Классификация зернистых материалов

Для разделения смеси зернистых материалов на фракции с узкими пределами размеров частиц применяются три вида классификаций:

механическая - которая заключается в рассеве сыпучих материалов на ситах, решетах или других устройствах При механической классификации через отверстия рассеивающего устройства проходят частицы материала, размеры которых меньше размеров отверстий. Не прошедшие через сита куски или частицы направляются на дополнительное измельчение;

гидравлическая классификация — разделение смеси твердых частиц на фракции в зависимости от скорости оседания частиц в жидкости;

воздушная сепарация — разделение смеси твердых частиц на фракции в зависимости от скорости отстаивания частиц в воздухе

Классификация применяется как вспомогательная операция для удаления мелочи перед измельчением материала, а также при возврате крупных частиц материала на повторное измельчение и в качестве самостоятельной операции — для выделения готового продукта заданного фракционного состава.

Механическая классификация, которая также называется грохочением, применяется для разделения частиц размерами от нескольких сантиметров до долей миллиметра. Классификацию проводят на рассеивающих устройствах, называемых грохотами или сепараторами. Для рассеивания материалов применяют металлические или другие сита, решета из металлических листов со штампованными отверстиями, решетки из параллельных стержней — колосников.

Сита бывают с квадратными или прямоугольными отверстиями, имеющими размеры от 0,04 до 100 мм. Сита обозначаются номерами, соответствующими размеру стороны отверстия сита в свету, выраженному в миллиметрах или микронах.

Решета изготовляют из металлических листов толщиной 2-12 мм, в которых штампуют круглые или прямоугольные отверстия размером 2-10 мм. Чтобы избежать забивки отверстий материалом, их выполняют в форме конуса, расширяющегося книзу.

Колосники собирают из стержней обычно трапецеидального сечения. При такой форме колосников облегчается проход частиц материала через расширяющиеся книзу зазоры между колосниками.

Классификация материалов происходит при движении их относительно перфорированной поверхности. При этом поверхность может быть неподвижной, установленной под углом к горизонту большим, чем угол трения материала, либо движущейся.

В результате классификации получают два продукта: отсев и отход. Отсев — частицы, прошедшие через рассеивающее устройство, отход — куски (частицы), не прошедшие через рассеивающее устройство.

Классификация бывает однократной и многократной При однократной классификации материал просеивается через одно сито, при многократной — через несколько сит.

В промышленности используются грохоты с неподвижными и подвижными решетками. Наибольшее применение нашли грохоты с неподвижными решетками. Грохоты бывают качающиеся, барабанные, вибрационные, дисковые, роликовые, колосниковые и цепные.

На рис.4.13. показан качающийся грохот, который широко применяется в промышленности

Грохот приводится в колебательное движение с помощью кривошипного механизма. Отсев проваливается при сотрясении сита в отверстия, а отход перемещается вдоль сита и с него поступает непосредственно на измельчение. Для отбора нескольких фракций качающиеся грохоты делают многоярусными; в этих грохотах материал подается на верхнее сито, имеющее наибольшие отверстия. Крупные куски удаляются с этого сита как отход, а отсев поступает на расположенное ниже сито с более мелкими отверстиями. На этом сите снова получают отход и отсев, причем отсев попадает на следующее более мелкое сито, и т. д..

Рис.4.13. Качающийся грохот:

1 - эксцентрик; 2 - шатун: 3 - пружина; 4 - корпус; 5 – сито

Достоинствами плоских качающихся грохотов являются большая производительность, высокая эффективность грохочения, компактность, удобство обслуживания и ремонта.

Недостатком этих грохотов является неуравновешенность конструкции, в результате чего работа их сопровождается сотрясениями и толчками.

Барабанный грохот представляет собой барабан, установленный наклонно под углом 4 — 7 ° к горизонту. Барабан изготавливается из сетки или перфорированных стальных листов и вращается на центральном валу либо на выносных опорных роликах. Материал загружается с открытого торца барабана Отсев проваливается через перфорированные стенки барабана, а отход выходит с противоположного открытого торца барабана.

Для очистки зерна, зерновых, крупяных и бобовых культур от сорных и зерновых примесей используются горизонтальные или вертикальные цилиндрические зерноочистительные сепараторы. Разделение в таких сепараторах происходит на металлическом сите. Проходные размеры отверстий сита увеличиваются по ходу движения зерновой смеси. Разделение смеси происходит за счет центробежной силы в вертикальных сепараторах либо за счет вибрационных колебаний материала и сита в горизонтальных сепараторах

На рис.4.14. схематично показан барабан центробежного сепаратора. Барабан состоит из нескольких секций. Зерно с примесями поступает в верхнюю секцию. За счет центробежной силы зерно вместе с примесями отбрасывается к перфорированной стенке барабана сепаратора. Примеси, имеющие меньшие размеры, чем зерно, проходят через отверстия стенки и удаляются из сепаратора в виде отсева, а зерно поступает в нижнюю секцию. Стенки барабана этой секции имеют отверстия большего диаметра, через которые зерно проходит и удаляется из сепаратора.

В вибрационных сепараторах плоское наклонное сито совершает колебания с помощью вибратора. При вибрации материала на сите происходит его разделение, причем отверстия сит не забиваются материалом, даже если разделяются влажные материалы. Сепаратор легко регулируется за счет изменения частоты и амплитуды вибраций, сита легко сменяются.

Магнитные (электромагнитные) сепараторы предназначены для извлечения из массы сыпучего материала, например зерна, стальных и чугунных включений. Барабанный электромагнитный сепаратор (рис.4.15.) имеет

эксцентрично расположенный непод-вижный электромагнит, работающий от постоянного тока. При вращении барабана поверхность его находится в непосредственной близости от полюсов электромагнита. Чугунные и стальные предметы, попадающие в зону сильного магнитного поля, удерживаются на

поверхности барабана, а сыпучий материал, не обладающий магнитными свойствами, ссыпается с поверхности барабана в приемный бункер При выходе барабана из сферы действия магнитного поля чугунные и стальные предметы под действием силы тяжести отделяются от основной массы материала вне бункера.

Магнитные сепараторы устанавливают в местах загрузки твердых материалов в различные машины, например в дробилки, сушилки и др

Воздушная сепарацияотличается от гидравлической классификации тем, что скорость осаждения частиц в воздухе значительно больше скорости осаждения частиц в воде. Воздушная сепарация осуществляется в восходящем потоке воздуха в циклонных аппаратах

На рис.4.16. показана схема центробежного сепаратора. Обычно такой сепаратор устанавливается на линии отходящего воздушного потока от мельницы. Отделение крупных частиц происходит в кольцевом канапе и конусе, где частицы за счет центробежной силы отбрасываются на стенки конуса. Крупные частицы соскальзывают со стенок конуса и выгружаются через патрубки 4 и 5. Воздух вместе с мелкими неотделившимися частицами удаляется через патрубок в циклон.

Гидравлическая классификациясмесей твердых частиц на фракции по скорости осаждения их в жидкости подчиняется общим законам осаждения твердых тел. Гидравлическая классификация осуществляется в горизонтальном или восходящем потоке воды. Скорость потока выбирается такой, чтобы из классификатора выносились частицы, меньшие определенного размера, -верхний продукт, а в классификаторе осаждались частицы больших размеров, обладающие большей скоростью осаждения, - нижний продукт. Для классификации под действием центробежной силы используются гидроциклоны.

Контрольные вопросы

1. С какой целью применяются измельчение и классификация твердых материалов?

2. На какие виды подразделяется измельчение в зависимости от начальных и конечных размеров наибольших кусков материала?

3. Чем характеризуется процесс измельчения?

4. Какими методами производится измельчение твердых материалов?

5. Какие схемы измельчения применяются в пищевой промышленности?

6. От каких характеристик измельчаемых материалов зависит работа, затрачиваемая на измельчение?

7. Какие типы измельчающих машин применяются в промышленности?

Характеристики дробилок и мельниц.

8. Какие требования предъявляются к измельчающим машинам?

9. Каков принцип действия шоковых, гирационных и молотковых дробилок?

10. Какие мельницы применяются для дробления и помола зерна?

11. Каков принцип действия свеклорезки?

12. Какие виды классификации используются в промышленности?

13. На чем основана классификация материалов грохочением?

14. На чем основана гидравлическая и воздушная классификация?

15. В каких аппаратах производится воздушная классификация?

ПРЕССОВАНИЕ

Общие сведения

Для обезвоживания, брикетирования твердых материалов, гранулирования и формования пластичных материалов в пищевой промышленности применяется прессование.

Прессование заключается в том, что обрабатываемый материал подвергается внешнему давлению в специальных прессах.

Под избыточным давлением проводятся обезвоживание, брикетиро-вание, формование и штампование различных пищевых материалов.

Обезвоживание под давлениемприменяется в ряде отраслей пище-вой промышленности: в сахарном производстве для отжима воды из свекловичного жома, сока из сахарного тростника, в жировом производстве для выделения из семян подсолнечника растительного масла, в производстве соков для выделения сока из ягод и плодов и в других производствах.

Брикетированиеприменяется для получения брикетов, т. е. брусков прямоугольной или цилиндрической формы спрессованного материала. Брикетирование применяется в сахарном производстве для получения брикетор свекловичного жома и сахара-рафинада. Брикетирование широко применяется в производстве пищевых концентратов и лекарственных препаратов, в кондитерском и в комбикормовом производствах, в процессах утилизации отходов производства и др.

Разновидностью брикетирования являются таблетирование и гранулирование.Таблетки и гранулы имеют меньшие размеры по сравнению с брикетами. Промышленностью выпускаются гранулированный чай, кофе, пи-щеконцентраты, конфеты и другие продукты.

Формованиепластичных материалов используется в хлебопекарном, кондитерском и макаронном производствах для придания изделию из теста заданной формы.

Обезвоживание и брикетирование

Обезвоживание продуктов применяется для выделения жидкости, когда она является ценным продуктом или когда с обезвоживанием ценность продукта увеличивается.

Обезвоживание проводится под действием избыточного давления, которое прикладывается к материалу. Избыточное давление может быть приложено к материалу двумя способами: давлением поршня в прессах или действием центробежной силы в центрифугах

Брикетирование, таблетирование и гранулирование применяются с целью повышения качества и продолжительности использования продукта, уменьшения потерь, улучшения транспортировки и т д

Жом, предназначенный для скармливания скоту, отжимается на прессах до содержания 9—10%. Прессованный жом получают в виде брикетов кругло-го сечения диаметром от 11 до 20 мм или прямоугольного сечения высотой от 20 до 40 мм.

Плотность спрессованного жома составляет около 750 кг/м³ Степень отжатия воды зависит от давления прессования. Однако большая степень от-жатия воды приводит к уменьшению производительности пресса и увеличению удельного расхода энергии.

В сахарорафинадном производстве прессы применяются для получения брусков сахара-рафинада. При прессовании кашки происходит значительное сокращение объема промежутков между кристаллами за счет перемещения кристаллов относительно друг друга, а также заполнение промежутков осколками раздробленных кристаллов При прессовании создаются благоприятные условия для сращивания кристаллов в брикетах при их сушке.

Брикетирование проводят в специальных прессах до плотности, при которой брикет не может самопроизвольно разрушиться. После прессования брикеты жома подвергают охлаждению, а сахар — высушиванию.

Основной характеристикой процесса брикетирования является зависимость между приращением давления прессования Dр и уменьшением коэффициента уплотнения прессуемого вещества b (b = V/ V₁ = h/h₁, где V и V₁ -объем продукта до и после прессования; h и h₁ — высота брикета до и после прессования).

Для вывода уравнения распределения давления прессования по высоте брикета рассмотрим схему сил, действующих на элементарный слой брикета (рис.4.17.).

Давление прессования складывается из давления на уплотнение продукта и давления для преодоления сил трения продукта о пресс-форму. Пренебрегая трением продукта о пресс-форму и принимая, что продукт является однородным, С. М. Гребенюком получено выражение для описания процесса прессования:

y×lnР/Р_о=b - b₀ (4.8)

где y× — модуль прессуемости; Р, Р₀ — соответственно конечное и начальное давления сжатия; b, b₀ — конечный и начальный коэффициенты уплотнения.

В условиях равновесия на элемент брикета, находящийся в матрице на расстоянии z от пуансона, в вертикальной плоскости действуют нормальные силы р_z и р_z - dр_z , удельные силы трения Т_z и силы от боковых давлений

P_xz

Удельная сила трения Т_z = f P_xz ,где f - коэффициент трения материала о стенку матрицы

Вертикальное удельное давление связано с боковым удельным давлением P_xz соотношением P_xz / р_z = x Если поперечное сечение F и периметр брикета П то условие равновесия сил на ось z выражается уравнением F dр_z = f р_zПdz . Учитывая, что приращение давления и силы трения равны, но противоположны по направлению, получим F dр_z = - f x р_zgpzHdz. Проинтегрировав это уравнение в пределах от р до р? и от 0 до z при постоянстве величин f и £ получим

р_г = p,exp(#nz/F). (4.9)

На дне пресс-формы удельное давление

рь - p*exp(%fllz / F ) , где h — высота брикета.

Уравнение (4.9) представляет собой уравнение распределения давления прессования по высоте сжатого брикета. Его можно также использовать для определения потерь давления на трение о стенки матрицы.

Уменьшение коэффициента уплотнения элементарного слоя, перпендикулярного направлению усилия прессования, связано с приращением давления в этом слое [см уравнение (4.8)J. Если принять, что первоначальная плотность брикета по всей высоте постоянна, то Д> - Д = ^/п Р₇/Р<». Подставляя значение Р_х из уравнения (4.9), найдем fo - ft_z - ¥fn [ Р ехр(-&Пг I F) /P₀], откуда&=А- IP/nP+exptf'friPo+^fnz/F.

Средний коэффициент уплотнения /?- \р_г-<ыь, или

/f= j|^-^lnP + ^lnP₀ + y-£-/-tf-r/F]&/fc (4.10)

Интефируя полученное уравнение в пределах от 0 до л, после соответствующих алгебраических преобразований получим

/?=#»- FlnPIPo+VZfnzMF (4.11)

Средняя плотность брикета постоянного сечения

р = (р-;ъГ1пР/Р₀)/[1-<Г^Пв_к!2Р²р_к}}, (412)

где gk— масса твердой фазы в брикете.

Конечный и начальный коэффициенты уплотнения в этом случае ft- р/р* и ft =/7₀ /р_к • конечная высота брикета h_K = G_K/Fp_K, р и /* — соответственно начальная и конечная плотности брикета.

Уравнения (4,11) и (4.12) являются основными уравнениями процесса одностороннего прессования дисперсного вещества, полученными при допущении постоянства коэффициента трения f и коэффициента бокового давления £;.

При одностороннем прессовании вследствие трения продукта о стенки матрицы плотность брикета оказывается неравномерной по высоте. Брикеты более высокого качества получают при двустороннем прессовании. В этом случае брикет имеет более равномерную плотность по высоте, что улучшает его качество.