Методичні вказівки. Міністерство освіти і науки України

Міністерство освіти і науки України

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Кафедра процесів, апаратів

Та енергетичного менеджменту

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт за курсом «ПРОЦЕСИ І АПАРАТИ

ХАРЧОВИХ ВИРОБНИЦТВ»

РОЗДІЛ «ГІДРОМЕХАНІЧНІ ПРОЦЕСИ»

для студентів напряму 6.051701 денної і заочної форм навчання

Затверджено радою зі спеціальностей: 7.05170101, 8.05170101 «Технологія зберігання і переробки зерна», 7.05170103, 8.05170103 «Технологія хліба, кондитерських, макаронних виробів та харчоконцентратів», 7.05170104, 8.05170104 «Технологія зберігання, консервування та переробки м’яса», 7.05170105, 8.05170105 «Технологія зберігання та переробки водних біоресурсів», 7.05170108, 8.05170108 «Технологія зберігання, консервування та переробки молока», 7.05170107, 8.05170107 «Технологія зберігання, консервування та переробки плодів та овочів»,7.05170106, 8.05170106 «Технології продуктів бродіння і виноробства», 7.05170109, 8.05170109 «Технології харчових продуктів оздоровчого і профілактичного призначення; 7.05170107, 8.05170107 «Технологія зберігання, консервування та переробки плодів та овочів», 8.05170110 «Технології питної води та водо підготовки харчових виробництв»; 7.05170112, 8.05170112 «Харчові технології» та напряму підготовки бакалаврів 6.051701 «Харчові технології та інженерія».напряму підготовки бакалаврів 6.051701 Протокол № ______ від ___________ 2014 р.

Одеса ОНАХТ 2014

Методичні вказівкидо виконання лабораторних робіт за курсом «Процеси і апарати харчових виробництв». Розділ «Гідромеханічні процеси» для студентів напряму 6.051701 денної і заочної форм навчання /Укладачі С.М. Перетяка, О.В. Зиков. За ред. О.І. Шиянова - Одеса: ОНАХТ, 2014 - 24с.

Укладачі С.М. Перетяка, канд. техн. наук, доцент

О.В. Зиков, канд. техн. наук, доцент

За редакцією О.І. Шиянова, канд. техн. наук, доцента

Відповідальний за випуск зав. кафедри процесів, апаратів та енергетичного менеджменту О.Г. Бурдо, д-р техн. наук, професор

Вступ

Дані методичні вказівки розроблені для проведення лабораторних робіт за курсом «Процеси і апарати харчових виробництв», розділ «Гідромеханічні процеси».

Гідромеханіка вивчає рівновагу, рух та взаємодію рідин і газів з тілами, які в них занурені або рухаються. У гідромеханічних процесах харчових виробництв вирішуються дві основні задачі неоднорідних систем:

1) отримання;

2) розділення.

До процесів отримання неоднорідних систем відносяться процеси перемішування, диспергування, піноутворення та псевдозрідження. Основними процесами розділення є осадження, фільтрування, центрифугування та мембрані процеси.

Під неоднорідною системою розуміють систему, яка складається із двох або декількох фаз, кожна з яких має свою поверхню розділу і може бути відокремлена механічним шляхом від іншої фази. Неоднорідна система складається із внутрішньої або дисперсної фази та зовнішньої фази, або дисперсійного середовища, в якому знаходяться частини дисперсної фази. Залежно від типу дисперсної та дисперсійної фаз розрізняють наступні неоднорідні системи (таблиця 1).

Таблиця 1

Неоднорідна система	Внутрішня (дисперсна) фази	Зовнішня (дисперсійна) фаза
Суспензія	Тверді частинки	Рідина
Емульсія	Рідина	Рідина
Піна	Газ	Рідина
Туман	Рідина	Газ
Пил	Тверді частинки	Газ

Лабораторна робота № 1

Визначення витрати потужності при механічному перемішуванні

Мета роботи: дослідити залежність витрати енергії на перемішування середовища від умов роботи мішалки; визначити коефіцієнти, що входять в критеріальне рівняння витрати потужності при перемішуванні.

1. Теоретичні відомості

Потреба в перемішуванні виникає у виробництві при необхідності інтенсифікації процесу тепло- або масообміну. Перемішування також застосовується для утворення емульсій і суспензій (тобто неоднорідних систем) і є засобом для створення контакту між реагуючими масами рідини і твердими тілами.

Випадки застосування перемішування можуть бути класифіковані таким чином: перемішування в рідкій фазі, сипких і пластичних мас.

Перемішування в рідкому середовищі може бути виконане механічним поточним або пневматичним способами.

Механічне перемішування виконується за допомогою механізмів – мішалок. На харчових виробництвах можуть використовуватися мішалки трьох основних типів: лопатеві, пропелерні та турбінні.

Одне з основних завдань при проектуванні мішалок - розрахунок потужності двигуна.

Аналітичний розрахунок енергії при механічному перемішуванні утруднений, оскільки витрати енергії залежать від великої кількості різноманітних чинників: фізичних властивостей суспензій, конструкції самих мішалок, частоти їх обертання, конструкції посудин, в яких відбувається перемішування, і так далі. Врахувати вплив цих чинників на витрати енергії при перемішуванні неможливо. Тому для визначення енергії, необхідної для перемішування, скористаємося теорією подібності: проведемо експеримент на моделі, а результати представимо у вигляді критеріальної залежності.

На підставі методу аналізу розмірностей отримана залежність:

Eu=C·Reⁿ (1)

де Eu – число Ейлера

(2)

Число Рейнольдса при перемішуванні:

, (3)

де μ – динамічна в'язкість середовища, Па.с;

N –робоча потужність, Вт;

ρ – густина рідини, кг/м;

n –частота обертання мішалки, с^-1;

d – діаметр мішалки, м.

Константи, що входять в рівняння (1), розраховують, використовуючи результати дослідів.

Для визначення постійної C і показника ступеня n критеріальну залежність (1) шляхом логарифмування перетворюють в рівняння прямої лінії.

Якщо побудувати графік в координатах lg(Eu)=f(lg(Re)), то показник ступеня n може бути знайдений, як тангенс кута нахилу прямої лінії, а потім можна розрахувати константу C.

2. Опис установки

У циліндричній судини (1) обертається мішалка (2), укріплена на вертикальному валу. Вал приводиться в обертання електродвигуном постійного струму (3), частота обертання якого змінюється залежно від напруги живлення.

Напруга змінюється за допомогою лабораторного трансформатора 5. Частота обертання вимірюється частотоміром 4.

Для визначення сили струму послідовно з двигуном змонтований зразковий опір (R = 50 Ом). Падіння напруги на двигуні і зразковому опорі вимірюється вольтметром 6.

На початку роботи вимірюють геометричні характеристики установки, діаметри мішалки, судини, висоту мішалки, висоту рідини в судині, температуру рідини. Включають живлення стенду, за допомогою електроліфта піднімають мішалки в крайнє верхнє положення. Включають вольтметр і через деякий час після перевірки приладів приступають до вимірювань.

Спочатку вимірюють потужність, що витрачається на приведення в обертання мішалки в повітрі при різній частоті обертання (наприклад, 100, 150, 200, 250, 300 об/хв), потім - потужність, що витрачається на обертання мішалки в рідині при тій же частоті обертання, що і раніше. Це необхідно для обліку потужності, що витрачається на обертання самого двигуна. Потужність визначають таким чином: вимірюють вольтметром падіння напруги U_д надвигуні, потім, міняючи положення перемикача, вимірюють падіння напруги на зразковому опорі U₀. Результати дослідів заносять до таблиць.

3. Результати вимірювань

Показник	Позначення	Одиниця	Числове значення
1. Тип мішалки
2. Діаметр лопаті	d	м
3. Ширина лопаті	h	м
4. діаметр судини	D	м
5. Висота рідини в судині	H	м
6. Температура рідини	t	°С
7. Густина рідини	ρ	кг/м3
8. Динамічна в'язкість	μ	Па·с
9. Число відбивних перегородок	Z

Параметр	1х	2 х	3х	4х	5х	1р	2р	3р	4р	5р
Частота обертання мішалки, n
Падіння напруги на двигуні, Uд
Падіння напруги на опорі, U0

4. Обробка результатів вимірювань

4.1 По результатам перших п’яти дослідів розраховують потужність, що витрачається на обертання мішалки у повітрі N_x.

4.2 По результатам других п’яти дослідів розраховують потужність, що витрачається на обертання мішалки у рідині N_р.

4.3 Для кожного з п’яти дослідів визначають робочу потужність, Вт

N = N_p – N_x

4.4 Для кожного з п’яти дослідів розраховують числа Eu та Re за формулами 2 і 3.

4.5 Для кожного з п’яти дослідів розраховують lg(Eu) і lg(Re)

4.6 Результати розрахунків заносять в таблицю

№	Nx	Np	N	Eu	Re	lg(Eu)	lg(Re)

4.7 Будують графік лінійної залежності lg(Eu)= f (lg(Re)).

4.8 Із графіка визначають коефіцієнт n рівняння 1.

4.9 Для будь якої точки графіку визначають значення константи С як:

5. Звіт о виконаній роботі повинен містити:

1. Мета роботи.

2. Основні теоретичні положення.

3. Схема установки.

4. Таблиці вимірювань та розрахунків.

5. Результати розрахунків увигляді рівняння залежності числа Eu від числа Re.

6. Висновки.

6. Контрольні запитання

1. Для чого використовується перемішування?

2. Які неоднорідні системи вам відомі?

3. Які бувають способи перемішування?

4. Які існують типи механічних мішалок?

5. Від чого залежать витрити енергії на механічне перемішування?

6. Як визначити витрати енергії на процес перемішування?

Лабораторна робота № 2

Вивчення процесу псевдозрідження

Мета роботи: отримання експериментальної залежності гідравлічного опору шару від швидкості газу; визначення швидкості псевдозрідження та винесення частинок.

1. Теоретичні відомості

Псевдозрідження – це процес продування повітря або рідини через шар зернистого матеріалу з певною швидкістю, при якій він переходить у завислий стан та набуває властивості текучості. Зовні такий шар нагадує киплячу рідину, тому його ще називають киплячим шаром. У псевдозрідженому шарі проводять процеси змішування, теплообміну, сушіння, адсорбції та інші. Переваги псевдозрідження:

- значне прискорення теплових та масообмінних процесів, інколи у сотні разів, у порівнянні з нерухомим шаром;

- тверді частинки в псевдозрідженому стані можна транспортувати по трубах, що дозволяє створювати апарати безперервної дії;

- перемішування твердих частинок в псевдозрідженому стані виключає локальний перегрів частинок.

Недоліки псевдозрідження:

- руйнування твердих частинок у результаті їх хаотичного руху;

- ерозія апаратури;

- виникнення зарядів статичної електрики;

- необхідність встановлення пиловловлювачів.

Якщо газ рухається через шар зернистого матеріалу, то залежно від середньої швидкості його руху можливі три варіанти взаємодії: фільтрування, псевдозрідження, транспортування завислих частинок потоком.

Рух газу через зернистий шар з малими швидкостями, коли частинки залишаються нерухомими, називається фільтрацією.

Зі збільшенням швидкості газу до такого значення, при якому підіймальна сила потоку стає рівною вазі шару частинок, шар набуває текучості та переходить у псевдозріджений стан. Швидкість потоку ω_кр, що відповідає цьому моменту, називається критичною швидкістю.

За більшою швидкості потоку газу підіймальна сила стає більшою за вагу шару, частинки захоплюються потоком і починають переміщатися разом із ним, тобто розпочинається процес транспортування матеріалу. Швидкість, яка відповідає цьому моменту, називається швидкістю винесення ω_вин.

2. Опис установки

Схема установки представлена на рис.1. Установка складається з прозорого циліндра (1), сітки (2), вентилятора (3), анемометра (4), мікроманометра (5). Повітря в установку подають знизу за допомогою вентилятора, оберти якого регулюють за допомогою трансформатора (6). При проходженні повітрям шару продукту (7), що знаходиться на сітки, відбувається падіння тиску, яке фіксується мікроманометром. Швидкість повітря, яке проходить через шар продукту, вимірюють анемометром.

Рис.1. Схема установки

1 – циліндр, 2 – сітка, 3 – вентилятор, 4 – анемометр, 5 – мікроманометр, 6 – трансформатор, 7 – шар продукту.

3. Результати вимірювань

№ досліду	Температура повітря, t, °C	Показання мікроманометра, h, мм	Швидкість повітря, ω, м/с

4. Обробка результатів вимірювань

4.1 За температурою, t, °C визначають з таблиці 2 додатка густину ρ_с, (кг/м³) та динамічну в’язкість µ_с, (Па·с) повітря

4.2 Визначають опір шару матеріалу, Па

(1)

де К – коефіцієнт (вказано на мікроманометрі);

ρ – густина рідини у мікроманометрі, кг/м³, ρ = 850 кг/м³

4.3 Будують графік залежності ΔP = f(ω)

ΔP

ω_кр ω

Рис.2.

4.4 За графіком визначають критичну швидкість псевдозрідження ω_кр

4.5 Визначають число Лященко

(2)

де ρ_ч – густина частинки, кг/м³, ρ = 2200 кг/м³.

4.6 За графіком залежності Ly = f(Ar) (рис.3) знаходять при ε = 0,4 (ε – порізність шару) відповідне значення числа Архімеда

4.7 Визначають середній діаметр частинок, м

(3)

4.8 За графіком залежності Ly = f(Ar) (рис.3) за визначеним числом Архімеда визначають число Лященко (Ly_вин) при ε = 1

4.9 Визначають швидкість винесення ω_вин

(4)

4.10 Визначають витрати повітря при яких відбувається винесення частинок, м³/с

(5)

де F – площа поперечного перерізу циліндра (1), м²

(6)

де D – діаметр циліндра, м

Рис. 3. Залежність числа Ly від числа Ar і порізність шару ε.

5. Звіт о виконаної роботі повинен містить:

1. Мета роботи.

2. Основні теоретичні положення.

3. Схема установки.

4. Таблиця вимірювань.

5. Результати розрахунків ω_кр, ω_вин, d, V.

6. Висновки.

6. Контрольні питання

1. Визначення процесу псевдозрідження.

2. Переваги та недоліки псевдозрідження.

3. Призначення процесу псевдозрідження.

4. Варіанти взаємодії газу з шаром зернистого матеріалу залежно від середньої швидкості його руху.

5. Що таке критична швидкість?

6. Що таке швидкість винесення?

7. Як виглядає графічна залежність опору шару від швидкості газу?

Лабораторна робота № 3

Вивчення ПРОЦЕСУ ОСАДЖЕННЯ ТВЕРДИХ ЧАСТИНОК ПІД ДІЄЮ СИЛИ ТЯЖІННЯ

Мета роботи: визначити дійсну та теоретичну швидкість осадження частинок

1. Теоретичні відомості

Відокремлення частинок від частинок (дисперсної фази) від дисперсійного середовища, в якому вони перебувають в завислому стані, під дією сили тяжіння називають відстоюванням або осіданням. Якщо густина частинок більша від густини середовища, завислі частинки осідають на дно посудини, і, навпаки, якщо густина середовища більша від густини завислих частинок, останні спливають на поверхню. Рушійною силою процесу осідання є різниця густин частинок та середовища.

Швидкість осідання частинок залежить від густини і розміру частинок, густини та в’язкості середовища. Це основний показник, що характеризує процес осідання, від нього залежить продуктивність та розміри відстійника.

Для ламінарного режиму осідання (число Архімеда Ar ≤ 3,6) частинок швидкість осадження можливо визначити за формулою Стокса:

, м/с, (1)

де d – діаметр частинки, м;

ρ_ч – густина частинки, кг/м³;

ρ_с – густина середовища, кг/м³;

µ_с – динамічна в’язкість середовища, Па·с.

З формули Стокса випливає, що для збільшення швидкості процесу осідання бажане зменшення в’язкості та густини середовища, або збільшення розміру частинок. Тому для прискорення (інтенсифікації) процесу застосовують наступні способи:

1) Нагрівання неоднорідної системи до температур допустимих технологічними умовами – це зменшує в’язкість та густину середовища.

2) Додавання коагулянтів (желатин, пектин, бентоніт) – це збільшує розміри частинок у результаті злипання.

2. Опис установки

Схема установки представлена на рис.1. Установка складається з трьох скляних трубок (1), які заповнені різними рідинами: гліцерином, касторовою то соняшниковою олією. На поверхні кожної трубки нанесені мітки, що позначають початок та кінець шляху осадження частинок. У якості частинок застосовують сталеву, алюмінієву та капронову кульки (2). Трубки закріплені у рамі, яка обертається (3).

Рис.1. Схема установки

1 – трубка, 2 – кулька, 3 – рама, 4 – станина.

3. Результати вимірювань

Рідина – частинка	Висота осадження, hі, м	Час осадження, τі, с
Гліцерин – алюміній
Касторова олія – сталь
Соняшникова олія - капрон

4. Обробка результатів вимірювань

4.1 Визначають дійсну швидкість осадження кульок, м/с

(2)

4.2 Визначають число Архімеда

(3)

4.3 Визначають теоретичну швидкість осадження кульок, м/с

Якщо Ar ≤ 3,6, тоді для розрахунку теоретичної швидкості осадження використовують формулу Стокса

Якщо Ar ≥ 3,6, тоді для розрахунку теоретичної швидкості осадження використовують метод Лященко. Знаючи число Архімеда (Ar) використовують залежність Ly = f(Ar) (рис. 2), з якої визначають чисельне значення числа Лященко (Ly), далі визначають швидкість осадження

(4)

4.4 Визначають коефіцієнт відхилення дійсної швидкості осадження від теоретичної, це коефіцієнт форми, який враховує відмінність форми частинки від форми кулі

(5)

5. Характеристика частинок і рідин

Частинка	Густина частинки, ρч, кг/м3	Діаметр частинки, d, м	Рідина	Густина середовища, ρс, кг/м3	Динамічна в’язкість середовища, µс, Па·с
Алюміній		3·10-3	Гліцерин		0,870
Сталь		2·10-3	Касторова олія		0,725
Капрон		2,5·10-3	Соняшникова олія		0,047

Рис. 2. Залежність числа Re і Ly від числа Ar для осадження однієї частинки в нерухомому середовищі: 1 і 6 – кулькоподібні; 2-округлі; 3-кутасті; 4-подовжені; 5-пластинчасті.

6. Звіт о виконаної роботі повинен містить:

1. Мета роботи.

2. Основні теоретичні положення.

3. Схема установки.

4. Таблиця вимірювань.

5. Результати розрахунків , Ar, , φ.

6. Висновки.

7. Контрольні питання

1. Які системи називають неоднорідними?

2. Які задачі вирішують гідромеханічні процеси?

3. Що є рушійною силою процесу осідання?

4. На що впливає швидкість осідання частинок?

5. Від чого залежить швидкість осідання?

6. Способи інтенсифікації процесу осідання.

7. Приклади коагулянтів та їх призначення.

8. Наведіть формулу Стокса.

9. Методика визначення швидкості дослідним шляхом.

10. Методика визначення швидкості розрахунковим шляхом.

Лабораторна робота № 4

ВиПРОБУВАННЯ вІДСТІЙНИКА

Мета роботи: вивчення процесу розділення суспензії у полі сил тяжіння; визначити діаметр частинок для яких розраховано відстійник.

1. Теоретичні відомості

Осадження – це процес розділення рідких і газових неоднорідних систем під дією гравітаційних сил або відцентрових сил, або сил електричного поля. Відповідно розрізняють гравітаційне відстоювання, центрифугування та електроочищення. Гравітаційне відстоювання здійснюється у відстійниках.

Відстійники проектують у розрахунку на осідання найдрібніших частинок, що містяться у суспензії. Тривалість перебування суспензії в апараті має бути більша за час осідання частинок найменшого розміру на дно апарата з відповідної висоти (τ_п ≥ τ_о). Тривалість перебування суспензії, с:

(1)

де ω_п – швидкість потоку рідини у відстійнику, м/с;

l – довжина відстійника, м.

Час осідання частинок на дно апарата, с:

(2)

де ω_сm – швидкість осідання у стиснутих умовах, м/с;

h – висота рівня суспензії у відстійнику, м.

При незначній концентрації частинок у суспензії, останні рухаються не торкаючись одна одної – це вільне осідання. У разі збільшення концентрації частинок умови осідання характеризуються тертям між частинками та їх взаємними зіткненнями. Таке осідання називається стисненим. Швидкість осідання у стиснутих умовах, м/с:

(3)

де ω_ос – швидкість вільного осідання, м/с.

Продуктивність відстійника по освітленій рідині визначається з рівняння:

, м³/с (4)

де F – площа відстійника, м²;

Згідно з рівнянням (4) продуктивність відстійника залежить від площі поверхні осідання та швидкості осідання і не залежить від його висоти.

2. Опис установки

Схема установки представлена на рис.1. Установка складається з циліндричного каналу – відстійника (1) для розділення суспензії. Над відстійникам розташовано напірний бак (2) з мішалкою для створення суспензії. Витрату суспензії регулюють краном (3), і вимірюють за допомогою секундоміра та мірної посудини (4). Густина частинок ρ_ч = 2200 кг/м³.

Рис.1. Схема установки

1 – відстійник, 2 – напірний бак, 3 – кран, 4 – мірна посудина, 5 – суспензія, 6 – осад, 7 – прояснена рідина.

3. Результати вимірювань

Температура суспензії, t, °C	Об’єм освітленої рідини, Vр, м3	Час збору освітленої рідини, τ, с	Діаметр відстійника, d, м	Висота рівня суспензії у відстійнику, h, м.	Довжина відстійника, l, м

4. Обробка результатів вимірювань

4.1 За температурою суспензії, t, °C Визначають з таблиці 1 додатка густину ρ_с, (кг/м³) та динамічну в’язкість µ_с, (Па·с) дисперсійного середовища

4.2 Визначають витрату рідини у відстійнику, м³/с

(5)

4.3 Визначають площу поперечного перерізу відстійника, м²

(6)

4.4 Визначають швидкість потоку рідини у відстійнику, м/с

(7)

4.5 Визначають швидкість осідання у стиснутих умовах, м/с

(8)

4.6 Визначають швидкість вільного осідання частинки, м/с

(9)

4.7 Визначають, використовуючи формулу Стокса, діаметр частинок, для яких розраховано відстійник, м

(10)

5. Звіт о виконаної роботі повинен містить:

1. Мета роботи.

2. Основні теоретичні положення.

3. Схема установки.

4. Таблиця вимірювань.

5. Результати розрахунків V, f, ω_n, ω_cm, ω_oc, d.

6. Висновки.

6. Контрольні питання

1. Які системи називають неоднорідними?

2. Які задачі вирішують гідромеханічні процеси?

3. Під дією яких сил можливо розділяти неоднорідні системи?

4. Які частинки осідають першими: великі, середні чи малі?

5. Як визначають тривалість перебування суспензії в апараті?

6. Як визначають час осідання частинок на дно апарата?

7. Яка умова повинна виконуватись при розрахунку відстійника?

8. Що таке вільне та стиснене осідання?

9. Як розрахувати продуктивність відстійника?

10. Від чого залежить продуктивність відстійника?

Лабораторна робота № 5

ВИПРОБУВАННЯ РАМНОГО ФІЛЬТР-ПРЕССА

Мета роботи: ознайомитися з пристроєм фильтр-преса; визначити константи рівняння фільтрації і продуктивність фільтру по фільтрату, побудувати графік швидкості фільтрації.

1. Теоретичні відомості

Процес фільтрації застосовується для розділення неоднорідних гетерогенних систем. Фільтруванням називається процес розділення неоднорідних систем з твердою дисперсною фазою, заснованою на затриманні твердих частинок пористими перегородками, які пропускають дисперсійне середовище. Рушійною силою фільтрування є різниця тисків до і після фільтрувальної перегородки ΔΡ.

При проходженні рідкої системи через перегородку, що фільтрує, можливі три випадки:

1. Частинки не потрапляють в пори перегородок, при цьому утворюється шар осаду.

2. Частинки дисперсної системи проникають в пори перегородок і закупорюють пори, не утворюючи осаду.

3. Проміжний вид фільтрування, коли частинки утворюють осад і проникають в пори..

В харчовій промисловості суспензії фільтрують на рамних фильтр - пресах під надлишковим тиском. Тверді частинки суспензії при фільтруванні затримуються фільтрувальною перегородкою, на якій утворюється шар осаду. Після цього процес відділення твердих частинок від зовнішньої рідкої фази відбувається вже в шарі осаду, проходячи крізь пори.

Експериментально встановлено, що рідина, що фільтрує, через пори осаду протікає в ламинарном режимі. Тому виведення рівняння фільтрації ґрунтується на законі ламинарного руху рідини в капілярах, вираженим законом Пуазейля і має вигляд:

V² + 2V·V_екв= К·τ (1)

де V – об’єм фільтрату який пройшов крізь 1м² фільтрувальної перегородки за час τ,

V_екв – об’єм фільтрату, при проходженні якого крізь 1м² фільтрувальної перегородки на ній утворюється шар осаду; опір якого дорівнює опору фільтрувальної перегородки.

V_екв, К – константи фільтрування, V_екв характеризує гідравлічний опір фільтрувальної перегородки, К – режим процесу фільтрування, фізичні властивості осаду і фільтрату.

V_екв і К визначають експериментально, для цього проводять досліди при ΔР=const; при цьому заміряють об’єми фільтрату ΔV і час Δτ, за який зібрали ці об’єми.

2. Опис установки

Установка складається з рамного фильтр-пресса 1, напірного бака 2, ємкості для підготовки суспензії 3 і компресора 4.

Необхідно ознайомитися з пристроєм фильтр-пресса, зібрати його і підготувати до роботи. Перед фільтруванням слід приготувати суспензію. Суспензію, що знаходиться в ємкості, ретельно перемішують, для цього через суспензію барботується повітря, що подається в ємність компресором. Для інтенсивного перемішування суспензії треба відкрити крани. Після ретельного перемішування протягом 3...4 хвилин кран закривається, в ємкості росте тиск, під дією якого суспензія витісняється в напірний бак. Після заповнення напірного бака відкривається кран і суспензія подається у фільтр, на якому заздалегідь вигвинчується на два обороти повітряний кран для випуску повітря. Після випуску повітря з фільтру повітряний кран закривається, рідина, проходячи через перегородки, що фільтрують, збирається в мірні стакани. Маса, фільтрату визначається через кожних 30 с, для цього у момент виходу фильтрату з фільтру після подачі суспензії включається секундомір. Через кожних 30 с проводиться заміна мірних стаканів і на вагах визначається маса порції фільтрату. Рушійна сила фільтрації рівна тиску гідростатичного стовпа рідини. Результати вимірювань заносять до таблиці.

3. Результати вимірювань

Номер досліду	Експериментальні дані	Розрахункові дані
	Δτ, c	ΔG, кг
…

4. Обробка результатів вимірювань

4.1 Для визначення констант фільтрування рівняння 1 представляємо у наступному вигляді:

(2)

Рівняння 2 є рівнянням прямої лінії, з кутом нахилу α, тангенс якого tg(α)=2/K

4.2 Використовуючи розрахункові дані, графік залежності

4.3 Знаходять константу фільтрування К=2/tg(α)

4.4 Знаходять із графіка значення відрізку В, та визначають

(3)

5. Звіт о виконаній роботі повинен містити:

1. Мета роботи.

2. Основні теоретичні положення.

3. Схема установки.

4. Таблиця вимірювань.

5. Результати розрахунків увигляді рівняння фільтрування.

6. Висновки.

6. Контрольні запитання

1. Визначення процесу фільтрування.

2. Призначення процесу фільтрації.

3. Які неоднорідні системи вам відомі?

4. Що таке швидкість фільтрації, від чого вона залежить?

5. Що є рушійною силою процесу фільтрування? Способи її створення.

6. Що характеризують константи фільтрування?

7. У чому полягає методика експериментального визначення констант процесу фільтрування?

8. Як влаштований і працює фильтр-пресс?

Лабораторна робота № 6

ВИПРОБУВАННЯ НАДЦЕНТРИФУГИ

Мета роботи – вивчити процес осадження твердих частинок суспензії під дією відцентрової сили; визначити фактор розділення центрифуги; визначити максимальну продуктивність центрифуги для даного продукту; розрахувати потужність двигуна центрифуги

1. Теоретичні відомості

Швидкість осадження твердих частинок під дією гравітаційних сил невелика, вона падає зі зменшенням розміру твердих частинок і різниці густин між фазами, а також із зростанням в’язкості середовища.

Збільшення швидкості процесу можливе в полі дії відцентрової сили. При обертанні рідини в центрифугах на неї діє гравітаційна сила F_г = m g, а також відцентрова сила

F_ц =mw²r, (1)

де w²r – відцентрове прискорення;

w – кутова швидкість обертання частинки;

r – радіус обертання частинки.

На практиці w²r >> g, тому процес осадження в центрифугах розглядають під дією тільки відцентрової сили.

Для розділення рідких неоднорідних систем у відцентровому полі застосовуються машини, які називаються центрифугами, процес розділення називається центрифугуванням. Основний робочий орган центрифуги – барабан, який обертається. Барабани відстійних центрифуг повинні бути суцільними, щоб затримувати на своїй поверхні частинки дисперсної фази. Інтенсивність центрифугування характеризується фактором розділення. Для відцентрового поля фактор розділення

(2)

Число фактора розділення показує, у скільки разів відцентрове прискорення більше прискорення вільного падіння. Всі центрифуги по величині чинника розділення класифікуються на дві групи: нормальні (з фактором розділення K< 3000) і надцентрифуги, у яких К > 3000.

При ламинарном режимі швидкість осадження у відцентровому полі

ω_ц=ω_o·K (3)

де ω_o – швидкість осадження в полі дії сил тяжіння.

2. Опис установки

Роторна, або барабанна, надцентрифуга призначена для безперервного очищення рідини під дією відцентрової сили (рис.1).Барабан 7 підвішений усередині масивної литої станини 6 на струні 4, сполученою з аеродинамічним підшипником 3, і приводиться у обертання через приводний пас 2віделектродвигуна 1. Суспензія підводиться до барабана через живильну трубку 7 і розподіляється рівномірним шаром по стінках. Під дією відцентрової сили частинки осідають на стінах барабана, а прояснена рідина ви
кидається через закраїни барабана в зливний лоток 5 і відводиться в збірну ємність.

У вертикальному барабані центрифуги траєкторія руху зваженої частинки залежить від двох параметрів: швидкості осадження частинки і швидкості руху частинки уздовж барабана. Швидкість осадження частинки в середовищі певної в'язкості залежить від швидкості обертання барабана і є постійною при незмінному числі оборотів барабана.

Швидкість руху частинки уздовж барабана міняється із зміною кількості суспензії, що подається на освітлення. Для проведення дослідів необхідно: ознайомитися з конструкцією центрифуги, зібрати і підготувати до випробування центрифугу, включити двигун, подати в барабан суспензію з ємкості, зміряти час збирання необхідної кількості (2 л) чистої рідини (фугата), після збору фугата перекрити кран ємкості, вимкнути двигун, центрифугу розібрати і зміряти довжину шару осаду в циліндрі. Результати вимірювань занести в таблицю.

3. Результати вимірювань

п/п	Показник	Позначення	Одиниця	Значення
	Висота барабана	h	м
	Внутрішній діаметр барабана	d	м	0,044
	Діаметр закраїни барабана	dз	м	0,01
	Довжина шару осаду	l	м
	Час збирання освітленої рідини	τ	c
	Кількість освітленої рідини	V	м3
	Частота обертання	n	об/хв	20000

4. Обробка результатів вимірювань

При розділенні суспензії в центрифугах частинки дисперсної фази здійснюють складний рух: вони разом з потоком рухаються уздовж апарату із швидкістю w_l і одночасно під дією відцентрової сили по радіусу барабана. Для повного розділення суспензії необхідно, щоб час осадження частинки меншого розміру був менший або рівний часу просування її уздовж барабана

τ_о ≤ τ_l (4)

Час осадження частинки τ_о розраховують, допускаючи, що він повинен бути дорівнювати часу проходження найменшою частинкою шляху, рівного довжині шару осаду l, для чого визначають швидкість руху суспензії уздовж барабана по рівнянню витрат

(5)

де – площа перетину шару суспензії в барабані, м²

Час осадження, с

(6)

Розраховують максимально можливу продуктивність центрифуги

(7)

Знаходять фактор розділення

(8)

де , r – радіус обертання, м.

5. Звіт о виконаній роботі повинен містити:

1. Мета роботи.

2. Основні теоретичні положення.

3. Схема установки.

4. Таблиця вимірювань.

5. Результати розрахунків V_max і К.

6. Висновки.

6. Контрольні запитання

1. Суть теорії центрифугування.

2. Пристрій і принцип дії відстійної і фільтруючої центрифуги

3. Фактор розділення, його фізичний зміст.

4. Розрахунок продуктивності центрифуги.

5. Наскільки можна збільшити продуктивність центрифуги?

ЛІТЕРАТУРА

1. Процеси і апарати харчових виробництв: Підручник / за ред. проф. І.Ф. Малежика. – К.: НУХТ, 2003. – 400 с.

2. Черевко О.І., Поперечний А.М. Процеси і апарати харчових виробництв: Підручник / Харківська державна академія технології та організації харчування. – Харків, 2002. – 420 с.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1971– 784 с.

4. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. – М.: Агропромиздат, 1991. – 432 с.