Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Во многих процессах пищевой промышленности используются технологии изготовления, измельчения и разделения порошкообразных материалов. Целью статьи является разработка метода и способа расчета процесса классифицирования растворенной в жидкостном объеме порошкообразной полидисперсной субстанции, отличающейся по плотности частиц от плотности жидкости в силовом поле значительной интенсивности. Объектом исследования является измельченный в шаровой мельнице полидисперсный порошок частиц кристаллического сахара, растворенный в пробном объеме (суспензии) типа сахарного утфеля. Представлены физико-математическая модель задачи, разработка аналитического аппарата по ее решению и метод количественного моделирования процесса выделения из порошка частиц определенного размера путем разделения суспензии в рабочем объеме центробежного сепаратора. Исходя из классической концепции по диаметру частицы, перемещающейся заданным образом в межтарелочном пространстве барабана сепаратора, вводится понятие текущий критический диаметр частицы. На его базе разработаны формулы расчета, учитывающие дисперсионный состав порошка синтетических зависящих от параметра управления процесса разделения суспензии показателей производительности сепарирующей машины, а именно коэффициентов осветления и уноса. Разработана основанная на альтервативном подходе по минимуму числа этапов проведения процесса фракционирования методика расчета для опытного порошка. Поставлена и исследована проблема расчета процесса выделения из заданного по гранулометрическому составу порошка фракции частиц целевого размера путем обработки порошка в центробежном силовом поле. Разработанная методика расчета, независимо от размера частиц тонко- и среднедисперсного диапазона, может быть эффективно реализована при проведении количественного анализа процесса фракционирования в рабочем объеме тарельчатого сепаратора-разделителя.
Затравка, фракционирование, центробежный сепаратор, тарелки, суспензия, седиментация
Введение Во многих инновационных процессах химической, пищевой и других смежных отраслях промышленности в производственном потоке сырьевых ресурсов, полуфабрикатов и т. д. используются порошкообразные материалы с частицами определенного размера. Такой важный и зависящий от степени однородности частиц по размеру технологический процесс, как кристаллообразование, определяется дисперсностью инициирующего этот процесс затравочного материала [1]. Чтобы подготовить порошок с заданной областью размера частиц необходимо, с одной стороны, обладать технологией получения взвеси требуемого дисперсионного состава, с другой – располагать для реализации процесса фракционирования обоснованной методикой количественной оценки статистических характеристик порошка при его обработке. Анализируя состояние рассматриваемого в статье вопроса, следует подчеркнуть, что в различных областях производства основным критерием качества промежуточной и готовой продукции в ряде технологий считают гранулометрический состав и связанные с ним показатели (удельная поверхность, пористость, реакционная способность, глубина химических превращений и т. д.). Поэтому анализ дисперсности является распространенным методом исследований веществ многих технологических процессов. Относительно рассматриваемого в работе предмета – обработке взвеси – в вопросе морфологии частиц применяется следующая терминология: 1– 100 нм – ультрадисперсные порошки; 100 нм – 10 мкм – тонкодисперсные; 10–200 мкм – среднедисперсные; 200–1000 мкм – грубодисперсные. Проблеме инициации и особенностям зарождения центров кристаллизации и протекания процесса кристаллообразования в технологии производства
процессом фракционирования, а сепарируемый материал рекомендуется обрабатывать на нескольких машинах или направлять его на повторную обработку. Для большей эффективности работы технологической линии эксплуатируемые на предыдущих этапах машины должны обеспечивать благоприятные условия сепарировании на следующем в цепочке оборудовании. В работах [9–14] внимание уделено анализу процессов формирования и роста кристаллов в производствах различного назначения. В работах [15–17] исследованы проблемы разделения и фракционирования слабо концентрированной тонкодисперсной жидкостной системы на центробежном оборудовании различных типов, а также приведены расчетные зависимости процесса классифицирования по размеру полидисперсной фазы этой системы. Анализ содержания литературных источников показывает, что во многих областях технического и прикладного характера научные вопросы по проблеме фракционирования сыпучих смесей, в том числе для подготовки затравочного материала, являются предметом исследования многих научных и технических специалистов. Применительно к проблеме технологии процесса кристаллизации в химическом, пищевом и других производствах ряд вопросов нуждается в дальнейшем изучении и углубленном теоретическом анализе. В статье с методических позиций и по этапам проведения процесса фракционирования обосновывается процедура его протекания и управления. Для этого с целью инициации процесса кристаллообразования в сахарном производстве на основе гомогенизированного по составу затравочного материала предлагается базирующаяся на технологии центробежного разделения гетерогенной жидкостной системы в тарельчатом сепараторе методика реализации процесса фракционирования порошкообразной сахарсодержащей суспензии. При обосновании расчета этого процесса в качестве исходных данных по гранулометрическому составу применяемого в процессе кристаллизации затравочного материала используются результаты опытных наблюдений [18]. С новых позиций и в рамках проблематики расчета процесса фракционирования затравочной субстанции как концентрированной среднедисперсной суспензии, а также на базе опытных данных по дисперсионному составу представлено (с использованием современных информационных технологий) теоретическое и количественное моделирование этого процесса. Объекты и методы исследования Объектом исследования стала суспензия типа «метастабильный раствор + частицы затравочного материала», твердая фаза которой полидисперсна (диаметр δ). Чтобы выделить из жидкостной смеси частицы с заданной (целевой) крупностью, твердую фазу подвергали процедуре фракционирования, используя центробежный сепаратор. В качестве основы для проведения пробного объекта исследования был выбран сепаратор марки А1-ОЦМ-5. Конструктивные и режимные параметры машины: номинальная производительность Q0 = 5 м3 /ч; число тарелок Z = 53; полуугол конусности тарелки α = 40°; минимальный и максимальный диаметр тарелки d0 = 0,05 м и d1 = 0,105 м соответственно (r0 = 0,078 и r1 = 0,163 м); межтарелочный зазор h = 7×10–4 м; угловая скорость ротора ω = 650 c–1 (рис. 1) [19]. Параметры суспензии: динамическая вязкость жидкости µ = 0,1 Па∙с; плотность жидкости ρ = 1450 кг/м3 , твердой фазы ρ1 = 1560 кг/м3 ; концентрация твердой фазы с = 0,1. Размер пробных частиц δ1 = 2×10–5 м и δ2 = 3×10–5 м. Предполагается, что двухфазная жидкостная система с объемной концентрацией с твердой фазы и заданной f(δ) плотностью ее распределения по крупности равномерно перемешана. Причем плотность ρ1 твердой фазы превышает плотность ρ жидкости. Обрабатывая суспензию в сепарирующей машине, нужно выделить из нее частицы
1. Tkachenko SV, Sheiko TV, Petrenko VV, Anisimova OM, Kuznietsova IV, Khomichak LM, et al. Influence of crystallizing agent on sugar quality. Acta Scientiarum Polonorum, Technologia Alimentaria. 2020;19(4):457-465. https://doi.org/10.17306/J.AFS.2020.0867
2. Arapov DV, Podvalny SL, Tikhomirov SG. Modeling of the dissolution and growth of sugar crystals. Bulletin of Voronezh State Technical University. 2019;5(2):29-41. (In Russ.). https://doi.org/10.25987/VSTU.2019.15.2.004
3. Belyaeva LI, Ostapenko AV, Labusowa VN, Sysoeva TI. The state of the I crystallization massecuite food system with the cumulative effect of surfactants, sugar decolorant, descaling agent. Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. 2018;80(4):151-155. (In Russ.). https://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-4-151-155
4. Belyaeva LI, Pruzhin MK, Ostapenko AV, Gurova VN. Improvement of technological indicators semi-finished products of sugar production from bacterially infected sugar beet. Food Processing: Techniques and Technology. 2021;51(3):458-469. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2021-3-458-469
5. Внедрение прогрессивной универсальной трехкристаллизационной схемы продуктового отделения на сахарных заводах концерна «Покровский» / А. А. Яровой [и др.]. // Сахар. 2018. № 2. С. 34-37.
6. Семенов Е. В., Славянский А. А., Митрошина Д. П. Количественный анализ процесса осветления суспензии в межтарелочном пространстве барабана сепаратора // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2021. № 5. С. 3-6.
7. Алешина А. П. Исследование кинетики фракционирования бинарной сыпучей смеси на лаборатороной установке периодического действия // Информационная среда вуза. 2016. Т. 23. № 1. С. 436-439.
8. Пивень В. В., Уманская О. Л., Кривчун Н. А. Повышение производительности сепарирующих линий путем фракционирования исходного материала // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 1. С. 109-113.
9. Borji A, Borji F-E, Jourani A. Industrial crystallization: Modeling of sucrose crystal growth. Materials Today: Proceedings. 2021;37:4007-4011. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.11.577
10. Lopez-Quiroga E, Wang R, Gouseti O, Fryer PJ, Bakalis S. Crystallisation in concentrated systems: A modelling approach. Food and Bioproducts Processing. 2016;100:525-534. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2016.07.007
11. de Castro BJC, Marciniuk Junior M , Giulietti M, Bernardo A. Sucrose crystallization: Modeling and evaluation of production responses to typical process fluctuations. Brazilian Journal of Chemical Engineering. 2019;36(3):1237-1253. https://doi.org/10.1590/0104-6632.20190363s20180240
12. Meng Y, Yu S, Zhang J, Qin J, Dong Z, Lu G, et al. Hybrid modeling based on mechanistic and data-driven approaches for cane sugar crystallization. Journal of Food Engineering. 2019;257:44-55. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2019.03.026
13. Brown DJ, Alexander K, Boysan F. Crystal growth measurement and modelling of fluid flow in a crystallizer. Zuckerindustrie. 1992;117(1):35-39.
14. Verma P, Iyer SR, Shah N, Mahajani S. Insights into the crystallization phenomenon in the production of non-centrifugal sugar. Journal of Food Engineering. 2021;290. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.110259
15. Semenov EV, Slavyanskiy AA, Mitroshina DP. Quantitative analysis of suspension clarification process in inter-tray space of separator drum. Chemical and Petroleum Engineering. 2021;57(5-6):361-369. https://doi.org/10.1007/s10556-021-00944-7
16. Kim VA, Kashin YM. Kopelevich LE. Characteristics of combined motor of separator drive. Journal of Physics: Conference Series. 2021;2096(1). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2096/1/012094
17. Morozov YuP, Penkov PM. Studying the possibilities of improving centrifugal separation efficiency. Minerals and Mining Engineering. 2020;(3):80-86. (In Russ.). https://doi.org/10.21440/0536-1028-2020-3-80-86
18. Решетова Р. С., Бганцева О. Ю., Пешкова Д. Н. Способы повышения эффективности работы кристаллизационного отделения сахарных заводов // Сахар. 2019. № 11. С. 16-20.
19. Холодилин А. Н., Панов Е. И. Моделирование процесса перемещения частицы в поле центробежных сил // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. Т. 75. № 1. С. 109-112.
20. Semenov EV, Slavyanskii AA, Karamzin VA, Karamzin AV. Centrifugal fractionation of fine particles. Chemical and Petroleum Engineering. 2019;55(1-2):122-128. https://doi.org/10.1007/s10556-019-00591-z
21. Slavyanskiy AА, Semenov EV, Babakin BS, Lebedeva NN. Intensification of cooling fluid process. Foods and Raw Materials. 2020;8(1):171-176. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2020-1-171-176
