Принцип действия сепараторов непрерывного действия

 

Предназначен для непрерывной очистки теплого молока от загрязнения и молочной слизи. Используется на предприятиях молочной промышленности, может работать в составе пастеризационной установки производительностью 5000 л/ч. Сепаратор может быть применен для осветления жидкостей в других отраслях промышленности

В сепараторе непрерывного действия для очистки молока осуществляются одновременно два основных процесса: очистка молока от посторонних примесей и цикличная частичная выгрузка осадка под действием центробежной силы через периодически открывающиеся разгрузочные окна. Очистка молока в сепараторе непрерывного действия подобна очистке молока в сепараторах периодического действия.

Молоко температурой от 35°С до 45 °С в большинстве случаев из секции регенерации пластинчатого теплообменника поступает по трубопроводу в закрытом потоке через центральную трубку во вращающийся барабан. По каналам в тарелкодержателе молоко проходит к периферии барабана в грязевое пространство и из него, распределяясь тонкими слоями между тарелками, движется к оси барабана. Молоко, попав в барабан, подвергается действию сил центробежного поля. Посторонние примеси, как более тяжелые, движутся в молоке к периферии и оседают на стенках барабана, заполняя грязевое пространство. В межтарелочном пространстве более тяжелые части выделяются из молока и оседают на нижней поверхности следующей тарелки по высоте, проникая через небольшую толщу молока.

Осевшие частицы скатываются по тарелкам в грязевое пространство. Очищенное молоко из межтарелочных пространств поднимается по наружным каналам тарелкодержателя вверх в камеру, откуда выводится через напорный диск.

Степень очистки молока зависит от частоты вращения барабана, его размеров и от других факторов. Объем грязевого пространства в сепараторе-молокоочистителе: непрерывного действия должен обеспечить периодический частичный отвод осадка без потери продукта и нарушения процесса сепарирования, т. е. должен быть не менее 0,8 М (где М - производительность сепаратора, л/ч).

Разгрузка барабана у сепараторов-молокоочистителей непрерывного действия производится с помощью гидросистемы как при автоматическом, так и при ручном управлении.

 

 

Описание проектируемого объекта

 

Сепаратор А1-ОЦМ-5

Барабан сепаратора А1-ОЦМ-5 имеет пакет, состоящий из 53 тарелок, расстояние между которыми 1,2 мм.

Пакет тарелок установлен на тарелкодержателе. В нижней части его расположены каналы для прохода молока из внутренней полости тарелкодержателя в грязевое пространство.

Тарелкодержатель с тарелками установлен в основании барабана и зафиксирован штифтом. Тарелки сверху накрыты крышкой барабана. Крышка герметически соединена с основанием гайкой через уплотнительное кольцо.

Между верхней крышкой и фланцем крышки барабана образована камера для очищенного молока. В камере молока установлен диск напора, через который молоко отводится из сепаратора под напором.

Приемно-отводящее устройство обеспечивает подачу молока в барабан и выход очищенного молока. Она состоит из диска напора молока и центральной трубки. Все части в определенном порядке надеты на центральную трубку и герметически соединены между собой посредством гайки-переходника и уплотнительных резиновых прокладок.

На выходном патрубке смонтированы манометр и регулировочный вентиль.

 

Расчет сепаратора

Исходные данные параметров сепаратора-молокоочистителя

 

Все необходимые данные для расчета сепаратора приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 - Исходные данные для расчета сепаратора

Показатель	Значение
Производительность, л/час	5000
Частота вращения барабана, об/мин	6500
Число тарелок в барабане, шт.	53
Межтарелочный зазор, мм	0,7
Угол наклона образующей тарелки, град	50
Материал	Сталь 40Х
Предел текучести, МПа	800
Плотность рабочей жидкости, кг/м3	1024
Внутренний радиус барабана, мм	135
Радиус внутренней цилиндрической поверхности жидкости, мм	55
Толщина стенки цилиндрической обечайки, мм	10
Угол полураствора конической крышки, град	36
Наружный радиус соединительного кольца, мм	157,5
Шаг резьбы, мм	12
Наружный радиус крышки, мм	141

 

Технологический расчет

 

Размер частиц, которые могут проникнуть через толщу жидкости в межтарелочном пространстве за время пребывания в нем элементарного объёма продукта, определяется по формуле

 

, (4.1)

 

где Q - количество жидкости, поступающей в ротор, м³/с;

μ - коэффициент динамической вязкости среды, Па/с;

ρ₁ - плотность среды, кг/м^3;

ρ₂ - плотность частиц, кг/м³;

z - количество межтарелочных промежутков (тарелок);

n - частота вращения ротора,с^-1;

α- угол наклона образующей тарелки, град;

R_max - максимальный радиус тарелки, м; R_max= 0,13;

R_min - минимальный радиус тарелки, м; R_min= 0,047.

 

.

 

Предельный размер частицы, которая может удержаться на поверхности тарелок, рассчитывается по формуле

 

, (4.2)

 

где R_б - радиус барабана сепаратора, м.

 

.

 

Для нахождения оптимального расстояния между тарелками необходимо знать: вид потока (расширяющийся, сужающийся), вид течения (ламинарное, турбулентное). Расширение потока происходит в том случае, когда ρ₁ > ρ₂. вид течении определяется по уравнению

 

, (4.3)

 

где d - диаметр частицы, м;

 

Ar - архимедова сила, действующая на частицу, Н.

 

 

Из условия, что Ar< 0.33 следует, что течение ламинарное, тогда число Рейнольдца рассчитывается по формуле

 

; (4.4)

.

 

Таким образом, в сепараторах с ламинарным течением жидкости и расширением потока, оптимальное расстояние между тарелками определяется

 

; (4.5)

.

 

Для сепараторов молокоочистителей считается оптимальным расстояние между тарелками от 1,5 до 3 мм. При заданных предельных размерах частиц производительность определяется по формуле Г. И. Бремера

 

 (4.6)

 

где β - коэффициент, учитывающий отличие реального процесса от

теоретического (β = 0,7);

w - угловая скорость ротора, рад/с;

r - предельный радиус частицы, м.

 

 

Из полученных данных о производительности сепаратора можно сделать вывод, что процесс реальный отличается от теоретического и соответственно производительность меньше чем описано в технических характеристиках сепаратора.

 

Расчет барабана сепаратора

 

Определяется допустимое напряжение при растяжении по формуле

 

 (4.7)

 

где n_T - коэффициент запаса прочности;

σ_Т - предел текучести материала, МПа.

Барабан сепаратора рассматривается как бесшовная труба, с коэффициентом запаса прочности принимается равным 1,7:

 

.

 

Угловая скорость вращения барабана определяется по формуле

 

; (4.8)

.

 

Линейная скорость жидкости у внутренней поверхности цилиндрической обечайки рассчитывается по формуле

 

 (4.9)

 

где R - внутренний радиус барабана, м.

 

.

 

Коэффициент заполнения ψ рассчитывается по формуле

 

; (4.10)

.

 

Давление, оказываемое вращающейся жидкостью на стенку обечайки, определяется по формуле

 

. (4.11)

 

Принимается коэффициент заполнения ψ = 1.

 

.

 

Напряжение в стенках обечайки от сил инерции находится по формуле

 

. (4.12)

 

Плотность материала барабана (сталь), принимается ρ = 7850 кг/м³:

 

.

 

Суммарное окружное нормальное напряжение в стенке обечайки рассчитывается по формуле

 

. (4.13)

 

Отношение плотностей жидкости и материала λ определяется

 

; (4.14)

.

.

 

Усилие от давления жидкости на днище определяется по формуле

 

; (4.15)

.

 

Меридиональное напряжение в обечайке находится по формуле

 

; (4.16)

.

 

В соответствии с третьей теорией прочности принимаем. Поскольку условие  соблюдено, так как 99,2 < 470,6 то все исходные параметры остаются без изменений.

Для расчета цилиндрического корпуса барабана на прочность с учетом его сопряжения с плоским массивным днищем находятся краевые силы и краевые моменты сил в месте сопряжения по формулам

 

; , (4.17-4.18)

где . (4.19)

Тогда ;

.

 

Находятся внутренние усилия от давления, краевых сил и моментов в месте сопряжения по формулам

 

; (4.20)

; (4.21)

; (4.22)

 (4.23)

; (4.24)

 

; (4.25)

 (4.26)

; (4.27)

;

;

;

.

 

Суммарные внутренние нагрузки определяются по формулам

 

; (4.28)

; (4.29)

; (4.30)

; (4.31)

;

Н/м;

Нм/м.

 

Меридиональные и кольцевые напряжения на месте сопряжения находится по формулам

 

; ; (4.32-4.33)

Па

Па

 

Эквивалентные напряжения для внутренних и наружных волокон корпуса барабана находим формуле

 

; (4.34)

Па;

 

Полученные значения эквивалентных напряжений не превышают допускаемых, поэтому исходные параметры не требуют изменений.

Радиус конической части днища принимается равным R₂= 70 мм, тогда радиус серединной цилиндрической части барабана рассчитывается

 

; (4.35)

м.

 

Находятся коэффициенты, необходимые для расчета днища на прочность

 

; (4.36)

;

; (4.37)

;

.

 

Тогда

 

; (4.38)

Па.

 

Поскольку толщина крышки в исходных данных не задана, то находится расчетным путем. Опасным, при этом считается цилиндрическое сечение крышки на радиусе

 

; (4.39)

.

 

Условная величина ψ₁ принимается равной единице. Толщина крышки определяется по формуле

 

; (4.40)

мм.

 

Учитывая заданную толщину стенки цилиндрической части корпуса барабана, толщину конической крышки конструктивно можно принять: у широкого края δ_кр.ш= 10 мм, у узкого - δ_кр.у. = 6 мм.

Допускаемое напряжение при изгибе борта соединительного кольца принимается равным допускаемому напряжению при растяжении,

т.е.  МПа. Фактическое напряжение при изгибе борта найдем по формуле

 

; (4.41)

 

.

 

Найденное значение напряжения меньше допускаемого. Условие прочности выполнено.

Производится проверка борта на срез.

Допускаемое напряжение на срезе принимается равным:

 

; (4.42)

Па.

 

Тогда находится:

 

; (4.43)

Па < [τ_ср].

 

Находится радиус резьбы кольца

 

, (4.44)

 

где h = 6,5 мм - глубина резьбы (принимается из конструктивных соображений).

 

мм.

 

Прочность кольца, при условии работы на растяжение

 

, (4.45)

 

где R_к - наружный радиус кольца, м;

R_р - наружный радиус резьбы, м.

 

.

 

Полученное значение напряжения гарантирует прочность кольца в опасном сечении.

Окружное напряжение в кольце при действии центробежных сил определяется по формуле

 

; (4.46)

 

Принимается μ =0,3.

 

Па < [σ].

 

Условие прочности резьбы:

при изгибе одного витка по формуле

 

; (4.47)

Па.

 

Полученное значение напряжения меньше допускаемого, следовательно, условие прочности выполнено;

при смятии одного витка по формуле

 

. (4.48)

 

Допускаемое напряжение определяется из условия

 

[σ_см] = 1,8 [σ] = 1,8·470,6 = 847,1 МПа =8417·10⁵Па.

 Па < [σ_см].

 

Угол подъема винтовой линии резьбы определяется по формуле

 

.

 

Определение мощности

 

В сепараторах полузакрытого типа жидкие фракции выводятся с помощью напорных дисков. При расчете используется максимальное давление, создаваемое дисками, Па,

 

, (4.50)

 

где r₀ - радиус свободной поверхности жидкости в момент перелива, м.

 

Па.

 

Зная давление можно рассчитать мощность требуемую, для преодоления этого давления, кВт

 

; (4.51)

 кВт.

 

Значение мощности допустимое.

 

 

Эксплуатация сепараторов

 

Эксплуатация открытых и полузакрытых сепараторов для сепарирования и очистки молока включает в себя совокупности обстоятельств, определяющих условия и режимы работы сепараторов и их технического обслуживания, от которых зависит соответствие процессов сепарирования и его результатов установленным требованиям. Соблюдение основных правил и приемов монтажа, сборки, пуска, работы, регулирования, установки, ухода позволяет обеспечить работу сепараторов и продлить срок их службы.

Сепаратор является быстроходной машиной, рабочие органы которого несут значительный запас кинетической энергии. Несоблюдение основных положений эксплуатации их может привести к тяжелым авариям.

Сепараторы непрерывного действия с периодической центробежной выгрузкой осадка для сепарирования, очистки молока и осветления сыворотки отличается отдельными приемами, обусловленными особенностью конструкций. Обслуживающий персонал должен хорошо знать устройство и работу этих сепараторов, чтобы обеспечить необходимое техническое обслуживание и непрерывное использование.