Разделение неоднородных систем

В пищевых производствах многие технологические процессы сопровождаются образованием неоднородных смесей, которые в дальнейшем необходимо разделить.

Неоднородными называют системы, образованные двумя или большим числом фаз, которые взаимно нерастворимы друг в друге. Неоднородные системы обладают различной степенью устойчивости и могут быть разделены под воздействием механических сил.

Неоднородные смеси отличаются от растворов тем, что имеют две или более фаз, которые отделены друг от друга поверхностью раздела. Одну из фаз, сплошную, называют дисперсионной средой, а другую, мелкораздробленную и распределенную в первой, называют дисперсной фазой. В зависимости от дисперсионной среды и дисперсной фазы различают неоднородные смеси, жидкие и газовые.

Классификация неоднородных систем

Таблица 2

Разделение неоднородных систем происходит под действием силы тяжести, если система составлена из компонентов, плотность которых существенно различна, то это - разделение грубых суспензий, промышленных пылей.

Для разделения тонких суспензий и мутей, содержащих мелкие частицы, а также эмульсий применяют центробежную силу.

Фильтрование

Процесс разделения неоднородных систем за счет «просеивания» их через фильтрующую перегородку называют фильтрованием. Эти процессы используют для разделения жидких и газовых систем. Движущей силой является сила тяжести, фильтрование можно осуществлять и в центробежном поле.

Эффект разделения - это отношение количества компонента, выделенного из дисперсионной среды, к начальному его количеству в смеси:

eр = Go/Gн 100 % ,

где Go - количество осадка, кг

Gн - количество дисперсной фазы в начальной смеси, кг

Эффект разделения в различных отраслях промышленности называют по- разному. При оценке качества циклонов его называют КПД циклона, при очистке сточных вод - эффектом очистки, при сепарировании молока - степенью обезжиривания молока и т.п.

Кроме огромной роли в основных технологических процессах процессы разделения неоднородных систем обеспечивают защиту окружающей среды от вредных выбросов. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений по одну и другую сторону фильтрующей перегородки.

. Эта разность может быть получена за счет силы тяжести - силы гидростатического давления (фильтрование в воронке). В промышленности разности давлений можно добиться за счет создания избыточного давления на стороне неоднородной смеси или за счет создания вакуума со стороны фильтрата.

В первом случае движущая сила тем больше, чем выше избыточное давление в герметически закрытом аппарате, куда подается неоднородная смесь:

Р = Р_изб.- Р_атм.

Физически нет предела возможному увеличению избыточного давления, т.е.

lim Р = Р_изб.- Р_атм.

Р_изб. → ∞

Принимая Р_атм.= 10⁵ Па, получим lim → ∞

Следовательно, этот способ фильтрования обеспечивает возможность получения неограниченно большой движущей силыю

Во втором случае движущая сила тем больше, чем меньше остаточное давление Р_вак.

Р = Р_атм.- Р_вак., если Р_вак.=0, то

lim = Р_атм. .- Р_вак.= Р_атм.=10⁵Па

Р_вак. →0

Следовательно, движущая сила при фильтровании за счет создания вакуума теоретически не может превышать 10⁵ Па, а на практике и того меньше, так как получение глубокого вакуума связано с большими затратами. Но фильтрование под вакуумом получило распространение в промышленности, это объясняется возможностью создания непрерывного процесса, так как слой осадка фильтруется со стороны атмосферного давления и может легко удаляться.

Осаждение

Осаждение в поле гравитации (отстаивание) под действием силы тяжести используют для разделения суспензий, эмульсий, дымов и пылей.

Для осаждения в поле гравитации применяют отстойники - периодического и непрерывного действия. Для гравитационных отстойников характерны громоздкость и длительность пребывания суспензии в аппарате. Например, отстойники для очистки сатурационного сока на сахарных заводах имеют диаметр 4-5м при высоте 4-6,5м. Время пребывания сока в таких аппаратах около 1,5ч. Это связано с малой скоростью осаждения, которая зависит, например, от вязкости жидкости и размеров осаждаемых частиц. Для ускорения процесса осаждения прибегают к нагреванию смеси перед отстаиванием, а для увеличения размера частиц прибегают к их коагуляции - объединению нескольких частиц в одну за счет добавления коагулянтов (растворимых в воде солей - электролитов).

Другой метод агрегирования мелких частиц - флокуляция - добавление в суспензию небольшого количества вещества, которое, адсорбируясь на поверхности твердых частиц в суспензии, приводит к их смешению между собой.

.На предприятиях пищевой промышленности наибольшее распространение получила отстойная центрифуга периодического действия. Для разделения неоднородных смесей используют центрифуги, циклоны, гидроциклоны.

Центрифуги применяются для разделения смесей, содержащих малое количество твердой фазы.

Продолжительность работы цикла центрифуги состоит из четырех периодов:

τ_ц= τ_п+τ₀ +τ_т +τ_р,

где τ_п - период пуска, разгона до рабочей скорости вращения, с;

τ₀ - период отстаивания, с;

τ_т - период торможения, с;

τ_р - период удаления осадка, с.

В этом цикле τ₀ - полезное время, когда происходит разделение. Все остальные периоды - вспомогательные.

Эффективность цикла оценивается коэффициентом использования центрифуги: φ = τ₀/ τ_ц

Циклоны.Аппараты для разделения газовых неоднородных систем, в которых используется центробежная сила, возникающая за счет вращения потока. В циклонах нет вращающихся частей. Поток жидкости или газа вращается в неподвижном аппарате. Во вращающемся потоке на взвешенную частицу действует центробежная сила, под действием которой частица движется от центра к стенке аппарата со скоростью, равной скорости осаждения.

Для получения достаточной для очистки газа (жидкости) центробежной силы необходимо поддерживать высокую скорость потока на входе в аппарат.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие основные законы лежат в основе науки о технологических процессах?

2. Какие виды переноса характерны для стадии превращения сырья в полуфабрикат и конечный продукт?

3. Какие свойства характерны для сырья, используемого в производстве продуктов питания?

4. Какое значение имеют сухие вещества и массовая доля влаги в определении качества пищевых масс и готовых продуктов?

5. Как классифицируются процессы разделения неоднородных систем?

6. Какие методы разделения неоднородных систем Вы знаете?

1.5 Ответы на вопросы самоконтроля