, осевшие в стационарной пограничной зоне, таким образом, находятся под воздействием только силы тяжести.
Поверхность для осаждения, используемая при прохождении через сосуд с наклонными вставками максимального потока, должна быть предварительно рассчитана. Для полного использования пропускной способности разделительного сосуда необходимо предоставить оседающим частицам как можно большую поверхность. Расстояние, в пределах которого происходит осаждение, не оказывает непосредственного влияния на пропускную способность сосуда, но какую-то минимальную ширину канала необходимо выдерживать, чтобы не допустить забивания каналов оседающими частицами.
Рис.10 В осадительном сосуде с наклонными экранами поток рассекается на слои, а частички соскальзывают вниз.
Рис.11 Скорости частиц в разных точках разделительного канала. Длина стрелки
соответствует скорости частицы.
Непрерывное разделение одной твердой и двух жидких фаз
Для разделения двух смешанных жидкостей под действием силы тяжести и одновременно для отделения от этой смеси перемешанных с ней твердых частичек можно использовать устройство, подобное изображенному
на рис.12
Смесь поступает сверху вниз через входное отверстие В. Затем она движется в горизонтальном направлении на уровне В. На этом уровне твердые частицы, имеющие большую плотность, чем обе жидкости, оседают на дно сосуда.
Та из двух жидких фаз, чья плотность меньше, поднимается к поверхности и переливается через верхнее выходное отверстие В1. Более
плотная жидкая фаза стекает вниз, проходит под экраном В2 и выливается наружу через нижнее отверстие. Экран В2 предотвращает течение жидкости с меньшей плотностью в неверном направлении.
Разделение под действием центробежной силы
Скорость осаждения
Если сосуд наполнили жидкостью и начали вращать, как показано на рис.13, возникает поле центробежной силы. Оно создает центробежное ускорение а.
В отличие от силы тяжести g в стационарном сосуде, центробежное ускорение не есть постоянная величина. С увеличением расстояния от оси вращения (радиус r) и скорости вращения, обозначенной как угловая скорость w, центробежное ускорение возрастает (см. рис.14).
Рис.12 Сосуд, предназначенный для непрерывного разделения двух жидких фаз и одновременного осаждения твердых фракций.
В Входное отверстие.
В1 Выходное отверстие для
жидкости, имеющей меньшую плотность.
В2 Экран, предотвращающий течение жидкости с меньшей плотностью через выходное отверстие для жидкости с большей плотностью.
Рис.13 Во вращающемся сосуде возникает центробежная сила.
Рис.14 Простой сепаратор.
Ускорение можно рассчитать с помощью нижеследующей формулы 2.
Следующую формулу 3 получаем, если центробежное ускорение а, выраженное как rw2, подставить вместо ускорения силы тяжести g в ранее приведенной формуле 1, выведенной из закона Стокса.
Уравнением 3 можно воспользоваться для расчета скорости осаждения, v, каждой частицы, находящейся в центрифуге.
Скорость всплытия жирового шарика
Ранее примененное уравнение 1 показало, что скорость всплытия одного жирового шарика диаметром 3 мкм под воздействием силы тяжести равняется 0,6 мм/ч или 0,166 х 10-6 м/сек.
Теперь можно прибегнуть к уравнению 3, чтобы вычислить скорость всплытия жирового шарика того же диаметра, находящегося на радиальном удалении 0,2 м, при вращении центрифуги со скоростью n = 5400 об/мин.
Угловая скорость рассчитывается следующим образом:
Если 2 π = 1 обороту и n — обороты в минуту,
при скорости вращения (n) = 5400 об/мин угловая скорость (w) составит 564,49 рад/сек. Скорость осаждения (v) в таком случае будет:
то есть 1,08 мм/сек или 3896 мм/ч.
Разделив скорость осаждения в зоне действия центробежной силы на скорость осаждения под воздействием силы тяжести, получаем представление об эффективности сепарации в центрифуге по сравнению с осаждением под действием силы тяжести. Скорость осаждения в центрифуге в 6500 раз выше (3896,0/0,6 = 6500).
Рис.15 Если повернуть на 90 градусов и начать вращать снабженный перегородками (экранами) сосуд, то мы получим барабан центрифуги для непрерывного отделения
твердых частиц от жидкости.
Непрерывное центробежное отделение твердых частиц (кларификация, или очистка)
На рис.15 показана центрифуга для непрерывного отделения твердой фракции от жидкой. Эта операция называется кларификацией (осветлением или очисткой). Представим себе, что сосуд для осаждения, изображенный на рис.10, повернули на 90 градусов и загустили, как волчок вокруг оси вращения. То, что мы увидим при этом, будет выглядеть как центробежный сепаратор в разрезе.
Разделительные каналы
На рис.15 также видно, что у барабана центрифуги имеются вставки в виде конических тарелок. Это увеличивает площадь для осаждения.
Тарелки опираются друг на друга и создают конструкцию, известную под названием «пакет тарелок». К тарелкам приварены радиальные полосы, которые создают между ними необходимые зазоры. Так формируются каналы. Их ширина определяется толщиной радиальных полос.
+
Рис.16 Упрощенная схема разделительного канала и движения твердой частицы в жидкости во время разделения.
На рис.16 показано, как жидкость поступает в канал по наружному краю (радиус r1), стекает по внутреннему краю (радиус r2) и движется к выходу. Во время
движения по каналу частички стремятся наружу, оседая в направлении тарелки, которая играет роль внешней границы канала.
Скорость движения жидкости w не одинакова в каждой точке канала.
Она изменяется от почти нулевой в непосредственной близости к тарелкам до максимальной в центре канала. Центробежная сила действует на все частички, выталкивая их на периферию сепаратора со скоростью осаждения v. В результате частичка движется одновременно и со скоростью всего потока w, и со скоростью осаждения v в радиальном направлении — на периферию.
Результирующая скорость vp является суммой двух этих движений. Частичка движется в направлении, указанном вектором vp. (Для упрощения схемы предполагается, что частичка движется по прямой, как показано на иллюстрации пунктирной линией.)
Для того чтобы отделиться от жидкости, частичка должна осесть на верхнем экране до прихода к точке ВI, то есть на радиусе, равном или большем, чем r2 После того как частичка осела, ее уже не может унести с собой поток жидкости, поскольку его скорость у поверхности тарелки очень мала. Поэтому она выскальзывает наружу по нижней поверхности диска под воздействием центробежной силы, попадает на внешний край у точки В и оседает на стенке барабана центрифуги.
Рис.17 Частицы более
крупные, чем микрочастица, будут отделены, если они находятся
в выделенной зоне.
Микрочастица
Микрочастица — это частица такого размера, что если она начнет двигаться от наиболее неблагоприятного места, а именно от точки А (см. рис.17), то она только дойдет до верхней тарелки в точке ВI. Все более крупные частички будут уже отделены.
На рисунке видно, что и некоторые более мелкие, чем предельная, частички тоже будут отделены, если они попадут в канал в точке С, где-то между А и В.
Чем мельче частичка, тем ближе С должно быть к В. чтобы произошло отделение.
Непрерывное центробежное сепарирование молока
Рис.18 В барабане центробежного очистителя молоко попадает на периферию тарелочного пакета, откуда по каналам устремляется внутрь.
Кларификация (очистка)
В центробежном очистителе молоко попадает в разделительные каналы со стороны внешнего края тарелочного пакета, течет внутрь по каналам в радиальном направлении в сторону оси вращения и вытекает наружу через выпускное отверстие в верхней части, как показано на рис.18. В процессе движения потока через тарелочный пакет твердые примеси отделяются и направляются в обратную сторону вдоль нижних поверхностей тарелок — на периферию барабана очистителя. Там они скапливаются в отстойнике. По мере прохождения молока по всей радиальной ширине тарелок от него отделяются и очень мелкие частицы. Наиболее типичным различием между центробежным очистителем и сепаратором является конструкция пакета тарелок: у очистителя отсутствуют распределительные отверстия и имеется всего одно выходное отверстие, в то время как у сепаратора их два.
Сепарирование
Пакет тарелок центробежного сепаратора снабжен вертикально совмещенными распределительными отверстиями. На рис.19 схематично показано, как жировые шарики отделяются от молока в дисковом пакете центробежного сепаратора. Более подробно этот процесс проиллюстрирован на рис.20.
Рис.19 В барабане
центробежного сепаратора молоко через распределительные
отверстия попадает в пакет тарелок.
Молоко подается через вертикально совмещенные распределительные отверстия в тарелках на определенном расстоянии от края пакета тарелок.
Под воздействием центробежных сил в межтарелочном пространстве траектория движения механических примесей и жировых шариков изменяется в зависимости от соотношения плотности данных фракций и плазмы молока.
Как и в кларификаторе, более плотные твердые примеси будут быстро выноситься в направлении периферии сепаратора и собираться в отстойнике.
Рис.20 Вид части тарелочного пакета в разрезе. Здесь показано, как молоко поступает через распределительные отверстия и как от него отделяются жировые шарики.
Осаждению твердой фракции также способствует то обстоятельство, что в этом случае обезжиренное молоко в каналах движется в направлении периферии пакета тарелок.
Сливки, т.е. жировые шарики, имеют меньшую плотность, чем обезжиренное молоко, и поэтому движутся в каналах по направлению внутрь, к оси вращения и далее к осевому выходному отверстию.
Обезжиренное молоко движется к периферии, за пределы пакета тарелок, проходит по каналу, образованному поверхностями барабана сепаратора и разделительной тарелкой, к концентрическому выходу для обезжиренного молока.
Степень обезжиривания
Степень обезжиривания молока зависит от конструкции сепаратора, скорости прохождения через него молока и размеров жировых шариков.
Самые мелкие жировые шарики (диаметр < 1 мкн) не успевают всплыть при данной скорости потока и уносятся из сепаратора вместе с обезжиренным молоком. Обычно содержание жира в таком молоке составляет от 0,04 до 0,07%, и говорят, что установка обеспечивает степень обезжиривания молока от 0,04 до 0,07.
Если уменьшить скорость потока молока через сепаратор, уменьшится скорость его прохождения по разделительным каналам. Это предоставит жировым шарикам больше времени для всплытия и выхода наружу через отверстие для сливок. Соответственно с уменьшением производительности сепаратора степень обезжиривания молока будет увеличиваться, и наоборот.
Жирность сливок
Цельное молоко, направляемое в сепаратор, выходит из него в виде двух потоков — обезжиренного молока и сливок. Сливки обычно составляют около 10% от всего объема. Жирность сливок определяет их количественное соотношение с молоком. Если жирность цельного молока составляет 4%, а пропускная способность сепаратора равна 20 000 л/ч, общее количество жира, проходящего через сепаратор, будет:
Допустим, требуется получить сливки жирностью 40%. Это количество жира должно быть растворено в определенном объеме молока. Общее количество жидкости, которое для этого потребуется, в этом случае будет:
800 л/ч — это чистый молочный жир. а остальные 1200 л — обезжиренное молоко.
Установка дроссельных заслонок на патрубках выхода сливок и обезжиренного молока позволяет регулировать относительные объемы двух потоков с тем, чтобы получить требуемую жирность сливок.
Выгрузка осадка в шламовое пространство
В твердую фракцию, которая скапливается в барабане сепаратора, входят солома, шерсть, клетки вымени, белые кровяные тельца (лейкоциты), красные кровяные
тельца (эритроциты), микроорганизмы и т.п. Общее содержание осадка
в молоке в разных случаях может
быть различным, но обычно
составляет около 1 кг на 10 000 литров. Объем отсека для накопления осадка зависит от размеров сепаратора, обычно он составляет 10-20 л.
Рис.21 Тарелочный пакет с распределительными отверстиями и дистанционными наклепками.
В молочных сепараторах с ручной выгрузкой осадка довольно часто приходится вручную разбирать барабаны и очищать эти отстойники, что требует немалых затрат ручного труда.
Современные самоочищающиеся барабаны сепараторов оснащены приспособлениями для автоматического освобождения от накопившегося осадка через установленные интервалы. Это устраняет необходимость ручной очистки. Система выброса твердой фракции описана в конце этой главы, в разделе «Система выгрузки».
Обычно выброс твердой фракции происходит через 30- или 60-минутные интервалы в процессе сепарации молока.
Рис.22 Для выброса твердой фракции осадительная камера для накопления осадка на периферии барабана на короткое время открывается.
Устройство центробежного сепаратора
На рис.25 и 26, показывающих самоочищающийся сепаратор в разрезе, видно, что его барабан состоит из двух основных деталей — корпуса и колпака, которые соединяются с помощью резьбового запорного кольца. Пакет тарелок закреплен в центре барабана между крышкой барабана и тарелкодержателем.
Существуют два типа современных сепараторов — полугерметичные и герметичные.
Полугерметичная конструкция
Центробежные сепараторы с напорными дисками у выходного отверстия (рис.23) называются герметичными (в отличие от более старых сепараторов открытого типа со сливом через край).
Молоко подается в барабан герметичного сепаратора через входное отверстие, обычно находящееся наверху, по неподвижной осевой впускной трубе.
Поступив в тарелкодержатель (1), молоко разгоняется до скорости вращения барабана, после чего попадает внутрь разделительных каналов пакета тарелок (2). Под действием центробежных сил молоко отбрасывается на периферию и образует вращающееся кольцо с цилиндрической внутренней поверхностью. Происходит это в контакте с воздухом при атмосферном давлении, а это значит, что давление молока на поверхности также равно атмосферному. Давление постоянно нарастает по мере удаления от оси вращения и достигает максимального значения на периферии барабана.
Более тяжелые твердые частицы стремятся в направлении внешней границы и оседают в камере для накопления осадка. А сливки направляются в сторону оси вращения и проходят по каналам, ведущим к камере отделения сливок (3). Обезжиренное молоко покидает пакет тарелок у наружного края и проходит
между верхней тарелкой и колпаком барабана в напорную камеру обезжиренного молока (4).
Рис.23 Полугерметичный самоочищающийся сепаратор.
1 Тарелкодержатель
2 Пакет тарелок
3 Напорная камера сливок
4 Напорная камера отделения обезжиренного молока
Рис.24 Выход напорного диска в верхней части полугерметичного барабана.
Напорный диск
В полугерметичном сепараторе выпускные отверстия под сливки и обезжиренное молоко оснащены так называемыми напорными дисками, один из которых показан на рис.24.
Благодаря такому устройству выходных отверстий полугерметичные сепараторы обычно называются сепараторами с напорными дисками.
Рис.25 Вид в разрезе
барабана и выходных патрубков
современного герметичного
сепаратора.
1 Насосы на выходе
2 Крышка барабана
3 Распределительное отверстие
4 Пакет тарелок
5 Большое затяжное
кольцо
6 Тарелко-
держатель
7 Подвижное
днище
барабана
8 Корпус
барабана
9 Полое
веретено
Рис.26 Современный герметичный сепаратор. Вид в разрезе.
10 Станина
11 Циклон
12 Двигатель
13 Тормоз
14 Зубчатая передача
15 Рабочая гидросистема
16 Полое веретено барабана
Края стационарных напорных дисков погружены во вращающийся столб жидкости, обеспечивая выход жидкости под напором. Кинетическая энергия вращающейся жидкости преобразуется в давление внутри напорного диска, и это давление всегда равно падению давления в стекающей вниз струе. Увеличение давления в спускающемся потоке означает, что уровень жидкости в барабане снижается. Так автоматически компенсируется работа дросселя на выходе. Для предотвращения аэрации продукта необходимо, чтобы напорные тарелки были полностью погружены в жидкость.
Герметичная конструкция
В герметичном сепараторе молоко подается в барабан через полое веретено. Оно приобретает ту же скорость, с которой вращается барабан, а затем направляется к распределительным отверстиям пакета тарелок.
Во время работы барабан герметичного сепаратора полностью заполнен молоком. В его центре отсутствует воздух. Герметичный сепаратор, таким образом, может считаться закрытой трубопроводной системой.
Давление, создаваемое находящимся снаружи нагнетающим продукт насосом, достаточно для преодоления сопротивления потока, идущего через сепаратор к выпускному насосу, у выходных отверстий для сливок и обезжиренного молока. Диаметр крыльчатки насоса можно регулировать для создания необходимого давления на выходе.
Контроль жирности сливок
Сепаратор с напорными дисками
Количество сливок, выходящих из сепаратора с напорными дисками, зависит от положения дроссельного клапана у выходного патрубка для сливок. При постоянно открытом клапане из этого патрубка будет выходить большее количество сливок с меньшим содержанием жира.
Объем выходящих сливок жестко увязан с их жирностью. Если жирность цельного молока составляет 4% и стоит задача получить сливки жирностью в 40%. производительность на выходе должна быть установлена в 2000 л/ч (в соответствии с произведенным выше расчетом). С помощью регулировочного клапана на выходе обезжиренного молока (поз. 1 на рис.27) задается определенное давление в соответствии с типом данного сепаратора и его пропускной способностью.
Затем производится регулировка дроссельного клапана (2) на выходном патрубке для сливок, чтобы получить такой объем потока, который будет обеспечивать заданную жирность сливок.
Каждое изменение потока сливок на выходе будет отражаться в обратно пропорциональной зависимости на выходе обезжиренного молока. На выходном патрубке обезжиренного молока установлено автоматическое устройство, поддерживающее в этом месте постоянное противодавление, независимо от изменений параметров потока сливок.
Рис.27 Сепаратор
с напорными дисками, оснащенный устройствами
для ручного управления на выходных патрубках.
1 Выходной патрубок для обезжиренного молока с клапаном для регулировки давления
2 Дроссельный клапан на выходном патрубке для сливок
3 Расходомер сливок
Края стационарных напорных дисков погружены во вращающийся столб жидкости, обеспечивая выход жидкости под напором. Кинетическая энергия вращающейся жидкости преобразуется в давление внутри напорного диска, и это давление всегда равно падению давления в стекающей вниз струе. Увеличение давления в спускающемся потоке означает, что уровень жидкости в барабане снижается. Так автоматически компенсируется работа дросселя на выходе. Для предотвращения аэрации продукта необходимо, чтобы напорные тарелки были полностью погружены в жидкость.
Герметичная конструкция
В герметичном сепараторе молоко подается в барабан через полое веретено. Оно приобретает ту же скорость, с которой вращается барабан, а затем направляется к распределительным отверстиям пакета тарелок.
Во время работы барабан герметичного сепаратора полностью заполнен молоком. В его центре отсутствует воздух. Герметичный сепаратор, таким образом, может считаться закрытой трубопроводной системой.
Давление, создаваемое находящимся снаружи нагнетающим продукт насосом,
достаточно для преодоления сопротивления потока, идущего через сепаратор к выпускному насосу, у выходных отверстий для сливок и обезжиренного молока. Диаметр крыльчатки насоса можно регулировать для создания необходимого давления на выходе.
Контроль жирности сливок
Сепаратор с напорными дисками
Количество сливок, выходящих из сепаратора с напорными дисками, зависит от положения дроссельного клапана у выходного патрубка для сливок. При постоянно открытом клапане из этого патрубка будет выходить большее количество сливок с меньшим содержанием жира.
Объем выходящих сливок жестко увязан с их жирностью. Если жирность цельного молока составляет 4% и стоит задача получить сливки жирностью в 40%. производительность на выходе должна быть установлена в 2000 л/ч (в соответствии с произведенным выше расчетом). С помощью регулировочного клапана на выходе обезжиренного молока (поз. 1 на рис.27) задается определенное давление в соответствии с типом данного сепаратора и его пропускной способностью.
Затем производится регулировка дроссельного клапана (2) на выходном патрубке для сливок, чтобы получить такой объем потока, который будет обеспечивать заданную жирность сливок.
Каждое изменение потока сливок на выходе будет отражаться в обратно пропорциональной зависимости на выходе обезжиренного молока. На выходном патрубке обезжиренного молока установлено автоматическое устройство, поддерживающее в этом месте постоянное противодавление, независимо от изменений параметров потока сливок.
Герметичный сепаратор
На рис.28 показан автоматический регулятор, поддерживающий постоянное давление в герметичном сепараторе. Изображенный там клапан является клапаном диафрагменного типа, а требуемое давление продукта регулируется подачей сжатого воздуха на диафрагму.
В процессе разделения на диафрагму постоянно оказывают давление сверху — сжатый воздух, а снизу обезжиренное молоко. Если давление обезжиренного
молока снизится, установленное давление воздуха будет смещать диафрагму вниз. Исток клапана, закрепленный на диафрагме, в этом случае сдвинется вниз и уменьшит отверстие. В результате давление обезжиренного молока возрастет до заданного уровня.
Противоположным образом клапан отреагирует при чрезмерном росте давления обезжиренного молока, в результате чего оно снизится до установленного уровня.
Рис.29 Выходные устройства для сливок у сепараторов полугерметичного и герметичного типа и соответствующие показатели концентрации жира сливок на различных дистанциях.
Различия в работе выходных устройств герметичных и полугерметичных сепараторов
На рис.29 представлены в упрощенном виде выпускные устройства для сливок, используемые в конструкции герметичного сепаратора и сепаратора с напорными дисками, а также продемонстрировано существенное различие между этими машинами. В полугерметичном сепараторе напорные диски должны быть погружены во вращающийся столб жидкости по внешнему диаметру. Глубина погружения определяется жирностью сливок. Наибольшая жирность сосредоточена во внутреннем, незахваченном слое сливок в сепараторе. При уменьшении содержания жира в сливках необходимо увеличить диаметр.
Чем выше жирность сливок, тем больше расстояние от их внутреннего, незахваченного слоя до внешней периферии напорного диска. Чем жирнее сливки, тем больше они стремятся к центру. Соответственно, если установлено, что на выходе должны быть сливки жирностью в 40%, то та их часть, что находится ближе к центру, заведомо жирнее. Сливки будут иметь большую долю жира по сравнению с теми, которые должны быть на выходе из сепаратора. Это может привести к разрушению жировых шариков по причине повышенного трения в зоне, наиболее близкой к центру, в непосредственной близости от воздушного столба. Разрушение жировых шариков приведет к их склеиванию и повышенной чувствительности к окислению и гидролизу.
В герметичном сепараторе сливки подаются из центра, где их жирность максимальна. Поэтому в данной конструкции такая чрезмерная концентрация исключается.
При выработке сливок с высоким содержанием жира еще большее значение имеет разница в конструкциях выходных устройств. При жирности в 72% концентрация настолько высока, что жировые шарики практически касаются друг друга. В сепараторах с напорными дисками получить сливки такой жирности невозможно, поскольку там они были бы чрезмерно концентрированы.
В этих сепараторах нельзя создать необходимое давление. В герметичных сепараторах можно создавать высокие давления, позволяющие отделять сливки с долей жира выше 72%.
Система выгрузки
Производство и безразборная мойка
Во время сепарирования внутреннее, подвижное днище барабана под воздействием гидравлического давления со стороны находящейся под ним воды прижимается к уплотнительному кольцу в крышке барабана. Положение подвижного днища барабана определяется разностью
давлений, оказываемых на него с двух сторон: сверху, со стороны продукта, и снизу — со стороны воды.
Осадок от продукта и растворов системы безразборной очистки собирается в шламовом пространстве в нижней части периферии барабана до того момента, когда он выбрасывается наружу. Из барабана более крупных центрифуг осадок и жидкость выводятся наружу водяной промывкой в цикле очистки.
Выгрузка
Команда на выгрузку осадка может быть дана автоматически таймером или каким- либо датчиком, а также вручную — нажатием кнопки.
Процедура выгрузки осадка может в каких-то деталях варьироваться в зависимости от типа центрифуги, но ее основной принцип заключается в подаче в барабан центрифуги определенного объема воды для инициирования вытеснения «компенсационной воды». После того как вода сбрасывается из-под подвижного днища барабана, оно мгновенно опускается, и осадок удаляется с периферии барабана. Для закрытия барабана из вспомогательной системы автоматически поступает новая «компенсационная вода», которая поднимает подвижное днище барабана вверх, создавая плотный стык между этим днищем и уплотнительным кольцом. За десятые доли секунды произошел выброс осадка.
Станина поглощает энергию осадка, покидающего вращающийся барабан. Осадок выгружается из сепаратора под воздействием силы тяжести в канализацию, специальную емкость или насос.
Приводы
Барабан сепаратора установлен на вертикальном веретене, опирающемся на несколько верхних и нижних подшипников. В большинстве центрифуг вертикальное веретено приводится от двигателя через червячную передачу, обеспечивающую необходимую скорость и сцепление. Существуют также различные виды фрикционных соединений, но трение — это вещь довольно непостоянная. поэтому предпочтение обычно отдается непосредственным соединениям.
Рис.30 Клапанная система, подающая технологическую воду в сепаратор для надлежащего обеспечения выгрузки осадка.
Нормализация молока и сливок по массовой доле жира
Основные методики расчетов для периодического способа нормализации
Нормализаций жирности подразумевает регулирование содержания жира в молоке и молочных продуктах добавлением сливок или обезжиренного молока в пропорциях, необходимых для достижения требуемой доли жира.
Существуют различные методики расчетов количества продуктов с различным содержанием жира, которые нужно смешать для получения необходимого результата. Они распространяются на смеси цельного молока с обезжиренным молоком, сливок с цельным молоком, сливок с обезжиренным молоком и обезжиренного молока с обезвоженным молочным жиром.
Один из часто используемых методов иллюстрируется следующим примером, взятым из Словаря по молоководству Дж. Дэвиса (Dictionary of Dairying, J. Davis).
Какое количество сливок с массовой долей жира А% необходимо смешать с обезжиренным молоком, имеющим массовую долю жира В% для получения нормализованного молока с массовой долей жира С%? Ответ получаем с помощью прямоугольника, изображенного на рис.31 с помещенными на нем данными жирности.
Рис.31 Расчет жирности
смеси С
А Массовая доля жира в сливках 40%
В Массовая доля жира в обезжиренном молоке 0,05%
С Массовая доля жира в конечном продукте 3%
Подсчитываем разность по диагоналям между большей и меньшей величинами:
С — В = 2,95 и А — С = 37.
Таким образом, для получения 39,95 кг нормализованного продукта жирностью 3% нужно смешать 2.95 кг сливок жирностью 40% и 37 кг обезжиренного молока
с жирностью 0,05%.
С помощью следующего уравнения можно рассчитать количество составляющих ингредиентов с содержанием жира А и В%, необходимых для получения требуемого количества нормализованной смеси, имеющей массовую долю жира С%.
Рис.32 Принцип нормализации по массовой доле жира
Принцип нормализации
Массовая доля жира в сливках и обезжиренном молоке при выходе из сепаратора постоянна в случае отсутствия изменений остальных составляющих этих продуктов. В основе процессов нормализации с ручным и автоматическим управлением лежит один принцип, проиллюстрированный на рис.32.
В данном примере исходным сырьем являлось цельное молоко с массовой долей жира 4%, взятое в количестве 100 кг. Необходимо определить количество полученного нормализованного молока с массовой долей жира 3% и остаточное количество сливок с массовой долей жира 40%. При сепарировании 100 кг цельного молока выход обезжиренного молока с массовой долей жира 0,05% составил 90,35 кг, выход сливок с массовой долей жира 40% — 9,65 кг Для получения нормализованного молока с массовой долей жира 3% к обезжиренному молоку необходимо добавить 7,2 кг сливок с массовой долей жира 40%. Таким образом, нормализованное молоко будет получено в количестве 97,55 кг, выход сливок (массовая доля жира 40%) составит 9,65 — 7.2 = 2,45 кг (см. рис.32).
Рис.33 Системы для
непрерывной нормализации в потоке скомпонованы в блоки.
1 Датчик плотности
2 Расходомер
3 Регулирующий клапан
4 Пульт управления
5 Запорный клапан
Непрерывный способ нормализации молока в потоке
В современных молочных производствах, выпускающих широкий ассортимент молочной продукции, нормализация обычно выполняется одновременно с сепарированием. Раньше использовался периодический способ нормализации, но с увеличением объемов обрабатываемого сырья возникла потребность в разработке новых способов быстрой, непрерывной и точной нормализации, не зависящей от сезонных колебаний жирности сырого молока. Для регулирования жирности молока с целью обеспечения необходимых параметров используются управляющие клапаны, измерители расхода и плотности и система компьютеризированного контроля. Обычно это оборудование собирается в блоки (см. рис.33).
На выходе потока обезжиренного молока должно поддерживаться постоянное давление для обеспечения необходимой точности нормализации. Давление должно оставаться постоянным независимо от изменений параметров потока или от падения давления в линии после сепаратора.
Это обеспечивается клапаном постоянного давления, расположенным в непосредственной близости от выходного отверстия, через которое обезжиренное молоко покидает сепаратор.
Для обеспечения точности процесса необходимо замерять различные параметры, в том числе:
• Изменения массовой доли жира поступающего молока
• Изменения объема молока, проходящего за единицу времени
• Изменения температуры предварительного нагрева.
Большинство параметров взаимозависимы: любое отклонение на одном этапе процесса приводит к изменениям на всех остальных этапах. Жирность сливок может быть
отрегулирована до любого уровня в пределах возможностей сепаратора при стандартной точности повторения в 0,2-0,3%. Для нормализованного молока такое отклонение будет менее 0.03%.
Обычно цельное молоко перед сепарированием нагревается в пастеризаторе до 55-65°С.
После сепарирования устанавливается стандартная жидкость сливок и затем расчетное количество сливок, необходимое для нормализации молока (питьевого, для производства сыра), добавляется к соответствующему количеству обезжиренного молока. Остаток сливок направляется в пастеризатор сливок. Последовательность этих операций проиллюстрирована на рис.34.
При определенных обстоятельствах для нормализации можно использовать центробежный сепаратор для холодного сепарирования молока, снабдив его системой для нормализации. Но в таком случае очень важно будет выдержать молоко при низкой температуре достаточно долгое время (10-12 часов), за которое все фракции молочного жира полностью кристаллизуются. Дело в том, что плотность изменяется в зависимости от степени кристаллизации и может, таким образом, поставить под вопрос точность показаний датчика плотности, который при установке всегда калибруется с учетом преобладающих условий.
Рис.36 Разница в
быстроте реагирования различных систем контроля.
Система контроля жира в сливках
Массовая доля жира в сливках на выходе из сепаратора определяется скоростью потока. Массовая доля жира в сливках обратно пропорциональна скорости потока. Поэтому в некоторых системах нормализации для контроля жирности сливок применяются расходомеры. Это самый быстрый метод, а также и точный, поскольку температура и жирность цельного молока перед сепарированием сохраняются без изменений. Если эти параметры изменятся, то массовая доля жира в сливках не будет отвечать заданному уровню.
Для постоянного отслеживания жирности сливок можно использовать различные приборы. Сигнал, выходящий из прибора, изменяет скорость потока сливок таким образом, чтобы произвести корректирование массовой доли жира в сливках. Этот метод точен и чувствителен к изменениям температуры и жирности молока. Однако его недостаток заключается в запаздывании, т.е. проходит немало времени, пока система отреагирует на какое-либо нарушение и восстановит правильное содержание жира.
На рис.35 показаны два датчика, измеряющих расход нормализованных сливок и обезжиренного молока. Система контроля (4) просчитывает расход цельного молока, поступающего в сепаратор. Датчик плотности (1) измеряет плотность сливок и преобразовывает эту характеристику в показатель жирности. Совместив показатели жирности и скорости потока, система контроля приводит в действие регулирующий клапан (3) для получения необходимой массовой доли жира сливок.
Каскадный контроль
Система каскадного контроля, сочетающая точное измерение содержания жира и быстрое измерение расхода, дает большие преимущества (см. рис.36).
При возникновении возмущения, вызванного, например, периодическими выгрузками осадка самоочищающихся центрифуг, изменением температуры сливок или содержания жира в поступающем молоке, график показывает:
• Система контроля содержания жира срабатывает довольно быстро, но после восстановления стабильности массовой доли жира сливок отличается от заданного уровня
• Система измерения плотности реагирует с задержкой, но содержание жира возвращается к заданному уровню
• При совмещении двух систем в каскадный контроль достигается быстрое возвращение к заданным характеристикам.
Таким образом, система каскадного контроля гарантирует меньшие потери продукта и более точный результат. Компьютер отслеживает жирность сливок, скорость потока сливок и положение регулировочного клапана, стоящего на выходном патрубке сливок.
Датчик плотности (п. 1 на рис.35) постоянно измеряет плотность сливок (масса на единицу объема — например. кг/м³), которая обратно пропорциональна массовой доли жира, так как плотность молочного жира меньше плотности плазмы молока. Датчик плотности непрерывно посылает показания плотности в форме электрического сигнала в компьютер. Мощность сигнала пропорциональна плотности сливок. Увеличение плотности означает, что содержание жира в сливках уменьшилось, мощность сигнала возрастет.
Каждое изменение плотности модифицирует сигнал, идущий от датчика к компьютеру. На этот
сигнал компьютер отреагирует изменением выходного сигнала, идущего на регулирующий клапан. Величина изменения выходного сигнала будет соответствовать отклонению измеренного значения плотности от заданного. В результате положение регулировочного
клапана изменится, что скорректирует плотность массовой доли жира и приведет ее к установленному значению.
Расходомер (п. 2 на рис.35), установленный в цепи управления, постоянно измеряет расход сливок и посылает сигнал в микрокомпьютер. Датчики в цепи управления (рис.35) проводят непрерывные измерения расхода и жирности сливок и посылают сигналы в микрокомпьютер.
Каскадный контроль применяется для выполнения необходимых корректировок в связи с изменениями жирности поступающего цельного молока. Каскадный контроль работает путем сравнения:
• Потока, проходящего через расходомер (этот показатель прямо пропорционален жирности сливок)
• Плотности, измеряемой датчиком плотности (этот показатель обратно пропорционален жирности сливок).
Микрокомпьютер, установленный в блоке управления (4), имея эти данные, рассчитывает истинную жирность цельного молока и посылает команду управляющим клапанам на выполнение необходимых корректировок.
Жирность нормализованного молока находится под непрерывным контролем.
Рис.37 Датчик плотности
Рис.38 Расходомер.
Uе = К х В х v х D, где
Uе = Напряжение на электроде
К = Константа прибора
В = Сила магнитного поля
v = Средняя скорость
D = Диаметр трубы
Контроль жирности посредством измерения плотности
Измерение жирности сливок основано на жесткой взаимосвязи между жирностью и плотностью. Содержание жира изменяется в обратно пропорциональной зависимости от плотности, потому что сливки легче, чем плазма молока.
В этой связи важно иметь в виду, что на плотность сливок также влияют температура и содержание газа. Значительное количество газа, содержащегося в молоке, последует за фракцией сливок, снижая их плотность. Поэтому необходимо следить, чтобы содержание газа в молоке оставалось на постоянном уровне. В молоке всегда содержатся газы. В среднем они составляют около 6% от всего объёма. Большее содержание воздуха в молоке может привести к различным проблемам, а именно: неточности в замерах объёмов молока, увеличению тенденции пригорания при нагревании и т.д. Самый простой и общепринятый способ снижения содержания воздуха — дать сырому молоку отстояться в танке в течение хотя бы одного часа перед началом его переработки. В ином случае его придется подавать сначала в деаэратор, а затем уже в сепаратор.
При повышенной температуре сепарирования плотность сливок снижается, и наоборот. Для отслеживания умеренных изменений температуры сепарирования датчик плотности также оснащен термометром, посылающим соответствующую информацию в блок управления.
Датчик плотности непрерывно замеряет плотность и температуру жидкости. Принцип его действия можно уподобить камертону. При изменении плотности контролируемого продукта у него, в свою очередь, изменяется вибромасса и, следовательно, резонансная частота.
В блок управления посылаются сигналы о плотности продукта.
Датчик плотности состоит из одной прямой трубы, по которой пропускается жидкость.
Трубе сообщаются колебания от катушек возбуждения, размещенных по внешней стороне трубы. Датчик плотности встраивается в систему трубопровода, не требуя специальной опоры, поскольку он очень легкий.
Расходомер
Для контроля потока используются различные измерительные приборы. Электромагнитные измерители (рис.38) не имеют движущихся и, следовательно, изнашивающихся деталей. Они нашли широкое применение благодаря тому, что не нуждаются в уходе и периодическом
обслуживании. В отношении точности показаний все измерительные приборы одинаковы.
Головка датчика состоит из мерной трубки и двух магнитных катушек. Магнитное поле вырабатывается под прямыми углами по отношению к мерной трубке, когда к катушкам подводится ток.
Индуцируется электрическое напряжение, которое измеряется двумя электродами, установленными на мерной трубке, когда по ней течет проводящая жидкость. Напряжение прямо пропорционально средней скорости потока продукта в трубке и, следовательно, пропорционально объемному расходу.
В датчике расхода имеется микропроцессор, контролирующий трансформатор тока, который поддерживает постоянное магнитное поле. Через усилитель и преобразователь сигнала напряжение измерительных электродов передается на микропроцессор, установленный в пульте управления.
Рис.39
Схема регулирования подмешивания сливок в обезжиренное молоко.
2 Датчики расхода
3 Регулирующий клапан
4 Пулы управления
6 Отсечной клапан
7 Обратный клапан
Клапаны регулировки расхода сливок и обезжиренного молока
Микрокомпьютер сравнивает сигнал от датчика плотности об измеренном параметре с установленной величиной. Если фактический показатель отличается от заданного, компьютер корректирует сигнал, который он посылает регулирующему клапану (поз. 3 на рис.35), находящемуся в линии после датчика плотности, и корректирует положение клапана таким образом, чтобы жирность проходящих сквозь него сливок вернулась к заданному уровню.
Схема регулирования подмешивания сливок
Эта схема (см. рис.39) предназначена для контроля количества сливок, которые должны непрерывно подмешиваться в обезжиренное молоко для получения необходимой жирности нормализованного молока. В цепь входят два расходомера (2). один из которых установлен на линии сливок, а другой — на линии нормализованного молока, после места смешивания сливок и обезжиренного молока.
Сигналы от датчиков расхода поступают в микрокомпьютер, который просчитывает соотношение между двумя сигналами. Компьютер сравнивает полученный показатель с заданным параметром и посылает корректировочную команду регулирующему клапану, установленному в линии сливок.
Слишком низкий уровень жирности нормализованного молока означает, что обезжиренное молоко смешивается с недостаточным количеством сливок. Соотношение между сигналами от датчиков расхода будет, следовательно, ниже, чем заданная величина. В таком случае сигнал, идущий от компьютера на регулировочный клапан, изменяется. Клапан закрывается, создавая больший перепад давлений, в результате чего большее количество сливок начинает поступать для смешивания. Это изменяет сигнал, идущий на компьютер. Такая регулировка идет в непрерывном режиме, обеспечивая поступление сливок для смешивания в правильных пропорциях. Электрический выходной сигнал от компьютера преобразовывается в пневматический сигнал для пневматически управляемого клапана.
Подмешивание основано на известных постоянных значениях содержания жира в сливках и обезжиренном молоке. Содержание жира обычно регулируется до постоянного значения между 35 и 40%, а содержание жира в обезжиренном молоке определяется эффективностью обезжиривания сепаратора.
Точность контроля плотности в сочетании с постоянным контролем давления на выходе обезжиренного молока является необходимым условием удовлетворительного управления смешиванием сливок с обезжиренным молоком. Сливки и обезжиренное молоко будут смешиваться в точной пропорции, в результате чего будет получено заданное содержание жира в нормализованном молоке даже при изменении потока через сепаратор или изменении жирности исходного цельного молока.
Расходомер и регулировочный клапан, установленные в линии подмешивания сливок, являются приборами того же типа, что и установленные в схеме регулирования содержания жира.
Линия для непрерывной нормализации молока в потоке
На рис.40 показана линия непосредственной нормализации в сборе. Система контроля давления, установленная на выходе обезжиренного молока (5), поддерживает постоянное давление независимо от колебаний перепадов давлений в последующем оборудовании. Система регулировки параметров сливок
поддерживает постоянное содержание жира в сливках, выходящих из сепаратора, посредством регулировки потока сливок на выходе. Данная регулировка выполняется независимо от пропускной способности и содержания жира в исходном цельном молоке. Наконец, регулятор соотношения в необходимой пропорции смешивает сливки, имеющие постоянное содержание жира, с обезжиренным молоком, в результате чего получается нормализованное молоко с заданным содержанием жира. Стандартное отклонение, оцениваемое по повторяемости, должно быть менее 0,03% для молока и 0,2-0.3% для сливок.
Некоторые дополнительные устройства для нормализации жирности
В сыроделии иногда возникает необходимость нормализации жирности по содержанию сухого обезжиренного остатка. Это требование удовлетворяется установкой второго датчика плотности на соединенную с сепаратором трубу для обезжиренного молока.
Эта схема, при которой датчики плотности выполняют две задачи, проиллюстрирована на рис.41. Вот эти две функции:
1 Повышение точности нормализации жирности
2 Расчет содержания сухого обезжиренного остатка на основании показателя плотности. Система контроля преобразовывает плотность обезжиренного молока в содержание сухого обезжиренного остатка, и этот параметр впоследствии используется для регулирования отношения жирности к сухому обезжиренному остатку.
Если, с другой стороны, жирность поступающего молока окажется ниже показателя, необходимого для нормализованного молока, приборы устанавливаются, как показано на рис.42.
Рассчитанный объем обезжиренного молока отводится из потока, покидающего сепаратор, а остающийся объем смешивается со сливками.
При этом надо помнить, что излишек теплого обезжиренного молока должен быть собран, охлажден и пастеризован как можно быстрее.
Возможны и некоторые другие варианты, как, например, добавление сливок известной жирности (сывороточные сливки), которые иногда нужны для нормализации молока, применяемого в сыроделии. Для того чтобы использовать сливки, получаемые при сепарировании сыворотки, «добавляется» соответствующее количество обычных сливок. Это позволяет использовать сливки улучшенного качества в производстве высококачественного масла и различных видов сливок — например, взбитых сливок.
Рис.43 Барабан двухфазной установки Bactofuge с непрерывной выгрузкой бактофугата.
Рис.44 Барабан однофазной установки Bactofuge с периодической выгрузкой бактофугата.
Установка бактофуги
Бактофугирование — это процесс, при котором для отделения микроорганизмов от молока применяется специально сконструированная центрифуга, получившая название «бактофуга».
Первоначально бактофуга была предназначена для увеличения сроков хранения питьевого молока. В настоящее время бактофугирование также применяется для улучшения бактериологических качеств молока, предназначенного для производства других молочных продуктов — сыра, сухого молока и сыворотки для детского питания.
Плотность микроорганизмов и особенно термоустойчивых спор значительно выше, чем у молока. Поэтому бактофуга является высокоэффективным средством очистки от них молока. Так как споры весьма устойчивы к тепловой обработке, установка Bactofuge представляет собой очень удачное дополнение к термизации, пастеризации и стерилизации.
Первоначальный вариант бактофуги представлял собой сепаратор с непрерывной выгрузкой осадка через выпускные отверстия, расположенные по периферии барабана.
В течение длительного времени считалось, что для эффективного разделения фракций в установке Bactofuge необходимо, чтобы твердая фракция выходила непрерывным потоком либо сквозь отверстия на периферии, либо через выход для тяжелой фракции. Возможно, это было справедливо в отношении старых конструкций с непрерывной выгрузкой осадка, но в современных самоочищающихся сепараторах с пространством для сбора осадка, находящимся за тарелочными пакетами, бактерии и споры могут собираться в течение какого-то времени и периодически, через определенные промежутки времени, выводиться.
Имеются два типа современных установок Bactofuge:
• Двухфазная установка Bactofuge с двумя выходами в верхней части, один из которых предназначен для непрерывного выброса концентрата бактерий (бактофугата) через специальный напорный диск, а другой — для молока с уменьшенным содержанием бактерии
• Однофазная установка Bactofuge с одним выходом в верхней части барабана для молока, очищенного от микроорганизмов. Бактофугат в данном случае скапливается в пространстве для сбора осадка, откуда выводится через определенные промежутки времени.
Количество образующегося бактофугата при использовании двухфазной бактофуги составляет 3% от исходного продукта, однофазной бактофуги — около 0.15%.
Содержание сухого вещества в бактофугате всегда выше, чем в исходном молоке. Причина в том, что вместе с бактериями и спорами в него включаются и более крупные казеиновые частицы. Более высокая температура бактофугирования приводит к увеличению количества протеина в бактофугате. Оптимальная температура бактофугирования 55-60°С.
Эффективность снижения содержания бактерий в молоке выражается в процентах.
Анаэробные спорообразующие бактерии, относящиеся к роду Clostridium, наиболее опасны для сыроделия, потому что они могут вызвать позднее вспучивание сыра, даже присутствуя в малых количествах. Вот почему молоко, предназначенное для сыроделия, подвергается бактофугированию.
Декантаторные центрифуги (непрерывно действующие отстойные горизонтальные центрифуги со шнековой выгрузкой осадка)
Декантаторная центрифуга — это машина, предназначенная для непрерывного осаждения взвешенных в жидкости твердых частиц под действием центробежной силы в горизонтально расположенном, удлиненном, вращающемся барабане.
Центрифуг и применяются в молочной промышленности для выделения особых продуктов — например, осажденного казеина или кристаллизованной лактозы. Вышеописанные центробежные сепараторы тарелочного типа не подходят для этой работы из-за высокого содержания твердых фракций в молоке.
Наиболее часто применяются для этой цели гигиенические барабанные центрифуги и декантаторные центрифуги (рис.45). У декантаторов, работающих в непрерывном режиме, много различных назначений. Например, они применяются на предприятиях, производящих соевое молоко из соевых бобов, а специально модифицированные модели широко используются для обезвоживания осадка на водоочистных установках.
Декантаторная центрифуга — это машина для непрерывного осаждения взвешенных в жидкостях твердых фракций под действием центробежной силы в удлиненном вращающемся барабане. Центрифугу этого типа отличает от всех других то, что она оснащена осевым шнековым конвейером для непрерывной выгрузки из ротора отделенных твердых фракций. Направление вращения конвейера — то же, что и у барабана, но его скорость несколько отличается с целью обеспечения эффекта «наворачивания». В число других характерных черт декантаторной центрифуги входят также:
1 Узкий коноцилиндрический барабан, вращающийся вокруг горизонтальной оси
2 Встречные потоки, выносящие твердый осадок через узкое отверстие, а жидкую фракцию — через
широкое.
Принцип работы декантаторной центрифуги
Исходная суспензия подается через впускную трубу на конвейер, где она ускоряется и направляется внутрь вращающегося ротора (рис.46).
Твердые фракции, удельный вес которых превосходит удельный вес жидкости, оседают на внутренней стенке барабана практически мгновенно благодаря мощному центробежному ускорению (обычно в пределах 2000-4000 g), оставляя внутри чистое кольцо жидкости.
Выведение твердых фракций
Твердый осадок транспортируется вдоль оси центрифуги в направлении сужающейся конической части ротора шнековым конвейером, который отрегулирован на скорость вращения, несколько отличную от скорости вращения барабана. По пути к выгрузным отверстиям твердые фракции поднимаются шнеками из жидкости на сухие края, откуда остатки жидкости стекают вниз, возвращаясь в жидкую фракцию. Осушенные твердые фракции выбрасываются из барабана через отверстия выгрузки в сборную камеру сосуда, в который заключен барабан. Далее твердый осадок под действием собственной тяжести высыпается из агрегата через выводную воронку.
Вывод жидкости (самотеком)
Жидкая фракция, образовавшая полый цилиндр под действием центробежной силы, течет по винтовому каналу между шнеками конвейера из конической в цилиндрическую часть ротора.
Там жидкость перетекает через регулируемые водосливы и оказывается в центральной камере сборного сосуда, из которой уходит самотеком.
Вывод жидкости (под давлением)
Некоторые декантаторные центрифуги оборудованы напорными дисками (поз. 4 на рис.46) для удаления жидкой фракции под давлением. Жидкость, переливающаяся через водосливы, попадает в напорную камеру, где ей снова придается форма полого вращающегося цилиндра. Каналы неподвижного напорного диска погружены во вращающуюся жидкость, что создает перепад давлений. Жидкость направляется вниз по каналам, преобразовывая энергию вращения в напор, достаточный для переключения жидкости из установки на дальнейшую переработку.
Непрерывный процесс
В декантаторной центрифуге все три этапа — приток, осаждение и раздельный вывод жидкой и твердой фракций — объединены в один непрерывный процесс.
Внутренние стенки секций корпуса обычно снабжены ребрами или пазами для удержания твердого осадка от соскальзывания во время вращения конвейера.
Коническая секция заканчивается цилиндрическим выступом с одним или двумя рядами выгрузных отверстий (в зависимости от типа машины). Во избежание истирания эти отверстия в большинстве случаев оснащены сменными подшипниками из стеллита или керамических материалов.
Цилиндрическая часть заканчивается наконечником с четырьмя (или более) переливными отверстиями, определяющими радиальный уровень жидкости в роторе. Этот уровень можно легко изменить регулировкой водосливных колец. В тех случаях, когда очищенная жидкая фракция удаляется с помощью напорного диска (4), регулируемые водосливы выводятся в сборную камеру.
Ротор приводится в движение электродвигателем через клиноременную передачу.
Основные узлы
Основными узлами декантаторной центрифуги являются барабан, конвейер и редуктор (вместе составляющие ротор), а также рама с кожухом, сборные сосуды, приводной двигатель и ременная передача.
Барабан
Обычно барабан состоит из одной конической секции и одной или нескольких цилиндрических секций, соединенных с помощью фланцев. Цилиндрическая часть служит резервуаром для жидкой фракции в конической — собирается твердая фракция.
Шнековый конвейер
Шнековый конвейер подвешен в барабане на подшипниках и, вращаясь медленнее или быстрее, чем барабан, проталкивает осадок к местам его выгрузки в конической секции центрифуги. Конфигурация шнеков конвейера различается в зависимости от назначения.
Шаг конвейера (расстояние между шнеками) может быть большим или малым, и шнеки могут быть перпендикулярны оси вращения или перпендикулярны по отношению к конической части барабана. Большинство моделей оборудовано одношнековыми конвейерами, но у некоторых — двойные шнеки.
Редуктор
Назначение редуктора — обеспечить эффект скручивания за счет разности скоростей вращения барабана и конвейера. Он закреплен на пустотелом валу барабана и приводит во вращение шнековый конвейер через соосный шлицевый вал.
Из противоположного конца редуктора выступает насадка на его центральный вал.
Эта насадка может приводиться в движение вспомогательным двигателем, позволяющим поддерживать иную, чем у барабана, скорость вращения конвейера.
Редуктор может быть планетарного или циклоидального типа. Первый обеспечивает отрицательную скорость перемещения (конвейер вращается медленнее, чем барабан), а второй, оснащенный валом эксцентрика, обеспечивает положительную скорость перемещения.
Рама и корпус
Существуют различные конструкции рам и корпусов, но в принципе рама — это жесткая конструкция из мягкой стали, несущая части ротора и опирающаяся на виброизоляторы.
Корпус представляет собой сварную конструкцию из нержавеющей стали с навесным кожухом, в котором заключен барабан. Он разделен на отсеки для сбора и удаления разделенных твердой и жидкой фракций.
Жидкость может выводиться либо самотеком, либо под давлением с помощью напорного диска (поз. 4 на рис.46). Твердый осадок сбрасывается под действием собственного веса (при необходимости этому помогает вибратор) в сборную емкость либо на транспортную конвейерную ленту.