Гидравлический классификатор для разделения частиц суспензии по их размеру
HYDRAULIC CLASSIFIER FOR SEPARATION OF SUSPENSION PARTICLES BY THEIR SIZE

Изобретение относится к устройствам для проведения процессов гидравлического разделения различных суспензий и может быть использовано в пищевой промышленности, например, для разделения крахмальной суспензии на фракции по размеру частиц.
Изобретение может найти применение также в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, строительной и других отраслях промышленности.
Известен гидравлический классификатор, включающий корпус с цилиндрической камерой и коническим днищем, расположенные в нижней части корпуса патрубок для подвода пульпы и патрубок для выгрузки песков, патрубок для подвода воды, установленные в верхней части корпуса сливной желоб и герметичный кожух с патрубком для отвода воздуха [Авторское свидетельство СССР № 1351674, кл. B 03 B 5/62, 1986].
Недостаток этого гидравлического классификатора связан с отсутствием в нем конструктивных элементов, позволяющих регулировать качество классификации.
Известен гидравлический классификатор, включающий корпус с цилиндрической камерой и коническим днищем, расположенные в нижней части корпуса патрубок для подвода пульпы и патрубок для выгрузки песков, тангенциальные патрубки для подвода воды в среднюю часть корпуса, установленные в верхней части корпуса сливной желоб и патрубок для отвода воздуха, расположенные соосно внутри корпуса с уменьшающимися сверху вниз диаметрами цилиндрические кольца, установленные внутри корпуса радиально пластины, расположенную в нижней части корпуса коническую обечайку, установленный в верхней части корпуса соосно с ним цилиндр с герметичным кожухом над цилиндром и с расположенным внутри цилиндра соосно с ним зазором параболическим отражателем, открытой своей частью обращенным к патрубку для подвода пульпы, патрубок для отвода воздуха расположен в верхней части герметичного кожуха [Патент Российской Федерации № 2029625, кл. B 03 B 5/62, 1989, бюл. № 6, 1995].
Недостатком этого гидравлического классификатора, также как и [1], является отсутствие в нем конструктивных элементов, позволяющих регулировать качество классификации.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является многосекционный гидравлический классификатор [Калинкин, И.П. Новый справочник химика и технолога / И.П. Калинкин. – М.: АНО НПО «Мир и Семья». – Т. 2. – 2006] – прототип, содержащий корпус, камеры, мешалки, выгружатель и привод.
В этом устройстве эффективность процесса возрастает за счет использования нескольких пирамидальных камер, увеличивающихся в размере от места загрузки исходного материала к сливному порогу. Нижняя часть каждой камеры состоит из трех частей: цилиндрической части для перемешивания пульпы, в нижней части переходящей в усеченный конус, вследствие чего и создаются стесненные условия; стеклянной цилиндрической камеры для наблюдения и регулирования процесса классификации и нагнетательной трубы, имеющей внутри форму спирали, через которую вода входит тангенциально. Ниже нагнетательной трубы имеется приемник для выгрузки осевшего материала, который разгружается через отверстие, периодически открывающееся посредством шарикового клапана, закрепленного на стержне. Однако в установке также отсутствует конструктивный элемент, позволяющий регулировать качество классификации.
Для повышения производительности процесса классификации и осуществления глубокой переработки по разделению частиц суспензии нативного крахмала по размеру рекомендуется создание гидравлического классификатора для разделения частиц суспензий по размеру, который позволит улучшить  качество разделяемой суспензии.
Таким образом, технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение является увеличение эффективности классификации частиц суспензий по их размеру за счет использования наклонной сетчатой фильтровальной перегородки над камерами осаждения, наличия в камерах осаждения стенок с возможностью изменения угла наклона, что позволяет регулировать размеры частиц по фракциям, исходя из условий их выпадения.
Решение технической задачи достигается тем, что гидравлический классификатор для разделения частиц суспензий по их размеру, состоящий из патрубка и вентиля для подачи суспензии, последовательно  расположенных камер осаждения с коническим днищем, вентилями  для вывода частиц из камер осаждения,  отличается тем, что оснащается наклонной сетчатой фильтровальной перегородкой с углом наклона к горизонту от 10° до 35°, совершающей колебательное движение и установленной на виброопорах, стенками камер осаждения, имеющими возможность изменения угла наклона к горизонту в диапазоне от 25° до 155°, что позволяет регулировать длину участка осаждения  частиц требуемого размера в соответствии с уравнением:
, (1)
V
м/с
д
где  – скорость движения частиц крахмальной суспензии, ;
Voc
i
м/с
i
– скорость осаждения частиц -го размера, ;
h
i
м
i
– высота жидкости над стенкой -й приемной камеры, .
suspensio
Суспензия (от позднелат.  – подвешивание) – это дисперсная система, в которой дисперсной фазой являются частицы твердого вещества, находящиеся во взвешенном состоянии, а дисперсной средой – жидкость.
Крахмальная суспензия, подлежащая разделению, представляет собой суспензию с температурой 45–50°С и содержанием 28-32% сухих веществ [Жужиков, В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий / В.А. Жужиков. – М.: Химия – 1971. – 440 с.].
На первоначальном этапе для отделения самых крупных гранул крахмальной суспензии в гидравлическом классификаторе установлена сетчатая фильтровальная перегородка. Основной величиной, характеризующей процесс разделения частиц суспензии по размеру, является скорость, т.е. количество продукта, прошедшая в единицу времени через единицу площади поверхности сетчатой перегородки. Эта скорость прямо пропорциональна разности давлений продукта при разделении и обратно пропорциональна вязкости фильтрата и общему сопротивлению осадка и фильтровальной перегородки. В дифференциальной форме это равно:
, (2)
W
м
/м
·с
3
2
где – скорость разделения, ;
V
м
3
– объем фильтрата, ;
S
м
2
– площадь поверхности разделения, ;
τ
с
– время разделения, ;
ΔP
н/м
(Па)
2
– разность давления, ;
µ
н.с./м
(Па·с)
2
– вязкость фильтрата, ;
R
м
oc
–1
– сопротивление слоя осадка,;
R
м
ср.п.
–1
– сопротивление фильтровальной перегородки, .
, (3)
r
м
o
–2
где  – удельное объемное сопротивление осадка (сопротивление, оказываемое потоку фильтрата равномерным слоем осадка толщиной 1м), ;
x
o
– отношение объемов осадка и фильтрата.
Таким образом, движущей силой процесса является разность давлений продукта по обе стороны сетчатой фильтровальной перегородки.
Большое влияние на скорость разделения оказывает вязкость жидкой фазы суспензии. Кроме того, важно учитывать и форму ячеек сетчатой перегородки. Как известно, крахмальная суспензия содержит частицы нативного крахмала. Основной структурной характеристикой строения нативного крахмала, обуславливающей его физико-химические свойства, является крахмальное зерно (гранула). Выявлено большое разнообразие форм крахмальных зерен. Были идентифицированы крахмальные зерна правильной и не правильной овальной, округлой, многогранной формы.
Тонкость разделения определяется размером ячейки и формы сетки. Также важно учитывать и материал изготовления таких перегородок. В пищевой промышленности при классификации крахмальной суспензии наиболее устойчивыми к коррозии и безопасными являются пластмассовые фильтровальные перегородки. Обычно тонкость разделения пластмассовых перегородок составляет около 50 мкм.  Сетчатые фильтрующие элементы часто изготовляют многослойными, что несколько увеличивает тонкость и эффективность очистки, но приводит к росту гидравлического сопротивления фильтрующего элемента пропорционально количеству слоев сеток.
Структура образующегося при фильтровании осадка и, следовательно, его сопротивление потоку жидкости зависят от свойств твердых частиц и жидкой фазы суспензии, от условий разделения.
Предлагаемые наименования групп фракций крахмальных гранул нативного крахмала, согласно [Литвяк, В.В. Технические условия: ТУ BY 190239501.924-2019 «Крахмал нативный, классифицированный по размеру гранул» / В.В. Литвяк, А.А. Заболотец // РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию». Минск, 2019. – 16 с. – Государственная регистрация № 054974 от 23.01.2019 г.] в соответствии с размерами фракции приведены в таблице 1.
Таблица 1Характеристики фракции гранул нативного крахмала
Номер крахмальной фракции
Наименование крахмальной фракции
Размер крахмальных гранул, мкм
<b>(0)</b>
«Максимус»
150–200
<b>(1)</b>
«Макси»
100–150
<b>(2)</b>
«Пионер»
50–100
<b>(3)</b>
«Супериор»
30–50
<b>(4)</b>
«Прима»
20–30
<b>(5)</b>
«Секунда»
10–20
<b>(6)</b>
«Отход»
<10
(0)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Первоначальный этап классификации гранул нативного крахмала по размеру заключается в использовании наклонной сетчатой фильтровальной перегородки для выделения крахмальной фракции  – «Максимус» с размером гранул 150–200 мкм. Для выделения крахмальных фракций: фракции  – «Макси», фракции  – «Пионер», фракции  – «Супериор», фракции  – «Прима», фракции  – «Секунда», фракции  – «Отход» используется метод отстаивания.
Отстаивание – частный случай разделения неоднородных жидких или газообразных систем в результате выделения твердых или жидких частиц под действием гравитационной силы. В связи с чем, при отстаивании должны соблюдаться следующие условия:
1) продолжительность пребывания разделяемого потока в устройстве должна быть равна или больше времени осаждения частиц, для создания условий, чтобы гранулы крахмальной суспензии успели выделиться и осесть в установке;
2) линейная скорость потока должна быть меньше скорости осаждения для предотвращения создания вихревых потоков, которых взмучивают и уносят осаждающиеся частицы из классификатора.
На фиг. 1 схематично показан гидравлический классификатор для разделения частиц суспензий по их размеру.
1
2
3
4
3
5
6, 7, 8, 9, 10
11, 12, 3, 14, 15
16, 17, 18, 19, 20
21
Гидравлический классификатор содержит вентиль  и патрубок  для подачи суспензии в зону предварительного разделения, наклонную сетчатую фильтровальную перегородку  с углом наклона α к горизонту от 10° до 35°, оснащенную вибрационным устройством . Фильтровальная перегородка   имеет возможность создавать колебательные движения благодаря виброопорам . Вибрация в сочетании с наклоном поверхности фильтровальной перегородки позволяет ускорить процесс фильтрования и организовать удаление осадка с поверхности перегородки, а также предотвращает забивание частицами суспензии фильтровальной перегородки. Последовательно расположенные камеры осаждения имеют коническое днище и стенки с возможностью изменения угла наклона β к горизонту в диапазоне от 25° до 155°. Величина угла наклона связана с коэффициентом трения крахмальных частиц о поверхность перегородок. При установке угла наклона β менее 25° или более 155° частицы будут тормозиться на поверхности перегородок и плохо выводится из соответствующих камер. Днище камер осаждения оснащено выходными вентилями  для вывода частиц в поддоны  соответственно. Вентиль  позволяет производить слив надосадочной жидкости с содержанием самых маленьких частиц крахмала по окончании процесса осаждения.
На фиг. 2 продемонстрированы различные возможные варианты форм ячеек сетчатой фильтровальной перегородки:
а
- фиг. 2  – в виде квадрата;
б
- фиг. 2  – в виде круга;
в
- фиг. 2  – в виде параллелограмма;
с
- фиг. 2  – в виде ромба.
Гидравлический классификатор для разделения частиц суспензий по размеру работает следующим образом.
1
2
3
4
5.
(0)
Исходная суспензия, содержащая крахмальные гранулы различного размера и формы, путем открытия вентиля  подается под необходимым давлением через патрубок на наклонную сетчатую фильтровальную перегородку  с углом наклона α  к горизонту от 10° до 35°. Фильтровальная перегородка совершает колебательные движения благодаря наличию  вибрационного устройства  и виброопор  для предотвращения ее забивания частицами суспензии. Вибрация в сочетании с наклоном поверхности фильтровальной перегородки позволяет ускорить процесс фильтрования и организовать удаление осадка с поверхности перегородки, а также предотвращает забивание частицами суспензии фильтровальной перегородки. После первоначального разделения суспензии с использованием сетчатой фильтровальной  перегородки отделяются самые крупные крахмальные гранулы фракции  – «Максимус» размером от 150 до 200 мкм.
6, 7, 8, 9, 10
Далее отфильтрованная суспензия поступает в последовательно расположенные камеры осаждения ,имеющие коническое днище и стенки с возможностью изменения угла наклона β к горизонту в диапазоне от 25° до 155°, что позволяет регулировать длину участка осаждения  частиц требуемого размера в соответствии с уравнением (1):
, где
V
м/с
д
– скорость движения частиц крахмальной суспензии, ;
Voc
i
м/с
i
– скорость осаждения частиц -го размера, ;
h
i
м.
i
– высота жидкости над стенкой -й приемной камеры,
Каждая камера осаждения в зависимости от угла наклона стенки (, , , ) меняет длину участка осаждения , , ,  и соответственно.
1
2
3
4
5
21
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Таким образом, каждая из камер гидравлического классификатора позволит получать определенный размер крахмальных фракций: камера  – фракции  – «Макси» с размером гранул 100-150 мкм, камера  – фракции  «Пионер» с размером гранул 50-100 мкм, камера  – фракции «Супериор» с размером гранул 30-50 мкм, камера  – фракции  «Прима» с размером гранул 20-30 мкм, камера  – фракции  «Секунда» с размером гранул 10-20 мкм. Надосадочная жидкость с содержанием самых маленьких частиц крахмала после отстаивания через патрубок и вентиль  выводится из устройства, что дает возможность получить фракцию  «Отход» с размером гранул менее 10 мкм.
Величина угла наклона связана с коэффициентом трения крахмальных частиц о поверхность перегородок. При установке угла наклона β менее 25° или более 155° частицы будут тормозиться на поверхности перегородок и плохо выводится из соответствующих камер. А возможность регулирования положения стенок позволит выводить из классификатора фракции однородные по размеру частиц и настраивать классификатор при работе с различной производительностью и концентрацией крахмальной суспензии.
11, 12, 13, 14, 15
16, 17, 18, 19, 20
По завершению процесса отстаивания осадок по выходным вентилям  выводится в поддоны соответственно. Каждая полученная фракция крахмала в отдельный последовательно расположенный поддон.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволит повысить производительность процесса классификации частиц суспензий по их размеру на фракции, произвести глубокое разделение крахмальной суспензии (крахмальных гранул) по размеру частиц.