Separarea prin centrifugare in industria alimentara

SEPARAREA PRIN CENTRIFUGARE IN INDUSTRIA ALIMENTARA

1.Generalitati

Centrifugarea este operatia de separare a componentilor sistemelor eterogene solid-solid, solid-lichid, solid-gaz, lichid-gaz sau lichid-lichid in camp de forte centrifuge. Campul de forte centriguge poate fi realizat prin :

alimentarea sistemului eterogen intr-un organ in miscare de rotatie al unui utilaj (centrifuga, separator centrifugal), unde are loc separarea fazelor sistemului;

imprimarea unei miscari de rotatie sistemului eterogen prin alimentarea tangentiala in aparate fixe (hidrocicloane, cicloane);

Separarea amestecurilor eterogene sub influenta fortei centrifuge se realizeaza pe baza a doua principii:

prin sedimentare, separarea realizandu-se datorita diferentei de densitate a componentilor;

prin filtrare, la care separarea amestecului solid-lichid are loc ca urmarea trecerii fazei fluide printr-un material filtrant;

Cand trebuie sa se separe un amestec solid-lichid, utilajul se numeste centrifuga iar cand se separa un amestec lichid-lichid sau se purifica un lichid, utilajul se numeste separator centrifugal. Separarea amestecurilor neomogene utilizand efectul fortei centrifuge se realizeaza in utilaje care poarta denumirea generica "centrifuge".

Factorii care influenteaza centrifugarea sunt:

marimea fortei centrifuge: forta centrifuga care se naste in cazul unei miscari circulare a unui corp de masa "m" cu viteza unghiulara " w" pe o traiectorie de raza R este: F=mw²R=m(2pn/60)²R [N]; in care "n" reprezinta turatia. Din expresia fortei centrifuge reiese ca cresterea acesteia se realizeaza mai usor prin marirea turatiei decat prin marirea diametrului tamburului.

caracteristicile materialului: viscozitatea, existenta spumei - influenteaza negativ separarea;

natura materialului din care se construieste centrifuga influenteaza prin calitatile de rezistenta mecanica si rezistenta la coroziune.

2.Aparate de fractionare a fazei solid-solid

Se utilizeaza urmatoarele tipuri:

a)     site de cernere cu miscare plan paralela circulara;

b)     aparate de cernere cu miscare de rotatie de forma: cilindrica (cu ax inclinat la 5-10 ⁰), hexagonala (cu ax inclinat la 5-10 ⁰), conica (orizontala);

c)     sita centrifuga de cernere cu batatoare rotative (aparatul de treier);

d)     triorul cilindric cu alveole;

e)     triorul spiral: separarea pe baza de diferenta de forta centrifuga (forma suprafetei exterioare a componentelor);

3.Centrifugarea amestecurilor eterogene

Marea varietate a materialelor prelucrate prin centrifugare, proprietatile lor si a produselor rezultate reclama conditii de lucru foarte diferite determinand folosirea unui numar mare de aparate, deosebite atat din punct de vedere constructiv cat si a modului de functionare si exploatare. Astfel, clasificarea centrifugelor se face pe baza mai multor criterii, cele mai importante fiind:

factorul de separare "z" care este dat de raportul dintre forta centrifuga si greutate: z = F_c/G = mw²R/mg = w²R/g = w²R/9,81; in care F_c - forta centrifuga care actioneaza asupra particulei aflata in camp centrifugal (Kgf), G - forta de greutate (Kgf), w - viteza unghiulara, r - raza tamburului (tobei) in (m), m - masa particulei (kg), g - acceleratia gravitationala = 9,81 m/s², n - turatia tobei centrifugale (rot/min); in functie de factorul "z" deosebim: z 5000 -centrifuge, 5000 z 50000 supercentrifuge, z 50000 ultracentrifuge;

dupa destinatie: de decantare, de filtrare, de separare;

dupa pozitia axei: verticale, orizontale, inclinate;

dupa modul de sustinere a tamburului centrifugal: suspendate sau sprijinite;

dupa modul de functionare: cu functionare periodica si cu functionare continua;

3.1. Centrifuge filtrante

In acest tip de aparate, operatia de centrifugare decurge dupa cicluri care cuprind urmatoarele faze : incarcarea, pornirea si aducerea la turatia de regim a centrifugei, centrifugarea propriuzisa, uscarea sedimentului spalat, franarea si oprirea centrifugei urmata de descarcarea ei. tambur perforat

F h

carcasa

motor electric

n

F = 0,8.1 m

h = 0,35.0,52 m

n = 850.1200 rot/min

transmisie

Fig.1 Centrifugala filtranta cu descarcare manuala

evacuare filtrat

evacuare precipitat

Fig.2 Centrifugala filtranta cu tambur suspendat

alimentare

carcasa

tambur

disc de alimentare

50⁰

evacuare filtrat

evacuare sediment

Fig.3 Centrifugala filtranta suspendata cu descarcare automata

3.2.Centrifuge cu functionare continua

La acest tip de centrifuge, toate fazele operatiei de separare se realizeaza continuu, caracteristic fiind modul de descarcare a materialului. Acestea se impart in centrifuge filtrante cu ax orizontal si centrifuge cu ax vertical. Cele cu ax orizontal cu impingerea pulsanta a precipitatului, la care evacuarea sedimentului se face cu ajutorul unui disc de impingere a carui miscare pulsanta este provocata de un piston coaxial actionat periodic de un motor hidraulic cu ulei.

	n

Fig.4. Centrifuga filtranta orizontala

In figura 4, 1 - toba filtranta, 2 - con de alimentare, 3 - disc pentru impingerea precipitatului, 4 - carcasa, 5 - ax tubular, 6 - ax plin, 7 - piston.

Centrifuge filtrante continue cu ax vertical (cu toba conica), are tamburul de forma tronconica, avand un transportor elicoidal care se roteste cu turatie mai mica decat a tobei conice, servind la deplasarea sedimentului.

alimentare

1

2

3

evac.apa spalare

evac.sirop n₁

n₂

n₂<n₁

apa spalare

Fig.5 centrifuga filtranta continua cu ax vertical

In figura 5, 1 - tambur conic cu surub elicoidal, 2 - tambur tronconic filtrant, 3 - orificiu alimentare cu apa de spalare.

3.3.Centrifuge de decantare

Sunt aparate utilizate in industria amidonului si a grasimilor pentru : separarea amestecului solid-solid in mediul lichid (amidon pentru gluten), separarea amestecului solid-lichid (eliminarea unor reziduuri prin sedimentare), separarea amestecurilor lichid-lichid (in cazul topirii grasimilor).

Centrifuga de decantare discontinua cu tambur suspendat este prezentata in figura urmatoare:

n intrare amestec

gura descarcare sediment

Eliminare apa

Fig.6 Centrifuga de decantare discontinua

Centrifuga de decantare cu functionare continua este prezentata in fig. de mai jos:

Tambur exterior

alimentare

cu suspensie

n₂ n₁ alim. cu apa

spalare

deversare lichid

evacuare sediment

tambur cilindric cu transportor elicoidal

Fig.3.7 Centrifuga de decantare cu functionare continua

3.4. Aparate fixe (hidrocicloane)

Hidrocicloanele se utilizeaza la separarea particulelor solide dintr-un lichid cu densitate mai mica decat solidul (in industria amidonului, zaharului, a grasimilor vegetale si animale, la purificarea apelor reziduale).

Hidrociclonul se compune dintr-o manta cilindrica acoperita la partea superioara cu un capac si terminata la partea inferioara cu o manta tronconica.

Camera de evacuare superioara                                evacuare

(E)

alimentare (A)

preaplin

descarcare sediment

(A) (E)

Fig.3.8 Hidrociclon

La partea superioara a sectorului cilindric este montat racordul de alimentare in pozitie tangentiala (de regula de sectiune patrata sau dreptunghiulara). Partea tronconica de diametru mic este prevazuta cu orificiul de descarcare. Capacul are un racord central de evacuare denumit si preaplin, amplasat in camera de evacuare si care trebuie sa aibe sectiunea mai mare decat cea a racordului de alimentare.

Hidrocicloanele se utilizeaza pentru clarificare, ingrosare sau limpezire. Dupa diametrul partii cilindrice, hidrocicloanele se impart in:

mari: cu F = [300.1200] mm;

medii cu F = [100.300] mm;

mici cu F = [8.100] mm;

Hidrocicloanele pot fi grupate sa lucreze in paralel, formand un multihidrociclon sau in serie cand se mareste mult gradul de separare.

Calculul de dimensionare (dupa Zanker) consta in calculul urmatoarelor elemente (fig.9) :

e

b L/D = 5

b/D = 0,28 e/D = 0,34

e > u

D L₁

L

L₂

u

Fig.9 Calculul de dimensionare

eficienta de separare:

calculul diametrului D din relatia:

se verifica daca in camera cilindrica de R=D/2 se realizeaza camp centrifugal eficace:

W = w/R, iar domeniu uzual: w²R/g = [2000.70.000], iar unde a = 0,45; r-raza virtej

- raportul intre debitul de evacuare prin preaplin si debitul de alimentare: in care 0,65 < m < 1;

3.5. Separarea amestecurilor solid-gaz

In multe ramuri ale industriei alimentare se pune problema separarii prafului din curentul de gaze rezultat in urma proceselor de fabricatie sau cu scopul recuperarii prafurilor valoroase precum si pentru limitarea poluarii mediului. De asemenea separatoarele formeaza elemente ale instalatiilor de transport pneumatic pentru cereale, faini, lapte praf, etc.

Metodele de purificare a gazelor sunt :

purificarea pe cale mecanica, in care separarea particulelor se face sub actiunea unei forte mecanice, a gravitatiei sau a fortei centrifuge cu schimbarea directiei de circulatie a gazului;

purificarea umeda, prin trecerea gazelor printr-un lichid sau prin stropire cu lichide;

purificarea gazelor prin filtrare prin suprafete sau straturi poroase;

purificarea electrica a gazelor prin sedimentarea particulelor dispersate in gaz cu ajutorul unui camp electric de inalta tensiune;

purificarea gazelor prin dispozitive sonice in care aerosolii pot fi aglomerati si purificati sub influenta undelor sonice de inalta frecventa care provoaca ciocnirea particulelor si aglomerarea lor;

3.5.1. Purificarea mecanica

Se realizeaza prin urmatoarele procedee:

a)     procedee de separare prin sedimentare; camerele de desprafuire;

In forma cea mai simpla, camerele de desprafuire sunt incaperi mari, paralelipipedice pe care gazul de purificat le parcurge in lungul lor cu viteza mica. Separarea se face sub actiunea gravitatiei. Este importanta repartizarea uniforma la intrarea in camera pe toata latimea acesteia;

b)     procedee de purificare a gazelor pe principiul sedimentarii si al inertiei. Daca unui curent de gaz i se schimba directia punandu-i in cale un paravan, gazul il ocoleste iar particulele vor ricosa dupa o directie oarecare sub un unghi de incidenta;

Fig.10 Conducte de sedimentare

Q, W

A₀

Fig.11 Camera de desprafuire cu perete despartitor

A s

c) procedee de separare sub actiunea fortei centrifuge

Ciclonul este un aparat de centrifugare    d₁

cu tambur fix, format dintr-o manta                             b

cilindrica continuata la partea inferioara                      d_z

cu o forma tronconica.                                               H

Intrarea gazului se face printr-un ajutaj h

care transforma sectiunea circulara a

conductei intr-o sectiune dreptunghiulara

care patrunde tangential imediat sub

capacul mantalei. Conducta centrala de

evacuare a gazului patrunde in interiorul A₁

ciclonului.

Sub influenta intrarii tangentiale, gazul

primeste o miscare de rotatie elicoidala,

particulele solide frecandu-se de interiorul mantalei, vor cobori, iar aerul se va evacua ascendent.

Bateriile de cicloane (multicicloane sau                        r₀

cicloane celulare), au un randament de                        Q, W₀

sedimentare mai ridicat cu cat scade                           

diametrul ciclonului, s-au asociat mai Fig.12 Ciclon

multe cicloane cu diametre mici (150.200 mm),

pentru a putea epura debite importante de gaz.

Gaz purificat

gaz

impur

a) b)

praf

Fig.13 - a) multiciclon b)element de multiciclon

3.5.2. Purificarea umeda a gazelor

In industria alimentara se foloseste interactiunea gaz-lichid pentru: purificarea aerului de praf, de zahar, faina, pentru conditionarea aerului (umezirea aerului) sau pentru saturarea cu gaze a apei, solutiilor si siropurilor (obtinerea H₂SO₃ , sulfitarea vinului, a sucurilor de fructe, saturarea cu CO₂ a zemurilor din industria zaharului). Se mai foloseste si pentru purificarea gazelor de vaporii substantelor organice (purificarea CO₂ in fabricile de zahar, purificarea CO₂ rezultat la fermentare de vaporii de alcool, etc.).

Interactiunea gaz - lichid are loc la suprafata de contact a acestora, de aceea o suprafata mare de contact asigura o interactiune mai eficace. Pentru marirea suprafetei de contact se folosesc mai multe procedee: coloana cu umplutura, aparate cu dispozitive de barbotare, aparate in care lichidele se pulverizeaza in curent de gaz.

Coloana cu umplutura (fig.14)                      3 7

Gaz purificat

1- racord intrare gaz impur

2 - racord iesire gaz purificat

3 - racord intrare apa 2

4 - racord evacuare apa

5 - umplutura (inele Raschig) gaz brut 5

6 - suportul umpluturii

7 - duza de pulverizare a apei  6

Fig. 14 Schita de principiu       1

a unei coloane cu umplutura 4

lichid + solid

3.5.3. Purificarea gazelor prin filtrare

Filtrarea gazelor pentru retinerea particulelor in suspensie se realizeaza prin trecerea acestora printr-un mediu filtrant care retine partea solida. Materialul filtrant se alege in functie de proprietatile chimice ale gazului, de temperatura sa si de dimensiunile particulelor care trebuiesc retinute. Filtrarea se realizeaza in filtre cu saci filtranti cilindrici si in functie de principiul de filtrare se intalnesc:

- filtre sub presiune compuse din doua camere, una inferioara si una superioara intre care sunt prinsi sacii de filtrare. Gazul impur intra prin camera superioara, trece prin peretele sacilor iar impuritatile se aduna in camera inferioara de unde sunt eliminate cu un transportor melcat.

3.5.4. Purificarea electrica a gazelor

Aerul este in conditii normale un dielectric, insa sub actiunea unui camp electric puternic, gazele sunt ionizate si dobandesc proprietatea de a transporta sarcini electrice prin ionii formati. In cazul a doi electrozi plani si paraleli, variatia intensitatii in functie de tensiune, considerand trecerea curentului prin gazul aflat intre electrozi este prezentat in figura 15:

I(A) 4

Pana in punctul 1, intensitatea curentului este zero.3

Acesta poarta numele de punct de ionizare, iar

1 2

U_i U_s U

Fig.15

I II

3 2 1 0 1 2 3