Совершенствование гидроциклонных установок для линий производства крахмала

Одной из наиболее сложных операций в крахмальном производстве является очистка крахмала от взвешенных и растворимых примесей. Для этой цели могут быть использованы различные машины и агрегаты: барабанные, барабанно-струйные, центробежно-лопастные, дуговые, сотрясательные сита, барабанные вакуум-фильтры, шнековые осадительные центрифуги, тарельчатые сепараторы с частотой вращения роторов 5–6 тыс. об/мин и фактором разделения 3–4 тыс. [1, 2]. Все эти аппараты в настоящее время могут быть заменены установками гидроциклонов, диаметр цилиндрической части которых для повышения эффективности осаждения крахмала уменьшен до 20–30 мм, а фактор разделения выше, чем у большинства применяемых аппаратов. Производительность одного микрогидроциклона невелика – около 0,5 м3 крахмального молока концентрацией 6–7% сухих веществ (СВ) в час, поэтому применяют мультициклоны – батареи гидроциклонов, включающих большое количество параллельно работающих микрогидроциклонов. ВНИИ крахмалопродуктов разработал и внедрил в производство станции гидроциклонов производительностью 100 и 200 т/сут. картофеля [2].

Мультициклонные установки содержат до 15 ступеней разделения (мультициклонов), соединённых в единый аппарат. Большое количество ступеней является существенным недостатком подобных установок, так как требует повышенного расхода электроэнергии и металла, увеличения расходов на изготовление установок, на приобретение насосов, электродвигателей и т. п.

Уменьшение количества ступеней разделения является важным фактором для эффективного применения многоступенчатых гидроциклонных установок в крахмальном производстве.

В картофелекрахмальном производстве работают мультициклонные установки на выделении крахмала из картофельной кашки (измельчённый картофель), содержащие 15 ступеней разделения (мультициклонов), соединённых между собой по противоточной схеме.

Большое количество ступеней вызвано необходимостью максимально исключить потери крахмала при выделении мезги и растворимых веществ. Для этого в микроциклонах, которые установлены в мультициклонах, увеличивают диаметр отверстия для выхода сгущённого схода d 2 (рисунок 1), содержащего в основном крахмал, что уменьшает количество его уноса с жидким сходом.

исходный продукт initial product

M 0 – количество исходного продукта quantity of initial product

P 0   – количество сухого вещества

(крахмал + мезга quantity of dry substance (starch, fibre, solubles)

сгущенный сход condensed product

Рисунок 1. Микроциклон Figure 1. Microcyclone

жидкий сход quantity of liquid phase (M1, P1)

M1 – количество жидкого схода quantity of liquid phase

P 1 – количество сухого вещества

(в основном легкий компонент, растворимые вещества)

quantity of dry substances

(light particles, solubles)

M2 – количество сгущенного схода quan tity of condensed products

P 2    – количество сухого вещества

(в основном)

quantity of dry substances (starch)

d2 – диаметр отверстия для выхода сгущенного схода diameter of outlet

При этом ухудшается качество промывания крахмала, т. к. вместе с ним через отверстие d2 в сгущённый сход попадает увеличенное количество жидкой фазы суспензии, содержащей растворимые вещества и мезгу. Ухудшение промывания в одной ступени компенсируется применением большего количества ступеней и наличием имеющей технологические преимущества противоточной промывки, при которой выделенные с жидким сходом на каждой ступени примеси вновь возвращаются в установку на предыдущую ступень и вновь требуется их выделение. Поэтому важной задачей для подобных установок является уменьшение количества ступеней обработки исходного продукта с получением качественного крахмала при его максимальном выходе. Уменьшение количества ступеней обработки возможно только за счёт более качественной работы каждой ступени. Повышение качества работы может быть достигнуто увеличением выхода крахмала из ступени при уменьшении выхода жидкой фазы.

Поясним этот вывод примером, для чего введём некоторые определения и обозначения, принятые в крахмалопаточном производстве. Работа одного микроциклона, как и ступени разделения (мультициклонов), характеризуется двумя коэффициентами – φ и δ [3]. Коэффициент δ показывает, какая часть от исходного количества продукта (крахмал + жидкая фаза с примесями) М о (рисунок 1) поступает в сгущённый сход М 2 :

δ = М 2 / М о .               (1)

Коэффициент φ характеризует часть исходного крахмала Р о , поступающего в сгущённый сход Р 2 (рисунок 1):

φ = Р 2 / Р о .                  (2)

Значения этих коэффициентов у микроциклона зависят от его конструктивных параметров. Наиболее легко эти параметры изменяются при изменении диаметра отверстия микроциклона d 2 , коэффициенты φ и δ микроциклона определяются экспериментально. Эти коэффициенты связаны между собой функционально: φ = f (δ), увеличение или уменьшение δ микроциклона всегда ведёт соответственно к увеличению или уменьшению коэффициента φ. Иными словами, желание выделить в микроциклоне как можно больше крахмала обязательно ведёт к увеличению выхода всего продукта вместе с примесями. На практике для уменьшения потерь крахмала применяют микроциклоны с φ = 0,8–0,9, что приводит к высоким коэффициентам δ, равным 0,3–0,4. Для изменения этой нежелательной функциональной связи за ступень разделения приняли не отдельный мультициклон, а соединение трёх мультициклонов по перекрёстной схеме (рисунок 2), в которой возможно увеличение φ ступени при уменьшении коэффициента δ ступени, что доказано расчётами и опытной проверкой.

Иными словами, возможно увеличение выхода крахмала в сгущённом сходе при уменьшении жидкой фазы в этом сходе. Это изменение в перераспределении компонентов суспензии происходит за счёт конструктивного решения ступени разделения, в которой жидкие сходы соединяются только с жидкими сходами, а сгущённые сходы – только со сгущёнными. У такой ступени разделения, состоящей из трёх мультициклонов с коэффициентами, например φ = 0,8; δ = 0,3, φ ст. иδ ст. определяются по следующим формулам:

φст. = 2φ2 - φ3 / 1 + φ2 – φ;(3)

δст. = 2δ2 – δ3 / 1 + δ2 – δ,(4)

откуда     φст. = 0,914, а δст. = 0,194.(5)

P 2

Рисунок 2. Ступень, состоящая из трёх мультициклонов Figure 2. Stage consists of three multicyclones

Таким образом, в данной ступени получено увеличение выхода крахмала в сгущенном сходе на 11,4% (с 80 до 91,4%) при уменьшении выхода всего продукта на 10,6% (с 30 до 19,4%). В одной ступени получен более качественный крахмал, т. к. его стало больше в сгущённом сходе ступени. Однако и при таком соединении мультициклонов не удаётся выделить 100% крахмала, и он попадает в жидкий сход каждой ступени. Поэтому жидкий сход каждой ступени необходимо дополнительно сгустить для выделения крахмала. Такое соединение, состоящее из четырёх мультициклонов (рисунок 3), положено в основу проектирования новой более эффективной гидроциклонной установки.

M 1

P 1

Рисунок 3. Ступень, состоящая из четырёх мультициклонов

Figure 3. Stage consist of four multicyclones

Новая многоступенчатая мультициклон-ная установка (рисунок 4) состоит из 12 мультициклонов (с насосами), объединённых в три блока I; II; III, которые в установке соединены противоточно по жидкому сходу.

Общее уменьшение мультициклонов в установке обеспечивается более эффективной работой

I каждой ступени, которое стало возможным при увеличении коэффициента φст. и понижении коэффициента δст. Использование для процесса 12 мультициклонов вместо 15 экономит энерго-и металлозатраты, что уменьшает капитальные и эксплуатационные расходы.

Washing

water

вода на промывку

Рисунок 4. Схема гидроциклонной установки

• Figure 4.    Scheme of hydrocyclone installation

При нормальной работе установки исходная суспензия, картофельная кашка через патрубок 24 поступает в патрубок 20 насоса 7 и через патрубок 19 подаётся в мультициклон 1 блока I. Под действием центробежной силы, которая развивается в микроциклонах, установленных в мультициклоне, происходит разделение продукта на сходы – сгущённый, обогащённый крахмалом и жидкий, обогащённый мезгой и растворимыми примесями. Сгущённый сход с мультициклона 1 смешивается со сгущённым сходом мультициклона 1а и насосом 8 подаётся в мультициклон 2 блока I; жидкие сходы мультициклонов 1 и 2 смешиваются и насосом 13 подаются в мультициклон 1а для выделения крахмала из жидкого схода. Жидкий сход мультициклона 1а смешивается с жидкими сходами мультициклонов 5а и 6а. Эта смесь насосом 16 подаётся в мультициклон 4а для дополнительного выделения крахмала во избежание его потерь. Жидкий сход мультициклона 4а, содержащий мезгу и растворимые вещества, выводится из установки. Сгущённый сход мультициклона 4а соединяется с исходным продуктом, несколько разбавляя его, чем уменьшает содержание растворимых веществ в исходном продукте, поступает в насос 20 и далее по схеме.

Сгущённый сход блока I, он же сгущённый сход мультициклона 2, смешивается со сгущённым сходом мультициклона 6а блока III, который разбавляет его, и насосом 9 этот продукт подаётся для разделения в блок II. Распределение продуктов в нем происходит аналогично блоку I. Густой сход мультициклона 5а блока II для создания противотока возвращается на вход ступени I.

Густой сход блока II, он же густой сход мультициклона 4, содержащий крахмал, очищенный от примесей, соединяется с чистой водой, поступающей из патрубка 23, разбавляется и насосом 11 для окончательной очистки подаётся в блок III. Густой сход блока III (мультициклона 6) представляет собой суспензию, содержащую крахмал с незначительным (допустимым) количеством примесей. Густой сход ступени 6а в соответствии с принципом противотока поступает на вход блока II. Распределение продуктов внутри блока III происходит аналогично блокам I и II.

Таким образом, возможно, не меняя конструктивные размеры микроциклонов, манипулируя схемой соединения их в установке, получить требуемый технологический результат с улучшенными экономическими показателями. Конструкция мультициклонной установки защищена патентом РФ [4].

Уменьшение количества ступеней возможно не только при рационализации схемы соединения мультициклонов в установке, но и за счёт изменения работы гидроциклона (микроциклона), являющегося основным рабочим элементом каждой ступени.

Как известно, работа гидроциклона заключается в придании вращения суспензии внутри корпуса гидроциклона с целью создания центробежной силы, необходимой для послойного распределения частиц в зависимости от их массы и размера.

Вращение потока внутри гидроциклона образуется за счёт струи продукта, входящего в него под давлением по касательной к внутренней поверхности корпуса гидроциклона. Чем равномернее, без срывов вращается столб продукта внутри гидроциклона, тем эффективней идёт распределение частиц по слоям. Более тяжёлые частицы вращаются ближе к стенке аппарата, более лёгкие – ближе к центру, что даёт возможность частицам распределиться между жидким и сгущённым сходами.

На вращение продукта и его распределение по сходам влияют внутренний диаметр цилиндрической части гидроциклона, диаметры отверстий для выхода сходов, угол конусности, шероховатость внутренней поверхности, давление, с которым продукт подают в гидроциклон и т. д.

В процессе исследований за длительный период были определены оптимальные размеры и режимы работы гидроциклонов в зависимости от размеров частиц суспензии.

Эффективность работы гидроциклонов определяли не по изменению гидравлических характеристик потока, величине и направлению скоростей внутри него, поскольку их сложно измерить и установить влияние той или иной скорости, а по технологическим характеристикам, определяемым коэффициентами φ и δ. Чем выше коэффициент φ , а коэффициент δ ниже, тем эффективней работает аппарат. Коэффициенты определяли, измеряя массы сходов и содержание в них сухих веществ.

Исследования показали, что одним из основных параметров в конструкции гидроциклона (микроциклона), существенно влияющим на ход процесса разделения суспензии, является размер и рас- положение входного отверстия. Именно его параметры могут частично или полностью разрушить равномерное вращение продукта внутри корпуса гидроциклона. Неправильно оформленное и расположенное отверстие ухудшает коэффициент φ на 10–15%, т. е. уменьшает выход частиц суспензии со сгущённым сходом. При этом на коэффициенте δ нестабильное вращение слоя не сказывается, т. е. общее количество продукта в нижнем сходе не изменяется, следовательно, ухудшается качество выделяемого продукта. Отчего это происходит?

Утверждается, что во всех известных конструкциях гидроциклонов ввод продукта внутрь производится по касательной к его внутренней поверхности [5]. Однако это утверждение относится только к внешнему слою потока, входящего в гидроциклон, остальная часть потока попадает внутрь по хорде, а не по касательной. Внутренние слои потока не способствуют вращению, а наоборот тормозят вращение продукта внутри гидроциклона, уменьшая его окружную скорость и, следовательно, величину центробежной силы (рисунок 5-а). Уменьшение центробежной силы приводит к ухудшению фракционирования и коэффициента φ .

Для частичного исключения влияния входного потока на работу гидроциклонов иногда применяют гидроциклоны с более плавным вводом продукта в аппарат по тангенциальноспиральному каналу (рисунок 5б).

Внутри аппарата происходит эффективный процесс фракционирования, что подтверждается более высоким φ [5].

Мультициклонная установка с использованием патентов изготовлена на опытном заводе ВНИИ крахмалопродуктов и внедрена в цехе по переработке некондиционного картофеля на овощной базе г. Липецка.

С 1990 г. в Российской Федерации выработка картофельного крахмала сократилась, в зависимости от валовых сборов картофеля, в 4–6 раз. Многие картофелекрахмальные предприятия не выдержали конкуренцию с зарубежными, имеющими мощную государственную поддержку. Внутренний рынок потребления этого, весьма необходимого для некоторых отраслей промышленности крахмала (в которых неприемлемо использование зернового крахмала), на 70–80% покрывается за счёт поставок из стран ближнего и дальнего зарубежья. При этом Россия ежегодно импортирует сырьё и продовольствие в объёмах, значительно превышающих господдержку сельского хозяйства .

Рисунок 5. Схема ввода продукта в гидроциклон: a – ввод продукта по тангенциальному каналу; b – ввод продукта по тангенциально-спиральному каналу; A, B – внешний и внутренний слой продукта в канале

• Figure 5.    The scheme of suspension inlet to hydrocyclone: a – product input to tangential channel; b – product input to tangential-spiral channel; A, B - external and internal layer of product in channel.

Однако и в этой конструкции, хотя и в меньшей мере, входные потоки пересекаются, уменьшая окружную скорость. Для исключения влияния входного потока на качество фракционирования суспензии разработана конструкция гидроциклона с так называемым внешним способом подачи суспензии, при котором в аппарат подаётся уже вращающийся поток продукта [6].

Гидроциклон, как принято, состоит из цилиндроконического корпуса и крышки, имеет два отверстия по оси аппарата для отвода продуктов фракционирования суспензий на сгущённый и жидкий сходы. С внешней стороны цилиндрической части корпуса гидроциклона выполнено углубление прямоугольной формы по винтовой линии в один виток. Винтовая линия поднимается снизу вверх до верхнего обреза корпуса гидроциклона. На винтовую часть корпуса одевается крышка (рисунок 6), образующая с внешней стороны корпуса гидроциклона винтообразный канал для подачи суспензии внутрь гидроциклона. Для плотного прилегания крышки к винтовой части корпуса внутреннюю поверхность крышки и внешнюю часть винтовой линии делают коническими, что обеспечивает герметичность соединения крышки и корпуса.

В таком виде гидроциклон работает следующим образом: исходную суспензию под давлением подают в отверстие входного канала, двигаясь по которому продукт приобретает окружную скорость, поднимается вверх до кромки корпуса, упирается в крышку и направляется внутрь корпуса гидроциклона. Весь поток, попав в аппарат, продолжает вращаться вокруг его оси, причём слои потока не пересекаются и не тормозят движение друг друга.

С учётом наметившейся потребности малого и среднего бизнеса в организации малотоннажных производств, во ВНИИ крахмало-продуктов разработаны линии по переработке картофеля на сухой крахмал мощностью 10 и 50 т в сутки по исходному сырью на базе гидроциклонных установок (ГУ). Технология переработки и аппаратурная схема этих линий усовершенствована и при наличии картофеля хорошего качества, высокой крахмалистости позволяет вести его переработку с показателями на уровне мировых достижений.

Подача исходного продукта External product input

Подача исходного продукта

External product input

Рисунок 6. Гидроциклон (микроциклон) с внешним способом подачи исходного продукта: 1 – крышка; 2 – корпус с прямоугольной резьбой

• Figure 6.    Hydrocyclone (microcyclone) with external product input process: 1 – cover; 2 – case with square thread

Работами, проведёнными во ВНИИ крахмалопродуктов, определено, что дополнительные объёмы производства картофельного крахмала для снижения его импортных поставок в Россию можно получить также за счёт переработки производственных отходов на предприятиях по выпуску картофелепродуктов (хрустящий картофель, чипсы и др.).

ГУ является основным оборудованием малотоннажных линий для переработки картофеля на крахмал. В ней одновременно проходят все операции получения картофельного крахмала: его выделение из картофельной кашки, рафинирование и промывание крахмала, промывание мезги (клетчатки картофеля). Использование гидроциклонной установки позволяет организовать без больших капитальных затрат новое производство, за счёт сокращения расхода свежей воды значительно снизить количество стоков и выделить ценные вещества смеси мезги и картофельного сока (7–8% СВ). Мезгу и картофельный сок используют для скармливания животным в сыром или запаренном виде, картофельный сок или его фильтрат – для удобрительных поливов сельхозугодий. Разработаны рекомендации по их применению.