Semestrul I - operatii.pdf

Int rodu c er e

Capitolul I INTRODUCERE

I.1. Terminologie Pentru o mai bună cristalizare a unor noţiuni strict necesare pregătirii profesionale a specialistului din domeniul agroalimentar, este necesară explicarea unor noţiuni fundamentale, cum sunt proces tehnologic, operaţie, aparat, utilaj etc. Procesul tehnologic reprezintă ansamblul ordonat al operaţiilor, deci un proces tehnologic se compune din mai multe operaţii. Astfel se poate defini şi termenul de operaţie, ca etapă distinctă a unui proces tehnologic. O operaţie este alcătuită din mai multe faze. Se utilizează termenul de utilaj pentru unitatea (elementul) unei instalaţii pentru realizarea procesului tehnologic, care are organ principal în mişcare. Aparatul este un utilaj static, fără organe principale în mişcare. Deci o instalaţie este ansamblul de aparate şi utilaje în care se realizează operaţiile unui proces tehnologic.

I.2. Materiale utilizate în producţia alimentară Materiile sunt reprezentate de acele materiale, care condiţionează calitatea produselor şi se regăsesc ca elemente componente în alimentul rezultat. Materiile prime sunt considerate materii de bază, fără a căror participare nefiind posibilă fabricarea produsului din grupa

3

Int rodu c er e

respectivă. Aceste materii sunt factor comun la toate sortimentele din familia respectivă de produse. Materiile auxiliare sunt acele materii, a căror adăugare contribuie la completarea şi modificarea caracteristicilor ce decurg din materiile prime. Materialele reprezintă, în accepţiunea larg răspândită în industria alimentară, celelalte categorii de materiale ce participă, împreună cu materiile, la fabricaţie, însă nu se regăsesc în alimentul propriu-zis: materiale necesare pentru desfăşurarea diferitelor procese tehnologice, materiale de ambalare, materiale pentru igienizarea sălilor şi echipamentelor de fabricaţie, etc. Deoarece materialele din natură şi cele artificiale, respectiv produsele ce rezultă din transformarea acestora sunt foarte diverse, se propun mai multe criterii de clasificare a materialelor. După provenienţă, se deosebesc materiale naturale (materii prime naturale sau materiale brute) şiartificiale (sintetice). Materialele naturale se utilizează ca atare, aşa cum provin din natură, sau sunt supuse în prealabil unor prelucrări neesenţiale. Aceste materiale provin din lumea minerală, floră şi faună. În producţia de alimente se utilizează mai ales materiale naturale, care se extrag din natură: săruri, apă, fructe, frunze, seminţe, tulpini, rădăcini şi tuberculi de plante, mamifere, păsări, peşti, crustacei şi alte vieţuitoare. Materialele artificialesunt acele materiale, care rezultă în urma unor transformări structurale, ca urmare a unor procese tehnologice adecvate. Exemple de astfel de materiale sunt aromatizanţii, coloranţii chimici. După compoziţia chimică de bază, există materiale organice şi anorganice. Materialele organice se compun din câteva elemente chimice principale (C, H, O, N), la care se asociază un număr foarte mare de alte elemente, rezultând compoziţii şi structuri foarte variate.

4

Int rodu c er e

Materialele anorganice sunt substanţe simple sau compuse, de tipul oxizilor, sărurilor, halogenurilor, etc. Pentru fabricarea alimentelor, cea mai mare parte a materialelor sunt organice, provenind din regnul animal şi vegetal. Materialele anorganice rezultă din regnul mineral şi, cu toate că sunt utilizate mai redus, sunt importante pentru alimentaţie (de exemplu apa, apele minerale, diferite săruri folosite drept condimente). După starea în care se prezintă, materialele se clasifică în materiale lichide, vâscoase sau solide. Materialele lichide sunt de exemplu apa, siropurile, grăsimile lichide, semifabricatele extrase din fructe, legume. Materialele vâscoase au însuşiri particulare imprimate de compoziţia şi structura în care se găsesc. Cel mai des acest tip de materiale sunt caracterizate de o mare labilitate în raport de diferiţi parametri de mediu (temperatură, umiditate relativă, conţinut de apă şi alte substanţe, etc.). Materialele solide sunt de exemplu alimente sub formă cristalină (zahăr, unele produse zaharoase, etc.), unele alimente concentrate (pudre, produse uscate, etc.), materiale de ambalare etc. După stabilitatea în timp, materialele se pot prezenta fie sub formă stabilă, fie instabilă (materiale perisabile). Materialele stabile sunt acele materiale care îşi conservă componentele şi structura în condiţiile normale ale mediului ambiant, sau în condiţiile la care sunt supuse pe parcursul condiţionării, prelucrării tehnologice, manipulării şi depozitării, etc. Materialele instabile sau perisabile sunt acele materiale, care datorită diverşilor factori de risc (temperatură, umezeală relativă a aerului, lumină, surse de impurificare, etc.), îşi modifică însuşirile calitative. Pentru grupele de materiale, care îşi modifică pronunţat caracteristicile calitative în timp, se folosesc sisteme de clasificare adecvate variabilităţii ce se manifestă. De exemplu, pentru fructele destinate păstrării, în funcţie de gradul lor

5

Int rodu c er e

derezistenţă, normele europene stabilesc următoarele patru categorii de alimente: - excesiv de perisabile: căpşune, mure, agrişe, coacăze, zmeură; - foarte perisabile: piersici, caise, cireşe, vişine, prune, mere şi pere de vară; - perisabile: mere şi pere de toamnă şi iarnă, gutui, struguri; - mai puţin perisabile: nuci, alune, migdale, castane. Din această clasificare poate rezulta o alta, şi anume în funcţie de condiţiile de păstrare, pe care le necesită materialele pentru a-şi menţine calitatea. După condiţiile de păstrare, se deosebesc materialece se păstrează în condiţii buneîn mediul ambiant şi nu necesită condiţii speciale pentru conservarea lor, şi materialece necesită condiţii speciale de păstrare, şi anume temperaturi şi umezeli relative ale masei şi aerului, regimuri de reticulare a aerului, absenţa luminii, atmosfere speciale (de azot, etc.), iradieri favorabile, protecţie prin ambalare, utilizare de conservanţi, etc. Din punct de vedere al manipulării şi transportului, materialele pot fi manipulate, respectiv transportate în vrac sau ambalate. Materialele în vracnu necesită condiţionări speciale pentru a satisface cerinţele impuse de condiţiile de manipulare şi transport. Datorită acestor condiţii, pentru cazul materialelor lichide şi fluidizabile sunt necesare dotări adecvate (de exemplu sisteme de vehiculare prin conducte cu ajutorul pompelor). Materialele ambalate sunt acele materiale, la care ambalajele adecvate (lăzi, saci, sticle, etc.) creează grupaje ce se manipulează şi transportă ca atare. Materialele paletizate, containerizate sau transcontainerizaterealizează unităţi de încărcătură foarte mari, organizate pentru satisfacerea cerinţelor impuse de procesele de manipulare şi transport. În acest caz trebuie realizată corelarea volumului şi greutăţii încărcăturii cu mijloacele de transport.

6

Int rodu c er e

După direcţia de utilizare, materiile şi materialele pot fi destinate fabricării alimentelor de origine vegetală (alimente făinoase), alimentelor de origine animală (din carne, din peşte, din lapte), conservelor, băuturilor, preparatelor complexe (culinare, de tip catering), etc. Din asocierea unui număr mare de materii, ceea ce le întregeşte calitatea, rezultă alimentele complexe. Unele materii şi materiale (de exemplu aditivi, materiale de ambalare) intervin la prepararea mai multor grupe de alimente. După frecvenţa de utilizare, materialele se pot utiliza o singură dată, sau de mai multe ori. Materialele cu o singură utilizare se caracterizează prin faptul că, pentru a-şi pune în valoare utilitatea, parcurg anumite procese, care le modifică structura şi compoziţia, de exemplu procesele metabolice ce au loc la digestia alimentelor. Materialele cu folosire repetată sunt acele materiale, la care refolosirea se poate realiza în trei variante:  prin refolosirea confecţiei respective (de exemplu ambalaje din sticlă, saci, lăzi) – în urma utilizării, cea mai mare parte a însuşirilor utilitare se păstrează ca atare, sau are loc o uzură redusă; prin refolosirea substanţei din materialul respectiv (de exemplu ambalaje din carton) – această substanţă trece prin procese de colectare, selecţie şi prelucrare pentru o nouă întrebuinţare; prin refolosirea confecţiei sau a materialului pentru o nouă întrebuinţare diferită sau în alte condiţii decât cele anterioare. După continuitatea asigurării, materialele se împart în mod continuu sau pot fi sezoniere. Materialele ce se asigură în mod continuu sunt acele materiale, pentru care sursele din care provin (natura sau sistemele de fabricaţie) nu generează în mod normal discontinuităţi.

7

Int rodu c er e

Materialele sezoniere sunt acele materiale, la care restricţiile naturale (de exemplu influenţa regimurilor termice, căderilor de precipitaţii; influenţa ritmurilor biologice pentru materialele ce provin din floră sau faună) determină perioade limitate în care este posibilă furnizarea lor.

8

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Capitolul II TRANSPORTUL MATERIALELOR II.1. Transportul materialelor în stare solidă II.1.1. Clasificarea materialelor solide. Caracteristici. Simbolizări. Proprietăţi. Din punctul de vedere al transportului continuu al materialelor solide, se deosebesc materiale în vrac şi sarcini unitare. Alegerea unui mijloc de transport se face funcţie de caracteristicile materialului de transportat, şi anume: –: granulaţie, coeziune, proprietăţi, densitate în vrac şi temperatură pentru materialele în vrac; –: formă, poziţie, masă şi volum unitar, natura şi proprietăţile materialului în contact cu suprafaţa portantă a mijlocului de transport şi sensibilitatea la influenţe exterioare pentru sarcini unitare. Prin materialele în vrac se înţeleg materialele alcătuite din granule de diferite mărimi. Valorile extreme şi proporţiile relative ale granulelor în masa de transportat determină caracteristicile mijloacelor de transport folosite. Ca bază pentru caracterizarea granulometrică a unei particule, se ia cea mai mare (lungimea) dintre cele trei dimensiuni (lungime, lăţime, înălţime) ale paralelipipedului care poate înscrie particula. Granulaţia materialelor în vrac constă în dimensiunea şi forma bucăţilor. Materialele transportate în vrac se împart în două categorii: neclasate şi nclasate.

9

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Materialele neclasate sunt acele materiale, pentru care raportul dintre cea mai mare şi cea mai mică bucată este mai mare decât 2,5. Aceste materiale se definesc prin analiză granulometrică, care determină procentul de granule de diferite mărimi din materialul în vrac analizat. Alegerea utilajului de transport destinat materialelor în vrac neclasate se face pe baza unei analize granulometrice complete. Analiza granulometrică constă în: materialul se trece succesiv printr-o serie de site cu ochiuri din ce în ce mai mici, sau în cazul granulelor sub 0,1 mm, diferitele granule se separă pe baza diferenţei vitezelor de sedimentare. După fiecare separare rezultă granule ale căror rapoartele extreme ale mărimilor trebuie să fie mai mici decât 2,5. Materialele clasate sunt acele materiale, pentru care raportul dintre cea mai mare şi cea mai mică bucată este mai mic sau egal cu 2,5, incluzând şi materialele cu o singură dimensiune. Aceste materiale se definesc prin mărimile maximă dmax şi minimă dmin. În figura II.1 sunt prezentate curbele granulometrice pentru materiale neclasate (a, b), respectiv clasate (c). Sunt indicate valorile maselor însumate, adică procentul din masa probei funcţie de procentul din diametrul maxim.

a

b

Figura II.1 – Curbe granulometrice

10

c

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Diagrama granulometrică a materialuluidă masa însumată, exprimată în procente din masa probei, a granulelor cu mărimea de la 100% până la x% din mărimea maximă (d max) a celei mai mari granule. De exemplu, din figura II.1 se poate constata:  granulele cu 60% din dmax au în total aproximativ 18% din masa materialului analizat (material în care predomină granulaţiile mai fine – figura II.1a);  granulele cu 60% din dmax au în total aproximativ 62% din masa materialului analizat (material în care predomină granulele mari – figura II.1b). Un alt tip de clasificare a materialele în vrac este după granulaţia caracteristică d’. În tabelul II.1 sunt indicate relaţiile de calcul pentru granulaţia caracteristică d’, iar în tabelul II.2 este dată clasificarea materialelor în vrac funcţie de d’ . Tabelul II.1 – Relaţii de calcul pentru granulaţia caracteristică d’ Tip material

Materiale neclasate

Materiale clasate

Relaţia de calcul pentru d’

Caracterizare – fracţiunea cuprinsă 80 şi 100% din reprezintă mai mult de din masa totală – fracţiunea cuprinsă 80 şi 100% din reprezintă mai puţin de din masa totală

între dmax 10%

d’ = dmax

(1.1)

între dmax 10%

d’ = 0,8dmax

(1.2)

d' 

d max  d min (1.3) 2

11

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul II.2 – Clasificarea materialelor în vrac funcţie de granulaţia caracteristică d’ Tip material – bulgăraşi – în bucăţi mijlocii – mărunte – granulare – pulverulente

Granulaţia caracteristică d’ [mm] d’ > 160 mm 60 mm < d’ < 160 mm 10 mm < d’ < 60 mm 0,5 mm < d’ < 10 mm d’ < 0,5 mm

Densitatea în vrac a materialelor reprezintă raportul dintre masa şi volumul materialului în condiţiile în care se află pe mijlocul de transport. Funcţie de temperatura materialului de transportatse alege materialul din care se confecţionează suprafaţa portantă a mijlocului de transport. De aceea trebuie specificate temperaturile maximă şi minimă, iar dacă materialul de transportat are temperatura mediului ambiant, aceasta nu se mai indică. În tabelul II.3 sunt prezentate formele particulelor de material, definite prin şase tipuri de granule, simbolizate fiecare printr-o cifră romană. Coeziunea particulelor de materialeste determinată de unghiul de taluz natural de alunecare. Taluzul natural (figura II.2) reprezintă generatoarea grămezii conice formată de particulele de material în căderea lor liberă constantă, de la o înălţime redusă, pe o suprafaţă plană. Unghiul de taluz natural  reprezintă unghiul dintre baza orizontală şi panta formată de particulele de material.

12

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul II.3 – Formele particulelor de material Simbolizare

Caracterizare

I

Particule cu muchii ascuţite la care cele trei dimensiuni sunt apropiate (particule sub formă de cub) Particule cu muchii ascuţite la care una dintre dimensiuni este net superioară celorlalte două (particule sub formă de prismă) Particule cu muchii ascuţite la care una dintre dimensiuni este net inferioară celorlalte două (particule sub formă de placă) Particule cu muchii rotunjite la care cele trei dimensiuni sunt apropiate (particule sub formă de sferă) Particule cu muchii rotunjite la care una dintre cele trei dimensiuni este net superioară celorlalte două (particule sub formă de cilindru, baton, paiete) Granule fibroase, aţoase, buclate, împletite

II

III

IV

V

VI

Figura II.2 – Taluzul natural

13

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul II.4 cuprinde simbolizarea coeziunii (prin cifre arabe) funcţie caracterizarea particulelor de material din punct de vedere al unghiului de taluz natural α. Tabelul II.5 cuprinde clasificarea materialelor funcţie de proprietăţile acestora privind transportabilitatea lor. Produsele care nu au proprietăţile enumerate nu au simbol, iar cele care au mai multe proprietăţi se simbolizează cu mai multe litere. Tabelul II.4 – Coeziunea particulelor de material Simbolizare

Caracterizare

1

Produs care poate difuza în aer şi poate deveni la fel de fluid ca un lichid Produs foarte fluid cu α  30 Produs fluid cu 30< α < 45 Produs puţin fluid cu 45 α  60 Produs compost cu α > 60 Produs care nu alunecă şi care formează boltă

2 3 4 5 6

Tabelul II.5 – Clasificarea materialelor funcţie de proprietăţile privind transportabilitatea lor Simbolizare

Caracterizare

n

Material ce se aglomerează sub efectul presiunii datorită umidităţii sau de la sine Material abraziv Material corosiv Material fragil Material exploziv Material inflamabil Material pulverulent Material umed (se indică procentul masic de apă în raport cu masa în stare uscată a materialului)

o p q r s t u

14

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

În tabelul II.6 sunt prezentate proprietăţile sarcinilor unitare din punct de vedere al transportabilităţii acestora. Tabelul II.6 – Proprietăţile sarcinilor unitare din punct de vedere al transportabilităţii lor Proprietate

Particularităţi

1

2

Forma geometrică

Forme uzuale

tipice

Forme neregulate Poziţia sarcinii raport cu direcţia transport Poziţia centrului greutate în raport baza sarcinii

Sferică: D (diametru) [m] Cilindrică, conică: D x H [m x m] (diametrul bazei) (înălţimea) Paralelipipedică, piramidală: L x B [m x m] (laturile bazei) şi Paletă: L x B [m x m] (laturile bazei) Ladă, balot, sac: L x B x H [m x m x m] (laturile bazei x înălţime) în Paralelă, perpendiculară, oblică de

de Dacă centrul de greutate nu coincide cu cu intersecţia diagonalelor, se indică dacă este posibil unghiul de răsturnare Se indică dacă centrul de greutate se poate deplasa (de exemplu la rezervoare cu lichid) Masă unitară m [kg] 0 < m  2,5 125 < m  500 2,5 < m  20 500 < m  1500 20 < m  50 1500 < m  5000 50 < m  125 m > 5000 Volum unitar V 0 < V  10 cm3 10 < V  100 dm3 10 < V  100 cm3 100 < V  1000 dm3 100 < V  1000 cm3 1 < V  10 m3 3 1 < V  10 dm V > 10 m3

15

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

1

2

Forma suprafeţei de contact Proprietăţile suprafeţei de contact Proprietăţile materialului

Plată, concavă, convexă, curbată (ondulată), cu nervuri etc. Netedă, rugoasă, moale (flexibilă, deformabilă), rezistentă (dură), elastică Abraziv, corosiv, care degajă praf, umed, uleios, cu temperatura iniţială mai mare decât temperatura mediului ambiant sau mai mică decât 0C, fragil, cu muchii tăioase Uşor inflamabil, exploziv, higroscopic, lipicios, toxic, rău mirositor Influenţe mecanice (la presiune, şoc, zdruncinare, modificarea poziţiei, accelerare – încetinire, curent de aer) Alte influenţe (frig, căldură, lumină, umiditate, uscare, impurităţi)

Sensibilitate la influenţe externe

II.1.2. Transportoare cu bandă Transportoarele cu bandă se utilizează la transportul continuu, în linie dreaptă, pe orizontală sau înclinat, pentru materiale granulare, pulverulente sau sarcini unitare. Din punct de vedere constructiv-funcţional, un transportor cu bandă (figura II.3) se compune dintr-o bandă închisă (fără sfârşit) 3, rolele de ghidare şi susţinere superioare 2 şi inferioare 8, eşafodajul 9 pentru susţinerea întregului ansamblu, rolele de înfăşurare a benzii 7, pâlnia de alimentare 1 şi cea de evacuare 5. Banda este antrenată în mişcare prin intermediul tamburilor conductor 4 şi de întindere 6.

16

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura II.3 – Transportorul cu bandă

Modul de lucru al unui astfel de transportor este următorul: produsul de transportat este alimentat pe banda de transport 3 prin pâlnia de alimentare 1 (denumită şi “papuc” de alimentare, prevăzută cu dispozitive de reglare a debitului de alimentare), transportat de către bandă şi evacuat prin pâlnia de evacuare 5. Unghiul de înfăşurare al benzii este reglat prin intermediul rolelor de înfăşurare 7. În figura II.4 sunt prezentate trei exemple de transportoare cu bandă: pe orizontală (a), înclinat fix (b) şi înclinat mobil (c), acesta din urmă cu posibilitatea de a-şi modifica unghiul de înclinare a benzii. Pe lângă funcţia de transport, benzile se mai pot fi utilizate şi în componenţa diferitelor utilaje din industria alimentară, ca de exemplu cuptoare, uscătoare, pasteurizatoare-sterilizatoare.

17

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a

b

c

Figura II.4 – Exemple de transportoare cu bandă

În tabelul II.7 sunt indicate tipurile de benzi folosite în industria alimentară şi domeniile de utilizare, funcţie de materialul din care se execută. În figura II.5 se prezintă un exemplu de utilizare a unei benzi din împletitură de sârmă (a) şi diverse tipuri de împletituri (b, c, d, e). O caracteristică importantă a benzilor transportoare din împletitură de sârmă cu ochiuri dreptunghiulare (figura II.5b) este suprafaţa lor liberă mare, ceea ce permite o aerare corespunzătoare precum şi posibilitatea utilizării de substanţe de curăţare lichide. D1 şi D2 reprezintă diametrele sârmelor, P1 distanţa dintre ochiuri şi P2 distanţa dintre rânduri.

18

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul II.7 – Tipuri de benzi şi domenii de utilizare, funcţie de materialul din care se confecţionează Tipul benzii Bandă cauciucată inserţie textilă

Domeniul de utilizare cu Pentru materiale cu temperaturi de –10 … +60 C, care nu au tendinţa de aderenţă la bandă (nu sunt lipicioase)

Bandă metalică din: – oţel carbon

– oţel inoxidabil – împletitură de sârmă

Pentru materiale ce au tendinţa de aderare la banda cauciucată cu inserţie textilă şi au temperatura mai mare de +60C Pentru procese tehnologice ce impun condiţii severe de igienă (de exemplu la benzi de tranşare, sortare etc.) Pentru procese tehnologice în care transportul se face prin zone calde (cuptoare)

Fiecare material, din care se pot confecţiona benzile transportoare, prezintă avantaje şi dezavantaje specifice. Tendinţele actuale pe plan mondial sunt de a confecţiona benzi transportoare din material plastic, sau benzi transportoare stratificate acoperite cu material plastic. Avantajelebenzilor transportoare din materiale plastice faţă de cele metalice sunt următoarele: - curăţare şi dezinfectare uşoară; - rezistenţă la impurităţi; - nu ruginesc; - greutate proprie mică; - tensionarea redusă; - stabilitate mare la substanţe chimice; - funcţionare fără zgomot; - nu trebuiesc unse; - exclud eventuale impurificări metalice a produsului alimentar transportat.

19

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a

b

c

d

e

Figura II.5 – Tipuri de benzi

20

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Materialele plastice utilizate pentru acoperire sunt materiale termoplaste, ca de exemplu poliuretani, polifenoli, poliolefine, polipropilenă, acetal, nylon. În comparaţie cu benzile metalice, greutatea benzilor din material plastic este cu circa 30 până la 50% mai mică, în acelaşi timp reducându-se şi coeficientul de frecare cu 1/3. Rezultă o tensionare redusă a benzii şi o putere necesară mai redusă. Benzile stratificate se pot confecţiona cu suprafaţă netedă sau striată, fără sau cu frecare, cu rezistenţă la temperatură şi hidroliză, flexibile sau rigide, toate variantele trebuind să respecte cerinţele de igienă impuse de directivele HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points = Analiza riscurilor şi puncte critice de control). Prelucrarea şi transportul produselor lipicioase, care aderă la suprafaţa de transport, cum este de exemplu ciocolata sau aluatul umed, cauzează o impurificare a suprafeţei benzii şi astfel creşterea necesităţii de curăţare a acesteia. În astfel de ramuri ale industriei alimentare s-a impus introducerea benzi transportoare stratificate, acoperite cu silicon, pentru ca produsul să se poată dezlipi mai uşor de pe bandă. O altă soluţie constă în introducerea aşa-numitelor structuri LowFriction-Type (LF) (benzi cu frecare uşoară). În figura II.6 este prezentată o astfel de bandă transportoare LF, utilizată în industria de panificaţie la prelucrarea aluatului. Se pot observa bunele proprietăţi de dezlipire, chiar şi în cazul unui aluat lipicios.

Figura II.6 – Bandă transportoare LF

21

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Suprafaţa superioară a benzii poate fi profilată sau nu. În figura II.7 sunt prezentate exemple destructuri profilateale benzilor transportoare sunt prezentate.

a

b

d

e

c

Figura II.7 – Structuri profilate ale benzilor transportoare

O ramură a industriei alimentare în care se pot utiliza benzi transportoare profilate este industria produselor zaharoase. De exemplu, în cazul introducerii benzilor profilate la prelucrarea ciocolatei, suprafaţa inferioară a acesteia va avea o anumită configuraţie, contururi mai proeminente şi astfel ciocolata nu se mai lipeşte de suprafaţa benzii transportoare. În multe ramuri ale industriei alimentare se introduc benzi modulare, care prezintă următoarele avantaje: flexibilitatea înlocuirii zonelor deteriorate; în anumite condiţii, curăţare uşoară la presiune înaltă. Proiectarea unor astfel de benzi trebuie să ţină cont de faptul, că la trecerea de la o zonă la alta, alimentul nu trebuie să îşi modifice poziţia pe benzi. De asemenea, alimentele de dimensiuni mici nu trebuie să cadă între spaţiile de la capetele a două zone învecinate. În figura II.8 sunt 22

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

prezentate două exemple de astfel de benzi, modulare şi cu frecare uşoară, utilizate la prelucrarea legumelor (a) şi la transportul produselor de panificaţie neambalate (b).

a

b

Figura II.8 – Exemple de benzi modulare În anumite stadii de prelucrare este necesară colorarea suprafeţei benzii transportoare, folosind culori puternic contrastante. Se utilizează culoarea albastră, pentru a recunoaşte mai bine eventualele corpuri străine din alimente, deoarece această culoare nu este conţinută în nici un aliment în stare primară. La alegerea unui transportor cu bandă este necesar să se stabilească: lăţimea benzii funcţie de caracteristicile materialului transportat; lungimea benzii funcţie de condiţiile impuse de spaţiul de amplasare. Aceste două mărimi se pot alege tabelar funcţie de particularităţile constructive ale benzilor transportoare, sau pot rezulta în urma unui calcul de dimensionare.

23

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

II.1.3. Transportoare elicoidale Transportoarele elicoidale (cu şnec) se utilizează la transportul continuu, pe orizontală sau înclinat (până la aproximativ 20 faţă de orizontală), pentru materiale granulare, pulverulente sau bucăţi cu dimensiuna maximă până la dmax=150mm. Pentru înălţimi de ridicare reduse, transportoarele elicoidale pot asigura şi transportul pe verticală. Organul de lucru al transportorului elicoidal este melcul. Din punct de vedere constructiv-funcţional, un transportorul elicoidal (figura II.9) se compune dintr-un jgheab (tub) acoperit 2, dintr-o gură de alimentare 1, una de evacuare 4 şi una de evacuare suplimentară 5 şi dintr-un sistem de acţionare 6. În interiorul jgheabului se roteşte un ax longitudinal, pe care sunt montate spirele unei elice 3.

Figura II.9 – Transportorul elicoidal

Modul de lucru al unui astfel de transportor este următorul: de la un sistem de acţionare 6 (moto-reductor sau motor – transmisie prin curea) este pus în mişcare de rotaţie axul cu elice 3. Produsul de transportat este alimentat prin gura de alimentare 1, deplasat în lungul jgheabului 2 prin intermediul axului cu elice 3 şi apoi evacuat prin gura de evacuare 4. În spatele gurii de evacuare se află o gură suplimentară de

24

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

evacuare automată 5, prevăzută cu o clapetă mobilă, pentru evitarea eventualelor blocări şi înfundări. În tabelul II.8 este dată o clasificare a materialelor transportate cu transportoare elicoidale în funcţie de proprietăţile fizico-mecanice. Astfel, se deosebesc trei clase de materiale. Tabelul II.8 – Clasificarea materialelor transportate cu transportoare elicoidale, funcţie de proprietăţile fizico – mecanice Clasa de material

Caracteristici

Clasa I

Materiale neabrazive Densitatea în vrac 300 – 800 kg/m3 Unghiul de taluz natural maxim 30 Granulaţie omogenă Granule sferice sau ovoidale (forme regulate) Materiale puţin abrazive Densitatea în vrac 500 – 1800 kg/m3 Unghiul de taluz natural 30-40 Granulaţie neomogenă Granule de formă neregulată Materiale puţin abrazive; Densitatea în vrac 600 – 3200 kg/m3 Unghiul de taluz natural peste 40 Granulaţie neomogenă Granule cu forme colţuroase şi muchii tăioase, aşchii etc.

Clasa II

Clasa III

În industria alimentare se utiliza transportoare elicoidale din oţel inoxidabil în industria produselor zaharoase, produselor de panificaţie şi de patiserie, laptelui praf, industria de prelucrare a fructelor, legumelor etc. Factorii limitativi în ceea ce priveşte utilizarea transportoarelor elicoidale sunt: lungime de transport limitată,

25

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

construcţie strict liniară, eventuale aderenţe ale produselor. Dacă este necesar transportul pe lungimi mai mari de 6 m, de cele mai multe ori se realizează platforme intermediare de depozitare, sau transportoarele se dispun în cascadă a (două sau mai multe). Astfel se pot atinge lungimi maxime de transport de 30 m în cazul transportului orizontal, sau de 15 m în cazul transportului înclinat. Deoarece fluxul de material transportat se deplasează într-o incintă închisă, se reduce la minim sau chiar se elimină complet o eventuală impurificare a mediului înconjurător, precum şi formarea de praf. În figura II.9 este prezentat un model de transportor elicoidal: o vedere de ansamblu (a) şi spirele elicei (melcului) de transport (b), vizualizate prin uşa de vizitare .

a

b

Figura II.9 – Exemplu de transportor elicoidal

Caracteristica constructivâ principală a transportorului elicoidal – diametrul spirei [mm] – precum şi celelalte mărimi caracteristice (pasul spirei p [mm], turaţia arborelui elicoidal n [rot/min], puterea la arbore P [kW]), pot rezulta în urma unui calcul de dimensionare sau se pot alege din nomograme.

26

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

II.1.4. Transportoare cu lanţ Transportoarele cu lanţ (cu raclete) se utilizează la transportul pe orizontală sau înclinat, pentru materiale granulare, pulverulente şi cu conţinut ridicat de umiditate. Din punct de vedere constructiv-funcţional, un transportor cu lanţ (figura II.10) se compune dintr-un jgheab metalic de secţiune dreptunghiulară 9, un mecanism de acţionare format dintr-un motor electric 12, reductorul 11, cuplul elastic 10 şi roată stelată 7. În interiorul jgheabului, sistemul de acţionare pune în mişcare un lanţ de tracţiune 4, pe care sunt montate racletele 3. Întinderea sau slăbirea lanţului se face prin intermediul mecanismului de întindere al lanţului, dispus la capătul opus mecanismului de acţionare şi format din roata stelată 6 şi dispozitivul glisabil 5 pentru deplasarea arborelui roţii stelate. În interiorul jgheabului, lanţul este ghidat de şinele 2.

Figura II.10 – Transportorul cu lanţ

27

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Modul de lucru al unui astfel de transportor este următorul: mecanismul de acţionare antrenează în mişcare lanţul 4 împreună cu racletele 3. Produsul de transportat este alimentat prin gura de alimentare 1, transportat de către racletele 3 şi în final evacuat prin gura de evacuare 8. Din punct de vedere funcţional, se deosebesc transportoare cu raclete imersate în material, la care materialul este dispus în strat continuu (figura II.11a) şi transportoare cu raclete cu dispunerea discontinuă a materialului în faţa racletelor (figura II.11b). S-a notat cu h înălţimea racletelor, cu a distanţa dintre două raclete şi cu l, respectiv l1 rapoartele dimensionale ale secţiunii stratului de material.

Figura II.11 – Moduri de dispunere a materialului în raport cu racletele:

În figura II.12 sunt prezentate câteva exemple de raclete.

Figura II.12 – Exemple de raclete

28

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

La alegerea unui transportor cu lanţ este necesar să se indice următoarele caracteristici constructive-funcţionale: lungimea transportorului, lăţimea racletei, înălţimea racletei, unghiul de înclinare, viteza de transport. Viteza lanţului, precum şi principalele caracteristici dimensionale şi funcţionale se pot alege tabelar funcţie de materialele care trebuiesc transportate, sau pot rezulta în urma unui calcul de dimensionare.

II.1.5. Elevatoare Elevatoarele se utilizează la transportul continuu pe verticală de jos în sus pentru materiale granulare, pulverulente sau bucăţi. Din punct de vedere constructiv-funcţional, un elevator (figura II.13) se compune dintr-o tubulatură (corp) 7, situată între piciorul elevatorului 10 şi capul elevatorului 1. Prin tubulatură se deplasează ghidată o chingă 5 cu cupe 6, acţionată printr-un sistem de acţionare 2. Întregul ansamblu este prevăzut cu uşi de vizitare, dispuse la piciorul elevatorului (9) şi la corp (8). Modul de lucru al unui astfel de transportor este următorul: produsul de transportat ajunge prin cădere liberă la baza (piciorul) elevatorului 10. Chinga 5 este pusă în mişcare prin intermediul sistemului de acţionare 2. Astfel, cupele 6 trec prin micul depozit de produs ce se formează la piciorul elevatorului, se încarcă cu produs şi îl transportă pe acesta pe verticală în sus, până la capul elevatorului 1, unde se produce răsturnarea şi evacuarea prin gura de evacuare 4. Chinga 5 este ghidată de către rolele de ghidare 3, şi întinsă prin intermediul sistemului de întindere 11.

29

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura II.13 – Elevatorul

II.2. Transportul materialelor în stare lichidă

Transportul materialelor în stare lichidă se realizează cu ajutorul pompelor. Principiul de transport este următorul: pompa transmite lichidului vehiculat prin ea o energie mecanică de la o sursă exterioară, crescându-i astfel presiunea. Pentru vehicularea lichidelor din industria alimentară se folosesc următoarele tipuri de pompe: Pompe centrifugale: rotorul pompei se roteşte şi antrenează în mişcare de rotaţie lichidul cu care vine în contact.

30

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Se creează forţe centrifuge care determină creşterea energiei lichidului şi astfel are loc transportul materialului lichid. Pompe axiale: rotorul pompei se roteşte şi generează forţe hidrodinamice care determină creşterea energiei lichidului. Se creează astfel o diferenţă de presiune între feţele paletei ceea ce are ca şi consecinţă transportul materialului lichid. Pompe cu canal lateral: între braţele radiale ale rotorului şi suprafaţa liberă interioară (excentrică faţă de rotor) se creează un inel de lichid aflat în interiorul carcasei. Variaţia acestui volum produce o diferenţă de presiune între zona de aspiraţie şi cea de refulare. Se determină astfel creşterea energiei lichidului şi transportul materialului lichid. Pompe volumice: la creşterea volumului unui spaţiu sub acţiunea unui organ de lucru (piston-disc; plonjor; membrană; roţi dinţate; pistoane; palete) se produce o depresiune care favorizează aspiraţia; la reducerea volumului, suprapresiunea formată favorizează refularea. Această modificare periodică a volumului unui spaţiu sub acţiunea unui organ de lucru determină creşterea energiei lichidului şi deci transportul acestuia. Pompe cu fluid motor: creşterea energiei fluidului motor are loc prin efect de jet (fluidul motor curge printr-un ajutaj amplasat într-un difuzor; se creează efectul de jet, obţinându-se la refulare un amestec între agentul motor şi fluidul pompat) sau prin barbotarea unui gaz (în lichidul pompat se barbotează un gaz, formând astfel un amestec cu densitate mai mică şi aplicând principiul vaselor comunicante). Pompele se caracterizează prin următoarele mărimi: -

Debitul Q [m3/s] – reprezintă cantitatea de fluid transportat în unitatea de timp. Înălţimea de pompare H [m] – reprezintă creşterea de energie utilă a lichidului, raportată la unitatea de greutate. Se exprimă în metri coloană de lichid pompat şi nu în unităţi de presiune, deoarece

31

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

greutatea unei coloane de lichid de 1 m înălţime depinde de densitatea lichidului. - Înălţimea manometrică Hmax [m] – reprezintă presiunea indicată de un manometru montat pe racordul de refulare. - Înălţimea de aspiraţie Hasp [m] – reprezintă diferenţa dintre nivelul lichidului aspirat şi axa pompei. - Puterea utilă Pv [kW] – reprezintă lucrul mecanic efectuat în timp de o secundă pentru a pompa debitul Q de lichid la înălţimea de pompare H. - Puterea absorbită la arborele pompei P [kW] ţine cont de pierderile de presiune din interiorul pompei, pierderile prin frecarea rotorului, pierderile mecanice, reprezentând puterea utilă raportată la randamentul total. - Randamentul total este raportul dintre puterea utilă şi cea absorbită. Curba caracteristică a pompei H = f(Q) este reprezentarea analitică a înălţimea de pompare H funcţie de debitul Q, la turaţie constantă. Suprafaţa caracteristică este formată de totalitatea curbelor de sarcină obţinute pentru întreaga gamă de turaţii posibile, reprezentate într-un sistem de coordonate Q, H, n (debit, înălţime de pompare, turaţie). În industria agroalimentară, pompele se utilizează în următoarele domenii: - energetică: circuite de alimentare cu apă; circuite condens; circulaţia, transportul uleiului; circuite de răcire; circuite auxiliare; instalaţii de încălzire; instalaţii de răcire; frigotehnie; alimentarea cazanelor; staţii de combustibil; - procese tehnologice: procese tehnologice în general; industria zahărului; instalaţii de realizare a vidului; - transport: circuite de recirculare; circuite de alimentare cu apă industrială; circulaţia lubrifianţilor; transportul uleiului;

32

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

- alimentare cu apă: tratarea apei; alimentare cu apă potabilă; alimentarea cu apă din subteran; alimentarea cu apă de suprafaţă; epurare; ferme agroindustriale; piscicultură; paza contra incendiilor; - vehicularea lichidelor încărcate, hidrotransport: drenaje; vehicularea apelor uzate; evacuarea reziduurilor; hidrotransportul suspensiilor grosiere; hidrotransportul sfeclei; hidrotransportul suspensiilor fibroase; hidrotransportul suspensiilor abrazive fine.

II.3. Alte tipuri de transport II.3.1. Transportul gravitaţional Transportul gravitaţionaleste acel tip de transport, prin care produsele de transportat se deplasează sub acţiunea forţei gravitaţionale. Transportul gravitaţional se realizează cu ajutorul conductelor şi accesoriilor: distribuitoare cu două sau mai multe căi; amortizoare de viteză; piese speciale de îmbinare şi schimbare de direcţie; dispozitive de reglare a debitului etc. Conductele sunt ţevi metalice sau nemetalice, construite din tronsoane de 1 – 3 m lungime şi diametru de 100 – 150 mm. Îmbinarea tronsoanelor se face prin coliere. Condiţia de realizare a transportului prin conducte este ca între punctele de deplasare a produsului să existe o diferenţă de nivel, astfel încât să se asigure căderea liberă şi rapidă a produsului. Accesoriile au următoarele funcţii: - asamblarea mai multor tronsoane de conducte – este cazul coturilor; - preluarea produselor din utilajele tehnologice – cazul pâlniilor;

33

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

-

colectarea concomitentă a produselor provenite de la mai multe utilaje, buncăre, celule etc.; schimbarea direcţiei de deplasare a produselor; dirijarea sau fragmentarea fluxului de produse în diferite direcţii – cazul distribuitoarelor; reglarea debitului – cazul şuberelor.

II.3.2. Transportul pneumatic Transportul pneumatic foloseşte ca agent de transport aerul şi se compune în principiu dintr-un ventilator, o conductă de transport, un primitor (pentru crearea amestecului bifazic aer – produs), un ciclonet (pentru separarea produsului din aer) şi un filtru (pentru purificarea aerului înainte de evacuarea în atmosferă).

Capitolul III SPĂLAREA MATERIILOR PRIME III.1. Funcţiile spălării. Avantaje. Dezavantaje Materiile prime conţin impurităţi sub formă de: - corpuri aderente: pământ, nisip umed etc.; - corpuri neaderente, ce rămân în produse din timpul recoltării sau al transportului: pietre, paie, resturi lemnoase sau metalice. Pentru ca aceste corpuri să nu se transmită produsului finit sau să nu deterioreze maşinile cu care se prelucrează materiile prime, trebuiesc îndepărtate prin operaţii de spălare.

34

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Spălarea materiilor prime, ca operaţie preliminară de curăţare a materiilor prime, trebuie să îndeplinească două funcţii: ● îndepărtarea contaminanţilor care ar putea constitui un pericol pentru sănătatea consumatorilor sau care nu se acceptă din punct de vedere estetic; ● reducerea încărcării microbiologice care ar afecta eficacitatea produselor ulterioare şi astfel calitatea produsului finit. Faţă de celelalte metode de curăţare, spălarea prezintă următoarele avantaje şi dezavantaje: ♦ avantaje: ♦ îndepărtarea eficientă a pământului aderent; ♦ curăţare flexibilă cu posibilităţi de utilizare a căldurii, sanitizanţilor, detergenţilor, sterilizanţilor; ♦ operaţie lipsită de praf; ♦ distrugerea minimă a produsului; ● dezavantaje: - accelerarea activităţii microbiologice şi chimice; - consum mare de apă (aproximativ 15l / produs); - generarea unui volum mare de efluent cu grad mare de poluare; - uneori necesitatea ulterioară a unui proces de îndepărtare a apei de pe suprafaţa produsului (de exemplu uscarea grâului); - un echipament de spălare şi sanitizare necorespunzător poate produce recontaminarea produsului.

III.2. Metodele de spălare

35

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Metodele de spălare se împart în trei mari categorii, funcţie de operaţia principală care stă la baza procesului de spălare, şi anume: - înmuiere; - stropire; - flotaţie.

III.2.1. Înmuierea Înmuierea este cea mai simplă metodă de spălare, fiind utilizată adesea ca stadiu preliminar în curăţarea rădăcinoaselor şi a altor produse puternic contaminate. Modul de realizare al operaţiei este următorul: pământul aderent este înmuiat şi apoi îndepărtat, împreună cu pietre, nisip şi alte materiale care ar distruge utilajele în stadiile următoare de curăţare. Înmuierea se realizează în tancuri de înmuiere din metal sau alte materiale uşor de curăţat şi dezinfectat. Tancurile de înmuiere sunt prevăzute la partea inferioară cu un orificiu de golire cu grătar, pentru îndepărtarea pământului greu, şi un orificiu de golire lateral pentru îndepărtarea nămolului uşor. Eficienţa înmuierii se îmbunătăţeşte prin: - mişcarea apei faţă de produs cu ajutorul unor agitatoare montate în tanc; - mişcarea produsului faţă de apă cu ajutorul unor palete sau prin introducerea materiei prime într-o tobă perforată ce se roteşte, în timp ce este parţial imersată în tancul de înmuiere; - barbotarea de aer comprimat în interiorul tancului (în cazul produselor delicate – căpşuni, sparanghel – sau produse cu impurităţile pătrunse în interior – spanac, ţelină); - utilizarea de apă caldă, dar cu atenţie datorită posibilităţii de creştere a vitezei de alterare a produsului supus spălării;

36

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

-

utilizarea detergenţilor, dar cu atenţie datorită posibilităţii de deteriorare a texturii şi aspectului produsului supus spălării.

III.2.2. Stropirea Spălarea prin stropire este cea mai utilizată metodă de curăţare umedă prin care suprafaţa produsului este supusă unor jeturi de apă. Cea mai eficientă combinaţie de condiţii pentru spălarea prin stropire este un volum mic de apă la o presiune mare. Trebuie avut însă în vedere că jeturi de apă la presiuni mari pot produce deteriorări pentru anumite fructe (de exemplu căpşuni) sau vegetale delicate (de exemplu sparanghel). Jeturile de apă la presiuni mari pot avea şi rol de îndepărtare a părţilor vătămate din piersici sau tomate sau îndepărtare a pământului aderent (de exemplu humusul negru de pe fructele citrice). III.2.3. Flotaţia Spălarea prin flotaţie se bazează pe diferenţa dintre viteza de sedimentare a părţilor dorite şi nedorite ale produsului supus curăţării. De exemplu merele lovite sau putrede, care se depun în apă, se pot îndepărta prin imersarea fructelor într-un tanc cu apă şi colectarea prin deversare a fructelor sănătoase. Modul de realizareal operaţiei este următorul: produsele murdare sunt trecute peste o serie de baraje dispuse în serie şi astfel are loc îndepărtarea reziduurilor grele. Contaminanţii cu viteză de sedimentare mare cad şi rămân în interiorul barajului. Produsul, contaminat acum doar cu material cu viteză de sedimentare asemănătoare sau mai mică, trecere peste o sită vibratoare, prin care jetul de apă îndepărtează contaminanţii fini.

37

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Spălarea prin flotaţie se utilizează la curăţarea mazării, fasolei, fructelor uscate etc., la un consum de apă 4 – 10 l / kg. Metodele de spălare se folosesc de obicei combinat. Multe maşini de spălat au mai multe stadii de spălare combinate într-o singură unitate. De exemplu, maşinile pentru spălat mazăre sau fasole sunt compuse dintr-un tanc de înmuiere ce se află în legătură cu o maşină rotativă de spălare prin stropire, urmată de o sită pentru îndepărtarea apei.

III.3. Maşini de spălat cu bandă Organul principal de lucru al unei astfel de maşini de spălat este banda, care transportă produsul pe sub jeturile de apă. În tabelul III.1 sunt prezentate principalele tipuri de maşini de spălat cu bandă şi domeniile de utilizare ale acestora. Tabelul III.1 – Tipuri de maşini de spălat cu bandă şi utilizările lor Tip maşină

Destinaţie

- spălarea fructelor şi legumelor cu textură moale şi care nu necesită o spălare intensă; - spălarea finală a produselor Maşini de spălat prin - spălarea fructelor şi legumelor barbotare cu aer (cu cu textură semitare şi tare (roşii, ventilator) prune, mere, cartofi etc.); - în general pentru spălarea produselor nu prea murdare; - spălarea finală a produselor Maşini de spălat cu duşuri

38

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Maşini de spălat cu baie spălarea prin înmuiere, de înmuiere frecare, barbotare de aer şi

stropire în zona de clătire a tomatelor (în cadrul liniei de preparare a sucului de tomate) Maşini de spălat cu două - spălarea tomatelor în vederea băi de înmuiere prelucrării tomatelor sub formă de suc şi pastă Maşini de spălat cu perii - spălarea castraveţilor, cartofilor şi a altor produse vegetale cu textură tare, impurificate cu pământ

III.3.1. Maşina de spălat cu duşuri Metoda de spălare utilizată în cazul maşinilor de spălat cu duşuri este cea prin stropire. Eficacitatea jetului de spălare este determinată de presiunea cu care ajunge apa pe suprafaţa produsului (2 bar). Din punct de vedere constructiv – funcţional, maşina de spălat cu duşuri (figura III.1) se compune dintr-un jgheab de alimentare 1 şi unul de evacuare 6, o bandă transportoare înclinată 2, confecţionată plasă de sârmă şi susţinută pe toată lungimea ei de rolele 4, fixate liber pe cadrul transportorului, la distanţe de 2 m. Banda, întinsă cu ajutorul rolei 7, este antrenată prin intermediul rolei de acţionare 5, care primeşte mişcarea de la un electromotor 10 printr-un reductor 11. La partea superioară se află două grupuri de duşuri 3. Corpul maşinii mai cuprinde un racord de evacuare al apei murdare 9.

39

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura III.1 – Maşina de spălat cu duşuri

Modul de lucru al maşinii de spălat cu duşuri este următorul: produsul de spălat este alimentat prin jgheabul 1 pe banda 2. Aceasta transportă produsul pe sub duşurile 3, iar după spălare, produsul este evacuat prin jgheabul 6. Apa murdară este colectată şi evacuată prin racordul 9. În general, grosimea produselor pe bandă reprezintă maxim o fracţiune de 1/10 din lăţimea acesteia. Un exemplu privind caracteristicile tehnice ale unei astfel de maşini de spălat este prezentat în tabelul III.2. Tabelul III.2 – Caracteristici tehnice ale maşinii de spălat cu duşuri – exemplu Caracteristică

Valoare

Lăţimea benzii Viteza benzii Înălţimea stratului de produs Puterea electromotorului de antrenare

800 mm 0,2 m/s 80 mm 1,5 kW la o turaţie de 1000 rot/min

III.3.2. Maşina de spălat prin barbotare cu aer

40

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Spălarea produsului în maşina de spălat prin barbotare cu aer se realizează în trei etape: - înmuiere la intrarea în cuva de spălare; - barbotare cu aer comprimat; - stropire cu apa provenită de la duşuri, la ieşirea din cuva de spălare. Din punct de vedere constructiv – funcţional, o astfel de maşină de spălat se compune în principal dintr-o cuvă 8, prevăzută cu instalaţie de barbotare (formată din ventilatorul 6, grupul de acţionare a ventilatorului 5 şi conducta de barbotare a aerului 7), instalaţie cu duşuri 3 aflată deasupra transportorului cu bandă 4 (pus în mişcare de rola de acţionare 2, banda fiind întinsă de dispozitivul 12 prin intermediul rolei 11). Cuvă de spălare metalică 8 este montată pe cadrul metalic 10 şi e prevăzută cu gură laterală de vizitare, jgheab de evacuare a produsului 1, preaplinul 9 prin care se controlează nivelul apei şi racordul de golire a apei murdare 13. Modul de lucru al maşinii de spălat prin barbotare cu aer este următorul: produsul de spălat este alimentat în cuva 8 unde are loc înmuierea şi spălarea prin intermediul aerului comprimat de la ventilatorul 6, introdus prin conducta de barbotare 7. Apoi, produsul este preluat de banda transportoare 4 şi, înainte de evacuarea din maşină prin jgheabul 1, este spălat suplimentar cu apa provenită de la duşurile 3.

41

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura III.2 – Maşina de spălat prin barbotare cu aer

Un exemplu privind caracteristicile tehnice ale unei astfel de maşini de spălat este prezentat în tabelul III.3. Tabelul III.3 – Caracteristici tehnice ale maşinii de spălat prin barbotare cu aer – exemplu Caracteristică

Valoare

1

2

Capacitate de prelucrare Capacitatea cuvei Consum de apă Lăţimea benzii Viteza benzii Consum de aer

42

3 – 5 t/h 1 m3 1,5 m3/h 700 mm 0,18 m.s 425 m3/h

1

2

Puterea electromotorului de acţionare a benzii

1,1 kW la o turaţie de 940 rot/min

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Puterea de acţionare ventilatorului Dimensiuni de gabarit Masa

a

0,25 kW 3775 x 1773 x 1635 mm x mm x mm 500 kg

III.3.3. Maşina de spălat cu perii Maşina de spălat cu perii (figura III.3) este asemănătoare din punct de vedere constructiv - funcţional cu maşina de spălare prin barbotare cu aer, cu deosebirea că spălarea se realizează aici cu un grup de perii. În acest caz, spălarea produsului are loc datorită frecărilor intensive şi a curentului de apă şi datorită jeturilor de apă provenite de la duşuri. Cuva de spălare are un fund fals 6 şi un sistem de perii, rotative 3 şi fixe 4. Instalaţia este prevăzută cu pâlnie de alimentare 7, gură de evacuare 8, racord de evacuare a apei murdare 10. Instalaţia mai cuprinde un elevator 1 şi un sistem de acţionare 9 a periilor mobile şi a elevatorului. Modul de lucru este următorul: produsul de curăţat este alimentat în maşina de spălat prin pâlnia 7, trece printre periile rotative 3 şi fixe 4. Rolul pâlniilor rotative 3 este pe de o parte de curăţare a impurităţilor aderente pe suprafaţa produselor supuse spălării, iar pe de altă parte de înaintare a produsului prin cuvă. Produsul ajunge astfel la piciorul elevatorului 1, de unde este transportat către partea superioară a maşinii. Înainte de a fi evacuat prin gura 8, produsul mai este spălat final (clătit) cu apa provenită de la duşurile 2 situate deasupra elevatorului. Nivelul apei din cuva de spălare este menţinut constant prin intermediul unui preaplin 5, care are şi rol de îndepărtare a impurităţilor uşoare.

43

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Apa murdară şi impurităţile grele sunt evacuate din maşina de spălat prin racordul 10, dispus la partea inferioară a maşinii.

Figura III.3 – Maşina de spălat cu perii

Dacă maşina de spălat cu perii se utilizează la spălarea castraveţilor, apa din cuvă se încălzeşte prin barbotare cu abur pentru ca stratul de ceară de pe suprafaţa castraveţilor să se dizolve. Un exemplu privind caracteristicile tehnice ale unei astfel de maşini de spălat este prezentat în tabelul III.4. Tabelul III.4 – Caracteristici tehnice ale maşinii de spălat cu perii – exemplu Caracteristică Productivitate Consum de apă Putere

44

Valoare 1200 – 3000 kg/h 3 – 5 m3/h 2,2 kW

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

III.4. Maşini de spălat cu ax cu palete sau cu şnec Maşina de spălat cu ax cu palete sau cu şnec se compune în principal dintr-un ax cu palete sau un şnec. Spălarea în acest caz se realizează prin înmuiere şi frecarea produsului de organul de transport. În tabelul III.5 sunt prezentate principalele tipuri de maşini de spălat cu ax cu palete sau cu şnec şi modul de realizare a spălării pentru fiecare maşină în parte, funcţie de destinaţia acesteia. Tabelul III.5 – Tipuri de maşini de spălat cu ax cu palete sau cu şnec Tip maşină

Principii de spălare

1

2

Maşina pentru spălarea sfeclei de zahăr

- îndepărtarea pământului; - îndepărtarea pietrelor; - îndepărtarea nisipului şi a codiţelor de sfeclă

Maşina tip lurcerno - spălare în contracurent: pentru spălarea cartofilor cartofii se deplasează în sens

contrar apei de spălare Maşina de spălat grâu - separarea prafului şi e simplă eventualelor pietricele, bulgări

de pământ, pleavă şi paie de pe suprafaţa boabelor de grâu Maşina de spălat grâu spălarea propriu-zisă a combinată boabelor de grâu; - separarea impurităţilor mai uşoare şi mai grele decât grâul Maşina tip Pasiruk - combină mai multe sisteme de pentru spălarea cartofilor spălare şi transport: înmuiere, transport cu şnec, tambur scuturător

45

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

III.4.1. Maşina pentru spălarea sfeclei de zahăr Din punct de vedere constructiv – funcţional, maşina pentru spălarea sfeclei de zahăr (figura III.4) este împărţită în trei compartimente: - în primul compartiment I se realizează îndepărtarea pământului; - în al doilea compartiment II are loc îndepărtarea pietrelor cu ajutorul prinzătorului de pietre; - în al treilea compartiment III se îndepărtează nisipul şi codiţele de sfeclă. Primul compartiment I este prevăzut cu un fund din tablă perforată 7 sub care este montat un colector tronconic din tablă 8. La partea inferioară a acestuia este prevăzută o clapetă 9 pentru îndepărtarea impurităţilor. Acţionarea clapetei se face cu ajutorul instalaţiei pneumatice 10. Compartimentul II este despărţit de primul printr-un perete de tablă 3. Fundul acestui compartiment este construit din două grătare 5 ce se pot roti în jurul unor axe perpendiculare pe axul maşinii. Acţionarea grătarelor se realizează prin mecanismul cu manetă 4. Sub grătare este prevăzut un colector din tablă 13 pentru evacuarea pietrei separate din sfeclă, prin intermediul clapetei 12, acţionată de dispozitivul pneumatic 11. Procesul de spălare în acest compartiment este îmbunătăţit de agitarea apei cu ajutorul rotorului 14 care provoacă un curent turbionar ascendent de apă. Compartimentul III este despărţit de compartimentul al doilea printr-un perete de tablă 6. Acest compartiment are o construcţie similară cu compartimentul I. Maşina mai este prevăzută cu un ax 2 pentru deplasarea sfeclei dintr-un compartiment în altul, şi un preaplin 1 pentru controlul nivelului apei.

46

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura III.4 – Maşina de spălat sfeclă de zahăr

Modul de lucru al maşinii este următorul: în maşină se introduce apă curată printr-o conductă situată deasupra ultimului compartiment III, astfel încât apa de spălare va circula în sens opus sfeclei. Sfecla se introduce în primul compartiment I, unde este preluată de paletele axului 2, care o împing către cel de al doilea compartiment II. În primul compartiment, sfeclele se freacă de suprafaţa paletelor şi între ele şi astfel pământul aderent, înmuiat de către apă, este îndepărtat de pe suprafaţa sfeclei. Pământul trece prin tabla perforată 7 de la fundul compartimentului, se sedimentează în colectorul tronconic 8 de unde este evacuat periodic prin acţionarea clapetei 9. Din primul compartiment sfecla trece peste peretele despărţitor 3 în compartimentul al doilea II, unde ajunge pe grătarele 5. Curentul ascendent de apă preia sfecla şi o împinge peste grătare şi peste peretele despărţitor 6 în compartimentul al treilea III. În această mişcare, pietrele fiind mai grele decât sfecla, se separă şi cad printre grătare în colectorul 13, sau rămân pe grătar, în funcţie de dimensiuni. Pietrele care au ajuns în colectorul 13 sunt evacuate prin acţionarea periodică, cu ajutorul sistemului pneumatic 11, a clapetei 12, iar cele ce rămân pe grătarele 5 cad şi ele în colector prin acţionarea manetei 4.

47

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

În compartimentul al treilea III, sfecla este separată din nou de pământ, nisip şi pietriş fin. Aceste impurităţi trec prin tabla perforată de la fundul compartimentului, de unde sunt eliminate, iar sfecla spălată este evacuată din maşină. Apa de spălare, în cantitate de 40% din masa sfeclei, se introduce în maşina de spălat continuu şi se evacuează cu ajutorul unui preaplin 1.

III.4.2. Maşina de spălat grâu simplă (cu şnec) Din punct de vedere constructiv – funcţional, maşina de spălat grâu simplă (figura III.5) se constă dintr-un bazin 10 în care sunt dispuşi doi melci – unul de spălare 11 şi unul pentru colectarea pietrelor 12. De asemenea maşina se mai compune dintr-un jgheab 9, înclinat la aproximativ 30 faţă de orizontală, în care se roteşte transportorul elicoidal (melcul de stropire) 4. Jgheabul are o manta perforată 5. La partea superioară a jgheabului sunt dispuse duşurile 3, periile pentru curăţarea duşurilor 6 şi duzele pentru stropirea grâului 2. Maşina este prevăzută cu clapeta 7 pentru reglarea debitului de alimentare cu grâu a maşinii şi cu gura de evacuare a grâului 8. Întregul sistem este acţionat de motoreductorul 1. Modul de lucru este următorul: grâul, al cărui debit de alimentare este reglat prin intermediul clapetei 7, este introdus în bazinul 10, unde este deplasat ajutorul transportorului elicoidal 4 (melc de stropire), aflat într-o carcasă din manta perforată 5. La ieşirea din apa jgheabului 9, în zona superioară, grâul este stropit cu apa provenită de la duşurile 3. Acestea sunt prevăzute cu duze suplimentare pentru stropirea grâului tare 2 şi cu peria de curăţare a duşurilor 6. Grâul spălat este evacuat din maşină prin gura 8. Apa împreună cu impurităţile trec prin mantaua perforată 5 a jgheabului 9, de unde, cu ajutorul

48

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

melcului de spălare 11 şi a melcului de colectat pietre 12, impurităţile mari sunt recuperate, iar apa evacuată prin orificiile situate la fundul bazinului.

Figura III.5 – Maşina de spălat grâu simplă

III.4.3. Maşina de spălat grâu combinată Maşina de spălat grâu combinată (figura III.6), faţă de maşina de spălat grâu simplă, prezintă avantajul că pe lângă spălarea propriu-zisă a grâului are loc şi separarea impurităţilor mai uşoare şi mai grele, iar după spălare, zvântarea şi descojirea boabelor de grâu. Din punct de vedere constructiv – funcţional, maşina de spălat grâu combinată se compune din două incinte – una de spălare, prevăzută cu doi melci, pentru spălare 4 şi pentru colectarea pietrelor 7, acţionaţi de către ansamblul motoreductor 3, şi una pentru zvântarea şi descojirea boabelor de grâu, prevăzută cu rotorul cu palete 8, acţionat de către grupul de acţionare 1.

49

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Maşina mai este prevăzută cu telescopul 5 pentru alimentarea grâului şi gurile de evacuare, pentru grâu 2 şi pentru pietre 6.

Figura III.6 – Maşina de spălat grâu combinată

Modul de lucru este următorul: grâul este introdus prin tubul telescopic de alimentare 5 într-un bazin de spălare. Aici boabele sunt agitate de către două transportoare, şi anume melcul de spălare 4 şi melcul colector de pietre 7. Boabele rămân în stare de suspensie în apă, iar impurităţile, datorită acţiunii paletelor transportoarelor, a frecării între boabe şi a acţiunii apei, se desprind de pe boabe. Impurităţile mai grele decât boabele şi pietrele cad la fundul jgheabului unde

50

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

transportorul colector de pietre 7 le transportă în sens opus deplasării grâului, spre gura de evacuare a pietrelor 6. Grâul este preluat de jetul puternic de apă şi transportat în incinta ataşată coloanei de zvântare. Grâul ajunge astfel în coloana (centrifuga) de zvântare unde, prin lovire de către rotorul 8 cu paletele dispuse înclinat, este ridicat în spirală pe verticală şi lovit simultan de mantaua perforată a coloanei. Se produce astfel zvântarea boabelor de grâu şi eliminarea ultimelor impurităţi. Evacuarea grâului spălat se realizează prin gura 2. Apa împreună cu impurităţile uşoare din bazinul de spălare se evacuează printr-un preaplin. Calitatea spălării depinde de corelarea cantităţii de apă cu gradul de impurificare al masei de grâu. Efectul spălării mai depinde şi de temperatura apei de spălare. Astfel, temperatura optimă trebuie să fie între 30 şi 50°C. III.4.4. Maşina de spălat cartofi tip Pasiruk Maşina de spălat cartofi tip Pasiruk (figura III.7) combină mai multe sisteme de spălare şi transport: înmuiere, transport cu şnec, tambur scuturător. Avantajele maşinii sunt următoarele: - instalaţie compactă; - dimensiuni reduse; - productivitate mare; - grad avansat de purificare. Din punct de vedere constructiv – funcţional, maşina se compune din două părţi: - un bazin de spălare 3 prevăzut cu un transportor elicoidal 2 pus în mişcare de sistemul de acţionare 1, preaplinul 4, gura de alimentare 5, racordul de alimentare cu apă 13 şi racordul de evacuare a impurităţilor 12; - un tambur scuturător 7 pus în mişcare de vibraţie de arcurile 10, prevăzut, de asemenea, cu un transportor elicoidal 8 51

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

acţionat de sistemul 11. Tamburul mai are prevăzută o gaura pentru evacuarea cartofilor 9 şi deasupra sa sunt amplasate duşurile 6.

Figura III.7 – Maşina de spălat cartofi tip Pasiruk

Modul de lucru al acestei maşini de spălat este următorul: cartofii sunt introduşi în bazinul de spălare 3 prin gura de alimentare 5. Transportorul cu şnec 2 transferă cartofii la partea superioară, de unde aceştia cad prin gura de evacuare în tamburul scuturător 7 unde, în condiţiile realizării a 1500 vibraţii pe minut, primite de la arcurile 10, se realizează o spălare foarte avansată a cartofilor. Introducerea apei în bazin se face prin racordul de alimentare cu apă 13, iar nivelul apei din bazin este controlat prin preaplinul 4. Impurităţile din bazinul de spălare sunt evacuate prin racordul 12. Un exemplu privind caracteristicile tehnice ale unei astfel de maşini de spălat este prezentat în tabelul III.6.

52

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul III.6 – Caracteristici tehnice ale maşinii de spălat cartofi tip Pasiruk – exemplu Caracteristică Capacitate de spălare Putere instalată Timp de spălare Cantitate de cartofi Diametru tambur Lungime tambur Volum tambur Dimensiuni de gabarit - lungime - lăţime - înălţime

Valoare 200 t cartofi în 24 h 10 kW 1 – 3 min 500 kg 900 mm 1300 mm 0,8 m3 5200 mm 1600 mm 2400 mm

III.5. Maşini de spălat rotative Principiul constructiv al maşinilor de spălat rotative este următorul: organul de lucru principal al maşinii este un tambur înclinat faţă de orizontală, din tablă perforată, şipci sau vergele metalice cu rol de a reţine produsul şi a permite eliminarea reziduurilor. Modul de lucru al acestor maşini este următorul: produsul de spălat intră în tamburul rotativ şi se deplasează către partea opusă alimentării, datorită înclinării tamburului, unde este evacuat. Spălarea are loc prin înmuiere şi frecarea produselor între ele şi totodată eliminarea eventualelor impurităţi de pe suprafaţă.

53

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

III.6. Maşini de spălat prin flotaţie Un exemplu de utilizare a maşinii de spălat prin flotaţie este la curăţarea mazărei. Din punct de vedere constructiv – funcţional, maşina (figura III.8) se compune dintr-o cameră de flotaţie 4, prevăzută cu pâlnia de alimentare cu produs 1, sita 9, gura de evacuare a impurităţilor grele 11, pereţii transversali 2, jgheabul de colectare a impurităţilor uşoare 3 şi conducta de evacuare a produsului spălat 5. Maşina mai are în componenţă o cameră de compensaţie 10, duşurile cu apă de spălare 6 şi 8, sita oscilantă 7, rezervorul de colectare a apei 12 şi cel de colectare a produsului spălat 13. Maşina are anexate pompe şi conducte pentru antrenarea şi recircularea apei de spălare. Partea propriu-zisă de spălare a maşinii are alăturată un separator de apă unde are loc separarea impurităţilor grele şi uşoare de apă, aceasta urmând a fi recirculată pentru a micşora pierderile de substanţă uscată a mazărei.

Figura III.8 – Maşina de spălat prin flotaţie

54

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Modul de lucru este următorul: boabele de mazăre sunt introduse prin pâlnia de alimentare 1 şi ajung pe sita 9. Impurităţile grele se decantează şi sunt evacuate prin gura 11. Boabele de mazăre aflate pe sita 9, împreună cu impurităţile uşoare, sub acţiunea jetului de apă provenit de la duşurile 8, trec în camera de flotaţie (separare) 4. Datorită şicanelor (pereţilor transversali) 2 şi a lărgirii secţiunii, viteza curentului de apă se micşorează şi ca urmare mazărea cade la fundul camerei de unde este antrenată pe jgheabul înclinat 5 cu ajutorul unui curent de apă provenit de la o pompă. Mazărea ajunge astfel pe sita oscilantă 7 unde este spălată suplimentar cu apa provenită de la duşurile 6. Pe sita oscilantă 7 are loc separarea de apă a boabelor de mazăre. Apa se colectează în rezervorul de apă 12, iar produsul spălat în buncărul de produs 13. Impurităţile uşoare rămase la suprafaţa apei din camera de flotaţie sunt colectate în jgheabul colector 3. Un exemplu privind caracteristicile tehnice ale unei astfel de maşini de spălat este prezentat în tabelul III.7. Tabelul III.7 – Caracteristici tehnice ale maşinii de spălat prin flotaţie – exemplu Caracteristică

Valoare

Capacitatea de spălare Puterea electromotorului de la pompa de recirculare Debitul pompei de recirculare Dimensiuni de gabarit

4 t/h 2,8 kW la o turaţie de 1500 rot/min 10,5 l/s 3100 x 1200 x 1725 mm x mm x mm

55

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

III.7. Alte tipuri de maşini de spălat: maşina de spălat cu rulouri Maşina de spălat cu rulouri (figura III.9) se utilizează la curăţirea sfeclei. Din punct de vedere constructiv – funcţional, maşina se compune în principal dintr-un rezervor compartimentat prin pereţi verticali şi, la partea inferioară, din trei pâlnii şi o coloană hidraulică prinzătoare de pietre. În interiorul fiecărui compartiment 6, 7, 10 al rezervorului, deasupra celor trei pâlnii, sunt prevăzute rulourile 3, 4, 11, 13 prin care sfecla este transferată de la intrare spre ieşirea maşinii. Spălarea sfeclei de pământul aderent se realizează cu jet de apă provenit de la duşurile 5, 8, 9 montate deasupra rulourilor. Maşina mai are prevăzute o bandă transportoare 1 pentru evacuarea sfeclei spălate, un grătar 2 pentru separarea apei de sfeclă, prinzătorul de pietre 12 şi dispozitive de eliminare a codiţelor 14 şi pietrelor 15. Modul de lucru al maşinii este următorul: sfecla este introdusă în compartimentul de separare 10, unde are loc separarea de apa de transport prin intermediul ajutorul rulourilor 11, montate într-un plan înclinat ascendent cu 5 faţă de orizontală. În acest compartiment are loc curăţarea sfeclei de cozi, paie, frunze, pietricele datorită jeturilor de apă provenite de la duşurile cu apă murdară 9 (recuperată din maşină) şi totodată şi prima spălare a sfeclei cu apa de la duşurile cu apă curată 8. Sfecla cade în prinzătorul de pietre 12, de unde este ridicată de curentul ascendent de apă, vehiculat de pompa 16, şi trecută în compartimentul separator 7. Apa din prinzătorul de pietre este apă recuperată din compartimentul de spălare 6 şi cel de separare 7. Codiţele sunt eliminate prin dispozitivul de eliminare 14, iar pietrele cad şi sunt eliminate printr-un dispozitiv cu valve 15. Din compartimentul separator 7, prin intermediul rulourilor 13, sfecla ajunge în compartimentul de spălare 6 unde are loc

56

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

spălarea propriu-zisă. În acest compartiment, rulourile 4 sunt montate într-un plan descendent faţă de orizontală cu 5. Deasupra rulourilor sunt montate duşurile 5 care efectuează spălarea efectivă şi completă a sfeclei. În final sfecla cade pe rulourile 3 unde se separă de apă şi apoi trece pe grătarul separator 2 unde se zvântă. De aici, sfecla este preluată de banda transportoare 1, ajungând în final la maşina de tăiat.

Figura III.9 – Maşina de spălat cu rulouri

Capitolul IV MĂRUNŢIREA SOLIDELOR

57

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

IV.1. Definire. Scop. Factori de influenţă ai operaţiei de mărunţire Mărunţireaeste operaţia de divizare efectuată cu scopul reducerii volumului individual al particulelor materiale. În tabelul IV.1 sunt indicate diferitele denumiri ale operaţiei de mărunţire, funcţie de starea iniţială – solidă, lichidă, gazoasă – a materialelor, în tabelul IV.2 – scopurile operaţiei şi exemple de utilizări, iar în tabelul IV.3 – principalii factori de influenţă ai operaţiei. Tabelul IV.1 – Denumiri ale operaţiei de mărunţire Starea iniţială a materialului

Denumirea Sfărâmare Spargere Concasare Dezintegrare Măcinare Tăiere Tocare Aplatizare Zdrobire etc. Emulsionare Pulverizare Omogenizare Dispersare

Materiale solide (denumirea particulară este determinată de dimensiunea iniţială a particulei, de modul de realizare a mărunţirii şi de maşina folosită)

Lichidă Gazoasă

Tabelul IV.2 – Scopurile operaţiei de mărunţire şi utilizări Scopul operaţiei

Exemple de utilizare

Accelerarea operaţiilor fizice şi Dizolvări, încălziri, răciri, uscări, creşterea suprafeţei de extracţii contact Interfazic

58

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Accelerarea operaţiilor Fazele prealabile hidrolizei acide chimice şi biochimice sau enzimatice a amidonului, plămădirii – zaharificării Separarea constituenţilor Măcinarea cerealelor, tranşare, dintr-un aglomerat dezbrobonire Obţinerea amestecurilor Omogenizări, emulsionări, omogene amestecarea compuşilor solizi pentru produse tip instant Realizarea fineţii necesare Conşarea ciocolatei, rafinarea obţinerii unor calităţi unor paste alimentare senzoriale dorite Obţinerea amestecurilor Mixturi alimentare pulverulente granulometrice (condimente, produse instant etc.). Tabelul IV.3 – Principalii factori de influenţă ai operaţiei de mărunţire Clasificare

Factori

1

2

Factori referitori la materialul iniţial supus operaţiei de mărunţire

Cantitatea sau debitul Granulometria sistemului polidispers iniţial Temperatura de topire Duritatea Umiditatea Elasticitatea şi plasticitatea Sensibilitatea termică şi chimică Agresivitatea chimică

Factori referitori la produsul final al operaţiei de mărunţire

Forma şi structura particulelor Granulometria sau mărimea produsului Suprafaţa specifică Densitatea în vrac Tendinţa de aglomerare a particulelor

1

2

59

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Factori referitori Modul şi durata de acţiune la maşina de materialului supus mărunţirii mărunţit Temperatura de lucru Gradul de mărunţire Uzura suprafeţelor de mărunţire

asupra

Impurificarea produsului mărunţire

Factori referitori Numărul treptelor de mărunţire la instalaţia de Interpunerea de separatoare între şi după mărunţire treptele de mărunţire Tipul de transport al materialului Factori generali Consumul energetic specific referitori la Costul directe şi indirecte operaţia de Tipul de funcţionare mărunţire Tipul de mărunţire (uscată sau umedă) Alţi factori specifici

Gradul de mărunţire, m,reprezintă raportul dintre mărimea medie a particulelor materialului iniţial, D, şi mărimea medie a particulelor materialului rezultat, d:

m

D d

(IV.1)

Dacă gradul de mărunţire total (considerat ca raport între mărimea particulei iniţiale şi mărimea particulei finale) este prea mare, mărunţirea se realizează în mai multe trepte şi gradul de mărunţire total va fi egal cu produsul gradelor de mărunţire pe fiecare treaptă. Clasificarea materialelor supuse mărunţirii funcţie de gradul de tărie definit prin rezistenţa la compresiune p [MPa], este dată în tabelul IV.4. Tabelul IV.4 – Clasificarea materialelor supuse mărunţirii funcţie de rezistenţa la compresiune Tip material

60

Rezistenţa la

Exemple

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

compresiune p [MPa] Materiale moi Materiale semitari Materiale tari

< 10 10 – 50 > 50

Sare, zahăr, cereale, oase Şamotă Sticlă, granit, cuarţ, bazalt

În tabelul IV.5 sunt prezentate caracteristicile treptelor de mărunţire şi recomandări cu privire la tipul de maşină de mărunţit adecvată, iar în tabelul IV.6 –clasificarea operaţiei de mărunţire funcţie de gradul de mărunţire. Tabelul IV.5 – Caracteristiciletreptelor de mărunţire Trepte de mărunţire

Mărime iniţială [mm]

Mărime finală [mm]

Grad de mărunţire

Tip maşină

1

2

3

4

5

- cu fălci, giratoare - cu fălci, cu valţuri, giratoare

Materiale dure Concasare - brută

1500 – 300

500 – 100

3

500 – 100

125 – 25

4

Granulare - brută

125 – 25

25 – 5

5

- fină

30 – 6

5–1

6

- fină

- cu fălci, cu valţuri, giratoare - cu valţuri, cu corpuri rostogolitoare

61

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

1

2

3

4

5

Măcinare - brută

5–1

0,5 – 0,1

10

- fină

1,2 – 0,15

0,08 – 0,01

15

- cu corpuri rostogolitoare, cu bile - cu corpuri rostogolitoare, cu bile, vibratoare

10

- cu valţuri, cu lovire

- cu lovire, cu corpuri rostogolitoare, cu bile - cu lovire, cu corpuri rostogolitoare, cu bile, cu jet, coloidale

Concasare

Materiale moi 500 – 100 50 – 10

Dezintegrare - brută

12 – 1,5

0,5 – 0,1

20

- fină

4 – 0,5

01 – 0,01

50

Tabelul IV.6 – Tipuri de mărunţire Tipul de mărunţire 62

Dimensiunile maxime ale bucăţilor particulelor [mm]

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Mărunţire grosieră Mărunţire medie Mărunţire fină Măcinare obişnuită Măcinare coloidală

Iniţiale

Finale

1300 – 200 140 – 50 50 – 10 25 – 3 < 0,175

250 - 40 40 – 10 10 – 1 0,4 < 0,0001

În ceea ce priveşte energia necesară mărunţirii, datorită numărului mare de factori de influenţă şi lipsei unei baze teoretice satisfăcătoare pentru mecanismul mărunţirii, nu se poate aprecia exact energia consumată în operaţia de mărunţire. Ecuaţia generală pentru energia necesară mărunţirii are expresia:

dE  C unde: E [J] D [m] C [-] N [-]

dD Dn

(IV.2)

- energia consumată; - dimensiunea particulei; - constantă; - exponent.

Prin integrare cu diferite valori ale exponentului n, această ecuaţie generează ecuaţii particulare: - pentru n =1  legea lui Kick, specifică operaţiei de concasare:

E  CK lg

D d

(IV.3)

unde CK [-] reprezintă constanta legii lui Kick. Din ecuaţia (IV.3) se poate observa că energia necesară mărunţirii este proporţională cu logaritmul gradului de mărunţire.

63

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

- pentru n = 2  legea lui Rittlinger, specifică operaţiei de mărunţire fină:

1 1 E  CR    d D

(IV.4)

în care CR [-] reprezintă constanta legii lui Rittlinger. - pentru n = 1,5  legea lui Bond, specifică operaţiei de mărunţire medie:

1   1 E  CB    D  d

(IV.5)

în care CB [-] este coeficientul legii lui Bond. Importantă este relaţia lui Mittag:

E  Gs m d în care: mărunţirii;

G [kg]

(IV.6)

- cantitatea de material supus

sm [J/(kgm)] - rezistenţa specifică la mărunţire; d [m] - dimensiunea finală a particulei. Se poate observa, că această ecuaţie este asemănătoare, ca formă, cu relaţia calorimetrică:

Q  Gc m Δt

(IV.7).

Rezistenţa specifică medie, sm, pentru mărunţirea până la dimensiunea finală d a particulei, corespunde, în ecuaţia calorimetrică, cu căldura specifică medie, cm, pentru încălzirea de la zero grade până la temperatura finală. Prin similitudine, 64

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

cum căldura specifică medie, cm, se determină din considerente experimentale, rezultă că şi rezistenţa specifică medie la mărunţire, sm, se determină de asemenea prin experimentare. Conform teoriei termodinamice, relaţia lui Djingenzhian arată că suma energiei cinetice necesară mărunţirii, Ec [J], şi a energiei termice interne, Qi [J], transformată în lucru util este egală cu produsul dintre constanta termodinamică, N[-], a materialului supus mărunţirii şi căldura generată la mărunţire, Q [J]:

E c  Qi  N  Q

(IV.8).

Teoria liberei mărunţiri a lui Carey şi Stairmand arată că diferenţa dintre energia asociată produsului rezultat prin mărunţire, Ep [J], şi energia asociată materialului supus mărunţirii, Em [J], este egală cu produsul dintre energia consumată de maşina de mărunţit, Ec [J], şi randamentul energetic al maşinii,  [-]:

Ep  Em  Ec  η

(IV.8).

IV.2. Granulometria produselor solide Granulometriase ocupă cu determinarea dimensiunilor particulelor unui sistem solid polidispers şi stabilirea distribuţiei particulelor cu diferite dimensiuni în amestec, exprimate procentual masic sau ca număr de particule din numărul total de particule ale amestecului. Repartizarea particulelor pe clase de mărimi se face prin exprimare procentuală din masa totală a sistemului solid polidispers supus analizei. Aceasta reprezintă analiza granulometrică, care constă deci în trecerea (cernerea) unei

65

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

probe prin site cu ochiuri de diferite mărimi şi cântărirea fracţiunilor separate pe fiecare sită. Rezultatele se indică în diagrame, care reprezintă distribuţia cumulativă sau integrală sau distribuţia diferenţială. Distribuţia integralăexprimă totalitatea particulelor mai mici, respectiv mai mari decât ochiul sitei, iar distribuţia diferenţialăindică mărimea unei fracţiuni granulometrice dintre două site consecutive. La cernerea amestecului granular polidispers printr-o sită se obţin două fracţiuni: cernutul C- fracţiunea care trece prin ochiurile sitei şi refuzul R – fracţiunea reţinută pe sită, cu dimensiunea particulelor mai mare decât a orificiilor sitei. Pentru fiecare sită:

C  R  100 Exprimarea granulometrice:

uzuală

se

(IV.9). face

prin

două

curbe

- curba diferenţială a cernutului (figura IV.1):

C' 

dC dx

(IV.10)

unde: Ci - mărimea fracţiunii granulometrice între două site consecutive; C1, C2, ..., Ci - cernutul, adică particulele de mărime mai mică decât x1, x2, ..., xi ce trec prin ochiurile sitei 1, 2, ..., i, dacă pe aceste site s-ar aduce materialul iniţial. Dacă din sitele precedente se elimină cernutul, atunci procentul raportat la total pe sita i pentru cernut este:

ΔC  Ci  Ci1

66

(IV.11).

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura IV.1 – Curba granulometrică diferenţială

- diagrama Ci, Ri – xi(figura IV.2). Se poate observa că în cele două curbe sunt simetrice faţă de linia care reprezintă C = R = 50%.

Figura IV.2 – Curba Ci, Ri – xi

Repartiţia granulometrică este cel mai bine caracterizată matematic de către relaţia Rosin – Ramler:

67

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

d

n

  R  e  d'  100

(IV.12)

în care: R [%] - procentul de refuz (particule cu dimensiunea mai mare decât d); d [m] - dimensiunea maximă a particulelor trecute în cernut; d’ [m] - dimensiunea maximă a particulelor din cernut când R = 36,8%; n [-] - indice de uniformitate granulometrică; n = 0,5 ... 1,1 – valorile mai mari corespund amestecurilor polidisperse cu particule de dimensiuni mai apropiate.

IV.3. Maşini de mărunţit Maşinile de mărunţit se clasifică în două mari grupe: maşini de tăiat şi maşini de mărunţit propriu-zise. În tabelul IV.7 este dată o clasificare a maşinilor de mărunţit. În tabel s-au folosit următoarele notaţii: - m [-] – gradul de mărunţire; - D [mm] – mărimea iniţială a particulei; - d [mm] – mărimea finală a particulei. În industria agroalimentară se utilizează cel mai des următoarele maşini de măcinat propriu-zise: concasoare, granulatoare, mori cu cilindri, cunoscute sub numele de valţuri. Tabelul IV.7 – Clasificarea maşinilor de mărunţit Criteriul de clasificare

68

Utilizare

Denumiri. Caracteristici

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

1

2

3

Maşini de mărunţit propriu – zise După gradul de Concasare primară m=3–4 mărunţire al D = 1500 – 300 mm materialului d = 300 – 100 mm Concasare secundară m=5–7 D = 100 – 25 mm d = 25 – 5 mm Măcinarea materialelor dure: - măcinare grosieră m = 10 D = 5 – 0,8 mm d = 0,5 – 0,8 mm - măcinare fină m = 15 D = 1,2 – 0,15 mm d = 0,06 – 0,01 mm Dezintegrarea materialelor moi: - dezintegrare grosieră m = 20 D = 12,5 – 1,7 mm d = 0,6 – 0,08 mm - dezintegrare fină m = 50 D = 4 – 1,5 mm d = 0,1 – 0,01 mm După viteza relativă Cu viteză relativă mică a organului de Cu viteză relativă mărunţire medie Cu viteză relativă mare După principiul de Concasoare Concasoare cu fălci funcţionare şi Mori cu cilindri caracteristicile Mori chiliene constructive Mori prin lovire Mori cu ciocane Mori cu bile Dezintegratoare Mori cu discuri 1

2

3

Maşini de tăiat

69

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

După tipul de cuţit utilizat

Cu cuţite – disc Cu cuţite plane Cu cuţite stea Cu alte tipuri de cuţite Pentru tăierea în bucăţi mari Pentru tăierea în bucăţi medii Pentru tăierea în bucăţi mici Pentru tăierea fină (tocare)

După mărimea bucăţilor tăiate

După construcţia şi modul de montare a cuţitelor

Cu cuţite montate pe discuri rotative Centrifugale (cu cuţite plane) Cu cuţite montate pe arbori rotativi Cu cuţite disc Cu cuţite plane de diferite forme Cu cuţite stea Cu mai multe tipuri de cuţite

Fierăstraie: lamă, disc, bandă, circular Maşini cu cuţite şi sită Volfuri, maşini de tăiat cuburi Cutere, mori coloidale, mori cu bile, etc. Cuţite plane de diferite forme Tăierea se face sub acţiunea forţei centrifuge Pentru tăiat legume Fierăstrău circular Cuterul Fierăstrăul plat (lamelar) Volful Maşina de tăiat slănină

IV.3.1. Mori cu cilindri Organul de lucru propriu-zis al valţurilor îl constituie tăvălugii de formă cilindrică, care lucrează în pereche. Aceştia sunt confecţionaţi din fontă; se află în mişcare de rotaţie în sens contrar; suprafeţele lor laterale sunt rifluite sau netede. La tăvălugii cu suprafeţe netede, măcinarea se realizează prin strivire la presiune constantă. Acest caz corespunde, pentru materialele moi, operaţiei de aplatizare (de exemplu la obţinerea

70

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

paietelor pentru extracţie în industria uleiului, la obţinerea fulgilor de cereale, la degerminare). La tăvălugii cu suprafeţe rifluite, măcinarea se realizează prin strivire şi tăiere sau rupere. Riflurile sunt crestături pe suprafaţa tăvălugilor, cu scopul de a desface mai uşor miezul boabelor de înveliş. Valţul dotat cu tăvălugi rifluiţi se foloseşte la mărunţirea propriu-zisă, putând realiza patru operaţii principale: - şrotare – fragmentarea particulelor mari în particule mai mici, cu evitarea obţinerii de pulbere; - desfacere – desprinderea anumitor fracţiuni; - măcinare – mărunţirea fină propriu-zisă; - aplatizare – laminarea particulelor. Tăvălugii pereche se rotesc cu viteze diferite: tăvălugul care se roteşte mai repede se numeşte tăvălug rapid, iar cel care se roteşte mai încet – tăvălug lent. Riflul (figura IV.3) se caracterizează prin două suprafeţe de lucru: spatele riflului S (mn) şi tăişul riflului T (np). Vârful şi fundul canalului riflului sunt rotunjite, primul pentru a nu se ştirbi, iar al doilea pentru a nu se înfunda. Alte mărimi geometrice caracteristice ale riflului sunt pasul riflului, t, şi numărul de rifluri pe unitatea de lungime de circumferinţă a tăvălugului.

Figura IV.3– Riflul

Pentru a genera o multitudine de puncte active de frecare, respectiv tăiere, riflurile sunt înclinate faţă de generatoare cu 1020, această înclinare numindu-se drall. În figura IV.4 sunt prezentate poziţiile relative ale riflurilor perechii de tăvălugi, iar în figura IV.5 – fazele trecerii bobului de grâu prin valţurile de măcinare: 71

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

T/T – varianta “tăiş pe tăiş” (“muchie pe muchie”): în momentul când bobul ajunge în spaţiul de lucru (zona de sfărâmare), riflul de pe suprafaţa tăvălugului rapid şi cel de pe suprafaţa tăvălugului lent pătrund în bob. Efectul de tăiere este maxim. S/S – varianta “spate pe spate”: boabele sunt strivite la început parţial, apoi din ce în ce mai accentuat, pe măsură ce tăvălugul rapid avansează. T/S – varianta “tăiş pe spate” (“muchie pe spate”): muchia riflului de pe tăvălugul rapid intră în bob şi îl transportă în sensul de rotire al tăvălugului. Prin apăsarea spatelui riflului de pe tăvălugul lent se produce apăsarea şi strivirea bobului. S/T – varianta “spate pe tăiş” (“spate pe muchie”): muchia riflului de pe tăişul lent pătrunde în bob datorită presiunii exercitate de spatele riflului de pe tăvălugul rapid şi pe măsură ce acesta avansează, celălalt tăvălug continuă să reţină o parte din bob. Partea ruptă din bob se deplasează pe spatele tăvălugului rapid.

Figura IV.4 – Poziţiile relative ale riflurilor tăvălugilor pereche

72

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura IV.5 – Fazele trecerii bobului de grâu printre valţurile de măcinare

În figura IV.6 este prezentat modul de dispunere a perechii de tăvălugi funcţie de drall.

Figura IV.6 – Modul de dispunere a perechii de tăvălugi în funcţie de drall

73

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul IV.8 cuprinde clasificare a morilor cu cilindri, funcţie de modul de montare a lagărelor cilindrilor, natura suprafeţei cilindrilor şi numărul acestora. Tabelul IV.8 – Clasificarea morilor cu cilindri Criteriu de clasificare După modul de montare a lagărelor cilindrilor După natura suprafeţei cilindrilor După numărul cilindrilor

Tipul de moară Cu lagăre fixe Cu lagăre mobile Cu lagăre fixe şi mobile Cu cilindri netezi Cu cilindri rifluiţi Cu cilindri cu dinţi Cu un cilindru şi placă zdrobitoare Cu doi cilindri, cu axe în acelaşi plan orizontal sau în planuri orizontale diferite (o singură trecere) Cu trei cilindri (două treceri) Cu două perechi de cilindri (două treceri) Cu cinci cilindri (patru treceri)

În figura IV.7 este prezentată schema generală a unui valţ dublu automat clasic utilizat în industria morăritului. Din punct de vedere constructiv – funcţional, un astfel de valţ dublu se compune organul principal de lucru – tăvălugii măcinători 6, un dispozitiv de curăţare a acestora 7, mecanismul de cuplare şi decuplare a lor 2, un tub transparent de alimentare cu produs 1, dispozitivul pentru uniformizarea fluxului de produs supus măcinării 3, tăvălugii de alimentare 4, plăcile de dirijare a produsului 5 şi tremia pentru evacuarea produsului 8, Modul de lucru al valţului dublu automat este următorul: produsul supus măcinării este alimentat prin tubul transparent 1, de unde, datorită greutăţii proprii, acţionează asupra

74

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

mecanismului de cuplare şi decuplare a valţului 2. Materialul de măcinat este aşezat uniform de către dispozitivul 3, situat deasupra tăvălugilor de alimentare 4. Aceştia trimit produsul pe plăcile de dirijare 5, între tăvălugii măcinători 6. Pentru ca măcinarea să se desfăşoare în condiţii optime, tăvălugii sunt curăţaţi continuu prin intermediul dispozitivelor de curăţare 7. După măcinare, produsul finit este evacuat prin tremia de evacuare 8.

Figura IV.7 – Valţul dublu automat clasic

În tabelul IV.9 sunt prezentate caracteristicile tehnice ale valţurilor clasice cu doi cilindrii utilizaţi în industria morăritului, în patru variante constructive.

75

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul IV.9 – Caracteristici tehnice ale valţurilor tip VDA – 1025 Caracteristic tehnice Dimensiunile tăvălugilor [mm]: - lungime - diametru Turaţia tăvălugului fix [rot/min]: - şrotuire - desfacere - măcinare Viteza periferică a tăvălugului fix [m/s] - şrotuire - desfacere - măcinare Raportul turaţiei tăvălugilor: - şrotuire - desfacere - măcinare Dimensiunile roţii de curea [mm] - diametru - lăţime Dimensiuni de gabarit [mm] - lungime - lăţime - înălţime Masa netă [kg]

76

VDI – 622

Valori funcţie de tipul valţului VDI – 822 VDA – 825 VDA – 1025

600 220

800 220

800 250

1000 250

350

350

350 – 400 500 250 – 300

350 – 400 500 250 – 300

4

4

4,6 – 5,25 6,55 3,3 – 3,9

4,6 – 5,25 6,55 3,3 – 3,9

1 : 2,56 1 : 1,21

1 : 2,56 1 : 1,21

1 : 2,5 1 : 1,19 1 : 1,2

1 : 2,5 1 : 1,9 1 : 1,2

400 100

400 100

450 125

450 125

1400 1350 1645 1640

1600 1350 1645 1950

1810 1625 1830 3500

2010 1625 1830 3900

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

În figura IV.8 este prezentat un valţ de laborator cu o singură pereche de tăvălugi, tip LRC 250, ale cărui caracteristici tehnice sunt indicate în tabelul IV.10.

Figura IV.8 – Valţ de laborator cu o singură pereche de tăvălugi

Tabelul IV.10 – Caracteristicile tehnice ale valţului de laborator tip LRC 250 Caracteristici tehnice

Valori

Putere de acţionare [kW] Diametru tăvălugi [mm] Lungimea tăvălugi [mm] Viteză tăvălugi [m/s]

3 250 80 0 – 12 reglabil printr-un convertor de frecvenţă

77

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura IV.9 reprezintă schema unui valţ cu două perechi de tăvălugiutilizat în industria uleiului, iar în tabelul IV.11 – caracteristicile tehnice ale acestuia. Din punct de vedere constructiv – funcţional, un astfel de valţ se compune din organul principal de lucru, care în acest caz este constituit din două perechi de tăvălugi 3 şi 4. Perechea superioară 3 constă din doi tăvălugi rifluiţi, iar cea inferioară 4 din doi tăvălugi netezi. Valţul mai are în componenţă o pâlnie de alimentare cu produs 1 şi un tăvălug de alimentare 2.

Figura IV.9 – Valţul cu două perechi de tăvălugi Tabelul IV.11 – Caracteristicile tehnice ale valţului cu două perechi de tăvălugi utilizat în industria uleiului Caracteristici tehnice Diametru tăvălugi [mm] Lungime tăvălugi [mm] Turaţie tăvălugi [rot/min] - antrenaţi - din spate Dimensiuni de gabarit [mm] - lungime - lăţime - înălţime

78

Valori 400 – 600 800 – 1200 300 – 350 120 – 150 2130 1250 2900

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Un exemplu de valţ cu cinci perechi de tăvălugi tip SFLA 1800, utilizat în industria ciocolatei, este prezentat în figura IV.10, iar în tabelul IV.12 – caracteristicile tehnice ale acestuia.

Figura IV.10 – Valţul cu cinci perechi de tăvălugi

Tabelul IV.12 – Caracteristicile tehnice ale valţului cu cinci perechi de tăvălugi tip SFLA 1800 Caracteristici tehnice Diametru tăvălugi [mm] Lungime tăvălugi [mm] Putere antrenare tăvălugi [kW]

Valori 400 1800 90

Morile cu cilindri, pe lângă organul principal de lucru – tăvălugul – mai pot avea anexate diferite instalaţii, specifice scopului utilizat. Astfel, în figura IV.11 este prezentată o moară pentru măcinarea umedă a malţului, care are anexată o instalaţie de înmuiere a malţului. 79

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Din punct de vedere constructiv – funcţional, mora se compune din organul principal de lucru – perechea de tăvălugi 6, un dozator 5, un taler fix 7 şi o pompă 8. Instalaţia anexă pentru înmuierea malţului se compune dintr-o gură de alimentare 1, rezervorul de înmuiere 4, duşurile 2 şi barbotorul 3.

Figura IV.11 – Moară pentru măcinarea umedă a malţului

Modul de lucru al acestei mori este următorul: Produsul de măcinat – malţul – este alimentat prin gura 1 în rezervorul 4, unde are loc înmuierea cu ajutorul apei provenite de la duşurile 2. În interiorul rezervorului 4 acţionează barbotorul 3. Malţul, după ce a atins o umiditate de 30%, este distribuit de către dozatorul 5 pe perechea de tăvălugi 6, unde are loc măcinarea. Produsul măcinat cade pe talerul fix 7 şi este evacuat prin intermediul pompei 8.

80

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

În figura IV.12 este prezentat un alt mod de combinare a unei mori cu alte instalaţii conexe, în acest caz între perechile de tăvălugi este intercalat un pachet de site (care va face obiectul capitolului următor „Fracţionarea solidelor”). Din punct de vedere constructiv – funcţional, o astfel de moară este compusă din două organe principale de lucru: trei perechi de tăvălugi 4, 5, 10 şi două site suprapuse 7, 8. Moara mai conţine o gură de alimentare 1, o pâlnie de alimentare 2, distribuitorul 3, motorul de antrenare 6 şi gurile de evacuare 11.

Figura IV.12 – Moară tip Maltomat, cu tăvălugi şi site

Modul de lucru al acestei mori este următorul: fluxul de material alimentat prin gura 1 trece prin pâlnia 2 pe distribuitorul 3, de unde ajunge la măcinare (M). Materialul trece astfel prin cele două perechi de tăvălugi 4 şi 5 şi ajunge la sitele vibratoare

81

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

7 şi 8 unde are loc sitarea (cernerea) (S). În urma trecerii prin pachetul de site, rezultă trei fluxuri de materiale diferite: 12, 13, 14. Unul dintre ele, 13, este supus unei noi măcinări fine (M), prin trecerea printre tăvălugii 10. cele trei fracţiuni rezultate sunt evacuate prin grătarele 11. În continuare sunt prezentate relaţiile de calul pentru principalele mărimi caracteristice ale morilor cu cilindri: - unghiul de prindere  [°] (figura IV.13), definit ca unghiul format între tangentele duse în punctele de contact ale particulei sferice cu suprafaţa laterală a cilindrilor:

cos

α Ra  2 Rr

(IV.13)

unde: R [m] - raza cilindrului; r [m] - raza particulei; a [m] - distanţa dintre cilindri.

-

condiţia pentru unghiul de prindere:

< 2

(IV.14)

< 34°

(IV.15)

unde  = arctg f, f fiind coeficientul de frecare. - relaţia dintre diametrul cilindrului D şi diametrul particulei d, pentru ca particula sa poată fi prinsă între tăvălugii de măcinare: D > 20d 82

(IV.16)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

-

turaţia maximă a cilindrilor nmax [rot/min]:

nmax  10,25

f ρv  d  D

unde: v [kg/m3] d [m] D [m]

-

- densitatea în vrac a materialului; - diametrul particulei; - diametrul cilindrului.

turaţia optimă a cilindrilor n [rot/min]:

n = (0,7 ... 0,8)nmax -

(IV.17)

(IV.18).

productivitatea morilor cu cilindri P [kg/h]:

P =  D  L  a  n v unde:  [-]

(IV.19)

- coeficientul de neuniformitate a alimentării:  = 0,2 ... 0,4

(IV.20)

L [m] - lungimea cilindrilor.

-

consumul de energie la mărunţire N [kW]:

N = 13  n  L  D  (120  d + D2)

(IV.21)

83

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura IV.13 – Unghiul de prindere la valţul cu doi tăvălugi

IV.3.2. Mori cu ciocănele Morile cu ciocănele lucrează prin lovire (măcinare prin impact). Acest tip de măcinare se recomandă pentru măcinarea materialelor cu umiditate sub 15%. Organul de lucru al acestor mori sunt ciocănelele, ale căror forme sunt prezentate în figura IV.14. În figura IV.15 sunt prezentate trei variante de rotoare cu ciocănele, cu 8 (a), 16 (b) şi 32 (c) de ciocănele sau cuţite.

Figura IV.14 – Tipuri de ciocănele

84

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a

b

c

Figura IV.15 – Tipuri de rotoare cu ciocănele (cuţite)

Ciocănelele (cuţitele) rotorului pot avea efect de lovire (figura IV.16a) sau de tăiere (figura IV.16b) şi se pot utiliza cu scop de spargere (figura IV.17a), măcinare fină (figura IV.17b) sau grosieră (figura IV.17c).

a

b

Figura IV.16 – Efectele ciocănelelor (cuţitelor)

85

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a

b Figura IV.17 – Efecte ale măcinării

c

În figura IV.18 este prezentată schema morii cu ciocănele. Din punct de vedere constructiv – funcţional, moara se compune din organul principal de lucru – rotorul ciocănelele 4, placa de spargere 3 situate într-o carcasă 2. Moara mai este prevăzută cu o pâlnie de alimentare 1, o sită 5 şi o pâlnie de evacuare 6.

Figura IV.18 – Moara cu ciocănele

86

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Modul de lucru al acestei mori este următorul: materialul supus măcinării intră în interiorul carcasei 2 prin pâlnia de alimentare 1 (dispusă tangenţial, radial sau radial-tangenţial), la un debit riguros constant. În interiorul camerei de măcinare, materialul este izbit de rotorul cu ciocănele 4 şi apoi de placa de spargere 3, realizându-se astfel procesul de mărunţire. După ce se realizează granulaţia dorită, produsul trece prin sita 5 şi apoi este evacuat prin pâlnia 6, refuzul urmând a fi reprelucrat. Deoarece moara funcţionează la turaţie mare (circa 3000 rot/min), pentru a evita şocurile, moara se aduce mai întâi la turaţia de regim şi apoi se alimentează cu material. În tabelul IV.13 sunt prezentate caracteristicile tehnice ale unor tipuri de mori cu ciocănele. Tabelul IV.13 – Caracteristici tehnice ale unormori cu ciocănele Caracteristici

Moară de condimente

Moară tip MCF – 5

Moară tip MCU – 1B

Productivitate [kg/h] Putere instalată [kW] Turaţia motorului [rot/min] Număr de ciocănele Diametru ochiuri sită [mm] Dimensiuni de gabarit [mm x mm x mm]

25 – 100

5000

1000 – 2800

3

55

22

3000

3000

3000

-

24

28

0,8; 2,5

4

750 x 380 x 600

2150 x 1836 x 1350

3; 4; 5; 10; 16; 60 1820 x 1700 x 820

87

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Pentru a se putea realiza mărunţirea, este necesară îndeplinirea condiţiei de turaţie:

n unde: n [rot/min] R [m]

1 2 R

(IV.22)

- turaţia rotorului; - raza rotorului.

Condiţia de menţinere a stabilităţii funcţionării este următoarea (pentru ciocănele dreptunghiulare):

l

4 R 9

(IV.23)

unde: l [m] - lungimea ciocănelului între centrul orificiului de articulare şi capătul său liber. În figura IV.19 este prezentată o moară care lucrează ca şi granulatoare, iar în tabelul IV.14caracteristicile tehnice pentru trei tipuri de granulatoare cu ciocănele. Şi la un astfel de granulator, ca şi la morile cu ciocănele în general, din punct de vedere constructiv – funcţional se disting componentele principale: rotorul de spargere 1 şi sita 3. În figură se mai deosebesc jgheabul 2 şi dispozitivul de susţinere a jgheabului 4.

88

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura IV.19 – Granulatoare

Tabelul IV.14 – Caracteristici tehnice ale unorgranulatoare Caracteristici Productivitate [t/h] Turaţie rotor [rot/min] Mărime iniţială particule [mm] Mărime finală particule mărunţite [mm] Diametru carcasă [mm] Lăţime carcasă [mm]

Putere 8 [kW]

Putere 15 [kW]

Putere 25 [kW]

3 1400 40 4

7 1000 50 4

12 800 60 4

600 400

800 450

1000 500

89

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Un alt exemplu de moară care lucrează prin lovire este prezentat în figura IV.20, utilizată pentru măcinare fină. Din punct de vedere constructiv – funcţional, moara se compune dintr-un rotor vertical cu palete orizontale 3, pâlnia de alimentare cu material 4 şi cea de alimentare a curentului de aer 5, gura de evacuare a produsului măcinat 2 şi pachetul de site 1.

Figura IV.20 – Moară cu rotor cu palete pentru măcinare fină

Modul de lucru al acestei mori este următorul: materialul este alimentat prin pâlnia 4, antrenat de aerul 5 într-un curent ascendent prin rotorul 3. Materialul urcă astfel, într-un curent în spirală, prin rotorul 3, intensitatea curentului de aer şi material creşte şi datorită lovirii materialului de sine şi de paletele orizontale ale rotorului are loc mărunţirea. Produsul măcinat este trecut prin pachetul de site 1, după care este evacuat prin gura 2. Partea care nu trece prin site este reintrodusă la măcinare. IV.3.3. Mori cu bile

90

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Morile cu bile se utilizează pentru măcinarea condimentelor negrase, pepsinei etc. Aceste mori lucrează prin frecare şi lovire, la turaţie relativ redusă, şi realizează un grad mare de mărunţire, obţinându-se astfel produse măcinate fin. Din punct de vedere constructiv – funcţional, o moară cu bile (figura IV.21) se compune dintr-un tambur 1 căptuşită cu plăci din oţel dur 2, tablele curbate 6, tabla perforată 4 şi sita fină 5. În interiorul tamburului se află bilele 3. Moara are dispusă la partea inferioară pâlnia de evacuare a produsului mărunţit 7.

Figura IV.21 – Moară cu bile

Modul de lucru al unei astfel de mori este următorul: materialul supus mărunţirii este alimentat în interiorul tamburului 1 unde este mărunţit de bilele 3, până când poate trece prin fantele dintre plăcile 2, prin găurile din tabla perforată 4 şi prin ochiurile sitei 5. Refuzul de pe tabla perforată 4 şi de pe sita 5 este readus în spaţiul de măcinare de către tablele curbate 6. Produsul mărunţit este evacuat prin pâlnia 7.

91

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Corpurile de măcinare (bilele) sunt confecţionate din materiale dure (oţel dur, porţelan) şi pot avea diferite forme şi dimensiuni (de obicei bile sferice, dar şi cuburi, cilindri, bare, corpuri ovoidale, elipsoidale). În figura IV.22 sunt redate poziţiile încărcăturii în morile cu bile, la turaţii ale tamburului din ce în ce mai mari. La turaţii mici (a, b), încărcătura cu bile şi materialul supus mărunţirii alunecă ca un tot pe suprafaţa interioară a tamburului. Măcinarea nu se face decât într-o măsură foarte mică, datorită frecării dintre material şi bile. La turaţii mai mari (c, d), bilele însoţesc tamburul până la o anumită înălţime, după care cad şi lovesc materialul. Este acţiunea cea mai eficace a morii. La turaţii foarte mari (e), forţa centrifugă depăşeşte greutatea bilelor, acestea nu mai cad şi acţiunea de măcinare încetează.

a

b

c

d

e

Figura IV.22 – Poziţiile încărcăturii în morile cu bile

Pentru ca bilele să se desprindă la un moment dat de pe peretele tamburului şi să cadă pe material pentru a-l lovi şi astfel a-l mărunţi, turaţia tamburului, n, trebuie să îndeplinească condiţia:

n

32 D

unde D [m] reprezintă diametrul tamburului.

92

(IV.24)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Eficienţa măcinării este maximă pentru un unghi de 35° faţă de orizontală pentru desprinderea bilelor. Diametrul bilelor, d, trebuie să îndeplinească condiţia:

D D d 24 18

(IV.25).

Gradul de umplere al tamburului cu bile se recomandă a fi între 30 şi 35%.

IV.3.4. Mori cu discuri Moara cu discuri (figura IV.23) funcţionează pe principiul lovirii produsului cu ajutorul unor cuie sau bare metalice. Din punct de vedere constructiv – funcţional, moara se compune dintr-o carcasă 4, în interiorul căreia sunt dispuse două discuri 1 şi 3 acţionate de la sistemul 5. Discurile au prevăzute cuiele sau barele 2 astfel montate, încât cuiele unui disc să se întrepătrundă cu cuiele celuilalt disc, având un joc mic între ele. Moara mai este prevăzută cu pâlnia de alimentare 8 şi cea de evacuare 7. Modul de lucru este următorul: materialul de măcinat intră în carcasa 4 prin pâlnia de alimentare 8. În interiorul discurile 1 şi 3 se află în mişcare de rotaţie, primită de la sistemul de acţionare 5. Datorită rotaţiei discurilor, materialul este lovit de către cuiele 2 şi apoi proiectat pe suprafaţa cilindrică de unde cade la partea inferioară. Aici este dispusă o sită 6, care realizează separarea părţilor de dimensiuni foarte mici. Produsul este evacuat prin gura 7, iar refuzul este reprelucrat.

93

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura IV.23 – Moara cu discuri

IV.4. Maşini de tăiat Maşinile de tăiat se utilizează cu precădere în industria cărnii şi produselor din carne. Se deosebesc următoarele maşini de tăiat în bucăţi mari, specifice industriei cărnii şi produselor din carne: - fierăstrăul mobil lamelar; - fierăstrăul electric mobil circular pentru despicat carcase; - fierăstrăul electric mobil lamelar pentru tăiat costiţă; - fierăstrăul electric circular pentru tăiat oase; - maşina de deşoricat; - maşina de decalotat.

94

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

În figura IV.24 este prezentat fierăstrăul mobil lamelar, cu următoarele părţi componente: carcasa 1, articulaţia 2, suportul pânzei de tăiat 3, biela – manivela 4, pânza 5 şi capătul liber 6.

Figura IV.24 – Fierăstrăul mobil lamelar

Un astfel de fierăstrău are o productivitate de 70 carcase pe oră, în condiţiile unei puteri instalate de 1,7 kW. Pentru tăierea oaselor se utilizează un fierăstrău circular staţionar (figura IV.25), compus din pânza – disc de tăiere 6, placa apărătoare 4 şi apărătoarea 2, masa 4, sistemul de presare 3 şi sistemul de gresare al pânzei de tăiere 1.

95

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura IV.25 – Fierăstrăul circular staţionar

Pentru tăierea în bucăţi medii şi mici se utilizează (industria cărnii, industria conservelor vegetale, industria zahărului): - volful pentru mărunţirea (tăierea) grosieră a cărnii; - maşina de tocat carne; - concasorul de oase; - maşina de tăiat cuburi; - maşina de tăiat legume; - maşina de tăiat vârfurile la păstăi de fasole; - maşina de tăiat păstăi de fasole; - maşina de tăiat sfeclă de zahăr. Volful este maşina de mărunţit grosier carne, utilizată în industria cărnii şi a produselor din carne. Organul de lucru principal al volfului este sistemul de tăiere cu cuţite şi site. Cuţitele au forme de cruce, cu tăiş pe o parte sau pe ambele părţi, sau cu cuţit dublu lamelar în cazul în care se utilizează la mărunţirea oaselor. Din punct de vedere constructiv – funcţional, o maşină pentru mărunţirea cărnii, tip „volf”, se compune din: - transportor melcat de alimentare cu materie primă (carne); - transportor melcat de presare a cărnii spre mecanismul de tăiere; - mecanismul de tăiere a cărnii, compus din perechi de site metalice şi cuţite cu aripioare. În figura IV.26 este prezentată o maşină de mărunţit grosier carne, tip MATOCA – 160. Din punct de vedere constructiv – funcţional, se deosebesc: pâlnia de alimentare cu material 2, mecanismul de alimentare 1, batiul 4, picioarele de sprijin 6, sistemul de acţionare compus din motorul electric 5 şi reductorul 3. În tabelul IV.15 sunt prezentate caracteristicile tehnice ale maşinii de mărunţit grosier carne tip MATOCA – 160.

96

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura IV.26 – Maşina de mărunţit grosier carne

Tabelul IV.15 – Caracteristici tehnice ale maşinii de mărunţit grosier carne Caracteristici Capacitate de tăiere [kg/h] Diametru site [mm] Granulaţie realizată [mm] Putere instalată [kW] Turaţie electromotor [rot/min] Turaţie melc de alimentare [rot/min] Dimensiuni de gabarit [mm x mm x mm] Masa [kg]

Valori 3000 – 4000 160 2 – 20 10 / 13 200 / 400 60 / 120 1250 x 680 x 1210 750

În figura IV.27 sunt prezentate posibilităţile de asamblare, pentru diferite opţiuni de mărunţire grosieră a cărnii, pe anexa de tocat carnea, iar în tabelul IV.16 – caracteristicile tehnice specifice ale acestor maşini. Din punct de vedere constructiv – funcţional, maşina de tocat se compune din sitele cu orificii de diferite dimensiuni 1, 3, 7, 11, inele distanţiere 2 şi 10, cuva de alimentare 4, fusul

97

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

melcului 5, melcul 13, cuţitul dublu 6, cuţitul simplu 8, piuliţa de strângere 11 şi corpul metalic 12.

Figura IV.27 – Anexă de tocat carne Tabelul IV.16 – Caracteristici tehnice ale anexei de tocat carne Caracteristici Diametru site [mm] Diametru orificii site [mm] Turaţie transportor de antrenare [rot/min] Turaţie melc alimentare [rot/min] Putere motor antrenare [kW] Turaţie motor antrenare [rot/min]

Valori 100 – 285 2 – 25 150 – 300 15 – 130 10 – 33 970 – 1500

Maşinile de mărunţit se pot folosi şi în unităţile de alimentaţie publică, cum este de exemplu maşina de tăiat felii (figura IV.28), utilizată la felierea pâinii, preparatelor din carne, preparatelor din lapte

98

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

(brânzeturilor). Din punct de vedere constructiv – funcţional, aceasta se compune din sistemul de acţionare (electromotor şi transmisie) 1, discul de tăiere 2, apărătoarea de protecţie a acestuia 3 şi batiul (stativul) 4.

Figura IV.28 – Maşina de tăiat felii Caracteristicile tehnice ale maşinii de tăiat felii sunt prezentate în tabelul IV.17.

Tabelul IV.17 – Caracteristici tehnice ale maşinii de tăiat felii Caracteristici Productivitate [kg/h] - pâine - mezeluri Grosime felie [mm] Putere instalată [kW] Diametru disc tăiere [mm] Dimensiuni de gabarit [mm x mm x mm] Masa [kg]

Valori 20 – 60 20 – 40 1 – 20 0,15 248 510 x 360 x 400 30

99

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tot din această categoria fac parte maşina de tăiat fâşii(şuviţe) (figura IV.29) şi maşina pentru frăgezirea cărnii (figura IV.30). Organul principal de lucru al acestor maşini sunt cuţitele disc 1, dispuse pe arborele cu cuplare rigidă 2. Ansamblul se sprijină pe cadrul metalic 3. În cazul maşinii pentru frăgezirea cărnii, organele principale de lucru – cuţitele disc 1, sunt danturate.

Figura IV.29 – Maşina de tăiat fâşii (şuviţe)

Figura IV.30 – Maşina de frăgezit

100

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Maşina de tăiat în forme (figura IV.31), utilizată pentru prelucrarea cărnii (fără os), organelor fierte sau slăninii cu scopul obţinerii amestecurilor pentru salamuri, conserve şi a altor preparate din carne, se compune din punct de vedere constructiv – funcţional dintr-un cadru cu lame tăietoare 3, spaţiul de presare 2 şi pistonul 1, cuţitul oscilant 4 şi sistemul de fixare 5. Modul de lucru este următorul: materia primă (carne, slănină) este presată de pistonul 1 în interiorul spaţiului de presare 2 unde, datorită lamelelor tăietoare 3, dispuse în două planuri paralele, foarte apropiate, are loc tăierea în forme. Secţionarea cu ajutorul cuţitului 4 determină lungimea formelor.

Figura IV.31 – Maşina de tăiat în forme Pentru tăierea fină (tocare), în industria cărnii se utilizează cuterele, pentru obţinerea bradtului şi compoziţiei de prospături. De asemenea se mai pot utiliza cuţite şi site, mori coloidale. În figura IV.32 este prezentat un astfel de cuter, tip MATOCUT – 100. Pentru a distinge părţile componente, în figura IV.32a este prezentată schema cinematică, iar în figura IV.32b o vedere generală a maşinii. Din punct de vedere constructiv – funcţional, se deosebesc axul cu cuţite 6, cuţitele 5, capacul 4, electromotorul 11 şi curelele trapezoidale 7, electromotorul 9, variatorul de turaţie 8 şi

101

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

angrenajul melcat 10. Maşina mai are prevăzute talerul 2, discul de evacuare 3, motoredutorul 1. Întregul ansamblu se sprijină pe batiul (corpul maşinii) 12. În tabelul IV.18 sunt prezentate caracteristicile tehnice ale cuterului MATOCUT – 100.

Figura IV.32 – Cuterul

Tabelul IV.18 – Caracteristici tehnice ale cuterului Caracteristici Capacitate de prelucrare [kg / şarjă] Capacitate taler [l] Număr cuţite [buc.] Putere instalată [kW] Turaţie taler [rot/min] Turaţie cuţite [rot/min] Dimensiuni gabarit [mm x mm x mm] Masa [kg]

102

Valori 90 100 4; 6; 8 19,5 / 24,5 9 / 18 1500 / 3000 2060 x 1300 x 1405 1414

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Pentru mărunţirea foarte fină sau emulsionare se utilizează maşini de mărunţit fin, prevăzute cu mecanisme cuţit – sită sau rotor – stator. Mărunţirea foarte fină utilizează sistemul de mărunţire rotor – stator, cum este cazul morilor coloidale, prevăzute cu dinţi pentru operaţiile de tăiere, frecare, omogenizare. Principiul mărunţirii foarte fine este următorul: generarea de oscilaţii de înaltă frecvenţă (frecvenţa de lucru 15 kHz), funcţie de capul de mărunţire şi turaţia rotorului. În figura IV.33 este prezentată maşina universală de mărunţit fin tip Microfin – R – 200. Se deosebesc: pâlnia de alimentare 1 şi cilindrul de alimentare 10, carcasa mecanismului de tăiere 12, piuliţa de strângere 2 a cuţitului rotativ cu trei aripi 3, inelul de ghidare 4, sita 11, aruncătorul de pastă 5, racordul de evacuare 6, piuliţa de strângere 7, roata de reglare 8. De asemenea maşina se mai compune din maneta de blocare 13, placa de bronz 14, carcasa 15 a sistemului de acţionare şi picioarele reglabile 9.

Figura IV.33 – Maşina universală de mărunţit fin

103

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Caracteristicile tehnice ale maşinii universale de mărunţit fin tip Microfin – R – 200 sunt indicate în tabelul IV.19. Tabelul IV.19 – Caracteristici tehnice ale maşinii universale de mărunţit fin Caracteristici Capacitate de prelucrare [kg / h] - la cuţite – sită - la rotor – stator Capacitate pâlnie alimentare [l] Putere instalată [kW] Turaţie cuţit (rotor) [rot/min] Număr cuţite [buc.] Granulaţia materiei prime [mm] - la cuţite – sită - la rotor – stator Granulaţia produsului finit - la cuţite – sită [mm] - la rotor – stator [m] Setul de orificii [mm] Temperatura maximă a materiei prime [°C] Creşterea de temperatură în timpul prelucrării [°C] - la cuţite – sită - la rotor – stator Frecvenţa oscilaţiilor (la rotor – stator) [kHz] Diametrul echivalent al rotorului [mm] Dimensiuni de gabarit [mm x mm x mm] Masa [kg]

Capitolul IX PRESAREA 104

Valori 700 – 3000 1000 – 19000 80 22 2920 2 20 3 1,5; 2; 5 30 1,5; 2; 5 55

4 9 15 150 272 x 772 x 1395 286

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Presele se utilizează în industria alimentară cu următoarele scopuri: stoarcerea fazei lichide; modelarea produsului într-o anumită formă; îndesarea produsului pentru a putea fi transportat mai uşor. Îndesarea unui produs pulverulent prin presare într-un spaţiu închis se numeşte brichetare. Operaţia de brichetare se realizează sub acţiunea unei forţe exterioare, până la o densitate la care corpul nu se mai poate desface singur, transformându-se într-o brichetă monolit. În funcţie de parametrii constructivi principali, în industria alimentară se utilizează următoarele tipuri de prese: mecanice, continue, cu pârghie, cu şurub, cu melc, cu un singur arbore orizontal, cu arbore conic, cu doi arbori (unul orizontal, unul vertical), cu doi arbori verticali. Presele cu şurub sunt cele mai simple prese mecanice. Din punct de vedere constructiv, cilindrul presei poate fi cu pereţi compacţi (pentru brichetarea diverselor materiale) sau cu pereţi perforaţi (pentru presarea şi separarea fracţiunii lichide). O altă categorie de prese este cea a preselor cu melc. Acestea intră în componenţa multor utilaje specifice tehnologiilor din industria alimentară. Modul de lucru într-o astfel de presă este următorul: produsul de presat este alimentat în corpul presei, unde este antrenat de către melcul de presare. Astfel are loc presarea, produsul presat fiind evacuat din presă printr-o gură de evacuare. O astfel de presă cu melc se utilizează în industria produselor făinoase, şi anume la fabricarea pastelor făinoase. Principial, presa cu melc dintr-o instalaţie pentru modelarea aluatului pentru paste făinoase (figura IX.1) poate fi orizontală (a) sau verticală (b). Aluatul este antrenat în interiorul presei de către melcul de presare 2, iar la capătul presei trece printr-o matriţă 3, care este dispusă perpendicular sau paralel pe direcţia de presare.

105

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a

b

Figura IX.1 – Prese cu melc

Un alt tip de prese sunt cele cu valţuri, la care materia de presat este antrenată printre valţurile aflate în mişcare de rotaţie în sens contrar. O astfel de presă cu valţuri se utilizează la fabricarea pastelor făinoase (figura IX.2): cele două valţuri 1 se rotesc în sens contrar, antrenând aluatul pe care îl presează prin matriţa 2 dispusă la ieşirea din presă.

Figura IX.2 – Presa cu valţuri

Un alt tip de presă, des utilizată în industria vinurilor, este presa orizontală cu acţiune dublă Colin (figura IX.3). Din punct de vedere constructiv – funcţional, această presă se

106

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

compune din toba 1 (corp cilindric orizontal), confecţionată din şipci de stejar, în interiorul căreia este dispus un şurub filetat la ambele capete 4, pe care se deplasează două platane de presare 2. Între cele două platane sunt prinse două lanţuri 3, din oţel inoxidabil. La partea inferioară este amplasat jgheabul de scurgere 5. Modul de lucru este următorul: boştina este alimentată în presă printr-o uşă, care poate servi şi drept uşă de evacuare a tescovinei rezultate în urma presării. Toba de presare 1 împreună cu cele două platane 2 se află într-o mişcare de rotaţie foarte lentă, transmisă de la un sistem de acţionare. care au rolul de a divide, atunci când platanele se depărtează (revenirea lor în poziţie iniţială), masa compactă de tescovină formată în urma presării. În urma presării cu lanţurile 3 rezultă mustul care se scurge prin şipcile tobei şi se colectează în jgheabul 5.

Figura IX.3 – Presa Colin

O altă presă cu acţiune discontinuă este presa pneumatică orizontală tip Willman (figura IX.4). Din punct de vedere constructiv – funcţional, o astfel de presă compune

107

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

dintr-o tobă de presare 1, confecţionată din tablă perforată din oţel inoxidabil. În interiorul acestei tobe se află un burduf din cauciuc 2. Modul de lucru este următorul: boştina este alimentată în interiorul presei. Toba 1 primeşte o mişcare de rotaţie de la un sistem de acţionare. Operaţia de presare are loc prin introducerea de aer comprimat AC în interiorul burdufului 2. Mustul rezultat în urma presării se scurge prin pereţii perforaţi ai tobei, fiind colectat la partea inferioară în jgheabul 3, iar tescovina este eliminată printr-o gură de evacuare.

Figura IX.4 – Presa pneumatică tip Willman

În ceea ce privesc presele continue, acestea au o construcţie foarte diversă, variantele cele mai des întâlnite fiind: - melc cu pas variabil scăzător înspre ieşire, amplasat într-un cilindru tip sită; - melc conic amplasat într-un cilindru tip sită. O astfel de presă continuă este cea utilizată în industria vinurilor pentru presarea strugurilor (figura IX.5). Din punct de vedere constructiv – funcţional, presa se compune din doi melci: unul de alimentare 7 şi unul de presare 4, dispuşi în interiorul cilindrului perforat 5. Pe axul 1 mai este montat conul de presare 3. Presa este prevăzută cu coş de alimentare 6, de evacuare a

108

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

tescovinei 2 şi racordurile de evacuare a mustului, 8, 9, 10, corespunzător fiecărui compartiment de presare. Modul de lucru este următorul: strugurii sunt introduşi în coşul de alimentare 6, de unde sunt antrenaţi de melcul de alimentare 7. Strugurii sunt apoi preluaţi către melcul de presare 4, care îi presează de pereţii cilindrului perforat 5. Tescovina rezultată este evacuată prin gura de evacuare 2, obturată de către conul de presare 3, montat liber pe axul 1. Mustul rezultat în urma operaţiei de presare este evacuat din fiecare compartiment de presare, prin racordurile 8, 9, 10.

Figura IX.5 – Presa continuă utilizată în industria vinurilor pentru presarea strugurilor

Capitolul V FRACŢIONAREA SOLIDELOR Procesele tehnologice de prelucrare din industria agroalimentară necesită fracţionarea unor sisteme solide granulare polidisperse, cu următoarele scopuri:

109

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

clasare – separarea pe fracţiuni sau clase granulometrice; sortare – separarea pe sorturi de constituenţi, după natura acestora; calibrare – separarea pe calităţi în cadrul aceluiaşi sort.

V.1. Definiţii. Metode. Factori de influenţă V.1.1. Operaţia de cernere Cernerea este operaţia de separare în două sau mai multe fracţiuni granulometrice a maselor granulare sau pulverulente, cu ajutorul grătarelor, ciururilor şi sitelor. Grătarele sunt realizate din bare metalice paralele, fixate la distanţe egale pe suporturi transversale, delimitându-se astfel fante egale. Ciururile şi sitele sunt table perforate sau ţesături metalice sau textile. Termenul sită se utilizează pentru suprafeţe de cernere cu orificii cu diametrul sau latura mai mici de 1 mm, iar ciur pentru suprafeţe de cernere cu orificii mai mari de 1 mm. Se reaminteşte, că la cernerea unui amestec granular polidispers printr-o sită se obţin două fracţiuni: cernutul (fracţiunea care trece prin ochiurile sitei) şi refuzul (fracţiunea reţinută pe sită, cu dimensiunea particulelor mai mare decât a orificiilor sitei). La cernerea reală, fracţionarea nu este perfectă, deoarece nu toate particulele care au diametrul mai mic decât latura ochiului sitei ajung să treacă prin orificiile sitei, iar particulele mai mari, alungite, pot trece ajungând în cernut. Randamentul sau eficacitatea separării ηs reprezintă raportul dintre masa cernutului şi masa efectivă a particulelor mai mici decât latura ochiurilor sitei din amestecul iniţial:

110

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

ηs  10 4 

C CA  A

(V.1)

unde: C – masa cernutului; CA – procentul de particule din amestecul iniţial mai mici decât latura ochiurilor sitei; A – masa amestecului iniţial. Separarea prin cernere a amestecurilor polidisperse se poate realiza prin următoarele metode: metoda cernuturilor (figura V.1a) – sitele (a, b, c) se montează în serie, una în prelungirea celeilalte, de la dimensiunile cele mai mici ale ochiurilor la dimensiunile cele mai mari; se obţin mai multe cernuturi (C1, C2, C3) şi un singur refuz (R); metoda refuzurilor (figura V.1b) – sitele (a, b, c) se montează suprapuse,de la dimensiunile cele mai mari ale ochiurilor la dimensiunile cele mai mici; se obţin mai multe refuzuri (R1, R2, R3) şi un singur cernut (C); metoda combinată (figura V.1c) – îmbină cele două metode anterioare; se obţin mai multe cernuturi (C1, C2, C3) şi mai multe refuzuri (R1, R2). În tabelul V.1 sunt prezentaţi factorii care influenţează operaţia de cernere.

111

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura V.1 – Metode de cernere

Tabelul V.1 – Factori de influenţă ai operaţiei de cernere Tip de factori Factori funcţie de masa particulelor

Factori funcţie de suprafaţa de cernere Factori funcţie de operaţia de cernere

Factori funcţie de maşina de cernere

Factori Natura materialului Mărimea particulelor Forma particulelor Umiditatea particulelor Abrazivitatea particulelor Tipul suprafeţei Forma şi dimensiunile orificiilor (ochiurilor) Suprafaţa activă de cernere Grosimea stratului de material pe suprafaţa de cernere Debitul de material prelucrat Lungimea traseului parcurs de particule pe suprafaţa de cernere Caracterul mişcării materialului pe suprafaţa de cernere Viteza de deplasare a materialului Uniformitatea alimentării Tipul de maşină Modul de antrenare

V.1.2. Operaţiile de calibrare şi sortare

112

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Calibrarea materiilor primeeste operaţia prin care se obţine un produs omogen din mai multe puncte de vedere: dimensional, calitativ, după greutate, după culoare etc. Cel mai frecvent procedeu de calibrare este cel după calitate, dar în majoritatea cazurilor această sortare se efectuează manual. Urmează în ordine sortarea:  dimensională,  după greutate (mai ales la produsele de formă neregulată),  după culoare. Sortarea este operaţia care se realizează după natura constituenţilor pe baza diferenţei dintre valorile constantelor fizice sau chimice: densitate, proprietăţi superficiale, susceptibilitate magnetică, solubilitate etc Utilajele cele mai de folosite pentru calibrarea şi sortarea după dimensiuni sunt sitele plane aşezate în seturi funcţie de numărul sorturilor (prima sită cu cea mai mare dimensiune, ultima cu cea mai mică) sau sitele tubulare, uşor înclinate, împărţite în 4-5 sectoare, fiecare cu mărimea ochiurilor sitei constantă şi caracteristică fiecărui produs. În acest ultim caz, pentru facilitarea deplasării produsului în interior, se prevăd agitatoare cu palete şi jeturi de apă. De exemplu, la sortarea mazării pe 5 dimensiuni, se folosesc următoarele dimensiuni ale ochiurilor sitelor:  … 9,3  9,3 … 8,73  8,73 … 8,20 => mazăre obişnuită  8,20 … 7,5 => mazăre fină  7,5 … => mazăre extrafină

113

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Sortarea produselor după culoare se face pe principiul iluminării acestora într-o cameră fotometrică. Fascicolul reflectat de produs ajunge la celulele fotoelectrice, care compară radiaţia reflectată cu o culoare etalon şi în caz de abateri acţionează dispozitive electromagnetice de separare. Înseriind mai multe celule fotometrice cu reglaje optice pe diferite culori se poate realiza sortarea produselor pe mai multe culori.

V.2. Ciururi şi site Ciururile şi sitele se confecţionează din tablă perforată sau din împletituri. Tablele perforate pot fi din oţel (OL34, OL42), bronz, alamă, aluminiu, cupru, zinc şi au ochiuri de aceeaşi formă geometrică şi mărime, dispuse regulat, în paralel sau în zigzag. În tabelul V.2 sunt indicate domeniile de utilizare ale tablelor perforate funcţie de tipul tablei. Tabelul V.2 – Utilizări ale tablelor perforate Tipul tablei perforate

Forma şi dispunerea ochiurilor

Utilizări

1

2

3

Figura V.2a Figura V.2b

Uz general pentru clasarea materialelor

Figura V.3a Figura V.3b Figura V.3c

Uz general pentru clasarea materialelor

Tablă cu ochiuri rotunde dispuse: - decalat (în zigzag) - în paralel Tablă cu ochiuri pătrate dispuse: - decalat (în zigzag) - în paralel - în diagonală

114

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

1 Tablă cu ochiuri dreptunghiulare dispuse: - în paralel - decalat (în zigzag) Tablă cu ochiuri ovale dispuse: - decalat (în zigzag) - în paralel Tablă cu ochiuri rombice

2

Figura V.4a Figura V.4b

Figura V.5a Figura V.5b Figura V.6

3

Uz general pentru clasarea materialelor Uz general pentru clasarea materialelor. Suport pentru filtre Site şi ciururi pentru sortarea – calibrarea legumelor

Figura V.2 – Tablă perforată cu ochiuri rotunde

Figura V.3 – Tablă perforată cu ochiuri pătrate

115

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura V.4 – Tablă perforată cu ochiuri dreptunghiulare

Figura V.5 – Tablă perforată cu ochiuri ovale

Figura V.6 – Tablă perforată cu ochiuri rombice

În continuare sunt prezentate relaţiile de calcul a suprafeţei utile de cernere, Su [%], pentru tablele perforate, funcţie de forme ale ochiurilor:

116

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

-

tablă perforată cu ochiuri rotunde sau pătrate (relaţia generală):

d2 Su  100 2 l

(V.2)

unde: d – diametrul sau latura ochiului; d [mm] = 0,5 ... 125; l – distanţa dintre ochiuri;

d  0,5... 0,833 . l -

tablă perforată cu ochiuri rotunde sau pătrate dispuse în paralel:

d2 Su  78,5 2 l -

tablă perforată cu ochiuri rotunde sau pătrate dispuse decalat:

d2 Su  90,7 2 l -

(V.4)

tablă perforată cu ochiuri ovale:

l  L  0,215  l 2 Su  100 dl  d t unde: l L dl

(V.3)

(V.5)

- lăţimea ochiului; - lungimea ochiului; - distanţa dintre axele longitudinale a două ochiuri alăturate de pe rânduri vecine; 117

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

dt

- distanţa dintre axele transversale a două ochiuri alăturate de pe două şiruri vecine.

Tablele perforate pot fi din oţel (OL34, OL42), bronz, alamă, aluminiu, cupru, zinc şi au ochiuri de aceeaşi formă geometrică şi mărime, dispuse regulat, în paralel sau în zigzag. În tabelul V.2 sunt indicate domeniile de utilizare ale tablelor perforate funcţie de tipul tablei. Împletiturile pot fi din ţesătură metalică (fire din oţel, cupru, alamă, bronz), din mătase naturală sau din fire sintetice. Împletiturile din sârmă, după felul acestora, respectiv al îmbinărilor, pot fi plase (figura V.7), ţesături (figura V.8) sau trese. Ţesătura poate fi prin legare simplă (figura V.8a), prin legare încrucişată (figura V.8b) sau ajurată (figura V.8c). Sitele din mătase naturală se utilizează pentru cernerea amestecurilor de granulaţie foarte fină. Sitele din fire sintetice (nylon, sterlon, capron etc.) se utilizează în locul celor din mătase naturală, deoarece au rezistenţă la uzură mai mari.

Figura V.7 – Plasă din sârmă împletită

118

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura V.8 – Ţesături pentru site

Sitele au latura interioară a ochiului, l [mm], între 0,08 şi 16 şi diametrul, d [mm], între 0,05 şi 3,15. Suprafaţa utilă de cernere, Su [%], se poate calcula cu relaţia:

Su  100

l2 t2

(V.6)

în care l reprezintă latura interioară a ochiului şi t – pasul ţesăturii.

119

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

V.3. Utilaje de cernere, calibrare, sortare Utilajele de cernere se clasifică în:  utilaje de cernere cu grătare - cu grătare fixe - cu gătare mobile - cu grătare cu role  utilaje oscilante (cu mişcare plan-paralelă a sitei) - cu mişcare alternativă a sitei - cu mişcare plan-circulară a sitei  utilaje cu mişcare vibratorie a sitei  utilaje rotative (cu mişcare rotativă a sitei) - cu site – disc - cu site – tambur (burat). Utilajele de calibrat şi sortat se clasifică funcţie de principiul funcţional sau principiul constructiv. Astfel se deosebesc: ♦ utilaje de calibrat şi sortat după dimensiuni - cu site plane - cu tambur rotativ ♦ utilaje cu tambur - perforat - cu bare distanţate - cu palete ♦ utilaje tip transportor: - cu benzi perforate - cu cilindri rotativi perforaţi - cu bare distanţate (divergente) ♦ utilaje cu suprafeţe active alveolare (trioare) - cu tambur - cu discuri ♦ trioare spirale

120

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

V.3.1. Site oscilante Din punct de vedere constructiv – funcţional, sitele (ciururile) cu mişcări oscilatorii sunt utilaje de cernere ce conţin rame înclinate şi site, care sunt supuse unei mişcări oscilatorii (mişcare du-te - vino) primite de la un mecanism bielă-manivelă sau mecanism cu excentric. Se utilizează pentru fracţionarea produsului de măciniş de la valţuri, permiţând separarea făinii şi obţinerea diferitelor fracţiuni în vederea prelucrării ulterioare. V.3.1.1. Site oscilante cu mişcare alternativă Un prim tip de sită oscilantă este cea cu mişcare alternativă (figura V.9). Din punct de vedere constructiv – funcţional, aceasta se compune dintr-o sită plană uşor înclinată 3, susţinută de lamele elastice sau biele 2, care realizează şi reglarea înclinării sitei. Utilajul mai are prevăzută o gură de alimentare 1, şi două guri de evacuare, una pentru cernut 6 şi una pentru refuz 7, precum şi mecanismul cu excentric 4. Întreg ansamblul este susţinut de batiul 5.

Figura V.9 – Sită oscilantă cu mişcare alternativă

121

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Modul de lucru este următorul: produsul este alimentat în utilaj prin gura 1 şi se deplasează în sens longitudinal pe suprafaţa sitei sub acţiunea forţei gravitaţionale şi sub efectul mişcării oscilante. Sita este acţionată în mişcare oscilatorie de către mecanismul cu excentric 4 prin intermediul lamelelor elastice 2. În timpul deplasării produsului pe suprafaţa sitei, se produce separarea fracţiunilor dorite şi nedorite din produsul supus cernerii. Astfel, produsul trece prin orificiile sitei, ca şi cernut, şi este evacuat apoi din utilaj prin gura 3. Impurităţile rămân, ca şi refuz, pe suprafaţa sitei şi sunt evacuate prin gura 7. Condiţia pentru ca procesul de cernere să fie continuu este ca materia primă ce se află pe sită şi urmează a se separa, să se deplaseze de la alimentare la evacuare. Această deplasare este favorizată de doi factori : - înclinarea suprafeţei de cernere a sitei; - mişcarea oscilatorie a cadrului cu site. Experimental s-au determinat următoarele valori pentru desfăşurarea optimă a separării prin cernere pe site oscilatorii cu mişcare alternativă: - înclinarea suprafeţei de cernere [°]: 14 – 17; - numărul de oscilaţii ale sitei [oscilaţii/min]: 350 – 400; - excentricitatea mecanismului cu excentric [mm]: 5 – 10; - viteza de înaintare a produsului pe sită [m/s]: 0,275 – 0,375; Turaţia maximă a arborelui motor care acţionează sita, nmax [rot/min], se determină cu relaţia:

nmax  30 unde: φ [°]

122

tg  α r

- unghiul de frecare;

(V.7)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

f  tgα

(V.8)

f [-] - coeficientul de frecare; α [°] - unghiul de înclinare a sitei; r [m] - raza manivelei. Turaţia optimă a arborelui motor, n [rot/min], are expresia:

n  0,6  0,8 nmax

(V.9)

Productivitatea utilajului, P [kg/h], se calculează cu relaţia:

P  60  n  v  l  h  ρ v

(V.10)

unde: v [m/s] - viteza de înaintare a materialului pe sită; l [m] - lăţimea sitei; h [m] - înălţimea materialului pe sită; ρv [kg/m3] - densitatea în vrac a materialului. V.3.1.2. Site oscilante cu mişcare plan – circulară Din punct de vedere constructiv – funcţional, sita oscilantă cu mişcare plan – circulară (figura V.10) se compune din mai multe pachete de rame suprapuse, pe care se montează sitele propriu-zise. Mişcarea plan-circulară provine de la o roată de curea 1, care prin intermediul unui ax 2 acţionează roata excentricului 3, de unde, printr-un ax scurt şi lagărul 5, este acţionat pachetul de rame 6. Ansamblul în mişcare este echilibrat pe direcţia de simetrie de către contragreutăţile 4.

123

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura V.10 – Sită oscilantă cu mişcare plan – circulară

Schema de principiu a circulaţiei produselor în pachetul cu site este prezentată în figura V.11. Se pot distinge cele 12 site, cu mărimi diferite ale ochiurilor. Modul de lucru (de separare) este următorul: produsul P intră în pachet şi trecere succes pe cele 12 site. În urma separării, rezultă făina F, dunstul D şi refuzurile R1, R2 şi R3. Pentru ca particula să se poată deplasa pe sită, trebuie îndeplinită condiţia:

n  30

f r

(V.11)

unde: n [rot/min] - turaţia arborelui de antrenare; f [-] - coeficientul de frecare; r [m] - raza cercului descris de centrul de greutate al pachetului de site. Uzual, raza cercului descris de centrul de greutate al pachetului de site, r [mm], are valoarea 0,045, astfel încât, pentru un coeficient de frecare, f [-], de 0,3, rezultă condiţia ca turaţia arborelui de antrenare, r [rot/min], să aibă valori mai mari de 77,5. Experimental s-a constatat că valoarea optimă a turaţiei este de 200 – 220 rot/min.

124

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura V.11 – Schema circulaţiei în pachetul de site

V.3.2. Site vibratoare Sitele vibratoare realizează o separare mai bună decât în cazul sitelor oscilante, datorită turaţiei mari a mecanismului cu excentric (1500 – 2000 rot/min). Mişcarea ciurului se caracterizează prin oscilaţii circulare dirijate, cu amplitudine precisă (0,5 – 12 mm), independente de încărcătură. Un alt avantaj al acestor site este faptul că funcţionarea se desfăşoară fără degajare de praf, deoarece cadrul cu site este complet închis într-o carcasă metalică etanşă, nefiind astfel necesar un sistem de aspiraţie a prafului.

125

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Sortatorul cu site în mişcare vibratorie se denumeşte vibroaspirator şi se utilizează mai ales pentru postcurăţirea seminţelor de floarea-soarelui, dar şi pentru alte tipuri de seminţe sau boabe prin înlocuirea sitelor cu dimensiuni adecvate ale ochiurilor. Din punct de vedere constructiv – funcţional, sita vibratoare se compune din două ansambluri de site suprapuse 2, dispuse într-o carcasă, un sistem cu bile de cauciuc 3 pentru curăţarea sitelor, un sistem de acţionare compus din motor electric 8, transmisie prin curea 9 şi mecanism de vibrare 4. Utilajul mai are o gură de alimentare 1, gurile de evacuare pentru impurităţi mari 5, pentru impurităţi mici 11 şi pentru produs 6, magneţii 7. Întreg ansamblul se sprijină pe batiul 10.

Figura V.12 – Sita vibratoare

126

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Modul de lucru este următorul: produsul care se cerne intră în utilaj prin gura de alimentare 1 şi ajunge pe sita superioară din pachetul de site 2. Pachetul de site se află în mişcare vibratoare primită de la sistemul de acţionare motor electric – transmisie prin curea – mecanism vibrator, 8 – 9 – 4. Impurităţile mari rămân, ca şi refuz, pe sită şi sunt apoi evacuate prin gura 5. Cernutul de pe sita superioară ajunge pe sita inferioară, unde se separă în produs (ca şi refuz) şi impurităţi mici (ca şi cernut). Produsul este evacuat gura 6, iar impurităţile mici prin gura 11. Înainte de ieşirea din utilaj, produsul cernut, evacuat prin gura 6, este curăţat de eventualele impurităţi metalice prin intermediul separatorului magnetic (magneţilor) 7. Sitele sunt curăţate prin intermediul bilelor 3. Sitele vibratoare au capacităţi de prelucrare de 2 – 5 [t/h], în condiţiile unui necesar de putere de 1,5 kW. Prin înserierea mai multor site se pot obţine mai multe fracţiuni separate dintr-un amestec iniţial. Astfel, în figura V.13 este prezentat exemplul unei separări în cinci fracţiuni. În figura V.14 este prezentat modul de separare a amestecului iniţial în fracţiuni într-un vibroaspirator.

Figura V.14 – Separarea unui amestec în cinci fracţiuni

127

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura V.14 – Modul de separare pe fracţiuni într-un vibroaspirator

V.3.3. Site rotative Sitele rotative sunt utilaje de cernere care au ca organ de lucru un tambur înclinat cu site pe suprafaţa laterală. Principiul de lucru al acestor site este următorul: prin rotirea înceată a tamburului, particulele cad de-a lungul suprafeţei laterale cu site. Sitele au ochiuri uniforme sau de dimensiuni crescânde (caz în care utilajul poartă denumirea de maşină de sortat).

128

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Cele mai cunoscute tipuri de site cu mişcări rotative sunt: cernătorul cilindric centrifugal, buratul, separatorul centrifugal conic vibrator, scalperatorul. Ele sunt asemănătoare constructiv, diferenţa constând în numărul de sectoare cu ochiuri diferite ale sitelor. În figura V.15 este prezentat buratul. Din punct de vedere constructiv – funcţional, acesta se compune dintr-un batiu 3 şi o carcasă cilindrică (tambur) pe care sunt dispuse sitele cu ochiuri rotunde, astfel: în prima zonă I ochiuri mai mici şi în continuarea acesteia zona II cu ochiuri mai mari. Utilajul mai are prevăzută o gură de alimentare 1, una de evacuare a impurităţilor mari 5, un sistem de acţionare 2 şi transportorul 4 pentru evacuarea produsului cernut şi a impurităţilor mici.

Figura V.15 – Sita rotativă (buratul)

Modul de lucru al buratului este următorul: produsul de curăţat este alimentat în tamburul rotativ prin gura 1. Tamburul se află în mişcare de rotaţie primită de la sistemul de acţionare 2. Datorită rotaţiei tamburului, produsul înaintează prin rostogolire şi alunecare, trecând succesiv peste sitele rotative. În prima zonă I, cu ochiuri mici, are loc separarea impurităţilor mic, care trec, ca şi cernut, prin site. În zona II, cu ochiuri mai 129

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

mari, are loc separarea produsului de impurităţile mari. Astfel, produsul trece prin site, ca şi cernut, iar impurităţile mari rămân pe site ca şi refuz. Evacuarea fracţiunilor separate din utilaj se face prin transportorul elicoidal 4, cu sensuri diferite de vehiculare a materialelor (seminţe şi impurităţi) şi prin gura de evacuare a impurităţilor mari 5. Pentru curăţirea sitelor, buratul este prevăzut cu un mecanism de perii ce acţionează pe suprafaţa exterioară, prin rotire în sens invers decât al sitelor. Turaţia tamburului rotativ, n [rot/min], se determină cu relaţia:

n  30

sin  α R  sinα

(V.12)

unde: φ [°] - unghiul de frecare; α [°] - unghiul de înclinare a tamburului faţă de orizontală; R [m] - raza tamburului. Legătura între turaţia optimă, n [rot/min], şi diametrul tamburului, D [m], este dată de relaţia:

11 30 n D D

(V.13)

Productivitatea sitei rotative, P [kg/h], se calculează cu expresia:

P  200  μ  n  D3  h3  ρ v  tg2α în care:

130

μ [-]

(V.14)

- coeficientul de afânare a materialului;

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

h [m] - înălţimea stratului de material pe sită; ρv [kg/m3] - densitatea în vrac a materialului. V.3.4. Triorul cilindric Sortarea cu ajutorul trioarelor se efectuează după criterii de formă şi lungime. Din punct de vedere constructiv – funcţional, triorul cilindric (figura V.16) se compune dintr-un cilindru cu alveole 1, înclinat, care se roteşte în jurul axului 2, gura de alimentare 3, gurile de evacuare pentru produs sortat 6 şi pentru impurităţi 7, jgheabul 5 şi transportorul elicoidal 5.

Figura V.16 – Triorul cilindric

Modul de lucru al triorului cilindric este următorul: produsul de separat intră în trior prin gura de alimentare 3. Triorul se află în mişcare de rotaţie în jurul axului 2. În timpul rotaţiei cilindrului, impurităţile de formă sferică sau apropiată de aceasta (neghina, măzărichea, spărtura) se aşează în alveolele cu diametrul de 4,5 – 5 mm şi la o înălţimea de 100 – 115°, pentru trioarele de mare capacitate, cad în jgheabul 4 de unde 131

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

sunt preluate de transportorul elicoidal 5 şi evacuate prin gura 7. Eliminarea boabelor întregi (produs separat) se face prin gura 6. La trioarele normale, înălţimea de la care cad impurităţile din alveole este mai mică datorită vitezei liniare mai mici a cilindrului rotativ. Pentru uşurarea deplasării produsului şi a evacuării, în cazul trioarelor de mare capacitate montarea acestora se face uneori cu o înclinare de 1 – 2°, mai mare în cazul trioarelor normale (5 – 6°). Diametrul unui astfel de trior de mare capacitate este de 2000 – 2500 mm. O bună separare se realizează dacă se respectă condiţiile: - impurităţile să cadă de la o anumită înălţime pe această suprafaţă; - jgheabul de colectare a impurităţilor să fie reglat corect; - cilindrul să fie încărcat uniform; - alveolele să fie curăţate. Înălţimea minimă, h [m], de la care impurităţile au condiţii de a intra în alveolele triorului este:

h

V0 2g

(V.15)

în care V0 [m/s] reprezintă viteza iniţială a impurităţilor:

V0  ω  R  unde: ω [rot/min] d [mm] R [mm]

132

gd 4ωR

(V.16)

- viteza unghiulară a cilindrului rotativ; - diametrul impurităţilor; - raza cilindrului.

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Separarea impurităţilor este posibilă atunci când ele cad cu o anumită viteză iniţială în alveole şi nu alunecă pe suprafaţa triorului. Suprafaţa activă de separare, S [m 2], se determină cu relaţia:

S  π DL în care:

(V.17)

D [m] - diametrul cilindrului; L [m] - lungimea cilindrului.

Între diametrul şi lungimea cilindrului există un raport aproximativ:

L  3,4  4,2 D

(V.18)

Capacitatea de lucru, Q [kg/h], a unui astfel de trior este:

Q  π DL q

(V.19)

în care q [kg/(m2·h)] reprezintă încărcătura specifică (pentru trioare cilindrice normale ia valori în jur de 200 – 250, iar pentru trioare rapide 800 – 900). Turaţiile, n [rot/min], pentru astfel de trioare se determină din relaţiile: -

pentru trioare normale (lente)

6 9 n R R

(V.20)

133

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

-

pentru trioare de mare capacitate (rapide):

21 27 n R R

(V.21)

unde R [m] reprezintă raza triorului.

V.3.5. Triorul spiral Sortarea cu triorul spiral se realizează sub influenţa forţei gravitaţionale, de-a lungul unei suprafeţe elicoidale înclinate. Triorul spiral se foloseşte la recuperarea spărturii din amestecul de impurităţi rezultate în urma unor separări anterioare. Simultan cu separarea spărturii se realizează şi îndepărtarea neghinei, măzărichei şi a altor particule de pământ. Din punct de vedere constructiv – funcţional, triorul spiral (figura V.17) se compune dintr-o spirală 2 (înclinată, elicoidală), dintr-o pâlnie de alimentare 1 şi din mai multe pâlnii de evacuare: a pământului, nisipului şi spărturilor foarte mici 3, a spărturii şi neghinei 4, a neghinei 5 şi a măzărichei 6. Modul de lucru cu un astfel de trior este următorul: amestecul de sortat intră în trior prin pâlnia de alimentare 1, de unde se împrăştie prin cădere pe suprafaţa spirei. Datorită diferenţei de formă, stării suprafeţei şi coeficientului de frecare diferit, spărturile încep să se separe; particulele de formă sferică şi cu suprafaţă lucioasă se îndepărtează cel mai mult de axul central. Fracţiunile separate se elimină prin cele patru pâlnii de evacuare: Sortarea eficace se asigură dacă înălţimea triorului este cel puţin de trei ori mai mare decât diametrul celei mai mari spirale. Capacitatea de lucru a triorului spiral este de 125 – 150 kg/h.

134

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura V.17 – Triorul spiral

V.3.6. Separatorul cascadă Separarea impurităţilor cu separatorul cascadă se realizează pe baza însuşirilor aerodinamice ale diferitelor fracţiuni din amestecul iniţial. Aceste fracţiuni sunt supuse acţiunii a două forţe: greutatea proprie (G) şi forţa aerului (F) care acţionează asupra particulei.

135

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Forţa F [N] cu care curentul de aer acţionează asupra particulei se exprimă cu relaţia: 2  v  V F  c Sγ

g

în care:

(V.22)

c [-] - coeficient de rezistenţă – coeficientul aerodinamic ce depinde de forma şi starea suprafeţei particulei; S [m2] - aria proiectării particulei pe o suprafaţă perpendiculară pe direcţia curentului de aer; γ [kg/m3] - greutatea specifică a aerului; v [m/s] - viteza absolută a curentului de aer; V [m/s] - viteza absolută a mişcării particulei.

Faţa de direcţia curentului de aer, particule se poate găsi în diferite poziţii. În figura V.18 este prezentată schema de separare cu ajutorul unui curent de aer orizontal a unui amestec compus din boabe de cereale şi impurităţi uşoare.

Figura V.18 – Schema comportării unor particule supuse unui curent de aer

136

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Eficacitatea acţiunii de separare a curentului de aer depinde de înălţimea de cădere a boabelor în acest curent. De exemplu, în cazul grâului, s-a constatat experimental că înălţimea optimă este de 35 cm, iar viteza optimă a curentului de aer de 6 – 7,5 m/s. Separarea impurităţilor cu separatorul cascadă este considerată una din cele mai simple şi eficiente procedee de separare. În figura V.19 este prezentat separatorul cascadă. Din punct de vedere constructiv – funcţional, acesta se compune din gura de alimentare cu material 1, clapeta de reglare a debitului 2, valţul distribuitor 3, şicanele 4, magnetul permanent 5, camera de expansiune 6 şi clapeta de golire 7.

Figura V.19 – Separatorul cascadă

137

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Modul de lucru al separatorului cascadă este următorul: materialul de separat este alimentat în separator prin gura 1. Debitul de material este reglat de clapeta 2 şi valţul distribuitor 3. Amestecul de cereale şi impurităţi cade peste şicanele 4 unde este supus acţiunii unui curent ascendent de aer care antrenează impurităţile uşoare pe care le depune în camera de expansiune 6. Produsul curăţat de impurităţile uşoare trece pe suprafaţa magnetului permanent 5 unde sunt reţinute eventualele impurităţi metalice. Prin acţionarea periodică a clapetei de golire 7, produsul curăţat este evacuat din separator.

V.3.7. Masa densimetrică Impurităţile sub formă de pietricele, fragmente de corpuri metalice, cioburi, bulgări de pământ de aceeaşi mărime cu boabele de cereale dar mai grele decât acestea, care au dimensiuni mai mari sau mai mici decât boabele de cereale, pot fi separate prin cernere. Impurităţile care au însă dimensiuni asemănătoare cu ale boabelor de cereale se separă pe baza diferenţei de masă specifică. Principiul separării după masa specifică este următorul: amestecul este dispus pe o suprafaţă special construită, aflată în mişcare oscilatorie, unde diferitelor fracţiuni din amestec, datorită maselor specifice, le sunt imprimate viteze şi direcţii de deplasare diferite. În figura V.20 este prezentată schema tehnologică de separare după masa specifică. Amestecul iniţial (boabe şi pietre) este alimentat pe suprafaţa ciurului 1, unde este supus acţiunii mişcărilor oscilatorii, primite de la mecanismul (suspensiile elastice) 2, şi curentului de aer ascendent. Are loc astfel separarea fracţiunilor.

138

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura V.20 – Schema tehnologică de separare după masa specifică

Masa densimetrică (figura V.21) realizează sortarea unui amestec prin combinarea efectului separării după masa specifică cu proprietăţile aerodinamice ale diferitelor fracţiuni. Din punct de vedere constructiv – funcţional, masa densimetrică se compune din zona de alimentare 1, ciurul 5. Mişcarea oscilatorie a mesei provine de la motorul 7 prin sistemul de acţionare 8 şi suspensiile elastice 6. Curentul de aer este produs de ventilatorul 10. Se mai deosebeşte sita de uniformizare a aerului 9. Modul de lucru este următorul: amestecul de cereale şi impurităţi sunt alimentate prin zona 1 pe suprafaţa ciurului 5. Datorită mişcării oscilatorii, înclinaţiei ciurului şi curentului de aer ascendent, se produce separarea diferitelor fracţiuni din amestec în straturile 2, 3, 4. Evacuarea produselor de pe suprafaţa ciurului se face prin mai multe guri prevăzute pe suprafaţa ciurului. Mai întâi sunt eliminate de pe ciur produsele cele mai uşoare şi în final cele mai grele (pietre). Separarea optimă se realizează prin respectarea următoarelor condiţii: - cantitatea de produs trebuie alimentată în jet continuu şi constant pe suprafaţa ciurului; - înclinarea longitudinală şi transversală a mesei trebuie să corespundă cu încărcătura şi gradul de impurificare şi să asigure repartizarea amestecului pe întreaga suprafaţă;

139

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

- viteza aerului ascendent trebuie să fie corespunzătoare, astfel încât să nu dea aspectul de fierbere a produsului pe suprafaţa mesei.

Figura V.21 – Schema tehnologică de separare cu masa densimetrică

V.3.8. Magneţi permanenţi. Elect romagneţi Deseori printre boabele de cereale se găsesc impurităţi metalice, de cele mai multe ori de natură feroasă, care trebuiesc eliminate. Cel mai des procedeu de separare a corpurilor feroase este cel cu magneţi permanenţi, datorită simplităţii, a eficienţei, nu are organe în mişcare şi nu consumă energie.

140

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Din punct de vedere constructiv – funcţional, magneţii permanenţi (figura V.22) se compun magnetul 7, gura de alimentare 1 şi cea de evacuare a produsului (cerealelor) 6, dispozitivul de fixare 2 şi piuliţa de fixare 5, şuberul de reglare a debitului 3, fereastra de control 4 şi planul înclinat 8.

Figura V.22 – Magnet permanent

Modul de lucru este următorul: amestecul ce conţine impurităţi metalice (feroase) este alimentat în magnetul permanent prin gura 1. Debitul de produs este reglat prin intermediul şuberului 3, fixat cu dispozitivul 2 şi piuliţa 5. Astfel, debitul dorit de amestec ajunge pe planul înclinat 8 şi trece pe magnetul 7. Acesta reţine impurităţile metalice, iar produsul curăţat este evacuat prin gura 6. Impurităţile metalice sunt îndepărtate periodic prin periere. Întreg procesul poate fi observat prin fereastra 4. Eficacitatea magneţilor permanenţi depinde de de puterea lor de atracţie, de viteza de deplasare a produsului şi mărimea impurităţilor. Unghiul sub care trec cerealele pe polii magnetului trebuie să fie mai mic de 90° (optim 40°), iar viteza să nu depăşească 0,2 – 0,3 m/s. Înclina pe polii magnetului trebuie să fie mai mic de 90°, iar viteza să nu depăşească 0,2 – 0,3 m/s.

141

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Puterea de atracţie a magneţilor permanenţi, P [kg], se calculează cu relaţia:

B2  S P 8  π  981000

(V.23)

unde: B [Gs] - inducţia magnetică; S [cm2] - secţiunea transversală a câmpului magnetic. Separarea impurităţilor metalice (feroase) cu electromagneţi este un procedeu mai eficace de separare, comparativ cu magneţii permanenţi, dar mai pretenţios, ce necesită o sursă de curent electric. Din punct de vedere constructiv – funcţional, un electromagnet (figura V.23) se compune dintr-o bandă transportoare 5 şi doi tamburi, din care unul (2) este electromagnetic. Electromagnetul mai este prevăzut cu o gură de alimentare 4 şi două de evacuare, pentru produs (cereale) 6 şi pentru impurităţi metalice 7, dispozitiv de reglare a debitului de alimentare 3 şi racordul 1 la reţeaua de aspiraţie a aerului. Modul de lucru este următorul: amestecul este alimentat prin gura 4 pe banda transportoare 5. Debitul de alimentare este reglat prin intermediul dispozitivului 3. Înainte de evacuarea de pe bandă, amestecul trece peste tamburul electromagnetic 2, care reţine impurităţile metalice (feroase). Produsul curăţat este evacuat din utilaj prin gura 6, iar impurităţile metalice separate, prin gura 7. Deoarece la căderea liberă pe banda transportoare, amestecul de alimentare dezvoltă praf, carcasa utilajului este legată prin intermediul racordului 1 la o reţea de aspiraţie a prafului.

142

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura V.23 – Electromagnet

Capitolul VI AMESTECAREA VI.1. Definiţii. Factori de influenţă. Parametri

143

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Amestecareaeste operaţia hidrodinamică ce are ca scop omogenizarea în interiorul sistemului supus amestecării. Produsul operaţiei de amestecare se numeşteamestec. Operaţia de amestecare se poate utiliza în două moduri: - ca operaţieindependentă, pentru omogenizarea amestecurilor şi obţinerea soluţiilor, emulsiilor, suspensiilor); - ca operaţie auxiliară, pentru intensificarea transferului de căldură şi/sau substanţă, accelerarea reacţiilor chimice sau biochimice sau auxiliar altor operaţii (cristalizare, extracţie, absorbţie, uscare etc.). În tabelul VI.1 sunt prezentate tipurile de amestecuri omogene sau eterogene ce pot rezulta în urma operaţiei de amestecare (amesteculeterogen este acel amestec obţinut în cazul în care faza dispersată nu se dizolvă sau nu se topeşte mediul de dispersie), iar în tabelul VI.2 – diferitele denumiri ale operaţiei de amestecare, funcţie de componentele ce se amestecă. Tabelul VI.3 conţine factorii de influenţă ai operaţiei de amestecare. Efectul de amestecare se poate datora unor mulţime de factori, sintetizaţi în tabelul VI.4.

Tabelul VI.1 – Amestecuri omogene şi eterogene Componente amestec

Amestec Sisteme omogene

SOLID – SOLID

144

Sisteme eterogene Amestec solid Dispersii gazoase:

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

GAZ – SOLID

Amestec de gaze

GAZ – LICHID

Soluţii de gaze în lichide

LICHID – LICHID

Soluţii de lichide

LICHID – SOLID

Soluţii solide în lichide

fum (solid-gaz); strat fluidizat; strat străpuns Dispersii gazoase: ceaţă (lichid-gaz); lichid pulverizat Dispersii lichide: spumă (gaz-lichid); strat de bule Dispersii lichide: emulsii Dispersii lichide: suspensii (solidlichid); strat fluidizat; strat străpuns

Tabelul VI.2 – Denumiri ale operaţiei de amestecare Denumire Agitare

Malaxare Amestecare

Omogenizare

Utilizare Amestecare între fluide Amestecare între lichide şi solide Amestecarea lichidelor, pastelor sau topiturilor cu vâscozitate sau consistenţă mare Omogenizarea solidelor pulverulente sau granulare Reducerea dimensiunii picăturilor fazei interne pentru sisteme disperse lichide tip emulsii

Tabelul VI.3 – Factori de influenţă ai operaţiei de amestecare Categorie

Factori

Natura componentelor Starea fizică a componentelor Factori referitori la Raportul cantitativ al componentelor materialele supuse Proprietăţile componentelor: densitate,

145

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

amestecării

solubilitate, vâscozitate, tensiune superficială, granulometria şi forma particulelor (pentru solide), umectibiltatea (pentru solide) Factori referitori la Proprietăţile produsului: densitatea, produsul rezultat în vâscozitatea, tensiunea superficială urma amestecării Gradul de omogenizare Intensitatea amestecării Regimul de funcţionare Cantitatea sau debitul de produs Durata amestecării sau durata medie de Factori referitori la staţionare operaţia de amestecare Temperatura şi presiunea de lucru Scopul operaţiei Tipul amestecătorului Puterea necesară amestecării Costul operaţiei

Tabelul VI.4 – Efectul de amestecare Tip Amestecare locală

Amestecare generală

Cauze Generarea unor viteze cât mai diferite ca mărime şi direcţie în apropierea dispozitivului de amestecare Antrenarea generală în circulaţie lentă a întregii mase de material; se asigură înnoirea permanentă a materialului în regiunile cu turbulenţă mai intensă, în care predomină amestecarea locală

Din studiile teoretice, cercetările experimentale şi aplicaţiile practice nu s-au putut determină până în prezent criterii şi relaţii general valabile pentru alegerea şi dimensionarea celui mai adecvat amestecător, a celei mai adecvate durate de amestecare, pe baza proprietăţilor cunoscute ale componentelor ce se amestecă şi ale produsului

146

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

rezultat în urma operaţiei de amestecare. Nu există o mărime care să exprime efectul de omogenizare a amestecătoarelor. Pentru exprimarea omogenizării fazelor unui lichid agitat, Kafarov propune următoarea metodă: din câteva puncte ale lichidului, situate la diferite înălţimi şi distanţe de axa agitatorului, se iau probe la un anumit moment. Concentraţiile relative a celor două faze a şi b, na şi nb [%], se exprimă prin relaţiile:

în care:

na  100

c c0

(VI.1)

nb  100

100  c 100  c 0

(VI.2)

c0 [%] - concentraţia globală a componentului a în amestecător; c [%] - concentraţia componentului a în probă.

Gradul de omogenizare pentru întreg lichidul într-un amestecător, I [%], este: m

I

n

i

1

m

(VI.3)

unde: m [-] - numărul probelor recoltate la un moment dat din amestecător; ni = na când c < c0 şi ni = nb când c > c0. Intensitatea amestecării se evaluează funcţie de viteza periferică a dispozitivului de amestecare (în cazul amestecătoarelor cu elemente mobile) sau consumul specific de agent de barbotare (pentru amestecătoarele prin barbotare) şi funcţie de puterea specifică consumată. În tabelul VI.5 sunt

147

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

indicate cele trei cazuri de evaluare a intensităţii amestecării funcţie de cei doi factori – viteză şi putere – enumeraţi anterior. Tabelul VI.5 – Evaluarea intensităţii amestecării

Intensitate Slabă Medie Intensă

Debit specific la barbotare cu aer [m3/(m2·s)] 0,003 – 0,006 0,007 – 0,014 0,015 – 0,020

Amestecare mecanică Putere Viteza consumată periferică [W/m2 lichid] 100 – 200 400 – 600 800 – 2000

[m/s] 104.

VI.2. Tipuri de amestecătoare Clasificarea amestecătoarelor este indicată în tabelul VI.6.

148

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul VI.6 – Clasificarea amestecătoarelor Categorie

Tipuri

1

2

Amestecătoare fără elemente mobile: - prin recirculare - cu şicane - în aparate tip coloane (cu şicane, - prin curgerea forţată a cu talere sită, cu umplutură) fluidelor - cu injectoare sau duze - cu sistem gaz - lift - cu tub Venturi - cu barbotare - cu elemente statice de amestecare Amestecătoare cu elemente mobile: - cu paletă plană dreptunghiulară - cu braţe simple - cu braţe şi şicane - cu braţe tip ancoră (simplă, dublă) - agitatoare cu braţe (sau - cu cadru (cu braţe verticale sau palete) orizontale) - cu raclete - planetare - umblătoare - cu impeller - cu ax vertical şi elice simplă - cu ax vertical excentric - agitatoare cu elice - de tip portabil - cu ax orizontal - cu ax excentric înclinat - cu elice şi tub de circulaţie 1 - agitatoare centrifuge

2 - cu rotor deschis cu palete (drepte, înclinate, curbe) - cu rotor închis (fără sau cu stator) - cu benzi elicoidale

149

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

- amestecătoare pentru materiale consistente (malaxoare)

- amestecătoare pentru materiale pulverulente şi granulare

- cu două braţe malaxoare şi rotire în sens de întâmpinare - cu braţe fixe şi cuvă rotativă - tip extruder - tip valţ - bătătoare - cu unul sau mai multe şnecuri - mecanice cu tobă rotativă: - cu tobă cilindrică orizontală sau vertical-înclinată - cu conuri - cu tobă de amestecare în formă de V sau Y - cu tobă elipsoidală oblică - cu tobă prismatică - pneumatice

VI.2.1. Amestecătoare fără elemente mobile Amestecarea fără elemente mobile se poate realiza prin circulaţia forţată a lichidelor sa prin barbotare de gaze sau vapori. În figura VI.1 este prezentat un amestecător cu circulaţie forţată a lichidelor, cu injector. O componentă este fluidul motor, care poate fi abur, aer, alte gaze, apă sau alte lichide, toate sub presiune suficientă astfel încât să poată produce o turbulenţă satisfăcătoare. Se deosebesc cele două componente de amestecat, I şi II, care sunt introduse printr-un injector în zona de amestecare, ce poate avea diferite profiluri. Se poate observa un exemplu de amestecare de acest tip, în care un concentrat de culoare albastră este amestecat cu apă. Prin trecerea prin zona de amestecare se obţine un amestec omogen.

150

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VI.1 – Amestecător cu circulaţie forţată a lichidelor, cu injector

Un alt tip de amestecător fără elemente mobile este cel cu tub Venturi, prezentat în figura VI.2.

Figura VI.2 – Amestecător cu tub Venturi

Dacă în interiorul amestecătorului se dispun şicane, scade viteza de înaintare în aparat a componentelor ce se doresc a se amesteca şi creşte astfel timpul de staţionare a

151

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

acestora în aparat. Astfel de amestecătoare cu şicane sunt prezentate în figura VI.3.

a

b Figura VI.3 – Amestecătoare cu şicane

O altă categorie de amestecătoare fără elemente mobile sunt cele cu barbotare de gaze sau vapori. Aceste se compun în principal dintr-un barbotor prin care se introduce gaz sau vapori în masa de lichid, realizându-se astfel amestecarea. În figurile VI.4 şi VI.5 sunt prezentate câteva tipuri de amestecătoare cu barbotare de gaze sau vapori: barbotor inelar (figura VI.4a), cu ţevi inelare concentrice (figura VI.4b), cu ţevi paralele (figura VI.5a) şi cu lumânări (figura VI.5b).

a

b

Figura VI.4 – Amestecătoare cu barbotoare inelare

152

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a

b

Figura VI.5 – Amestecătoare cu barbotoare cu ţevi şi cu lumânări

În figura VI.6 este dat exemplul de aplicare a unui amestecător cu barbotor în cadrul unei instalaţii, şi anume instalaţia de carbonatare a zemurilor de difuzie prin barbotare. Din punct de vedere constructiv – funcţional, turnul de carbonatare 1 (figura VI.6a), se compune din conductele de alimentare cu soluţie 2 şi cu gaze 4, clopotul pentru distribuţia lichidului 9, barbotorul pentru distribuţia gazelor 6 (figura VI.6b), şicanele din şipci (grătarele) 3 (figura VI.6c) şi suportul pe care sunt dispuse 4, racordurile de evacuare a amestecului 7 şi a gazelor 1, preaplinul 10. Presiunea gazului sau vaporilor la intrarea în barbotor, p [Pa], se calculează cu relaţia: 2 n  l w p  p 0  ρ1gH   λ   ξ i  ρ g (VI.5)  d i1  2

unde: p0 [Pa] ρl [kg/m3] g [m/s2] H [m]

- presiunea în sistem (turn); - densitatea lichidului; - acceleraţia gravitaţională; - înălţimea coloanei de lichid deasupra orificiilor;

153

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

λ [-] l [m] d [m] n [-] ξ [-] w [m/s] ρg [kg/m3]

- coeficientul de frecare; - lungimea conductei de gaz sau vapori; - diametrul conductei de gaz sau vapori; - numărul rezistenţelor locale; - coeficienţi de rezistenţă; - viteza gazului sau vaporilor; - densitatea gazului sau vaporilor.

b

c

a Figura VI.6 – Instalaţia de carbonatare prin barbotare

VI.2.2. Amestecătoare mecanice cu braţe În figurile VI.7 – VI.12 sunt prezentate câteva tipuri de amestecătoare cu braţe: cu paletă dreptunghiulară (figura VI.7), cu cadru (figura VI.8), cu braţe perpendiculare pe arbore (figura VI.9a), cu braţe paralele cu arborele (figura VI.9b), cu braţe şi şicane (figura VI.9c), cu ancoră (figura VI.10), cu impeller (cu

154

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

braţe asimetrice, de lungime neegală) (figura VI.11), cu elice (propeller) (figura VI.12).

Figura VI.7 – Amestecător cu paletă dreptunghiulară

a

b

Figura VI.8 – Amestecător cu cadru

c

Figura VI.9 – Amestecătoare cu braţe

155

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VI.10 – Amestecător cu ancoră

Figura VI.11 – Amestecător cu impeller

Figura VI.12 – Amestecătoare cu elice (propeller)

VI.2.3. Malaxoare Malaxoarele sunt amestecătoare destinate omogenizării maselor consistente, păstoase sau realizării unor operaţii speciale (de exemplu baterea smântânii în vederea separării fazelor grăsime – apă şi malaxarea untului obţinut pentru eliminarea fazei apoase – zarea – în industria produselor lactate).

156

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

În figura VI.13 sunt prezentate trei tipuri de malaxoare pentru industria de panificaţie: malaxorul tip MA–300 (figura VI.13a), frâmântătorul de aluat tip FA OLT–300 (figura VI.13b) şi tip FA UTALIM–300S (figura VI.13c). Din punct de vedere constructiv – funcţional, se deosebesc dispozitivul de malaxare cu braţe, ancoră sau spirală 1, cuva în mişcare de rotaţie 2 montată pe platforma mobilă 3 şi batiul cu sistemul de acţionare 4. Caracteristicile tehnice ale acestor trei tipuri de malaxoare sunt indicate în tabelul VI.7.

a

b

Figura VI.13 – Malaxoare pentru panificaţie

157

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul VI.7 – Caracteristici tehnice principale ale malaxoarelor de panificaţie Caracteristici

Malaxor MA-300

Malaxor FA OLT-300

Malaxor FA UTALIM-300

Capacitatea cuvei [l] Putere instalată [kW] Timp de malaxare [min] Turaţia cuvei [rot/min] Turaţia braţului [rot/min] Masa şarjei [kg] Dimensiuni de gabarit [mm x mm x mm] Masa [kg]

300

300

300

3

3

7,8

8 – 10

5–8

3–7

6

8

9 – 18

20

25

46 – 92

200 1700 x 1005 x 1410

200 – 240 1510 x 954 x 1647

200 – 240 1612 x 1040 x 1670

755

896

1672

Aceste malaxoare se pot utiliza şi în industria cărnii sau produselor lactate. Pentru aluaturi foarte consistente, cum sunt de exemplu cele pentru paste făinoase, se folosesc malaxoare cu ax orizontal şi braţe multiple. Un astfel de malaxor tip MCT–600 este prezentat în figura VI.14, iar caracteristicile tehnice în tabelul VI.8. Din punct de vedere constructiv – funcţional, acest malaxor se compune din cuva cu manta dublă 3 (figura VI.14b), axul orizontal 2 pe care se află braţele malaxoare 1. Figura VI.14c prezintă diferite forme ale braţelor. Caracteristicile tehnice ale acestui malaxor sunt indicate în tabelul VI.8.

158

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a

b

c

d Figura VI.14 – Malaxor pentru aluat foarte consistent

159

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul VI.8 – Caracteristici tehnice ale malaxorului pentru aluat foarte consistent Caracteristici Capacitatea cuvei [l] Turaţia axului cu braţe [rot/min] Durata de malaxare [min] Putere de antrenare [kW] Putere de acţionare Dimensiuni de gabarit [mm x mm x mm] Masa [kg]

Malaxor tip MCT–600 600 6 – 12 – 18 – 36 max. 15 10 / 14 1,1 1900 x 1036 x 1920 2150

În figura VI.15 se prezintă malaxorul pentru unt, la care amestecarea se realizează cu ajutorul unui valţ cilindric canelat. Din punct de vedere constructiv – funcţional, se deosebesc tamburul (putineiul) de batere 2 în interiorul căruia se află valţul pentru malaxarea untului 3 şi capacul 1. Tamburul este pus în mişcare prin intermediul sistemului de acţionare compus din roţile de antrenare 5 şi cutia de viteze 4. Întreg ansamblul se sprijină pe cadrul de susţinere 6. În figura VI.15b sunt schematizate şase tipuri de valţuri cu cilindrii canelaţi pentru malaxarea untului.

a

b Figura VI.15 – Malaxor pentru unt

160

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Turaţia maximă, nmax [rot/min], smântânii, se calculează cu relaţia:

nmax 

1 2 R

necesară

baterii

(VI.6)

în care R [m] reprezintă raza tamburului. Turaţia optimă, nopt [rot/min], pentru un unghi de ridicare a smântânii în tambur  de 50 – 75°, este mai mică decât turaţia maximă nmax şi se calculează cu relaţia:

n

sinα 2 R

(VI.7)

Un exemplu de amestecător cu două axe cu braţe este prezentat în figura VI.16. Un astfel de amestecător, adecvat malaxării mediilor înalt vâscoase, se utilizează în industria ciocolatei. Din punct de vedere constructiv – funcţional, se deosebesc cuva de amestecare 3, cele două axe cu braţe 4 sprijinite în lagărele 2, gurile de alimentare a componentelor de amestecat 10 şi de evacuare a produsului amestecat 8, capacul 11. Axele cu braţe primesc mişcarea de la un motor electric 7 prin intermediul transmisiei prin curea 5 şi a cuplajului 1. Întreg sistemul de acţionare se află în carcasa 6. Întreg ansamblul se sprijină pe stativul 9.

161

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VI.16 – Malaxor pentru ciocolată

VI.2.4. Amestecătoare pentru solide Pentru amestecarea maselor alimentare solide, tipul de amestecător care poate asigura o omogenizare eficientă se alege în funcţie de modul de prezentare a componentelor ce trebuiesc amestecate: pulbere, granule sau bucăţi. Pentru a putea amesteca solide, particulele trebuie să se deplaseze sau să fie deplasate. Operaţia de amestecare a solidelor poate fi caracterizată ca o suprapunere dintre dispersie şi convecţie (figura VI.17). Prin dispersie se înţelege schimbarea întâmplătoare a locaţiei fiecărei particule. Dispersia este un efect local (microamestecare), care dă rezultate la un sistem deja amestecat şi la care multe particule ale diferitelor componente se află în vecinătate şi se produce o amestecare fină pe un spaţiu mic. Dispersiei îi corespunde difuzia la amestecarea fluidelor; în opoziţie cu difuzia, la dispersie cauza amestecării nu o constituie gradientul de concentraţie, ci o mişcare forţată, de exemplu prin rotirea unui melc, duce la fenomenul de amestecare prin dispersie. Prin amestecarea cu mijloace ajutătoare, de exemplu melc sau ax cu palete, se realizează apropierea grupelor mai mari de particule (convecţie). Întreaga cantitate de material este divizată permanent şi după o schimbare de poziţii, din nou

162

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

amestecată (macro-amestecare) şi astfel mărimea grupelor care sunt formate dintr-o singură componentă este permanent diminuată.

Figura VI.17 – Cinetica amestecării în cazul solidelor

Pentru produse pulverulente se utilizează amestecătoare cu şnecuri (melci) orizontale sau verticale. În figura VI.18 este prezentat amestecătorul cu melc vertical, compus din gurile de alimentare 1 şi de evacuare 4, corpul amestecătorului 3 şi melcul de amestecare 3. De asemenea, pentru amestecarea solidelor se mai folosesc amestecătoare cu tambur (tobă). În figura VI.19 este prezentat un amestecător cu tambur cilindric orizontal. În timpul rotirii tamburului, materialul de la periferie este adus către centrul tamburului. Pentru aceasta trebuiesc îndeplinite două condiţii: - pereţii tamburului să nu fie netezi pentru a evita ca materialul să lunece, fără să se amestece; - turaţia tamburului să nu fie prea mare pentru ca forţa centrifugă să ţină granulele de material solid aderente la peretele tamburului.

163

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VI.18 – Amestecător cu melc vertical

Figura VI.19 – Amestecător cu tambur cilindric orizontal

Un grăunte de material care se găseşte la partea superioară a tamburului este supus acţiunii a două forţe: greutatea proprie G şi forţa centrifugă Fc, care au expresiile:

G  mg

164

(VI.8)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Fc  mω 2 unde: m g 2

(VI.9)

- masa grăuntelui; - acceleraţia gravitaţională; - viteza unghiulară a tamburului;

ω n D

D 2

2πn 60

(VI.10)

- turaţia tamburului; - diametrul tamburului.

Pentru ca grăuntele să nu rămână proiectat pe perete, ci să cadă, trebuie îndeplinită condiţia: G > Fc

(VI.11)

Rezultă condiţia de desprindere a grăuntelui de pe peretele tamburului de amestecare:

n

42,3 D

(VI.12)

În practică, turaţia tamburului se ia între limitele:

32 35 n D D

(VI.13)

În figura VI.20 sunt prezentate diferite forme geometrice ale tobelor de amestecare: cilindrice (figura VI.20a) şi prismatice (figura VI.20b) cu diverse dispuneri în raport cu axa orizontală; biconice (figura VI.20c), în formă de Y (figura VI.20d), elipsoidale (figura VI.20e). 165

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VI.20 – Forme ale tobelor pentru amestecarea solidelor

Capitolul VII SEDIMENTAREA VII.1. Definiţii. Caracterizări

166

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Amestecurile eterogene sunt formate din două sau mai multe faze solide, lichide sau gazoase, din care o fază internă sau dispersă (constituită din particule fine), şi o fază continuă, externă sau dispersantă, care o înconjoară pe cea internă. În tabelul VII.1 sunt prezentate diferitele tipuri de amestecuri eterogene funcţie de starea fizică a fazei dispersate. Tabelul VII.1 – Amestecuri eterogene Denumire Suspensie Emulsie Dispersie gazoasă

Aerosol

Starea fizică a fazei dispersate Faza dispersantă lichidă Faza dispersată constituită din particule solide (de exemplu cerea în apă, nisip în apă) Ambele faze – dispersantă şi dispersată – lichide Faza dispersantă gazoasă Faza dispersată formată din particule solide (de exemplu praf în lapte) Faza dispersantă gazoasă Faza dispersată constituită din particule fine de lichid

Scopul separării amestecurilor eterogene este de a obţine cele două faze – dispersantă şi dispersată – în stare cât mai pură. Sedimentarea este operaţia de separare a sistemelor eterogene fluide în fazele componente, sub acţiunea diferenţiată a unei forţe externe asupra fazelor de densităţi diferite. În tabelul VII.2 sunt indicate principalele denumiri ale operaţiei de sedimentare, funcţie de scopul acesteia, iar în tabelul VII.3 – termeni importanţi utilizaţi în operare. Tabelul VII.2 – Denumiri ale operaţiei de sedimentare

167

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Denumire

Utilizare

Îngroşare Clarificare sau limpezire

Concentrarea prin sedimentare a fazei solide Separarea înaintată a fazei lichide dintr-o suspensie; se elimină practic faza solidă (curăţare) Când ambele faze ale suspensiei sunt valoroase

Sedimentare

Tabelul VII.3 – Termeni importanţi Denumire

Definire

Influent sau alimentare Sediment (precipitat, nămol)

Suspensia iniţială Faza solidă dispersă îmbibată cu lichid, depusă prin sedimentare Lichidul rezultat în urma sedimentării

Decantat

VII.2. Sedimentarea în câmp de forte gravitaţional VII.2.1. Factori de influenţă Principalii factori care influenţează operaţia de sedimentare sunt sintetizaţi în tabelul VII.4. Tabelul VII.4 – Factori care influenţează operaţia de sedimentare a sistemelor eterogene lichide Elementul de referinţă

Factori de influenţă Concentraţia fazei solide (raport solid / lichid) Cantitatea sau debitul suspensiei

168

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Suspensie

Faza lichidă

Operaţia de sedimentare

Produse rezultate

Vârsta suspensiei (din momentul formării) Temperatura Vâscozitatea Natura fazei lichide Densitatea Vâscozitatea Concentraţia de electroliţi Viteza de sedimentare Durata operaţiei Adaosuri pentru coagulare şi floculare Mod de funcţionare (continuă, discontinuă, mixtă) Tipul decantorului Concentraţia fazei solide în decantat Concentraţia fazei lichide în sediment

Diferitele moduri de sedimentare sunt determinate de structura fazei solide (grăunţoasă, negrăunţoasă, uscată) şi concentraţia acesteia. Într-o suspensie diluată de particule grăunţoase, acestea sedimentează individual, cu viteze de sedimentare diferite, funcţie de mărimea particulelor. Într-o suspensie concentrată negrăunţoasă cu flocoane îmbibate cu lichid, sedimentarea particulelor nu mai are loc independent, particulele se asociază şi se influenţează reciproc. Stabilitatea sistemelor coloidale (suspensii şi emulsii) poate fi distrusă prin: - coagulare – se neutralizează sarcinile electrice ale particulelor, prin adăugare de electroliţi cu sarcini electrice de semn contrar; - floculare. La coagulare, concentraţia de electroliţi necesară depinde de concentraţia sarcinilor electrice din soluţia de neutralizat şi nu de concentraţia particulelor în suspensie. Ca agenţi coagulanţi se utilizează în principal sărurile de ioni multivalenţi, Al2+, Ca2+, Fe3+.

169

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Flocularea pariculelor disperse se realizează prin utilizare de polimeri liniari neionici de greutate moleculară mare: macromoleculele lungi şi flexibile care se adsorb pe diferite particule, prin legături de hidrogen sau/şi prin grupări polare, în funcţie de natura suprafeţei particulelor şi a polimerului. Concentraţia optimă de floculare depinde de greutatea moleculară şi de concentraţia solidului în suspensie. Ca agenţi de floculare se utilizează polimeri polielectroliţi, în special poliacrilamida. În tabelul VII.5 sunt prezentaţi agenţii de coagulare şi floculare utilizaţi în industria alimentară. Tabelul VII.5 – Agenţi de coagulare şi floculare Denumire

Compoziţie

Mecanism

Utilizare

Doze

1

2

3

4

5

Bentonită

Silicat de aluminiu

Coagulare Floculare

Gelatină (+tanin) Cazeină

Deproteinizarea vinului

Vin

Gel de bentonită: • 20-30g / 100l vin sec • 100-200g / 100l vin tulbure Soluţie de 10% gelatină: • 2-5g / 100l cleire uşoară • max. 25g / 100l vin tulbure 10/20g / 100l

Aluminiu

Cazeinat de sodiu Al2(SO4)3

1

2

3

4

5

Separan

Poliactilamidă

Floculare

Vin

5-20mg/l

Polimer pe

Electrolitic

• Bere • Suc de

170

Floculare

Vin

Electrolitic Coagulare

Tratament ape

15ppm

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Silicagel

bază de SiO2

Lapte de var şi CO2

Ca(OH)2 şi CO2 formează un precipitat de CaCO3

Coagulare

fructe • Tratament ape

1-20ppm

Coagulare Floculare

Zeamă de difuzie

0,06-0,1% CaO

Asupra unei particule solide sferice aflată într-un fluid dispersant staţionar acţionează două forţe: greutatea aparentă a particulei şi forţa de frecare. Viteza de sedimentare (viteza critică), w 0, este viteza constantă a particulei solide aflate într-un fluid dispersant staţionar atunci când greutatea aparentă a particulei este egală cu forţa de frecare. Dacă mediul fluid se află în mişcare, viteza critică w0, care menţine particula în stare staţionară, se numeşte viteză de plutire. Teoria sedimentării stabileşte relaţiile de calcul pentru viteza de sedimentare, coeficientul de rezistenţă al mediului şi diametrele critice. Pentru determinarea vitezei de sedimentare w0 a unei particule izolate care sedimentează într-un fluid real se utilizează un model fizic simplificat care consideră sedimentarea uniformă, individuală, neinfluenţată de prezenţa altor particule şi de pereţii vasului, mişcarea unidirecţională, lipsa efectelor Cunnigham şi ale mişcării browniene. Când mărimea particulelor se apropie de lungimea drumului liber mijlociu al moleculelor (adică distanta medie parcursă de moleculă între două ciocniri), rezistenţa fluidului dispersat este mai mică decât în cazul modelului simplificat şi astfel viteza de sedimentare este mai mare decât cea corespunzătoare legii lui Stokes. Acest efect apare în cazul particulelor cu diametrul mai mic de 0,3μm în gaze şi mai mic de 0,01μm în lichide. În aceste cazuri, viteza de sedimentare se calculează înmulţind valoarea dată de legea lui Stokes cu un

171

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

factor supraunitar, între 1,3 şi 2,3. (corecţia Stokes – Cunnigham). Mişcarea browniană, după care particulele mici se mişcă dezorodnat, cu viteza în continuă schimbare ca valoare şi direcţie, se suprapune mişcării de sedimentare în sistemele în care diametrul particulelor este mai mic de 3μm şi devine predominantă la particule cu diametrul mai mic de 0,1μm. Cele două forţe care acţionează asupra unei particule sferice aflate într-un mediu fluid sunt: -

greutatea aparentă a particulei, G [N]:

G  V ρ p  ρ m g 

πd3 ρp  ρm g 6

(VII.1)

unde: V [m3] - volumul particulei; 3 p [kg/m ] - densitatea particulei; m [kg/m3] - densitatea mediului; d [m] - diametrul particulei; g [m/s2] - acceleraţia gravitaţională. -

Fξ

forţa de rezistenţă a fluidului, F ([N]:

w2 w2 πd2 ρm A  ξ ρm 2 2 4

(VII.2)

unde:  [-] - coeficient de rezistenţă; w [m/s] - viteza de cădere a particulei; 2 A [m ] - aria proiecţiei particulei sferice pe un plan perpendicular pe direcţia mişcării. Viteza de sedimentare w0 rezultă din egalarea celor două forte, care acţionează asupra particulei:

172

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

2 2 πd3 ρp  ρm g  ξ w ρm πd 6 2 4

(VII.3)

Rezultă ecuaţia generală a vitezei de sedimentare, w0 [m/s], a unei particule sferice într-un fluid staţionar newtonian:

w0 

4 d ρ p  ρ m  g 3ξ ρm

(VII.4)

Pentru particule de formă oarecare, viteza de sedimentare se poate cu ecuaţia generală (VII.5) dacă se determină prin observaţii microscopice volumul particulei şi proiecţia sa pe un plan orizontal pe direcţia de mişcare, precum şi variaţia coeficientului de rezistenţă funcţie de regimul de curgere. Pentru particule nesferice se poate folosi un diametrul echivalent dec [m]:

dec  1,23

m ρp

(VII.5)

unde m [kg] reprezintă masa particulei. Din cercetări experimentale şi din consideraţii de analiză dimensională rezultă că coeficientul de rezistenţă  este funcţie de numărul lui Reynolds Re. Această dependenţă este reprezentată în diagrama logaritmică  - Re (figura VII.1).

173

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.1 – Diagrama  - Re pentru particule solide

Deoarece curbele din figura VII.1 nu pot fi transpuse în ecuaţii unice, ele au fost împărţite în trei porţiuni: - prima porţiune, pentru Re < 1, este o dreaptă de ecuaţia:

ξ

24 24 η   24 Re w 0 dρ m w 0 dρ m η

(VII.6)

unde  [Pas] reprezintă vâscozitatea dinamică a mediului. - porţiunea mijlocie, pentru 1 < Re < 103, este o curbă reprezentată de ecuaţia:

ξ

174

18,5 Re 0,6

(VII.7)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

- porţiunea finală, pentru 103< Re < 105, este aproximativ orizontală; coeficientul de rezistenţă are valoarea constantă:

ξ  0,44

(VII.8)

Cele trei porţiuni definite mai sus sunt cele trei domenii de sedimentare: Stokes, Allen, Newton. Înlocuind în ecuaţia generală a vitezei de sedimentare (VII.4) expresiile coeficientului de rezistenţă pentru cele trei domenii, (VII.5), (VII.6), (VII.7), rezultă expresiile particulare ale vitezei de sedimentare pentru aceste domenii: - viteza de sedimentare pentru domeniul Stokes, w0S [m/s] (legea lui Stokes):

w 0S

1 d2 ρp  ρm g  18 η

(VII.9)

Legea lui Stokes este valabilă pentru particule sferice în domeniul până la Re = 1. În acest domeniu, viteza de sedimentare a particulei este proporţională cu pătratul diametrului acesteia. - viteza de sedimentare pentru domeniul

d1,14 ρ p  ρ m 

Allen, w0A [m/s]:

0,72

w 0 A  0,158

ρm

0,29

η

0,43

g0,72

(VII.10)

În domeniul intermediar, viteza de sedimentare a particulei este proporţională cu puterea 1,14 a diametrului acesteia. - viteza de sedimentare pentru domeniul Newton, [m/s] (legea lui Newton):

w0N

175

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

w 0N  1,74

dρ p  ρ m  ρm

g

(VII.11)

Conform legii lui Newton, viteza de sedimentare a particulei este proporţională cu rădăcina pătrată a diametrului acesteia. Dacă se cunoaşte factorul de formă sau de sfericitate, valoarea coeficientului de rezistenţă se poate determina direct funcţie de valoarea criteriul Reynolds din diagrama din figura VII.1. Factorul de formă sau de sfericitate al unei particule reprezintă raportul dintre aria sferei de volum egal cu volumul particulei şi aria particulei. În tabelul VII.6 sunt indicate valorile factorului de formă sau sfericitate  pentru unele corpuri. Semnificaţia notaţiilor din tabel este următoarea: - a = latura bazei prismei; - d = diametrul cilindrului; - h = înălţimea cilindrului. Tabelul VII.6 – Valorilefactorului de formă sau sfericitate  Corp

Sfericitatea

Sferă Octaedru Cub Prismă a x a x 2a a x 2a x 2a a x 2a x 3a

1 0,847 0,806 0,767 0,761 0,725

Corp Cilindru h=d h = 1,5d h = 5d h = 10d Inele Rasching Inele de sticlă

Sfericitatea 0,874 0,860 0,691 0,580 0,260 – 0,420 0,254 – 0,420

Diametrul maxim al particulelor care sedimentează după legea lui Stokes, dCS, şi diametrul minim al particulelor care se

176

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

depun după legea lui Newton, dCN, se numesc diametre critice. Ecuaţia generală pentru calculul diametrelor critice dC [m] este:

η2 dC  C3 ρp  ρm ρmg

(VII.12)

unde C [-] este un coeficient ce poate lua valorile 2,62 (pentru Re  1) sau 69,1 (pentru Re  1000).

VII.2.2. Aparate pentru sedimentare în câmp de forţe gravitaţional Aparatele de sedimentare în câmp de forţe gravitaţional se pot clasifica în: - camere de sedimentare sau de desprăfuire; - decantoare pentru suspensii solide în medii lichide; - decantoare – vase florentine pentru amestecuri lichid – solid. Camerele de desprăfuire se utilizează pentru separarea particulelor solide din aer, cu scopul purificării acestuia. Camera simplă de desprăfuire (figura VII.2) se compune din punct de vedere constructiv – funcţional dintr-o incintă 2, de lungime suficient de mare, astfel încât să asigura depunerea tuturor particulelor solide din aerul care o străbate şi din două guri: de alimentare 1 şi de evacuare 3. Modul de operare este următorul: amestecul intră prin gura de alimentare 1 dispusă la o înălţime suficient de mică ca să conducă la obţinerea unei viteze mici de sedimentare, obţinând astfel sedimentarea cât mai multor particule de dimensiuni mici. Evacuarea aerului curat se face pe la partea superioară prin

177

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

gura de evacuare 3, iar particulele solide se colectează la partea inferioară.

Figura VII.2 – Cameră de desprăfuire

Un alt tip de cameră de desprăfuire este cea cu şicane (figura VII.3). Rolul şicanelor este de a schimba sensul de circulaţie a curentului de aer, se obţine astfel creşterea pierderii de presiune şi în consecinţă reducerea vitezei curentului de aer în cameră. Din punct de vedere constructiv – funcţional, camera de desprăfuire cu şicane se compune din incinta 2 prevăzută cu trei guri, de alimentare 1, de evacuare a aerului purificat 3 şi de evacuare a particulelor sedimentate 5. În interiorul camerei sunt dispuse şicanele verticale 4. Pentru a obţine pierderi de presiune mai mari şi astfel o sedimentare mai bună, se pot monta suplimentar şicanele înclinate 6 faţă de sensul de circulaţie al aerului (figura VII.3b). Modul de operare este următorul: amestecul de separat intră în incinta de desprăfuire 2 prin gura de alimentare 1 şi, ocolind şicanele 4, respectiv 6, are loc sedimentarea particulelor solide. Aerul purificat se evacuează pe la partea superioară prin gura 3, iar particulele sedimentate prin gura 5.

178

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a

b

Figura VII.3 – Camere de desprăfuire cu şicane

Efectul de pierdere a energiei particulelor solide dintr-un curent de aer se poate obţine şi prin lovirea de nişte lanţuri montate în incinta de desprăfuire. Este cazul camerei de desprăfuire cu lanţuri (figura VII.4). Din punct de vedere constructiv – funcţional, aceasta se compune dintr-o incintă 3, în interiorul căreia sunt montate lanţurile 2. Incinta de desprăfuire are două guri, de alimentare 1 şi de evacuare a aerului purificat 4. La partea inferioară este dispus melcul 5 şi gura de evacuare a particulelor sedimentate 6. Modul de operare este următorul: Curentul de aer intră în incinta de desprăfuire 3 prin gura de alimentare 1, se loveşte de lanţurile 2, ceea ce are ca efect sedimentarea particulelor solide. Acestea cad la partea inferioară de unde melcul 5 le transportă către gura de evacuare 6. Aerul purificat este evacuat din cameră prin gura 4.

179

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.4 – Cameră de desprăfuire cu lanţuri

Decantoarele se împart în două mari categorii: discontinue şi continue. Decantoarele discontinue sunt aparate de construcţie simplă, formate în principal dintr-o incintă (un recipient), în care suspensia rămâne până ce se realizează sedimentarea, putând fi astfel folosite şi ca vase de depozitare. Decantoarele discontinue se utilizează în industria vinului: din mustul tulbure - un sistem eterogen format dintr-un mediu lichid în care sunt dispersate particule solide - prin decantare rezultă must limpede şi burbă. O altă utilizare a acestor tipuri de decantoare este în industria berii: în timpul fermentaţiei primare a mustului de bere, celulele de drojdie sedimentează în linuri şi tancuri de fermentaţie; în timpul fermentaţiei secundare are loc limpezirea berii prin sedimentarea componentelor ce formează tulbureala (celule de drojdie, proteine şi substanţe amare în formă insolubilă tec.) în tancuri metalice şi din beton armat.

180

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Productivitatea unui decantor, P [m3/s], se calculează cu relaţia:

P unde: Vd [m3]

Vd Ahu   Aw s ts ts

(VII.13)

- volumul de decantat;

Vd  Ah u A [m2] hu [m] ts [s] ws [m/s]

(VII.14)

- aria suprafeţei de separare (libere); - înălţimea utilă; - durata de sedimentare; - viteza de sedimentare.

Decantoarele continue se realizează în mai multe variante. Decantorul dreptunghiular cu îndepărtarea mecanică a nămolului se utilizează pentru decantarea apei de transport şi de spălare în industria zahărului şi pentru decantarea apelor potabile. În figura VII.5 este prezentat un astfel de decantor. Din punct de vedere constructiv – funcţional el se compune dintrun bazin 8, care la partea inferioară are o groapă 7 pentru colectarea nămolului prevăzută cu conducta 6 de evacuare a acestuia. Decantorul mai are prevăzute două conducte, de alimentare 1 şi de evacuare 5 a lichidului purificat. La cele două extremităţi, pe axa longitudinală a bazinului, există două incinte, una prevăzută cu preaplin 2 şi una de decantare 4. Decantorul mai are în componenţă podul rulant 3 cu răzuitorul 9.

181

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.5 – Decantor dreptunghiular cu îndepărtare mecanică a nămolului

Modul de lucru este următorul: amestecul intră prin conducta de alimentare 1 în incinta 2 prevăzută cu un preaplin, cu scopul de a distribui uniform amestecul uniformă în bazinul (camera) de sedimentare 8. În acesta are loc separarea lichidului de nămol. Lichidul limpede obţinut deasupra nămolului se scurge peste deversor într-o incintă 4 unde are loc o ultimă decantare, după care este evacuat prin conducta 5. Datorită înclinării fundului bazinului, nămolul alunecă spre groapa de nămol, de unde este evacuat prin conducta 6. Curăţarea bazinului de nămolul depus se realizează cu ajutorul unui răzuitor 9, care se deplasează permanent prin intermediul podului rulant 3. Productivitatea unui astfel de decantor, P [m 3/s], se calculează cu relaţia:

P unde: L [m] l [m] k [-]

182

w sLl whl  k k

(VII.15)

- lungimea decantorului; - lăţimea decantorului; - coeficient de corecţie; k = 1,2 ... 1,5;

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

w [m/s] decantor.

- viteza de curgere a suspensiei în

O altă utilizare a decantoarelor continue se găseşte în industria uleiului. Un decantor de ulei tip DU (figura VII.6), din punct de vedere constructiv – funcţional, este constituit dintrun bazin 5 prevăzut cu trei compartimente 6, 7, 9 care comunică între ele pe la partea inferioară. În legătură cu al treilea compartiment se află un colector 3 de ulei limpezit. Transportul zaţului se produce cu ajutorul lanţurilor cu eclise pe care sunt montate racletele 8. Alimentarea în decantor se face cu ajutorul elevatorului 1. Decantorul mai are anexate două deversoare 2 şi 4.

Figura VII.6 – Decantor de ulei tip DU

Caracteristicile tehnice ale decantorului de ulei tip DU sunt prezentate în tabelul VII.7.

Tabelul VII.7 – Caracteristici tehnice ale decantorului

183

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

de ulei tip DU Caracteristici 2

Volum util [m ]

Viteza de deplasare a lanţului cu raclete [m/s] Putere instalată [kW] Dimensiuni gabarit [mm x mm x mm] Masa [kg] Masa în funcţionare [kg]

Valori

5,9 0,8 0,7 4775 x 1830 x 1980 3299 7330

Un alt tip de decantor continuu este cel cilindric (figura VII.7), care se utilizează pentru prelucrarea tescovinei proaspete, cu scopul obţinerii de tartrat de calciu: precipitatul de tartrat de calciu se separă în două etape, şi anume în hidrociclon (particule mari) şi în decantor cilindric. Din punct de vedere constructiv – funcţional, decantorul se compune dintr-un corp cilindric 3, care la partea inferioară se termină într-un corp conic 6. În interior sunt fixate două hidrocicloane, care funcţionează în paralel. Decantorul este prevăzut cu trei racorduri, pentru alimentare 1, pentru evacuarea fazei decantate 2 şi pentru evacuarea fazei sedimentate 5. Modul de operare este următorul: Amestecul este alimentat prin racordul 1. Particulele de tartrat de calciu sedimentează, ajung la partea inferioară conică 6 de unde sunt evacuate prin racordul 5. Particulele cele mai mici de tartrat de calciu rămase în suspensie, evacuate din hidrociclon, sunt dirijate în cilindrul interior 4. Faza decantată se ridică în zona inelară şi este dirijată prin racordul 2 la fermentare.

184

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.7 – Decantor cilindric

Un alt decantor cilindric este cel cu agitator (figura VII.8), utilizează pentru tratarea debitelor mari de apă reziduală (12,5 m3/h), de exemplu în industria zahărului. Din punct de vedere constructiv – funcţional, se compune dintr-un bazin cilindric 8 de înălţime mică în interiorul căruia este dispus axul 2 pe care sunt montate braţele de amestecare 6 care la partea inferioară sunt prevăzute cu paletele racloare 7. Axul cu braţe este acţionat de către sistemul 1. Bazinul are prevăzute un tub central de alimentare 3 şi două racorduri de evacuare, pentru lichid curat 5 şi pentru particule solide 9. La partea superioară a bazinului există o rigolă 4.

185

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.8 – Decantor cilindric cu agitator

VII.3. Sedimentarea în câmp de forte centrifugal VII.3.1. Particularităţi. Factor de eficacitate. Viteză de sedimentare Sedimentarea în câmp de forţe centrifugal, comparativ cu cea în câmp gravitaţional, se deosebeşte prin viteze mai mari de sedimentare, care permit separarea eficientă a: - sistemelor eterogene (suspensii coloidale, emulsii) care în câmp gravitaţional sunt imposibil de separat, deoarece forţele dispersive datorate mişcării browniene sunt mult mai mari decât forţa gravitaţională;

186

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

- sistemelor eterogene disperse cu diferenţă mică între densităţile celor două faze; - suspensii: prin acţiunea forţelor centrifugale de anulare a efectului forţelor de tensiune superficială, lichidul este reţinut în porii fini ai particulelor de sediment, obţinându-se astfel un sediment foarte uscat. Separarea centrifugală a sistemelor eterogene lichid – lichid se face pe baza diferenţei dintre densităţile fazelor. Raportul dintre intensităţile celor două câmpuri – centrifugal şi gravitaţional – reprezintă factorul de eficacitate (factorul de separare), z [-], egal cu raportul dintre acceleraţiile celor două câmpuri:

ω 2R z g unde:  [s-1] R [m] G [m/s2]

(VII.16)

- viteza unghiulară; - raza de curbură a traiectoriei; - acceleraţia gravitaţională.

Factorul de eficacitate este o măsură a eficienţei câmpului centrifugal comparativ cu cel gravitaţional şi în operaţiile de separare ia valori mai mari de 104. În tabelul VII.8 sunt indicate câteva valori pentru factorul de separare mediu,

z [-], funcţie de raza medie logaritmică, R . Raza medie logaritmică R este definită prin relaţia:

R

R 2  R1 R ln 2 R1

(VII.17)

în care R1, respectiv R2 reprezintă raza interioară, respectiv exterioară a stratului de centrifugat. 187

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul VII.8 – Factorul de separare mediu Tip centrifugă de sedimentare Centrifugă de mică capacitate Centrifugarea cristalelor Centrifugarea zahărului Supercentrifuge Ultracentrifuge

z [-]

Factorul de separare mediu 30 100 – 150 450 – 650 > 3000 105 – 106

Viteza de sedimentare în câmp de forţe centrifugal variază cu raza de curbură a traiectoriei; de aceea, pentru evaluarea cantitativă a operaţiei de sedimentare, se ia în considerare o viteză medie de sedimentare w s :

ws  w0 z

n

(VII.18)

unde: w0 - viteza de sedimentare în câmp gravitaţional; n - coeficient funcţie de tipul mişcării: n=1 - mişcare laminară; n = 0,5 - mişcare turbulentă; n = 0,714 - mişcare intermediară. Sedimentare particulei trebuie considerată în momentul când particula a atins peretele centrifugei. Din relaţia (VII.18) se poate observă că viteza de sedimentare în câmp de forţe centrifugal este produsul dintre viteza de sedimentare în câmp de forţe gravitaţional şi factorul de separare mediu la puterea n. Valorile coeficientului n arată că factorul de separare influenţează cel mai mult viteza de sedimentare în cazul curgerii laminare.

188

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

VII.3.2. Centrifuge decantoare Centrifugele decantoare se clasifică după două criterii: - după factorul de separare z: - centrifuge normale: z < 3000; - supercentrifuge: z > 3000; - după poziţia axei: - orizontale; - verticale; - înclinate. Din punct de vedere funcţional, există în principal două mari tipuri de centrifuge decantoare: cu transportor elicoidal şi cu talere. Centrifuga decantoare cu transportor elicoidal se caracterizează prin funcţionare continuă, sedimentul fiind îndepărtat de pe suprafaţa de decantare şi evacuat cu ajutorul unui transportor elicoidal. Astfel de centrifuge se construiesc în trei variante, funcţie de forma tamburului decantor: conic, cilindric, cilindro – conic. Centrifugele cu tambur cilindric asigură cea mai bună separare a fazelor, dar sedimentul se evacuează cu un conţinut mare de umiditate. În urma decantării în centrifugele cu tambur conic se obţine un sediment mai uscat, dar decantatul este mai puţin limpede. Centrifugele cu tambur cilindro – conic sunt cele mai utilizate, deoarece îmbină avantajele celorlalte două tipuri constructive. Din punct de vedere constructiv – funcţional, o centrifugă decantoare cu transportor elicoidal cu tambur cilindro – conic (figura VII.9) se compune dintr-un tambur exterior compus din două părţi: cea conică 3 şi cea cilindrică 4. În interiorul decantorului se mai află un tambur cilindric 5. Pe suprafaţa tamburului exterior este fixat un transportor elicoidal 6. Centrifuga mai are prevăzută o conductă centrală de alimentare

189

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

1 şi două guri de evacuare, pentru faza solidă 2 şi pentru cea lichidă 7. Modul de funcţionare este următorul: Suspensia este alimentată prin conducta centrală 1 în mijlocul tamburului 4. Datorită diferenţei dintre turaţia mai mare a tamburului decantor şi turaţia mai mică a transportorului 6, are loc separarea suspensiei. Sedimentul este îndepărtat de pe suprafaţa de decantare şi evacuat cu transportorul elicoidal. Fazele separate se deplasează continuu cu viteze diferite şi se acumulează la extremităţile tamburului, unde se evacuează: faza solidă prin gura 2, iar cea lichidă (faza limpezită) prin gura 7.

Figura VII.9 – Centrifuga decantoare cu transportor elicoidal

În tabelul VII.9 sunt indicate spre exemplificare, caracteristicile tehnice ale centrifugei decantoare orizontale cu transportor elicoidal şi tambur cilindro – conic tip DCA–355, utilizată în procesul tehnologic de obţinere a amidonului din cartof sau porumb.

190

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul VII.9 – Caracteristici tehnice ale centrifugei decantoare orizontale cu transportor elicoidal şi tambur cilindro – conic Caracteristici

Valori

Turaţie tambur [rot/min] Diferenţă turaţie tambur – turaţie transportor elicoidal [rot/min] Diametru interior tambur [mm] Raport lungime / diametru tambur Debit de prelucrare [l/h] Factor de separare Putere motor electric [kW] Dimensiuni gabarit [mm x mm x mm]

max. 4000 5,24 – 66 355 2,57 max. 18000 max. 3200 30 2150 x 1478 x 1105

Centrifuga cu talere a fost concepută cu scopul de a micşora spaţiul din interiorul tamburului decantor şi astfel distanţa pe care trebuie să o parcurgă – pentru separare – fazele unei emulsii, cu consecinţe directe asupra scăderii duratei de sedimentare. Micşorarea spaţiului din interiorul tamburului se face prin împărţirea acestuia cu ajutorul unor talere suprapuse în lamele subţiri. În interiorul acestor lamele de lichid se realizează separarea fazelor – faza uşoară urcă spre centrul centrifugei pe faţa inferioară a talerelor, iar faza grea coboară spre periferia centrifugei pe faţa superioară a acestora. Dacă talerele sunt cu orificii (figura VII.10), emulsia supusă separării prin centrifugare este alimentată între talere prin găurile practicate în suprafaţa lor, găuri astfel dispuse, încât faza care trebuie să rezulte în puritate mai mare să parcurgă un drum mai mare între conuri. Modul de lucru într-o astfel de centrifugă este următorul: emulsia este alimentată printr-un tub central în interiorul tobei de centrifugare, ajunge astfel între talere unde are loc separarea fazelor. După separare, faza uşoară este colectată lângă tubul central, iar faza grea ajunge la periferia rotorului de unde este evacuată prin deschiderile exterioare.

191

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.10 – Principiul separării în lamelele dintre conuri la separatorul cu talere

În tabelul VII.10 este prezentată utilizarea centrifugelor cu talere în diversele tehnologii ale industriei alimentare. Tabelul VII.10 – Utilizarea centrifugelor cu talere Tehnologii alimentare

Operaţie

1

2

Tehnologia vinului: - vinuri semifermentate - vinuri, musturi bentonizate - musturi pentru limpezire prin deburbare Tehnologia sucurilor de fructe: - operaţie preliminară la filtrarea, pasteurizarea sucurilor - sediment de la decantare Tehnologia berii: - must de bere răcit - bere la sfârşitul fermentaţiei secundare

192

Limpezire rapidă oprirea fermentaţiei Limpezire Limpezire Limpezire Limpezire Limpezire Limpezire

cu

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

1 Tehnologia laptelui: - lapte pentru normalizare - lapte pentru degresare - lapte - zer pentru separarea proteinelor - coagul Tehnologia cărnii şi produselor din carne: - emulsie de grăsime cu separarea particulelor de grăsime - grăsimi pentru îndepărtarea apei - sânge – separarea plasmei sanguine de elemente figurate (eritrocite, leucocite, trombocite) - sânge defibrilat – separarea de ser şi elemente figurate Tehnologia drojdiei de panificaţie: - melasă pentru limpezire pentru cultivarea drojdiei - plămadă de drojdie pentru separarea drojdiei din plămada în care s-a dezvoltat Tehnologia glucozei: - sirop de glucoză – curăţirea siropului de grăsimi şi proteine Tehnologia amidonului: - separarea amidonului din apele de spălare - separarea şi concentrarea glutenului

2 Separare de faze Separare de faze Curăţire Separare de faze Concentrare Separare de faze Concentrare Separare de faze

Separare de faze

Limpezire Concentrare Curăţire

Concentrare Concentrare

În figura VII.11 sunt prezentate şase tipuri de centrifuge cu tobă cilindrică şi talere. Din punct de vedere constructiv – funcţional, în principal se deosebesc tubul central de alimentare 1, talerul superior 2 şi inferior 4, talerele curente 3, axul 5. Centrifugele cu tobă cilindrică şi talere conice fără orificii (figurile VII.11 a, b, c, d) se utilizează pentru sisteme eterogene lichide cu conţinut redus de substanţă solidă (de exemplu 193

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

particule de vin, vere, lapte). Între partea cilindrică a carcasei şi talere apare un spaţiu destinat sedimentării particulelor solide. În proiectare, acest spaţiu se consideră 40 – 90 cm3 pentru fiecare 100 l/h lichid de clarificat, ceea ce asigură o funcţionare în condiţii normale fără oprire timp de 2 – 3 ore. Figura VII.11 cuprinde: -

-

-

-

194

centrifuga cu tobă cilindrică şi talere conice fără orificii (a); centrifuga cu tobă cilindrică şi talere conice fără orificii cu disc de presiune (b, d) – în acest caz, pentru evacuarea sub presiune a fazei limpezite, se montează discul de presiune 6; centrifuga cu tobă cilindrică şi talere conice cu alimentare inferioară (c) – în acest caz, alimentarea prin tubul central se face pe la partea inferioară, iar axul 5 are secţiune inelară; centrifuga cu tobă cilindrică şi talere conice cu orificii (d, e) – în acest caz, centrifuga funcţionează ca separator de faze şi realizează separarea amestecului eterogen lichid – lichid în faze cu densităţi apropiate. Talerele curente au un număr de 3 – 6 orificii, în funcţie de mărimea lor; centrifuga cu tobă cilindrică şi talere cilindrice concentrice (f) – se utilizează doar la operaţii de clarificare (must de bere, suc de fructe, vin), faza solidă fiind în proporţie redusă (sub 5% volum). În acest caz, talerele 7 sunt cilindrice, având la una din părţi o arcuire spre interiorul tobei, arcuire care la montare este alternantă. Lichidul circulă printre talere cu viteză din ce în ce mai mică, ceea ce asigură depunerea pe pereţii talerelor a celor mai fine particule solide, astfel încât lichidul evacuat este limpezit.

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a

c

b

d

e f Figura VII.11 – Centrifuge decantoare cu tobă cilindrică şi talere

195

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Un alt tip de centrifuge cu talere sunt cele cu tobă conică şi duze de evacuare a sedimentului (figura VII.12), utilizate pentru sisteme eterogene solid – lichid bogate în sediment, în operaţii de concentrare de fază. Faza solidă sub formă de particule de dimensiuni mici se concentrează într-o parte din lichid, cealaltă parte din lichid eliminându-se aproape limpede. Eliminarea sedimentului se realizează printr-un sistem de duze, periodic, într-un spaţiu colector, de unde este evacuat. Din punct de vedere constructiv – funcţional, aceste centrifuge se compun din tubul central de alimentare 1, talerul superior 2, cel inferior 4 şi cele curente 3, axul gol 5. Figura VII.12 cuprinde: -

-

-

196

centrifuga cu tobă conică şi talere conice cu evacuarea sedimentului cu jet de apă (a) – în acest caz, un jet de apă este dirijat în zona de depunere a sedimentului prin axul gol 5; centrifuga cu tobă conică şi talere conice cu evacuarea sedimentului prin recirculare (b) – în acest caz antrenarea sedimentului se face prin recircularea unui amestec obţinut din apă şi sediment alimentat pe la partea superioară prin orificiile 6; centrifuga cu tobă conică şi talere conice cu descărcare automată (c, d) realizează evacuarea sedimentului prin declanşarea automată a unei instalaţii hidraulice de descărcare, la momentul atingerii unei anumite grosimi a stratului depus. Arcurile 8 ţin închise cele două părţi ale tobei. În momentul alimentării apei în spaţiul conic, arcurile se comprimă, corpul centrifugei se îndepărtează de capac şi astfel este posibilă evacuarea prin sistemul de duze. În momentul evacuării se întrerupe alimentarea cu amestec până la oprirea automată a introducerii apei în sistemul hidraulic de evacuare automată a sedimentului;

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

-

centrifuga cu tobă conică cu talere conice cu orificii şi descărcare prin sifonare (f) – se utilizează la separarea amestecului eterogen în două faze de densitate diferită. Evacuarea fazei cu densitate mai mare se produce la partea inferioară a tobei, prin spaţiul inelar 9, de unde o conductă 10 asigură permanent sifonarea spre orificiul de evacuare.

a

b

c d Figura VII.12 – Centrifuge decantoare cu tobă conică şi talere (continuare la pag. 193)

197

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

c

d

Figura VII.12 – Centrifuge decantoare cu tobă conică şi talere (continuare de la pag. 192)

În figura VII.13 este prezentat un exemplu de aplicare a unei centrifuge decantoare cu tobă conică cu talere, utilizată pentru separarea a trei faze lichid / lichid / solid (în industria cărnii şi preparatelor din carne). Din punct de vedere constructiv – funcţional, se deosebesc canalul central de alimentare 1, evacuarea fazei solide 2, a celei lichide uşoare 3 şi a celei lichide grele 4, lichidul de operare 5. Centrifuga funcţionează pe principiul descărcării automate, enunţat anterior în cazul centrifugelor din figurile VII.12c, VII.12d. O astfel de centrifugă se poate utiliza atât cu scop de: - purificare a fazei lichide uşoare, când aceasta este predominantă în amestec; - concentrare a fazei lichide grele, când aceasta predomină în amestec.

198

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.13 – Centrifuge decantoare cu tobă conică şi talere conice ALFA – LAVAL tip AFPX 517 XGV 14/74 C 50

Tabelul VII.11 cuprinde caracteristicile tehnice ale centrifugei cu tobă conică cu talere conice tip AFPX 517 XGV 14/74 C 50. Semnificaţia notaţiei este următoarea: AF: pentru utilizare în industria cărnii (animal A) sau peştelui (fish F) PX: tip de rotor cu descărcare automată 517: unităţi de constructiv – dimensionale X: indică alimentare permanentă, evacuare periodică a fazei grele şi evacuare permanentă a fazei lichide G: indică descărcare temporizată V: indică descărcare variabilă 1/7: indică modul de funcţionare (1 = purificator; 7 = concentrator) 4: indică funcţionare acţionată direct de către un motor electric C: indică cuplare rigidă 50: indică frecvenţa curentului.

199

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul VII.11 – Caracteristici tehnice ale centrifugei decantoare cu tobă conică şi talere conice ALFA – LAVAL tip AFPX 517 XGV 14/74 C 50 Caracteristici

Valori

Turaţie tobă [rot/min] Turaţie motor antrenare [rot/min] Volum tobă [l] Putere instalată [kW] Masa netă [kg]

4135 1460 58 37 2350

Capacitatea efectivă de prelucrare a unei centrifuge decantoare Q [m3/s], reprezintă debitul volumic maxim de suspensie care poate fi prelucrat, pentru care particulele solide vor fi în majoritate sedimentate, şi se calculează cu relaţia:

  ω2  V  P  2w 0    2g ln 2R s   R s  R l  în care: w0 [m/s] forţe gravitaţional;  [s-1] V [m3] Rs [m] Rl [m]

200

(VII.19)

- viteza de sedimentare în câmp de - viteza unghiulară; - volumul suspensiei; - raza stratului de sediment; - raza suprafeţei libere.

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.14 prezintă modelul fizic pentru sedimentarea în centrifuga cu tambur (a), centrifuga tubulară (b) şi centrifuga cu talere (c). Semnificaţia notaţiilor din figură este următoarea: Rs – raza stratului de sediment; R – distanţa particulei de la axul de rotaţie la începutul sedimentării; Rl – raza suprafeţei libere; R2 – raza rotorului; l – lungimea rotorului;

R

– raza medie:

R  Rs 

a

Rl 2

(VII.20)

b

Figura VII.14 – Model fizic pentru sedimentarea în centrifuga decantoare cu tambur

c

201

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Durata de sedimentare t [s] a particulelor solide este:

Rs R t ω2 w0 g ln

(VII.21)

Factorul de eficacitate z [m2] se referă la parametrii fizici şi de operare ai centrifugei şi reprezintă aria echivalentă de sedimentare în câmp gravitaţional care ar produce acelaşi efect de sedimentare ca şi centrifuga pentru un sistem eterogen dat. Funcţie de tipul centrifugei, factorul de eficacitate se calculează cu una din relaţiile: -

z

pentru centrifuga cu tambur:

2R s ω2 V ln 2g R s  R l -

z  2πl -

(VII.22)

pentru centrifuga tubulară (supercentrifugă) centrifuga orizontală cu transportor elicoidal:

ω2  3 2 1 2   R 2  Rl  g 4 4 

(VII.23)

pentru centrifuga cu talere:

2πn ω 2 θ z  ctg R 2  R 1  3 g 2

(VII.24)

unde: n [-] - numărul de spaţii de sedimentare între talere;  [°] - unghiul talerului; R1 [m] - raza interioară a stratului de lichid.

202

şi

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Diametrul minim al centrifugelor, dmin [m], se calculează cu relaţia: -

dmin

pentru centrifuga cu tambur:

R  2η ln s   Rl  3 ω 2 ρ s  ρ l t

(VII.25)

în care s, respectiv m [kg/m3] reprezintă densitatea particulelor de solid, respectiv a mediului lichid. -

pentru supercentrifugă:

R2 R1 2η Q 3   (VII.26) ω 2 ρ s  ρ l  lπ R 22  R 12 ln

dmin

Presiunea care se dezvoltă pe suprafaţa rotorului centrifugei, pp [Pa], este:

pp  s  ρ c  ω 2  R 22

(VII.27)

unde: s [m] - grosimea peretelui; c [kg/m3] - densitatea materialului din care este construită centrifuga. Efortul unitar, p [Pa], la care este supus peretele centrifugei se calculează cu relaţia:

σ p  ρ c  ω 2  R 22

(VII.28)

203

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Presiunea întregului strat de lichid, pl [Pa], este dată de relaţia:

pl 

R 1  ρl  ω 2  2  R 22  R12  2 s

(VII.29)

Efortul unitar datorat rotirii lichidului, l [Pa], este:

σl 

R 1  ρl  ω 2  2  R 22  R12  2 s

(VII.30)

Rezultă solicitarea totală a peretelui centrifugei, t [Pa]: t = p + l

(VII.31)

Dacă centrifuga este goală, adică R2 = R1, atunci solicitarea totală a peretelui centrifugei este minimă:

σmin  σp  ρ c  ω 2  R 22

(VII.32)

Dacă centrifuga este plină, adică R1 = 0, atunci solicitarea totală a peretelui centrifugei este maximă:

σ max

3 1 2 R2  ρ c  ω  R   ρl  ω   2 s (VII.33) R2  1 2 2   ω  R 2   ρ c   ρl   2 s   2

2 2

Înălţimea lichidului pe un paraboloid de revoluţie, h [m]:

h

204

R c2  ω 2 2g

(VII.34)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Volumul ocupat în centrifugă, V [m3], este:

.

205

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

206

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Capitolul VIII FILTRAREA VIII.1. Definiţii. Factori de influenţă Filtrareaeste operaţia de separare a sistemelor eterogene fluidsolid cu ajutorul unui strat filtrant cu structură poroasă, prin care trece numai faza fluidă. Fenomenul de filtrare se datorează diferenţei de presiune dintre cele două părţi ale stratului filtrant. În urma operaţiilor de sedimentare – cernere – adsorbţie are loc separarea fazei solide pe stratul filtrant. Comparativ cu operaţia de sedimentare, cea de filtrare se caracterizează prin faptul că nu este condiţionată de o diferenţă între densităţile fazelor care se separă. Scopul operaţiei de filtrare este de a separa fazele unei suspensii în: precipitat care să conţină cât mai mult din faza solidă a suspensiei; filtrat cu cât mai puţin solid. În ceea ce priveşte puritatea filtratului, operaţia de separare prin filtrare este foarte înaintată şi mai puţin înaintată în privinţa precipitatului care rămâne îmbibat cu lichidul din care a fost separat. Când lichidul este o soluţie şi în cazurile în care se impune, filtrare este urmată de operaţia de spălare a precipitatului cu un lichid adecvat, de obicei apă, care îndepărtează soluţia din precipitat, purifică precipitatul şi recuperează substanţa solubilă.

207

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Etapele filtrării unei suspensii sunt următoarele:  reţinerea fazei solide de către stratul filtrant. La începutul acestei etape, filtratul este de obicei tulbure şi trebuie readus încă o dată la filtrare;  reţinerea fazei solide de către stratul de precipitat depus pe suprafaţa filtrantă, care rămâne doar cu rolul de suport al precipitatului;  spălarea precipitatului şi îndepărtarea sedimentului depus pe filtru;  regenerarea stratului filtrant prin îndepărtarea precipitatului, spălarea stratului filtrant, destuparea porilor. În tabelul VIII.1 sunt sintetizaţi factorii de influenţă ai operaţiei de filtrare. Tabelul VIII.1 – Factori de influenţă ai operaţiei de filtrare Specificaţie

Factori

Fluid Solid

Natura, vâscozitatea, densitatea, proprietăţi corosive Natura, forma şi dimensiunile particulelor, granulometrie Mod de obţinere, concentraţie, vârsta suspensiei, proprietăţi reologice, cantitate sau debit, temperatura Omogenitate, umiditate finală, compresibilitate, rezistenţă hidraulică Natura, aria, grosimea, dimensiunea porilor, rezistenţa hidrodinamică, rezistenţa chimică, rezistenta mecanică, capacitatea de regenerare Funcţionare continuă sau discontinuă, presiunea şi temperatura de filtrare, viteza de filtrare, durata de filtrare Natura lichidului de spălare, debit, concentraţie, durată

Suspensie Sediment (Precipitat) Strat filtrant Condiţiile de filtrare Faza de spălare

a) Suspensia:

208

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Operaţia de filtrare se poate aplica la orice tip de suspensie, indiferent de natura şi caracteristicile fizico-chimice. Alegerea stratului filtrant ca textură şi porozitate, structura şi permeabilitatea precipitatului sunt determinate de granulometria fazei solide. Mărimea particulelor poate varia între aproximativ un milimicron şi un milimetru. În cazul filtrărilor dificile (de exemplu în industria vinului, industria berii), care se realizează cu suspensii cu conţinut redus de particule de natură microbiană sau coloidală de dimensiuni foarte mici, se modifică în prealabil granulometria suspensiei prin adăugarea de substanţe auxiliare. Acestea sunt materiale granulare sau din fibre fine care se adaugă în proporţii mici cu scopul îmbunătăţirii condiţiilor de filtrare: kieselgur (material inert, foarte absorbant), fibre de azbest, celuloză etc. Modul de depunere a materialului absorbant pe suprafaţa filtrantă poate fi discontinuu (se formează stratul adsorbant, după care se începe filtrarea) sau continuu (într-un dozaj convenabil, 0,01 – 0,05 % din greutatea fazei solide, în suspensia iniţială). Suspensiile cu particule sferoidale şi aciculare dau precipitate cu permeabilitate mai mare care asigură viteze de filtrare mai mari decât suspensiile cu particule în formă de foiţe. În cazul foiţelor elastice, se produce efectul unor supape. Suspensiile cu particule mari şi incompresibile se filtrează mai uşor decât cele cu particule fine sau coloidale, care formează precipitate compacte şi impermeabile ce astupă porii materialului filtrant.

b) Temperatura de filtrare: Creşterea temperaturii de filtrare are influenţă favorabilă asupra operaţiei de filtrare, prin micşorarea vâscozităţii sau modificarea granulometriei (inducerea unei coagulări). Acest efect favorabil al creşterii temperaturii poate fi însă micşorat sau

209

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

chiar anulat dacă temperatură determină umflarea stratului filtrant.

c) Presiunea de filtrare: În tabelul VIII.2 sunt indicate presiunile de filtrare funcţie de tipul de filtrare. Tabelul VIII.2 – Presiuni de filtrare Filtrare în Filtre celulare rotative: - suspensii fine - suspensii mijlocii - suspensii mari, cristaline Filtre presă sau prin plăci poroase: - normal Plăci metalice poroase

Presiuni [Pa] pe faţa de pe faţa de ieşire, intrare, pintr pies Presiuni absolute: 105 0,1105 – 0,2105 5 10 0,4105 – 0,7105 5 10 0,8105 – 0,9105 Suprapresiune: 105 – 3,5105 Până la 700105

0 0

Presiunea de filtrare depinde de comportarea stratului de precipitat ca strat filtrant. Dacă acesta este incompresibil, mărimea diferenţei de presiune între feţele sale are influenţă favorabilă asupra vitezei de filtrare. Pentru precipitate compresibile, această diferenţă de presiune se determină experimental.

d) Materialul filtrant: Materialul folosit ca strat filtrant trebuie să îndeplinească următoarele cerinţe: 210

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

- să reţină cât mai complet faza solidă a suspensiei şi eventualele impurităţi; - să aibă rezistenţă hidraulică redusă; - să aibă rezistenţă mecanică şi chimică corespunzătoare; - să permită viteze de filtrare mari; - să se regenereze uşor. Funcţie de materialul filtrant, există două limite de filtrare: - o filtrare superficială: materialul filtrant opreşte pe suprafaţa sa particulele solide ale suspensiei datorită diferenţei dintre mărimea particulelor şi mărimea porilor; grosimea materialului filtrant se neglijează; suspensia este săracă în fază solidă pentru a nu forma un strat de precipitat; - o filtrare în adâncime: particulele solide ale suspensiei se depun şi sunt adsorbite pe suprafaţa mare a particulelor stratului filtrant pe toată adâncimea lui. Funcţie de natura lor, materialele filtrante se utilizează sub formă de table, site, ţesături şi împletituri, plăci poroase, straturi fibroase şi pulverulente, straturi granulare, membrane. Tablele perforate sunt grătare cu ochiuri dreptunghiulare (cu lăţimea minimă 1,5 mm) sau circulare (cu diametrul minim 3 mm), utilizate mai ales ca suport pentru pânze sau alte materiale filtrante (celuloză, azbest, kieselgur). Împletiturile metalice au rezistenţă mecanică mai mică decât tablele perforate dacă se utilizează ca suport pentru materiale poroase, dar prezintă avantajul unei suprafeţe libere mari. Pânzele filtrante se caracterizează prin elasticitate, supleţe, porozitate fină. Aceste materiale filtrante reţin particulele suspensiei prin efect de cernere şi adsorbţie. Ele au rezistenţă mecanică redusă şi se colmatează uşor. Se utilizează ca suprafeţe filtrante dispuse pe rame verticale, pe suport

211

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

orizontal sau sub formă de saci. Datorită felului ţesăturii, porozităţii, grosimii ţesăturii, naturii materialului, pânzele filtrante prezintă o mare varietate şi adaptabilitate la condiţiile de filtrare. Materialele filtrante textile sunt: fibre vegetale (bumbac, iută), fibre animale (lână, păr de cămilă, mătase naturală), fibre sintetice (mătase artificială), fibre minerale (azbest, sticlă). Membranele pot fi de provenienţă animală, vegetală sau sintetică (gelatină, esteri de celuloză depuse pe ţesături sau hârtie) şi se utilizează ca suprafeţe filtrante pentru filtrări fine, cu scopul reţinerii substanţelor coloidale, bacteriilor, viruşilor. Straturile fibroase sunt obţinute din fire de celuloză, azbest, lână, in prin presare (carton, fetru, pâslă) sau prin sedimentarea fibrelor pe o suprafaţă suport. Acestea din urmă se utilizează la filtrarea suspensiilor care colmatează uşor stratul filtrant (sirop de zahăr, gelatină, ulei vegetal, vinuri). Straturile pulverulente se depun prin sedimentare (pulbere de kieselgur, cărbune) şi se utilizează mai ales pentru filtrări prin adsorbţie. Aceste materiale filtrante se regenerează prin spălare. Plăcile poroase filtrante sunt realizate din granule reunite prin presare cu sau fără lianţi şi ardere prin vitrificare, şi anume din azbest, kieselgur, argilă, porţelan, cuarţ, sticlă, grafit, carborundum, materiale plastice. Aceste materiale filtrante se caracterizează prin porozitate uniformă, rezistenţă mecanică şi chimică, fiind utilizate pentru filtrări foarte fine. Straturile granularesusţinute pe un suport sunt materiale filtrante care lasă să treacă filtratul dar opreşte particulele stratului. Cele mai răspândite sunt filtrele de nisip. Astfel de filtre cu straturi granulare se utilizează şi ca filtre active, de exemplu:

212

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

- filtru cu cărbune activ pentru reţinerea, prin adsorbţie, a unor componente; - filtru cu cărbune activ, pământ decolorant, bentonită, pentru decolorarea şi dezodorizarea lichidelor. e) Porozitatea materialului filtrant: Golurile dintr-un material filtrant pot fi de trei feluri: pori interiori sau închişi, pori exteriori sau deschişi şi pori sau goluri intergranulare. Pentru operaţia de filtrare prezintă interes doar porozitatea corespunzătoare golurilor intergranulare şi repartizarea diferitelor mărimi de pori. Porii sunt de fapt goluri de secţiune variabilă în lungul lor, atât ca valoare cât şi ca formă, cu lungimi diferite. Datorită lipsei de bază fizică pentru noţiunea de porozitate, un material filtrant se caracterizează mai bine prin noţiunea de permeabilitate, care reprezintă debitul de lichid trecut prin stratul poros pentru o diferenţă de o atmosferă între presiunile dintre cele două feţe ale stratului filtrant.

f) Grosimea stratului de precipitat: Cu creşterea grosimii stratului de precipitat, creşte rezistenţa hidraulică (lungimea traseului parcurs de lichid în stratul de precipitat şi tasarea acestuia) şi astfel scade viteza de filtrare şi deci productivitatea filtrului. g) Spălarea precipitatului: Această fază a filtrări este necesară atunci când precipitatul trebuie eliberat de substanţa dizolvată (purificarea precipitatului) sau când trebuie recuperat filtratul. Faţă de sensul de filtrare, spălarea poate fi: - în echicurent – filtratul este împins din porii precipitatului de către lichidul de spălare;

213

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

- în contracurent – filtratul se diluează cu lichidul de spălare de deasupra precipitatului.

VIII.2. Teoria filtrării. Ecuaţiile de filtrare Filtrarea este o operaţie complexă ce decurge în regim nestaţionar şi depinde de o mulţime de factori. Teoriile existente s-au dezvoltat pe baza unor modele fizice simplificate ale curgerii prin stratul poros. Ecuaţiile filtrării exprimă relaţia dintre forţa motrice a operaţiei (diferenţa de presiune, p, dintre feţele suprafeţei filtrante) şi aria suprafeţei de filtrare, A, necesară pentru obţinerea unui volum de filtrat, V.

VIII.2.1. Filtrarea ideală Filtrul ideal este un strat permeabil, cu feţe paralele, a cărui permeabilitate se datorează unor pori cilindrici, capilari, cu diametre egale şi constante, perpendiculari şi uniform repartizaţi pe feţele stratului. Printr-un singur por, pierderea de presiune datorită frecării la trecerea lichidului prin porii filtrului, p [m], este:

l w2 Δp  μ   ρ d 2 unde: μ [-] d [m] w [m/s]  [kg/m3]

- coeficientul de frecare; - diametrul porilor; - viteza lichidului; - densitatea lichidului.

Curgerea prin porii filtrului este laminară:

214

(VIII.1)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

64 l w 2 Δp    ρ  Re d 2 64 l w2    ρ  d w ρ d 2 η  32  η 

(VIII.2)

l w d2

unde: Re [-] – numărul lui Reynolds;  [Pas] – vâscozitatea lichidului. Din această ecuaţie se poate deduce expresia vitezei lichidului, w [m/s]:

Δp  d 2 w 32  η  l

(VIII.3)

Debitul lichidului prin porii filtrului, q [m3/s] este dat de relaţia:

q

πd2 w 4

(VIII.4)

Înlocuind în relaţia (VIII.4) viteza lichidului, w, dată de expresia (VIII.3), rezultă debitul de lichid, q [m3/s]:

q

Δp 32η l  d2 πd2 4

(VIII.5)

215

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Această expresie este asemănătoare cu ecuaţia lui Ohm pentru curgerea curentului electric:

I

în care:

I E e l d

ΔE l ρe  πd 2 4

(VIII.6)

- intensitatea curentului electric; - diferenţa de tensiune; - rezistivitatea electrică a conductorului; - lungimea conductorului; - diametrul conductorului.

Singura diferenţă structurală între cele două ecuaţii (VIII.5) şi (VIII.6) este că rezistivitatea electrică a conductorului, e, este constantă, pe când expresia

32η variază cu diametrul d2

porilor, d.

VIII.2.2. Filtrarea prin stratul de precipitat Teoria filtrării prin stratul de precipitat consideră că filtrarea are loc numai prin reţinerea fazei solide din suspensie de către stratul de precipitat. Stratul filtrant are doar rol de suport. În acest caz, filtrarea constă în curgerea de lichid printr-un strat granular, cu creşterea în timp a grosimii stratului de precipitat şi a rezistenţei hidraulice.

216

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Ecuaţia generală de curgere în cazul filtrării are forma:

Q

dV Δp  dt R

Q [m3/s] V [m3] t [s] p [Pa] R [kg/(m4s] precipitat la momentul t. în care:

(VIII.7)

- debitul volumic de filtrat; - volumul de filtrat până la timpul t; - timpul de la începutul filtrării; - pierderea de presiune în filtru; - rezistenţa hidraulică a stratului de

Pentru un strat poros (granular):

5  1  ε   σ 2 l l (VIII.8) R  η   r  η  A A ε3 2

în care:  [-] - porozitatea (fracţiunea de goluri în precipitat);  [m2/m3] - suprafaţa specifică a granulelor de precipitat;  [Pas] - vâscozitatea dinamică a lichidului. l [m] - grosimea stratului de precipitat; 2 A [m ] - aria suprafeţei filtrului. r [1/m2] - rezistenţa hidraulică specifică a stratului de precipitat:

5  1  ε   σ 2 r ε3 2

(VIII.9)

Ecuaţia (VIII.8) arată că rezistenţa hidraulică R, reprezintă produsul între o caracteristică a precipitatului (rezistenta hidraulică specifică r), o caracteristică a lichidului (vâscozitatea dinamică ) şi o caracteristică a stratului (l/A).

217

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Grosimea stratului de precipitat, l [m], este egală cu volumul lui, V [m3], împărţit la suprafaţa filtrului, A [m2]:

l

xV A

(VIII.10)

unde x [-] reprezintă fracţia volumică de fază solidă în suspensie. În timpul filtrării, rezistenta hidraulică specifică r a stratului de precipitat variază din cauza compresibilităţii şi neomogenităţii precipitatului. Compresibilitatea precipitatului are ca efect creşterea rezistenţei specifice cu presiunea. Variaţia rezistenţei specifice cu compresibilitatea este dată de relaţia:

r  r1  Δp

s

(VIII.11)

unde: r1 [-] - constantă ce reprezintă rezistenţa specifică a precipitatului la o diferenţă de presiune, p, egală cu 1; s [-] - exponent care ia valori între 0 şi 1: - s = 0 pentru precipitate necompresibile, formate din particule tari, pentru care debitul filtrului este proporţional cu diferenţa de presiune; - s = 1 pentru precipitate compresibile, formate din particule moi, pentru care debitul este independent de diferenţa de presiune. Înlocuind în ecuaţia generală de curgere (VIII.7), expresiile rezistenţei hidraulice a stratului de precipitat R (VIII.8), a grosimii stratului de precipitat l (VIII.10) şi a rezistenţei hidraulice specifice r (VIII.11), rezultă ecuaţia diferenţială a filtrării prin stratul de precipitat:

218

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Δp dV  A2  dt r1  η  x  V 1 s

(VIII.12)

Lapresiunea constantă (p = const.), prin integrarea ecuaţiei diferenţiale (VIII.12) rezultă:

Δp t V   2 r1  η  x A 1s

2

(VIII.13)

sau 2

V    K1  t A

(VIII.14)

unde K1 [-] este o constantă ce are expresia:

K1

1 s  Δp  2

(VIII.15)

r1  η  x

La debit constant (Q = const.), ecuaţia diferenţială a filtrării (VIII.12) devine:

Δp V  A2  t r1  η  x  V

(VIII.16)

V 1s  K 2  Δp  t 2 A

(VIII.17)

1 s

sau

unde K2 [-] este o constantă a cărei expresie este:

K2 

1 r1  η  x

(VIII.18)

219

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Ecuaţia (VIII.17) mai poate fi scrisă şi sub forma:

Δp 1 V    K2  2  t A  t  2

1 s

(VIII.19)

Din ecuaţia (VIII.19) se poate observa că, deoarece termenul stâng se menţine constant în timpul filtrării, rezultă că în fiecare moment al filtrării trebuie îndeplinită condiţia:

Δp1s t

 const.

(VIII.20)

Rezultă ecuaţia generală a filtrării prin stratul de precipitat: m

V n    K  Δp   t A

(VIII.21)

care, prin particularizare, duce la ecuaţiile (VIII.14), respectiv (VIII.19): - pentru filtrarea la presiune constantă: m = 2, n = 0, K = K1; - pentru filtrarea la debit constant: m = 2, n = 1 - s, K = K2.

220

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

VIII.2.3. Filtrarea prin stratul de precipitat şi prin stratul filtrant Teoria filtrării în acest caz consideră că: - diferenţa totală de presiune, pt, este suma rezistenţelor hidraulice, a stratului de precipitat şi a stratului filtrant:

Δp t  Δp  Δp'

(VIII.22)

unde: p – pierderea de presiune în filtru; p’ – diferenţa de presiune necesară pentru trecerea filtratului prin stratul filtrant. - stratul filtrant se înlocuieşte cu un strat de precipitat format la filtrarea unui volum V’ de filtrat cu aceeaşi rezistenţă hidraulică ca a stratului filtrant. Ecuaţia diferenţială a filtrării prin stratul de precipitat şi stratul filtrant este:

A 2  Δp t  dV  dt r1  η  x  V  V' 1s

(VIII.23)

în care V [m3] reprezintă volumul de filtrat care creează un strat de precipitat cu aceeaşi rezistenţă hidraulică ca a suportului. Ecuaţia filtrării prin stratul de precipitat şi prin stratul filtrant, la presiune constantă (pt = const.) este:

t  aV 2  bV

(VIII.24)

unde a şi b sunt două constante determinate prin ecuaţiile:

221

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a

b

r1  η  x

(VIII.25)

2 A 2  Δp t 

1 s

r1  η  x

A 2  Δp t 

1 s

V '  2aV'

(VIII.26)

Prin diferenţierea ecuaţiei (VIII.24) se obţine ecuaţia unei drepte cu coeficientul unghiular 2a şi ordonata la origine egală cu b:

dV  2aV  b dt

(VIII.27)

Ecuaţia filtrării prin stratul de precipitat şi prin stratul filtrant, la debit constant ( Q 

V2 

dV  const. , este: dt





A2 1 s 1 s  Δp t   Δp'  t (VIII.28) r1  η  x

VIII.2.4. Spălarea precipitatului Debitul apei de spălare, Qs [m3/s], este egal cu debitul filtratului la sfârşitul filtrării:

1  dV  Qs     2aVf  b  dt  t  t

(VIII.29)

1

unde Vf [m3] reprezintă volumul de filtrat la sfârşitul filtrării. 222

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

În caz general, când spălarea se face cu un alt lichid decât cel care formează faza lichidă a suspensiei sau la altă temperatură, debitul lichidului de spălare, Qs [m3/s], se calculează cu relaţia:

Qs 

ηf 1  ηs 2aVf  b

(VIII.30)

unde f, 000s, [Pas], reprezintă vâscozitatea filtratului, respectiv a lichidului de spălare.

VIII.3. Tipuri de filtre În tabelul VIII.3 sunt este prezentată o clasificare a filtrelor funcţie de mai multe criterii. Tabelul VIII.3 – Clasificarea filtrelor Criteriu

Tipuri de filtre

1

2

Modul de realizare a diferenţei de presiune necesară curgerii lichidului prin stratul filtrant

Regimul de funcţionare

- Filtre cu funcţionare sub acţiunea presiunii hidrostatice, dată de diferenţa de nivel a produsului tulbure faţă de cel filtrat - Filtre ce funcţionează la presiuni mai mici decât presiunea atmosferică - Filtre ce funcţionează la presiuni mai mari decât presiunea atmosferică - Filtre cu funcţionare continuă - Filtre cu funcţionare periodică

223

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

1

2

Mărimea particulelor reţinute

- Filtre ce realizează o filtrare convenţională - Microfiltrare sau Ultrafiltrare - Filtre mobile - Filtre staţionare - Filtre la care se utilizează filtratul - Filtre la care se utilizează sedimentul - Filtre la care se utilizează filtratul şi sedimentul - Filtre cu strat filtrant preexistent - Filtre cu strat filtrant ce se formează prin prealuvionare sau aluvionare pe suport filtrant

Gradul de mobilitate Fracţiunea ce urmează a fi utilizată

Modul de alcătuire a stratului filtrant

VIII.3.1. Filtre cu funcţionare la presiune hidrostatică Filtrele cu funcţionare la presiunea hidrostatică sunt acele tipuri de filtre, la care curgerea are loc sub influenţa coloanei de lichid care se află deasupra stratului filtrant. În figura VIII.1 sunt prezentate două modele de cazane clasice de filtrare, care din punct de vedere constructiv – funcţional, se compun din vasul cilindric 2 cu fund plat, prevăzut cu un al doilea fund interior perforat (sită filtrantă) 4. Cazanele mai sunt prevăzute cu conducte de alimentare 1, guri de evacuare a precipitatului 3 şi a filtrului 5. Modul de lucru este următorul: amestecul intră în cazan prin conducta de alimentare 1, până când se constată că s-a atins nivelul prestabilit. Se introduce apoi apă de spălare cu scopul de a asigura completarea cu lichid şi astfel presiunea hidrostatică necesară filtrării. Precipitatul se depune pe sita filtrantă 4 şi este evacuat prin gura de evacuare 3, iar filtrul curge liber prin gura

224

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

de evacuare 5 aflată la baza utilajului. Deasupra sitei se poate monta un agitator 6 cu scopul de a asigura afânarea precipitatului şi evacuarea lui.

Figura VIII.1 – Cazane clasice de filtrare

În tabelul VIII.4 sunt prezentate caracteristicile tehnice ale cazanului de filtrare a mustului de bere. Tabelul VIII.4 – Caracteristicile tehnice ale cazanului de filtrare a mustului de bere Caracteristici Capacitate [t măciniş / şarjă] Volum total [m3] Turaţie agitator [rot/min] Suprafaţă de filtrare [m2] Număr segmente de filtrare [-] Diametru cazan [mm] Putere electromotor [kW] Masa (în stare de lucru) [kg]

Valori 5,5 37,5 0,3 – 3,9 26,8 20 5850 1,55 46500

225

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Cel mai reprezentativ filtru cu funcţionare la presiunea hidrostatică este cazanul de filtrare din industria berii. În figura VIII.2 este prezentată schema instalaţiei de filtrare tip Kombi. Din punct de vedere constructiv – funcţional, această instalaţie se compune dintr-un vas cilindric 7 cu fund plan perforat (sită filtrantă) 9 din mai multe segmente (din plăci de bronz fosforos, cupru sau oţel). Sub acest fund perforat este amplasat un alt fund neperforat 10 prevăzut cu racordurile necesare. Cazanul de filtrare este prevăzut cu dispozitivul de afânare (agitator cu cuţite) 5, ce se rotesc în jurul axului vertical 3. Cuţitele sunt dispuse vertical, având pe suprafaţa lor câteva proeminenţe asemănătoare celor de la plug (pentru accelerarea întoarcerii borhotului). Pentru a realiza o afânare cât mai uniformă a borhotului, în partea inferioară a axului vertical este amplasat un dispozitiv hidraulic 11, care ridică şi coboară dispozitivul de afânare pe toată înălţimea stratului de borhot. Instalaţia mai este prevăzută cu dispozitivul de stropire cu două braţe perforate 4, prin care circulă apă cu temperatura de 78 – 80°C. Dispozitivul este izolat termic, prevăzut cu capacul 6 şi hota 1 pentru evacuarea vaporilor degajaţi. Cazanul are la partea inferioară dispuse gura de evacuare 8, conducta de eliminare a mustului filtrat (must primitiv) 13 şi cea de eliminare a mustului liber (must prin sifonare) 16, ambele conducte ambele conducte colectând mustul în vasul 17 (colector din cupru). Acţionarea axului vertical se face de la un sistem de acţionare (motoreductor) 2. Spălarea fundului perforat se realizează cu dispozitivul de spălare 12. Instalaţia este prevăzută cu zaharometru 14 şi manometru 15 pentru determinarea presiunii pe fundul cazanului. Pentru păstrarea temperaturii plămezii, cazanul de filtrare este izolat la exterior (cu vată minerală sau de sticlă).

226

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Modul de lucru ester următorul: Amestecul de filtrat este introdus în cazanul de filtrare 7 şi ajunge pe sita filtrantă 9. Substanţele insolubile din plămadă – precipitatul – se depun pe fundul perforat sub formă de borhot, iar filtratul (mustul) trece prin stratul filtrant şi sita perforată 9. Spălarea uniformă a borhotului, afânarea şi evacuarea sa se realizează cu agitatorul cu cuţite 5 şi dispozitivul de stropire 4. Mustul primitiv se evacuează prin conducta 16, iar cel obţinut prin sifonare prin conducta 13. Borhotul se elimină din cazan prin gura 8 cu ajutorul unei pompe.

Figura VIII.2 – Instalaţia de filtrare tip Kombi

VIII.3.2. Filtre cu funcţionare sub presiune

227

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Cele mai utilizate filtre care funcţionează sub presiune sunt filtrele – presă şi filtrele cu cuvă. VIII.3.2.1. Filtre – presă Filtrele – presă se caracterizează prin concentrarea unei mari suprafeţe de filtrare într-un utilaj de dimensiuni relativ mici. Denumirea acestor filtre provine de la modul de etanşare a elementelor filtrante – prin presare mecanică, hidraulică sau mecano – hidraulică. Alte avantaje ale filtrelor – presă sunt: - grosime mare a stratului de precipitat; - deservire relativ uşoară; - posibilitatea realizării de presiuni de lucru relativ mari (3 – 12 bar). Dezavantajele acestor tipuri de filtre sunt: - funcţionare periodică; - necesitatea demontării şi remontării elementelor filtrante după fiecare ciclu de filtrare, ceea ce înseamnă manoperă ridicată; - consum mare de pânze filtrante. Din punct de vedere constructiv – funcţional, un filtru – presă se compune din: - postament rezistent, prevăzut cu două bare orizontale, paralele, ce susţin elementele filtrante; - elemente filtrante (în număr de 100); - dispozitiv (şurub, presă hidraulică) pentru strângerea elementelor filtrante într-un bloc etanş.

Se deosebesc următoarele tipuri de filtre presă: A. Filtre presă cu plăci:

228

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

La aceste filtre elementele filtrante sunt identice, doar primul având construcţie diferită pentru a rezista presiunii mecanice a sistemului de strângere. Plăcile sunt canelate sau perforate. Plăcile canelate au prevăzute pe ambele feţe nervuri şi caneluri, pentru a asigura distribuirea şi trecerea uniformă a filtratului dea lungul plăcilor filtrante. Plăcile canelate pentru filtrele cu pânze filtrante sunt prevăzute cu un orificiu central de alimentare şi unul sau două canale de colectare a filtratului. Fiecare placă se îmbracă pe ambele părţi cu pânză filtrantă. Între pânzele de pe feţele a două plăcu vecine se formează un spaţiu ce reprezintă camera pentru precipitat. De aceea, aceste filtre se mai numesc şi filtre cu camere, utilizate în industria alimentară pentru filtrarea siropului de glucoză, extragerea vinului din drojdie, recuperarea berii din drojdia excedentară. B. Filtre presă cu plăci şi rame: La aceste filtre elementele filtrante sunt de două feluri: plăci şi rame. Plăcile sunt asemănătoare celor de la filtrele presă cu plăci. Ramele sunt cadre goale prevăzute cu canal de alimentare, care comunică prin găuri cu spaţiul interior al ramei, şi canal de evacuare, care nu comunică cu interiorul ramei. Forma ramelor este dreptunghiulară sau pătrată. Plăcile şi ramele se dispun alternativ, iar între ele se întind pânze (din bumbac sau masă plastică) sau cartoane filtrante. Alcătuirea unei rame de filtrare este următoarea: ramă pentru elementul filtrant; element filtrant; ramă pentru grătar; grătar pentru filtrare; grătar de protecţie; garnitură de etanşare. Numărul camerelor de filtrare în construcţia unui filtru poate varia între 10 şi 80, alegerea făcându-se astfel încât întreaga cantitate de plămadă dintr-o şarjă să se filtreze într-o singură operaţie. Etapele principale de funcţionare ale filtrului cu rame sunt următoarele: umplere; eliminarea primului must; spălarea cu apă; eliminarea cu aer a restului de must; eliminarea borhotului.

229

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Astfel de filtre se utilizează în industria berii (pentru filtrarea mustului de bere; pentru limpezirea berii înainte de îmbuteliere), în industria vinului (pentru limpezirea vinului; pentru extragerea vinului din drojdie), în industria zahărului (pentru separarea suspensiei de precipitat din zemuri), în industria uleiului şi a margarinei (pentru filtrarea uleiului brut şi a uleiului hidrogenat), în industria sucurilor de fructe (pentru limpezirea sucurilor), în tehnologia fabricării glucozei (pentru filtrarea siropului de glucoză).

VIII.3.2.2. Filtre cu cuvă Din punct de vedere constructiv – funcţional, filtrele cu cuvă se compun dintr-un recipient metalic cilindric, orizontal sau vertical, filtrarea realizându-se prin elemente filtrante fixe sau mobile montate în aceste recipiente. Elementele filtrante au formă de discuri fixate pe un ax gol în interior, sau formă de panouri pătrate sau dreptunghiulare, sau formă de lumânări suspendate. În figura VIII.3 este prezentat un exemplu de filtru cu cuvă orizontală – filtrul Victoria-Padovan – un filtru aluvionar orizontal, cu elemente filtrante verticale, utilizat la filtrarea vinurilor şi sucurilor. Elementul filtrant suport este format din:  taler (disc) – din material plastic, prevăzut pe ambele feţe cu canale circulare concentrice, unite printre ele prin canale radiale echidistante pentru colectarea filtratului;  două site – din oţel inoxidabil, prevăzute cu garnituri de etanşare;  colier – din oţel inoxidabil sau cauciuc alimentar; pentru fixarea sitelor pe taler. Din punct de vedere constructiv – funcţional, filtrul Victoria – Padovan se compune în principal din filtrul propriu-zis,

230

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

un vas de alimentare şi un rezervor cu material de limpezire (diatomit).

Figura VIII.3 – Filtru Victoria – Padovan

Un ciclu de filtrare cuprinde următoarele operaţii: prealuvionare, filtrare concomitent cu administrarea de diatomit, oprirea filtrării, eliminarea vinului rămas în filtru, curăţarea şi spălarea filtrului, montarea în vederea începerii unui ciclu nou.

VIII.3.3. Filtre cu funcţionare sub depresiune Filtrele cu funcţionare sub depresiune sunt acele filtre, la care separarea se realizează prin aspiraţia fazei lichide datorită diferenţei de presiune dintre cele două feţe ale elementului filtrant, prin intermediul unei instalaţii de vid. Astfel de instalaţii, cu funcţionare continuă, pot fi cu tambur rotativ sau cu discuri rotative. În industria alimentară cele mai utilizate sunt filtrele cu tambur rotativ. Acestea se caracterizează printr-o suprafaţă filtrantă montată pe suprafaţa laterală a unui tambur cilindric orizontal, amplasat într-o cuvă de filtrare în care se găseşte suspensia de filtrat. De obicei cuva are în partea inferioară un agitator pentru a împiedica depunerea suspensiei. 231

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

În figura VIII.4 este prezentat un filtru rotativ celular cu depunerea precipitatului la exterior. Din punct de vedere constructiv – funcţional, acest filtru se compune dintr-un cilindri orizontal perforat 12, pe care este aplicată pânza de filtrare 11. În interiorul cilindrului este montat un alt cilindru 10 din tablă, ce are legătură cu cilindrul 12 prin pereţii radiali 9, care împart filtrul în compartimentele sau celulele 8. Sectoarele de lucru în care este compartimentat cilindrul central sunt următoarele: - alimentare cu amestec şi realizarea filtrării cu tasarea precipitatului; acest compartiment este legat la instalaţia de vid prin conducta 1; - spălarea precipitatului cu apă de la duşuri; se colectează filtratul în compartimentul II, acesta fiind legat la instalaţia de vid prin conducta 2; - desprinderea precipitatului prin suflarea de aer prin conducta 5 în compartimentul III; - desfundarea porilor sitei şi a pânzei filtrante prin suflarea de aer din conducta 6 în compartimentul IV. Amestecul este alimentat continuu în cuva 4, în care este montat agitatorul 3. Un astfel de filtru se utilizează în industria zahărului pentru filtrarea concentratului de nămol, operaţia de filtrare cuprinzând următoarele faze: - filtrarea propriu-zisă prin aspiraţia fazei lichide cu evacuarea filtratului limpezit şi depunerea nămolului pe suprafaţa filtrantă; celulele în care se realizează această fază sunt în contact cu suspensia din cuva filtrului; - micşorarea conţinutului de umiditate al nămolului depus pe tambur prin aspiraţia de aer datorită depresiunii; această fază se realizează în celulele care au ieşit din zona de contact cu suspensia din cuva de filtrare; - spălarea precipitatului prin stropire cu apă; faza se realizează tot sub depresiune pentru a aspira separat apa de spălare;

232

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

- micşorarea conţinutului de umiditate al precipitatului după spălare prin aspiraţie de aer datorită depresiunii; - slăbirea aderenţei precipitatului de pânza filtrantă prin suflare cu aer sub presiune; - evacuarea precipitatului prin desprinderea lui de pe pânza filtrantă cu ajutorul cuţitului; - regenerarea suprafeţei filtrante (desfundarea porilor pânzei) prin suflare de aer.

Figura VIII.4 – Filtru rotativ celular

VIII.4. Filtrarea în câmp centrifugal

233

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Filtrarea în câmp de forţe centrifugal influenţează doi factori: viteza de filtrare şi umiditatea finală a sedimentului. Filtrarea în câmp de forţe centrifugal se caracterizează prin viteze de filtrare mari şi conţinut de lichid în sediment mic. În cazul filtrării în câmp de forţe centrifugal, forţa motrice a operaţiei este presiunea centrifugală ce rezultă din rotaţia lichidului. Figura VIII.5 prezintă principiul filtrării într-o centrifugă filtrantă. Semnificaţia notaţiilor este următoarea: -H - înălţimea centrifugei; - Ri - raza interioară (raza stratului de suspensie); -R - raza centrifugei; - R’ - raza stratului de sediment; -l - grosimea stratului de sediment.

Figura VIII.5 – Principiul filtrării într-o centrifugă filtrantă

Filtratul curge în direcţie radială; aria secţiunii de curgere este aproximativ egală cu aria laterală a tamburului filtrant.

Timpul, t [s], în care se depune un strat de sediment de grosime l [m], este:

234

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

t

r η 1  2 2 2  x  ρ l  ω R  R' 2

l  R'     R 2  R' 2    1  2    2  R' 2 ln  R R  

(VIII.31) unde: r [m2] - rezistenţa hidraulică specifică a stratului de precipitat;  [Pas] - vâscozitatea dinamică a lichidului; x [-] - fracţia volumică de fază solidă în suspensie; l [kg/m3] - densitatea lichidului;  [s-1] - viteza unghiulară; R [m] - raza tamburului centrifugei; R’ [m] - raza stratului de sediment; Volumul stratului de sediment, V’ [m3], este dat de relaţia:

V'  Vc  x  π  R 2  R' 2   H în care:

(VIII.32)

Vc [m3] - volumul de filtrat; H [m] - înălţimea centrifugei.

Rezultă volumul de filtrat în câmp centrifugal, Vc [m3]:

Vc  sau

Vc 

π  R 2  R' 2   H x

ω 2  ρl  R' 2 Ri2  t r η x

(VIII.33)

(VIII.34)

unde Ri [m] reprezintă raza stratului de suspensie. Raportul dintre volumul de filtrat în câmp centrifugal, Vc, şi volumul de filtrat în câmp gravitaţional, Vg, obţinut în acelaşi

235

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

timp printr-un filtru sub acţiunea unui strat de lichid R'R i  , corespunzător unei presiuni hidrostatice ρ l  g  R'R i , reprezintă eficacitatea filtrării în câmp centrifugal:

Vc  Vg

ω 2  R'R i  2g

(VIII.35)

Dacă centrifuga este plină (Ri = 0), atunci eficacitatea filtrării în câmp centrifugal este:

Vc  Vg

z 2

(VIII.36)

unde z [-] reprezintă factorul de separare.

VIII.5. Centrifuge filtrante Organul principal de lucru al unei centrifuge filtrante este un tambur perforat, căptuşit în interior cu sită sau pânză. Din punct de vedere al funcţionării, centrifugele filtrante pot funcţiona continuu sau discontinuu, iar din punct de vedere constructiv pot avea tamburul cu ax vertical sau orizontal.

VIII.5.1. Centrifuge filtrante cu tambur vertical

236

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Din categoria centrifugelor filtrante cu tambur vertical, în figura VIII.6 este prezentată centrifuga cu descărcare prin gravitaţie, utilizată în industria zahărului. Organul principal de lucru – tamburul perforat – are o parte cilindrică şi una conică inferioară. Modul de lucru este următorul: masa groasă se încarcă la o turaţie a tamburului de 200 rot/min, prin cădere dintr-un malaxor 1 pe un disc distribuitor orizontal 2, montat pe axul centrifugei. Astfel masa groasă este distribuită uniform pe pereţii tamburului 3. Centrifugarea are loc la 1000 – 1500 rot/min. Pentru descărcare se reduce brusc turaţia la 300 rot/min şi, datorită şocului puternic, masa de cristale se dislocă, astfel încât, la oprirea tamburului, descărcarea zahărului are loc automat prin greutatea proprie.

Figura VIII.6 – Centrifugă cu descărcare prin gravitaţie

VIII.5.2. Centrifuge filtrante cu tambur orizontal

237

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Centrifugele orizontale se caracterizează prin înaintarea forţată a produsului supus centrifugării. Astfel de centrifuge filtrante orizontale se utilizează în industria zahărului. În figura VIII.7 este prezentată centrifuga cu împingere utilizată în industria zahărului. Din punct de vedere constructiv – funcţional, o astfel de centrifugă se compune dintr-un tambur conic perforat 4 dispus în interiorul carcasei 3. Centrifuga are un sistem de alimentare format din conducta 7 şi conul de distribuţie 5, sitele 4, gurile de evacuare a siropului 10 şi a cristalelor 11, dispozitivul de spălare 9, dispozitivul de împingere format din pistonul 1 şi discul 2. Carcasa este închisă cu capacul 8.

Figura VIII.7 – Centrifuga cu împingere

Modul de lucru este următorul: masa groasă curge continuu prin conducta de alimentare 7 într-un con de distribuţie 5, care se roteşte cu viteză constantă şi antrenează masa groasă într-o

238

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

mişcare uniform accelerată cu scopul distribuirii cât mai uniforme a masei pe pereţii tamburului perforat 4. Datorită alimentării continue şi mişcării imprimate de către pistonul 1 prin intermediul discului 2, masa groasă înaintează spre gura de evacuare 11. Separarea siropului are loc sub acţiunea forţei centrifuge, cristalele rămânând pe sitele 6. Cristalele sunt spălate continuu cu apă de la dispozitivul de spălare 9, după care sunt descărcate prin gura de evacuare.

Capitolul VII SEDIMENTAREA VII.1. Definiţii. Caracterizări Amestecurile eterogene sunt formate din două sau mai multe faze solide, lichide sau gazoase, din care o fază internă sau dispersă (constituită din particule fine), şi o fază continuă, externă sau dispersantă, care o înconjoară pe cea internă. În tabelul VII.1 sunt prezentate diferitele tipuri de amestecuri eterogene funcţie de starea fizică a fazei dispersate. Tabelul VII.1 – Amestecuri eterogene Denumire Suspensie Emulsie Dispersie gazoasă

Aerosol

Starea fizică a fazei dispersate Faza dispersantă lichidă Faza dispersată constituită din particule solide (de exemplu cerea în apă, nisip în apă) Ambele faze – dispersantă şi dispersată – lichide Faza dispersantă gazoasă Faza dispersată formată din particule solide (de exemplu praf în lapte) Faza dispersantă gazoasă Faza dispersată constituită din particule fine de lichid

239

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Scopul separării amestecurilor eterogene este de a obţine cele două faze – dispersantă şi dispersată – în stare cât mai pură. Sedimentarea este operaţia de separare a sistemelor eterogene fluide în fazele componente, sub acţiunea diferenţiată a unei forţe externe asupra fazelor de densităţi diferite. În tabelul VII.2 sunt indicate principalele denumiri ale operaţiei de sedimentare, funcţie de scopul acesteia, iar în tabelul VII.3 – termeni importanţi utilizaţi în operare. Tabelul VII.2 – Denumiri ale operaţiei de sedimentare Denumire

Utilizare

Îngroşare Clarificare sau limpezire

Concentrarea prin sedimentare a fazei solide Separarea înaintată a fazei lichide dintr-o suspensie; se elimină practic faza solidă (curăţare) Când ambele faze ale suspensiei sunt valoroase

Sedimentare

Tabelul VII.3 – Termeni importanţi Denumire

Definire

Influent sau alimentare Sediment (precipitat, nămol)

Suspensia iniţială Faza solidă dispersă îmbibată cu lichid, depusă prin sedimentare Lichidul rezultat în urma sedimentării

Decantat

VII.2. Sedimentarea în câmp de forte gravitaţional

240

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

VII.2.1. Factori de influenţă Principalii factori care influenţează operaţia de sedimentare sunt sintetizaţi în tabelul VII.4. Tabelul VII.4 – Factori care influenţează operaţia de sedimentare a sistemelor eterogene lichide Elementul de referinţă

Suspensie

Faza lichidă

Operaţia de sedimentare

Produse rezultate

Factori de influenţă Concentraţia fazei solide (raport solid / lichid) Cantitatea sau debitul suspensiei Vârsta suspensiei (din momentul formării) Temperatura Vâscozitatea Natura fazei lichide Densitatea Vâscozitatea Concentraţia de electroliţi Viteza de sedimentare Durata operaţiei Adaosuri pentru coagulare şi floculare Mod de funcţionare (continuă, discontinuă, mixtă) Tipul decantorului Concentraţia fazei solide în decantat Concentraţia fazei lichide în sediment

Diferitele moduri de sedimentare sunt determinate de structura fazei solide (grăunţoasă, negrăunţoasă, uscată) şi concentraţia acesteia. Într-o suspensie diluată de particule grăunţoase, acestea sedimentează individual, cu viteze de sedimentare diferite, funcţie de mărimea particulelor. Într-o suspensie concentrată negrăunţoasă cu flocoane îmbibate cu lichid, sedimentarea particulelor nu mai are loc independent, particulele se asociază şi se influenţează reciproc.

241

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Stabilitatea sistemelor coloidale (suspensii şi emulsii) poate fi distrusă prin: - coagulare – se neutralizează sarcinile electrice ale particulelor, prin adăugare de electroliţi cu sarcini electrice de semn contrar; - floculare. La coagulare, concentraţia de electroliţi necesară depinde de concentraţia sarcinilor electrice din soluţia de neutralizat şi nu de concentraţia particulelor în suspensie. Ca agenţi coagulanţi se utilizează în principal sărurile de ioni multivalenţi, Al2+, Ca2+, Fe3+. Flocularea pariculelor disperse se realizează prin utilizare de polimeri liniari neionici de greutate moleculară mare: macromoleculele lungi şi flexibile care se adsorb pe diferite particule, prin legături de hidrogen sau/şi prin grupări polare, în funcţie de natura suprafeţei particulelor şi a polimerului. Concentraţia optimă de floculare depinde de greutatea moleculară şi de concentraţia solidului în suspensie. Ca agenţi de floculare se utilizează polimeri polielectroliţi, în special poliacrilamida. În tabelul VII.5 sunt prezentaţi agenţii de coagulare şi floculare utilizaţi în industria alimentară. Tabelul VII.5 – Agenţi de coagulare şi floculare Denumire

Compoziţie

Mecanism

Utilizare

Doze

1

2

3

4

5

Bentonită

Gelatină

242

Silicat de aluminiu

Coagulare Floculare

Deproteinizarea vinului

Vin

Gel de bentonită: • 20-30g / 100l vin sec • 100-200g / 100l vin tulbure Soluţie de 10% gelatină: • 2-5g / 100l

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

(+tanin) Cazeină

cleire uşoară • max. 25g / 100l vin tulbure 10/20g / 100l

Aluminiu

Cazeinat de sodiu Al2(SO4)3

1

2

3

4

5

Separan

Poliactilamidă

Floculare

Vin

5-20mg/l

Polimer pe bază de SiO2

Electrolitic Coagulare

• Bere • Suc de fructe • Tratament ape

1-20ppm

Coagulare Floculare

Zeamă de difuzie

0,06-0,1% CaO

Silicagel

Lapte de var şi CO2

Ca(OH)2 şi CO2 formează un precipitat de CaCO3

Floculare

Vin

Electrolitic Coagulare

Tratament ape

15ppm

Asupra unei particule solide sferice aflată într-un fluid dispersant staţionar acţionează două forţe: greutatea aparentă a particulei şi forţa de frecare. Viteza de sedimentare (viteza critică), w 0, este viteza constantă a particulei solide aflate într-un fluid dispersant staţionar atunci când greutatea aparentă a particulei este egală cu forţa de frecare. Dacă mediul fluid se află în mişcare, viteza critică w0, care menţine particula în stare staţionară, se numeşte viteză de plutire. Teoria sedimentării stabileşte relaţiile de calcul pentru viteza de sedimentare, coeficientul de rezistenţă al mediului şi diametrele critice. Pentru determinarea vitezei de sedimentare w0 a unei particule izolate care sedimentează într-un fluid real se utilizează un model fizic simplificat care consideră sedimentarea

243

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

uniformă, individuală, neinfluenţată de prezenţa altor particule şi de pereţii vasului, mişcarea unidirecţională, lipsa efectelor Cunnigham şi ale mişcării browniene. Când mărimea particulelor se apropie de lungimea drumului liber mijlociu al moleculelor (adică distanta medie parcursă de moleculă între două ciocniri), rezistenţa fluidului dispersat este mai mică decât în cazul modelului simplificat şi astfel viteza de sedimentare este mai mare decât cea corespunzătoare legii lui Stokes. Acest efect apare în cazul particulelor cu diametrul mai mic de 0,3μm în gaze şi mai mic de 0,01μm în lichide. În aceste cazuri, viteza de sedimentare se calculează înmulţind valoarea dată de legea lui Stokes cu un factor supraunitar, între 1,3 şi 2,3. (corecţia Stokes – Cunnigham). Mişcarea browniană, după care particulele mici se mişcă dezorodnat, cu viteza în continuă schimbare ca valoare şi direcţie, se suprapune mişcării de sedimentare în sistemele în care diametrul particulelor este mai mic de 3μm şi devine predominantă la particule cu diametrul mai mic de 0,1μm. Cele două forţe care acţionează asupra unei particule sferice aflate într-un mediu fluid sunt: -

greutatea aparentă a particulei, G [N]:

πd3 ρp  ρm g G  V ρ p  ρ m g  6 unde: V [m3] - volumul particulei; 3 p [kg/m ] - densitatea particulei; 3 m [kg/m ] - densitatea mediului; d [m] - diametrul particulei; 2 g [m/s ] - acceleraţia gravitaţională. -

244

forţa de rezistenţă a fluidului, F ([N]:

(VII.1)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Fξ

w2 w2 πd2 ρm A  ξ ρm 2 2 4

(VII.2)

unde:  [-] - coeficient de rezistenţă; w [m/s] - viteza de cădere a particulei; 2 A [m ] - aria proiecţiei particulei sferice pe un plan perpendicular pe direcţia mişcării. Viteza de sedimentare w0 rezultă din egalarea celor două forte, care acţionează asupra particulei:

πd3 w2 πd2 ρp  ρm g  ξ ρm 6 2 4

(VII.3)

Rezultă ecuaţia generală a vitezei de sedimentare, w0 [m/s], a unei particule sferice într-un fluid staţionar newtonian:

w0 

4 d ρ p  ρ m  g 3ξ ρm

(VII.4)

Pentru particule de formă oarecare, viteza de sedimentare se poate cu ecuaţia generală (VII.5) dacă se determină prin observaţii microscopice volumul particulei şi proiecţia sa pe un plan orizontal pe direcţia de mişcare, precum şi variaţia coeficientului de rezistenţă funcţie de regimul de curgere. Pentru particule nesferice se poate folosi un diametrul echivalent dec [m]:

dec  1,23

m ρp

(VII.5)

unde m [kg] reprezintă masa particulei.

245

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Din cercetări experimentale şi din consideraţii de analiză dimensională rezultă că coeficientul de rezistenţă  este funcţie de numărul lui Reynolds Re. Această dependenţă este reprezentată în diagrama logaritmică  - Re (figura VII.1).

Figura VII.1 – Diagrama  - Re pentru particule solide

Deoarece curbele din figura VII.1 nu pot fi transpuse în ecuaţii unice, ele au fost împărţite în trei porţiuni: - prima porţiune, pentru Re < 1, este o dreaptă de ecuaţia:

ξ

24 24 η   24 Re w 0 dρ m w 0 dρ m η

(VII.6)

unde  [Pas] reprezintă vâscozitatea dinamică a mediului. - porţiunea mijlocie, pentru 1 < Re < 103, este o curbă reprezentată de ecuaţia: 246

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

ξ

18,5 Re 0,6

(VII.7)

- porţiunea finală, pentru 103< Re < 105, este aproximativ orizontală; coeficientul de rezistenţă are valoarea constantă:

ξ  0,44

(VII.8)

Cele trei porţiuni definite mai sus sunt cele trei domenii de sedimentare: Stokes, Allen, Newton. Înlocuind în ecuaţia generală a vitezei de sedimentare (VII.4) expresiile coeficientului de rezistenţă pentru cele trei domenii, (VII.5), (VII.6), (VII.7), rezultă expresiile particulare ale vitezei de sedimentare pentru aceste domenii: - viteza de sedimentare pentru domeniul Stokes, w0S [m/s] (legea lui Stokes):

w 0S

1 d2 ρp  ρm g  18 η

(VII.9)

Legea lui Stokes este valabilă pentru particule sferice în domeniul până la Re = 1. În acest domeniu, viteza de sedimentare a particulei este proporţională cu pătratul diametrului acesteia. - viteza de sedimentare pentru domeniul

d1,14 ρ p  ρ m 

Allen, w0A [m/s]:

0,72

w 0 A  0,158

ρm

0,29

η

0,43

g0,72

(VII.10)

247

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

În domeniul intermediar, viteza de sedimentare a particulei este proporţională cu puterea 1,14 a diametrului acesteia. - viteza de sedimentare pentru domeniul Newton, [m/s] (legea lui Newton):

w 0N  1,74

dρ p  ρ m  ρm

g

w0N

(VII.11)

Conform legii lui Newton, viteza de sedimentare a particulei este proporţională cu rădăcina pătrată a diametrului acesteia. Dacă se cunoaşte factorul de formă sau de sfericitate, valoarea coeficientului de rezistenţă se poate determina direct funcţie de valoarea criteriul Reynolds din diagrama din figura VII.1. Factorul de formă sau de sfericitate al unei particule reprezintă raportul dintre aria sferei de volum egal cu volumul particulei şi aria particulei. În tabelul VII.6 sunt indicate valorile factorului de formă sau sfericitate  pentru unele corpuri. Semnificaţia notaţiilor din tabel este următoarea: - a = latura bazei prismei; - d = diametrul cilindrului; - h = înălţimea cilindrului. Tabelul VII.6 – Valorilefactorului de formă sau sfericitate  Corp Sferă Octaedru Cub Prismă

248

Sfericitatea 1 0,847 0,806

Corp Cilindru h=d h = 1,5d h = 5d

Sfericitatea 0,874 0,860 0,691

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a x a x 2a a x 2a x 2a a x 2a x 3a

0,767 0,761 0,725

h = 10d Inele Rasching Inele de sticlă

0,580 0,260 – 0,420 0,254 – 0,420

Diametrul maxim al particulelor care sedimentează după legea lui Stokes, dCS, şi diametrul minim al particulelor care se depun după legea lui Newton, dCN, se numesc diametre critice. Ecuaţia generală pentru calculul diametrelor critice dC [m] este:

dC  C3

η2 ρp  ρm ρmg

(VII.12)

unde C [-] este un coeficient ce poate lua valorile 2,62 (pentru Re  1) sau 69,1 (pentru Re  1000).

VII.2.2. Aparate pentru sedimentare în câmp de forţe gravitaţional Aparatele de sedimentare în câmp de forţe gravitaţional se pot clasifica în: - camere de sedimentare sau de desprăfuire; - decantoare pentru suspensii solide în medii lichide; - decantoare – vase florentine pentru amestecuri lichid – solid. Camerele de desprăfuire se utilizează pentru separarea particulelor solide din aer, cu scopul purificării acestuia. Camera simplă de desprăfuire (figura VII.2) se compune din punct de vedere constructiv – funcţional dintr-o incintă 2, de lungime suficient de mare, astfel încât să asigura depunerea tuturor particulelor solide din aerul care o străbate şi din două guri: de alimentare 1 şi de evacuare 3. 249

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Modul de operare este următorul: amestecul intră prin gura de alimentare 1 dispusă la o înălţime suficient de mică ca să conducă la obţinerea unei viteze mici de sedimentare, obţinând astfel sedimentarea cât mai multor particule de dimensiuni mici. Evacuarea aerului curat se face pe la partea superioară prin gura de evacuare 3, iar particulele solide se colectează la partea inferioară.

Figura VII.2 – Cameră de desprăfuire

Un alt tip de cameră de desprăfuire este cea cu şicane (figura VII.3). Rolul şicanelor este de a schimba sensul de circulaţie a curentului de aer, se obţine astfel creşterea pierderii de presiune şi în consecinţă reducerea vitezei curentului de aer în cameră. Din punct de vedere constructiv – funcţional, camera de desprăfuire cu şicane se compune din incinta 2 prevăzută cu trei guri, de alimentare 1, de evacuare a aerului purificat 3 şi de evacuare a particulelor sedimentate 5. În interiorul camerei sunt dispuse şicanele verticale 4. Pentru a obţine pierderi de presiune mai mari şi astfel o sedimentare mai bună, se pot monta suplimentar şicanele înclinate 6 faţă de sensul de circulaţie al aerului (figura VII.3b). Modul de operare este următorul: amestecul de separat intră în incinta de desprăfuire 2 prin gura de alimentare 1 şi, ocolind şicanele 4, respectiv 6, are loc sedimentarea particulelor solide.

250

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Aerul purificat se evacuează pe la partea superioară prin gura 3, iar particulele sedimentate prin gura 5.

a

b

Figura VII.3 – Camere de desprăfuire cu şicane

Efectul de pierdere a energiei particulelor solide dintr-un curent de aer se poate obţine şi prin lovirea de nişte lanţuri montate în incinta de desprăfuire. Este cazul camerei de desprăfuire cu lanţuri (figura VII.4). Din punct de vedere constructiv – funcţional, aceasta se compune dintr-o incintă 3, în interiorul căreia sunt montate lanţurile 2. Incinta de desprăfuire are două guri, de alimentare 1 şi de evacuare a aerului purificat 4. La partea inferioară este dispus melcul 5 şi gura de evacuare a particulelor sedimentate 6. Modul de operare este următorul: Curentul de aer intră în incinta de desprăfuire 3 prin gura de alimentare 1, se loveşte de lanţurile 2, ceea ce are ca efect sedimentarea particulelor solide. Acestea cad la partea inferioară de unde melcul 5 le

251

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

transportă către gura de evacuare 6. Aerul purificat este evacuat din cameră prin gura 4.

Figura VII.4 – Cameră de desprăfuire cu lanţuri

Decantoarele se împart în două mari categorii: discontinue şi continue. Decantoarele discontinue sunt aparate de construcţie simplă, formate în principal dintr-o incintă (un recipient), în care suspensia rămâne până ce se realizează sedimentarea, putând fi astfel folosite şi ca vase de depozitare. Decantoarele discontinue se utilizează în industria vinului: din mustul tulbure - un sistem eterogen format dintr-un mediu lichid în care sunt dispersate particule solide - prin decantare rezultă must limpede şi burbă. O altă utilizare a acestor tipuri de decantoare este în industria berii: în timpul fermentaţiei primare a mustului de bere, celulele de drojdie sedimentează în linuri şi tancuri de fermentaţie; în timpul fermentaţiei secundare are loc limpezirea berii prin sedimentarea componentelor ce formează tulbureala (celule de drojdie, proteine şi substanţe amare în formă insolubilă tec.) în tancuri metalice şi din beton armat.

252

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Productivitatea unui decantor, P [m3/s], se calculează cu relaţia:

P unde: Vd [m3]

Vd Ahu   Aw s ts ts

(VII.13)

- volumul de decantat;

Vd  Ah u A [m2] hu [m] ts [s] ws [m/s]

(VII.14)

- aria suprafeţei de separare (libere); - înălţimea utilă; - durata de sedimentare; - viteza de sedimentare.

Decantoarele continue se realizează în mai multe variante. Decantorul dreptunghiular cu îndepărtarea mecanică a nămolului se utilizează pentru decantarea apei de transport şi de spălare în industria zahărului şi pentru decantarea apelor potabile. În figura VII.5 este prezentat un astfel de decantor. Din punct de vedere constructiv – funcţional el se compune dintrun bazin 8, care la partea inferioară are o groapă 7 pentru colectarea nămolului prevăzută cu conducta 6 de evacuare a acestuia. Decantorul mai are prevăzute două conducte, de alimentare 1 şi de evacuare 5 a lichidului purificat. La cele două extremităţi, pe axa longitudinală a bazinului, există două incinte, una prevăzută cu preaplin 2 şi una de decantare 4. Decantorul mai are în componenţă podul rulant 3 cu răzuitorul 9.

253

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.5 – Decantor dreptunghiular cu îndepărtare mecanică a nămolului

Modul de lucru este următorul: amestecul intră prin conducta de alimentare 1 în incinta 2 prevăzută cu un preaplin, cu scopul de a distribui uniform amestecul uniformă în bazinul (camera) de sedimentare 8. În acesta are loc separarea lichidului de nămol. Lichidul limpede obţinut deasupra nămolului se scurge peste deversor într-o incintă 4 unde are loc o ultimă decantare, după care este evacuat prin conducta 5. Datorită înclinării fundului bazinului, nămolul alunecă spre groapa de nămol, de unde este evacuat prin conducta 6. Curăţarea bazinului de nămolul depus se realizează cu ajutorul unui răzuitor 9, care se deplasează permanent prin intermediul podului rulant 3. Productivitatea unui astfel de decantor, P [m 3/s], se calculează cu relaţia:

P unde: L [m] l [m] k [-]

254

w sLl whl  k k

(VII.15)

- lungimea decantorului; - lăţimea decantorului; - coeficient de corecţie; k = 1,2 ... 1,5;

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

w [m/s] decantor.

- viteza de curgere a suspensiei în

O altă utilizare a decantoarelor continue se găseşte în industria uleiului. Un decantor de ulei tip DU (figura VII.6), din punct de vedere constructiv – funcţional, este constituit dintrun bazin 5 prevăzut cu trei compartimente 6, 7, 9 care comunică între ele pe la partea inferioară. În legătură cu al treilea compartiment se află un colector 3 de ulei limpezit. Transportul zaţului se produce cu ajutorul lanţurilor cu eclise pe care sunt montate racletele 8. Alimentarea în decantor se face cu ajutorul elevatorului 1. Decantorul mai are anexate două deversoare 2 şi 4.

Figura VII.6 – Decantor de ulei tip DU

Caracteristicile tehnice ale decantorului de ulei tip DU sunt prezentate în tabelul VII.7.

Tabelul VII.7 – Caracteristici tehnice ale decantorului

255

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

de ulei tip DU Caracteristici 2

Volum util [m ]

Viteza de deplasare a lanţului cu raclete [m/s] Putere instalată [kW] Dimensiuni gabarit [mm x mm x mm] Masa [kg] Masa în funcţionare [kg]

Valori

5,9 0,8 0,7 4775 x 1830 x 1980 3299 7330

Un alt tip de decantor continuu este cel cilindric (figura VII.7), care se utilizează pentru prelucrarea tescovinei proaspete, cu scopul obţinerii de tartrat de calciu: precipitatul de tartrat de calciu se separă în două etape, şi anume în hidrociclon (particule mari) şi în decantor cilindric. Din punct de vedere constructiv – funcţional, decantorul se compune dintr-un corp cilindric 3, care la partea inferioară se termină într-un corp conic 6. În interior sunt fixate două hidrocicloane, care funcţionează în paralel. Decantorul este prevăzut cu trei racorduri, pentru alimentare 1, pentru evacuarea fazei decantate 2 şi pentru evacuarea fazei sedimentate 5. Modul de operare este următorul: Amestecul este alimentat prin racordul 1. Particulele de tartrat de calciu sedimentează, ajung la partea inferioară conică 6 de unde sunt evacuate prin racordul 5. Particulele cele mai mici de tartrat de calciu rămase în suspensie, evacuate din hidrociclon, sunt dirijate în cilindrul interior 4. Faza decantată se ridică în zona inelară şi este dirijată prin racordul 2 la fermentare.

256

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.7 – Decantor cilindric

Un alt decantor cilindric este cel cu agitator (figura VII.8), utilizează pentru tratarea debitelor mari de apă reziduală (12,5 m3/h), de exemplu în industria zahărului. Din punct de vedere constructiv – funcţional, se compune dintr-un bazin cilindric 8 de înălţime mică în interiorul căruia este dispus axul 2 pe care sunt montate braţele de amestecare 6 care la partea inferioară sunt prevăzute cu paletele racloare 7. Axul cu braţe este acţionat de către sistemul 1. Bazinul are prevăzute un tub central de alimentare 3 şi două racorduri de evacuare, pentru lichid curat 5 şi pentru particule solide 9. La partea superioară a bazinului există o rigolă 4.

257

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.8 – Decantor cilindric cu agitator

VII.3. Sedimentarea în câmp de forte centrifugal VII.3.1. Particularităţi. Factor de eficacitate. Viteză de sedimentare Sedimentarea în câmp de forţe centrifugal, comparativ cu cea în câmp gravitaţional, se deosebeşte prin viteze mai mari de sedimentare, care permit separarea eficientă a: - sistemelor eterogene (suspensii coloidale, emulsii) care în câmp gravitaţional sunt imposibil de separat, deoarece forţele dispersive datorate mişcării browniene sunt mult mai mari decât forţa gravitaţională;

258

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

- sistemelor eterogene disperse cu diferenţă mică între densităţile celor două faze; - suspensii: prin acţiunea forţelor centrifugale de anulare a efectului forţelor de tensiune superficială, lichidul este reţinut în porii fini ai particulelor de sediment, obţinându-se astfel un sediment foarte uscat. Separarea centrifugală a sistemelor eterogene lichid – lichid se face pe baza diferenţei dintre densităţile fazelor. Raportul dintre intensităţile celor două câmpuri – centrifugal şi gravitaţional – reprezintă factorul de eficacitate (factorul de separare), z [-], egal cu raportul dintre acceleraţiile celor două câmpuri:

ω 2R z g unde:  [s-1] R [m] G [m/s2]

(VII.16)

- viteza unghiulară; - raza de curbură a traiectoriei; - acceleraţia gravitaţională.

Factorul de eficacitate este o măsură a eficienţei câmpului centrifugal comparativ cu cel gravitaţional şi în operaţiile de separare ia valori mai mari de 104. În tabelul VII.8 sunt indicate câteva valori pentru factorul de separare mediu,

z [-], funcţie de raza medie logaritmică, R . Raza medie logaritmică R este definită prin relaţia:

R

R 2  R1 R ln 2 R1

(VII.17)

în care R1, respectiv R2 reprezintă raza interioară, respectiv exterioară a stratului de centrifugat. 259

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul VII.8 – Factorul de separare mediu Tip centrifugă de sedimentare Centrifugă de mică capacitate Centrifugarea cristalelor Centrifugarea zahărului Supercentrifuge Ultracentrifuge

z [-]

Factorul de separare mediu 30 100 – 150 450 – 650 > 3000 105 – 106

Viteza de sedimentare în câmp de forţe centrifugal variază cu raza de curbură a traiectoriei; de aceea, pentru evaluarea cantitativă a operaţiei de sedimentare, se ia în considerare o viteză medie de sedimentare w s :

ws  w0 z

n

(VII.18)

unde: w0 - viteza de sedimentare în câmp gravitaţional; n - coeficient funcţie de tipul mişcării: n=1 - mişcare laminară; n = 0,5 - mişcare turbulentă; n = 0,714 - mişcare intermediară. Sedimentare particulei trebuie considerată în momentul când particula a atins peretele centrifugei. Din relaţia (VII.18) se poate observă că viteza de sedimentare în câmp de forţe centrifugal este produsul dintre viteza de sedimentare în câmp de forţe gravitaţional şi factorul de separare mediu la puterea n. Valorile coeficientului n arată că factorul de separare influenţează cel mai mult viteza de sedimentare în cazul curgerii laminare.

260

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

VII.3.2. Centrifuge decantoare Centrifugele decantoare se clasifică după două criterii: - după factorul de separare z: - centrifuge normale: z < 3000; - supercentrifuge: z > 3000; - după poziţia axei: - orizontale; - verticale; - înclinate. Din punct de vedere funcţional, există în principal două mari tipuri de centrifuge decantoare: cu transportor elicoidal şi cu talere. Centrifuga decantoare cu transportor elicoidal se caracterizează prin funcţionare continuă, sedimentul fiind îndepărtat de pe suprafaţa de decantare şi evacuat cu ajutorul unui transportor elicoidal. Astfel de centrifuge se construiesc în trei variante, funcţie de forma tamburului decantor: conic, cilindric, cilindro – conic. Centrifugele cu tambur cilindric asigură cea mai bună separare a fazelor, dar sedimentul se evacuează cu un conţinut mare de umiditate. În urma decantării în centrifugele cu tambur conic se obţine un sediment mai uscat, dar decantatul este mai puţin limpede. Centrifugele cu tambur cilindro – conic sunt cele mai utilizate, deoarece îmbină avantajele celorlalte două tipuri constructive. Din punct de vedere constructiv – funcţional, o centrifugă decantoare cu transportor elicoidal cu tambur cilindro – conic (figura VII.9) se compune dintr-un tambur exterior compus din două părţi: cea conică 3 şi cea cilindrică 4. În interiorul decantorului se mai află un tambur cilindric 5. Pe suprafaţa tamburului exterior este fixat un transportor elicoidal 6. Centrifuga mai are prevăzută o conductă centrală de alimentare

261

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

1 şi două guri de evacuare, pentru faza solidă 2 şi pentru cea lichidă 7. Modul de funcţionare este următorul: Suspensia este alimentată prin conducta centrală 1 în mijlocul tamburului 4. Datorită diferenţei dintre turaţia mai mare a tamburului decantor şi turaţia mai mică a transportorului 6, are loc separarea suspensiei. Sedimentul este îndepărtat de pe suprafaţa de decantare şi evacuat cu transportorul elicoidal. Fazele separate se deplasează continuu cu viteze diferite şi se acumulează la extremităţile tamburului, unde se evacuează: faza solidă prin gura 2, iar cea lichidă (faza limpezită) prin gura 7.

Figura VII.9 – Centrifuga decantoare cu transportor elicoidal

În tabelul VII.9 sunt indicate spre exemplificare, caracteristicile tehnice ale centrifugei decantoare orizontale cu transportor elicoidal şi tambur cilindro – conic tip DCA–355, utilizată în procesul tehnologic de obţinere a amidonului din cartof sau porumb.

262

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul VII.9 – Caracteristici tehnice ale centrifugei decantoare orizontale cu transportor elicoidal şi tambur cilindro – conic Caracteristici

Valori

Turaţie tambur [rot/min] Diferenţă turaţie tambur – turaţie transportor elicoidal [rot/min] Diametru interior tambur [mm] Raport lungime / diametru tambur Debit de prelucrare [l/h] Factor de separare Putere motor electric [kW] Dimensiuni gabarit [mm x mm x mm]

max. 4000 5,24 – 66 355 2,57 max. 18000 max. 3200 30 2150 x 1478 x 1105

Centrifuga cu talere a fost concepută cu scopul de a micşora spaţiul din interiorul tamburului decantor şi astfel distanţa pe care trebuie să o parcurgă – pentru separare – fazele unei emulsii, cu consecinţe directe asupra scăderii duratei de sedimentare. Micşorarea spaţiului din interiorul tamburului se face prin împărţirea acestuia cu ajutorul unor talere suprapuse în lamele subţiri. În interiorul acestor lamele de lichid se realizează separarea fazelor – faza uşoară urcă spre centrul centrifugei pe faţa inferioară a talerelor, iar faza grea coboară spre periferia centrifugei pe faţa superioară a acestora. Dacă talerele sunt cu orificii (figura VII.10), emulsia supusă separării prin centrifugare este alimentată între talere prin găurile practicate în suprafaţa lor, găuri astfel dispuse, încât faza care trebuie să rezulte în puritate mai mare să parcurgă un drum mai mare între conuri. Modul de lucru într-o astfel de centrifugă este următorul: emulsia este alimentată printr-un tub central în interiorul tobei de centrifugare, ajunge astfel între talere unde are loc separarea fazelor. După separare, faza uşoară este colectată lângă tubul central, iar faza grea ajunge la periferia rotorului de unde este evacuată prin deschiderile exterioare.

263

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.10 – Principiul separării în lamelele dintre conuri la separatorul cu talere

În tabelul VII.10 este prezentată utilizarea centrifugelor cu talere în diversele tehnologii ale industriei alimentare. Tabelul VII.10 – Utilizarea centrifugelor cu talere Tehnologii alimentare

Operaţie

1

2

Tehnologia vinului: - vinuri semifermentate - vinuri, musturi bentonizate - musturi pentru limpezire prin deburbare Tehnologia sucurilor de fructe: - operaţie preliminară la filtrarea, pasteurizarea sucurilor - sediment de la decantare Tehnologia berii: - must de bere răcit - bere la sfârşitul fermentaţiei secundare

264

Limpezire rapidă oprirea fermentaţiei Limpezire Limpezire Limpezire Limpezire Limpezire Limpezire

cu

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

1 Tehnologia laptelui: - lapte pentru normalizare - lapte pentru degresare - lapte - zer pentru separarea proteinelor - coagul Tehnologia cărnii şi produselor din carne: - emulsie de grăsime cu separarea particulelor de grăsime - grăsimi pentru îndepărtarea apei - sânge – separarea plasmei sanguine de elemente figurate (eritrocite, leucocite, trombocite) - sânge defibrilat – separarea de ser şi elemente figurate Tehnologia drojdiei de panificaţie: - melasă pentru limpezire pentru cultivarea drojdiei - plămadă de drojdie pentru separarea drojdiei din plămada în care s-a dezvoltat Tehnologia glucozei: - sirop de glucoză – curăţirea siropului de grăsimi şi proteine Tehnologia amidonului: - separarea amidonului din apele de spălare - separarea şi concentrarea glutenului

2 Separare de faze Separare de faze Curăţire Separare de faze Concentrare Separare de faze Concentrare Separare de faze

Separare de faze

Limpezire Concentrare Curăţire

Concentrare Concentrare

În figura VII.11 sunt prezentate şase tipuri de centrifuge cu tobă cilindrică şi talere. Din punct de vedere constructiv – funcţional, în principal se deosebesc tubul central de alimentare 1, talerul superior 2 şi inferior 4, talerele curente 3, axul 5. Centrifugele cu tobă cilindrică şi talere conice fără orificii (figurile VII.11 a, b, c, d) se utilizează pentru sisteme eterogene lichide cu conţinut redus de substanţă solidă (de exemplu 265

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

particule de vin, vere, lapte). Între partea cilindrică a carcasei şi talere apare un spaţiu destinat sedimentării particulelor solide. În proiectare, acest spaţiu se consideră 40 – 90 cm3 pentru fiecare 100 l/h lichid de clarificat, ceea ce asigură o funcţionare în condiţii normale fără oprire timp de 2 – 3 ore. Figura VII.11 cuprinde: -

-

-

-

266

centrifuga cu tobă cilindrică şi talere conice fără orificii (a); centrifuga cu tobă cilindrică şi talere conice fără orificii cu disc de presiune (b, d) – în acest caz, pentru evacuarea sub presiune a fazei limpezite, se montează discul de presiune 6; centrifuga cu tobă cilindrică şi talere conice cu alimentare inferioară (c) – în acest caz, alimentarea prin tubul central se face pe la partea inferioară, iar axul 5 are secţiune inelară; centrifuga cu tobă cilindrică şi talere conice cu orificii (d, e) – în acest caz, centrifuga funcţionează ca separator de faze şi realizează separarea amestecului eterogen lichid – lichid în faze cu densităţi apropiate. Talerele curente au un număr de 3 – 6 orificii, în funcţie de mărimea lor; centrifuga cu tobă cilindrică şi talere cilindrice concentrice (f) – se utilizează doar la operaţii de clarificare (must de bere, suc de fructe, vin), faza solidă fiind în proporţie redusă (sub 5% volum). În acest caz, talerele 7 sunt cilindrice, având la una din părţi o arcuire spre interiorul tobei, arcuire care la montare este alternantă. Lichidul circulă printre talere cu viteză din ce în ce mai mică, ceea ce asigură depunerea pe pereţii talerelor a celor mai fine particule solide, astfel încât lichidul evacuat este limpezit.

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a

c

b

d

e f Figura VII.11 – Centrifuge decantoare cu tobă cilindrică şi talere

267

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Un alt tip de centrifuge cu talere sunt cele cu tobă conică şi duze de evacuare a sedimentului (figura VII.12), utilizate pentru sisteme eterogene solid – lichid bogate în sediment, în operaţii de concentrare de fază. Faza solidă sub formă de particule de dimensiuni mici se concentrează într-o parte din lichid, cealaltă parte din lichid eliminându-se aproape limpede. Eliminarea sedimentului se realizează printr-un sistem de duze, periodic, într-un spaţiu colector, de unde este evacuat. Din punct de vedere constructiv – funcţional, aceste centrifuge se compun din tubul central de alimentare 1, talerul superior 2, cel inferior 4 şi cele curente 3, axul gol 5. Figura VII.12 cuprinde: -

-

-

268

centrifuga cu tobă conică şi talere conice cu evacuarea sedimentului cu jet de apă (a) – în acest caz, un jet de apă este dirijat în zona de depunere a sedimentului prin axul gol 5; centrifuga cu tobă conică şi talere conice cu evacuarea sedimentului prin recirculare (b) – în acest caz antrenarea sedimentului se face prin recircularea unui amestec obţinut din apă şi sediment alimentat pe la partea superioară prin orificiile 6; centrifuga cu tobă conică şi talere conice cu descărcare automată (c, d) realizează evacuarea sedimentului prin declanşarea automată a unei instalaţii hidraulice de descărcare, la momentul atingerii unei anumite grosimi a stratului depus. Arcurile 8 ţin închise cele două părţi ale tobei. În momentul alimentării apei în spaţiul conic, arcurile se comprimă, corpul centrifugei se îndepărtează de capac şi astfel este posibilă evacuarea prin sistemul de duze. În momentul evacuării se întrerupe alimentarea cu amestec până la oprirea automată a introducerii apei în sistemul hidraulic de evacuare automată a sedimentului;

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

-

centrifuga cu tobă conică cu talere conice cu orificii şi descărcare prin sifonare (f) – se utilizează la separarea amestecului eterogen în două faze de densitate diferită. Evacuarea fazei cu densitate mai mare se produce la partea inferioară a tobei, prin spaţiul inelar 9, de unde o conductă 10 asigură permanent sifonarea spre orificiul de evacuare.

a

b

c d Figura VII.12 – Centrifuge decantoare cu tobă conică şi talere (continuare la pag. 193)

269

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

c

d

Figura VII.12 – Centrifuge decantoare cu tobă conică şi talere (continuare de la pag. 192)

În figura VII.13 este prezentat un exemplu de aplicare a unei centrifuge decantoare cu tobă conică cu talere, utilizată pentru separarea a trei faze lichid / lichid / solid (în industria cărnii şi preparatelor din carne). Din punct de vedere constructiv – funcţional, se deosebesc canalul central de alimentare 1, evacuarea fazei solide 2, a celei lichide uşoare 3 şi a celei lichide grele 4, lichidul de operare 5. Centrifuga funcţionează pe principiul descărcării automate, enunţat anterior în cazul centrifugelor din figurile VII.12c, VII.12d. O astfel de centrifugă se poate utiliza atât cu scop de: - purificare a fazei lichide uşoare, când aceasta este predominantă în amestec; - concentrare a fazei lichide grele, când aceasta predomină în amestec.

270

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.13 – Centrifuge decantoare cu tobă conică şi talere conice ALFA – LAVAL tip AFPX 517 XGV 14/74 C 50

Tabelul VII.11 cuprinde caracteristicile tehnice ale centrifugei cu tobă conică cu talere conice tip AFPX 517 XGV 14/74 C 50. Semnificaţia notaţiei este următoarea: AF: pentru utilizare în industria cărnii (animal A) sau peştelui (fish F) PX: tip de rotor cu descărcare automată 517: unităţi de constructiv – dimensionale X: indică alimentare permanentă, evacuare periodică a fazei grele şi evacuare permanentă a fazei lichide G: indică descărcare temporizată V: indică descărcare variabilă 1/7: indică modul de funcţionare (1 = purificator; 7 = concentrator) 4: indică funcţionare acţionată direct de către un motor electric C: indică cuplare rigidă 50: indică frecvenţa curentului.

271

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul VII.11 – Caracteristici tehnice ale centrifugei decantoare cu tobă conică şi talere conice ALFA – LAVAL tip AFPX 517 XGV 14/74 C 50 Caracteristici

Valori

Turaţie tobă [rot/min] Turaţie motor antrenare [rot/min] Volum tobă [l] Putere instalată [kW] Masa netă [kg]

4135 1460 58 37 2350

Capacitatea efectivă de prelucrare a unei centrifuge decantoare Q [m3/s], reprezintă debitul volumic maxim de suspensie care poate fi prelucrat, pentru care particulele solide vor fi în majoritate sedimentate, şi se calculează cu relaţia:

  ω2  V  P  2w 0    2g ln 2R s   R s  R l  în care: w0 [m/s] forţe gravitaţional;  [s-1] V [m3] Rs [m] Rl [m]

272

(VII.19)

- viteza de sedimentare în câmp de - viteza unghiulară; - volumul suspensiei; - raza stratului de sediment; - raza suprafeţei libere.

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Figura VII.14 prezintă modelul fizic pentru sedimentarea în centrifuga cu tambur (a), centrifuga tubulară (b) şi centrifuga cu talere (c). Semnificaţia notaţiilor din figură este următoarea: Rs – raza stratului de sediment; R – distanţa particulei de la axul de rotaţie la începutul sedimentării; Rl – raza suprafeţei libere; R2 – raza rotorului; l – lungimea rotorului;

R

– raza medie:

R  Rs 

a

Rl 2

(VII.20)

b

Figura VII.14 – Model fizic pentru sedimentarea în centrifuga decantoare cu tambur

c

273

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Durata de sedimentare t [s] a particulelor solide este:

Rs R t ω2 w0 g ln

(VII.21)

Factorul de eficacitate z [m2] se referă la parametrii fizici şi de operare ai centrifugei şi reprezintă aria echivalentă de sedimentare în câmp gravitaţional care ar produce acelaşi efect de sedimentare ca şi centrifuga pentru un sistem eterogen dat. Funcţie de tipul centrifugei, factorul de eficacitate se calculează cu una din relaţiile: -

z

pentru centrifuga cu tambur:

2R s ω2 V ln 2g R s  R l -

z  2πl -

(VII.22)

pentru centrifuga tubulară (supercentrifugă) centrifuga orizontală cu transportor elicoidal:

ω2  3 2 1 2   R 2  Rl  g 4 4 

(VII.23)

pentru centrifuga cu talere:

2πn ω 2 θ z  ctg R 2  R 1  3 g 2

(VII.24)

unde: n [-] - numărul de spaţii de sedimentare între talere;  [°] - unghiul talerului; R1 [m] - raza interioară a stratului de lichid.

274

şi

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Diametrul minim, dmin [m], adică diametrul celor mai mici particule care se depun într-un anumit timp t de centrifugare (la turaţia de regim) se calculează cu relaţia: -

dmin

pentru centrifuga cu tambur:

R  2η ln s   Rl  3 2 ω ρ s  ρ l t

(VII.25)

în care s, respectiv m [kg/m3] reprezintă densitatea particulelor de solid, respectiv a mediului lichid. -

pentru supercentrifugă:

R2 R 2η Q 3   2 1 2 (VII.26) 2 ω ρ s  ρ l  lπ R 2  R 1 ln

dmin

Presiunea care se dezvoltă pe suprafaţa rotorului centrifugei, pp [Pa], este:

pp  s  ρ c  ω 2  R 22

(VII.27)

unde: s [m] - grosimea peretelui; 3 c [kg/m ] - densitatea materialului din care este construită centrifuga. Efortul unitar, p [Pa], la care este supus peretele centrifugei se calculează cu relaţia:

σ p  ρ c  ω 2  R 22

(VII.28)

275

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Presiunea întregului strat de lichid, pl [Pa], este dată de relaţia:

pl 

R 1  ρl  ω 2  2  R 22  R12  2 s

(VII.29)

Efortul unitar datorat rotirii lichidului, l [Pa], este:

σl 

R 1  ρl  ω 2  2  R 22  R12  2 s

(VII.30)

Rezultă solicitarea totală a peretelui centrifugei, t [Pa]: t = p + l

(VII.31)

Dacă centrifuga este goală, adică R2 = R1, atunci solicitarea totală a peretelui centrifugei este minimă:

σmin  σp  ρ c  ω 2  R 22

(VII.32)

Dacă centrifuga este plină, adică R1 = 0, atunci solicitarea totală a peretelui centrifugei este maximă:

σ max

3 1 2 R2  ρ c  ω  R   ρl  ω   2 s (VII.33) R2  1 2 2   ω  R 2   ρ c   ρl   2 s   2

2 2

Înălţimea lichidului pe un paraboloid de revoluţie, h [m]:

h

276

R c2  ω 2 2g

(VII.34)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Volumul ocupat în centrifugă, V [m3], este:

V  π  ht  R 2t  R 2 

(VII.35)

unde: ht [m] - înălţimea tobei; Rt [m] - raza tobei. Puterea necesară pentru acţionarea centrifugei, P [W], se calculează cu relaţia: P = P0 + Pl + Pfa + Pfr

(VII.36)

în care: P0 [W] - puterea necesară pentru aducerea masei centrifugei la turaţia de regim:

P0  tp [s]

π  h  s  ρp  ω 2  R 22 tp

(VII.37)

- durata de pornire;

Pl [W] - puterea necesară pentru aducerea lichidului centrifugei la turaţia de regim:

ω 2  R 24  R 14  1 Pl   π  h  ρ l  4 tp

(VII.38)

Pfa [W] – puterea pentru învingerea frecării arborelui în lagăre:

mr  ω 2  r Pf a  f  tp

(VII.39)

277

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

f [-] - coeficientul de frecare a arborelui centrifugei în lagăre; f = 0,07 ... 0,1; mr [kg] - masa pieselor în mişcare de rotaţie; r [m] - raza arborelui în zona lagărului; Pfr [W]- puterea pentru învingerea frecării dintre rotor şi aerul înconjurător:

Pf r  0,736  106  ζ  D22  ρa

(VII.40)

 [-] - coeficient de rezistenţă;  = 2,2; D2 [m] - diametrul exterior al rotorului; a [kg/m3] – densitatea aerului. Puterea de regim, Pr [W], este dată de suma: - pentru centrifuge discontinue: Pr = Pfa + Pfr

(VII.41)

- pentru centrifuge continue: Pr = Pl + Pfa + Pfr

(VII.42)

Turaţia critică, ncr [rot/min], rezultă din relaţia:

ncr 

1 K 2π ma

(VII.43)

unde: K [N/m] - forţa pe unitatea de lungime:

K

278

aEI l2c

(VII.44)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

a [-] - constantă numerică; E [Pa] - modul de elasticitate; I [m4] - moment de inerţie; c [m] - distanţa de la ultimul lagăr la centrul de greutate al tamburului în consolă; ma [kg]- masa aerului.

VII.3.3. Hidrocicloane Hidrocicloanele se utilizează pentru operaţii de separare centrifugală în sisteme solid – lichid. Din punct de vedere constructiv – funcţional, un hidrociclon (figura VII.15) se compune dintr-un corp cilindric 3, unul conic 4, racordurile de alimentare cu suspensie 2, de evacuare a decantatului 1 şi a nămolului subţire 5.

Figura VII.15 – Hidrociclon

279

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Modul de operare este următorul: suspensia este alimentată cu viteză mare în hidrociclon prin racordul tangenţial 2 dispus la partea superioară cilindrică 3, parcurge un traseu elicoidal descendent trecând prin partea conică 4, timp în care particulele solide se îndreaptă spre peretele conic, iar lichidul ia o traiectorie elicoidală ascendentă. Particulele solide care ajung la perete coboară de-a lungul acestuia şi sunt evacuate ca nămol prin racordul 5, iar decantatul ajunge la partea superioară de unde este eliminat din hidrociclon prin racordul 1. În general, în hidrocicloane se separă particule cu dimensiuni între 600 – 4 μm. O eficienţă a separării mai bună (separări până la dimensiuni de 1 – 2 μm) se obţine prin înserierea mai multor hidrocicloane în aşa – numite baterii, pe care suspensia le parcurge în paralel sau în serie. Unei particule care intră într-un hidrociclon i se imprimă o viteză de înaintare, w [m/s], dată de expresia:

w în care:

ω R

(VII.45)

 [s-1] – viteza unghiulară; R [m] – raza de curbură a traiectoriei.

Viteza de sedimentare, ws [m/s], se calculează cu relaţia: -

pentru mişcare laminară:

1 d2 w2 ws    ρ p  ρ m   18 η R

280

(VII.46)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

-

pentru mişcare turbulentă:

w s  1,74  w  în care:

d ρp  ρm  R ρm

(VII.47)

d [m] - diametrul particulei;  [Pas] - vâscozitatea suspensiei; 3 p, m [kg/m ] - densitatea particulei, respectiv a

mediului. Viteza de sedimentare, ws [m/s], se poate determina şi cu relaţia:

w s  w 0  zn

(VII.48)

unde: w0 [m/s] - viteza de sedimentare în câmp gravitaţional; z [-] - factor de separare (uzual 1000 – 2000); n [-] - coeficient funcţie de tipul mişcării: n=1 - mişcare laminară; n = 0,5 - mişcare turbulentă; n = 0,714 - mişcare intermediară. Timpul de sedimentare, ts [s], este direct proporţional cu raza hidrociclonului, R1 [m], respectiv invers proporţional cu viteza de înaintare a suspensiei, w [m/s]: -

ts 

pentru mişcare laminară:

9η 1   R 12  R 22  2 2 d w ρp  ρm

(VII.49)

281

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

-

pentru mişcare turbulentă:

R 13 2  R 32 2

ts 

2,55  w  d 

(VII.50)

ρp  ρm ρm

în care R 2 [m] reprezintă raza particulei. Diametrul minim al particulei care poate sedimenta, dmin [m], este: -

dmin  -

pentru mişcare laminară:

9η 1   R12  R 22  (VII.51) 2 ω  t s ρp  ρm pentru mişcare turbulentă:

dmin  ρ m  R13 2  R 32 2 

2

(VII.52)

O caracteristică a hidrocicloanelor este gradientul de presiune creat de pierderea de presiune din interiorul hidrociclonului. Separarea în hidrociclon poate fi consider un fenomen de curgere izotermă ce depinde de coeficientul lui Reynolds, Re, de factorul de separare şi de condiţiile de similitudine geometrică. Pierderea de presiune în hidrociclon, p [Pa], este suma pierderilor de presiune statică, ps, şi dinamică, pd:

Δp  Δp s  Δp d 

282

1 Φ  ρm  ω2 2

(VII.53)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

unde  [-] e un factor de corecţie care se determină pe cale grafică, din nomograme, funcţie de dimensiunile hidrociclonului şi debitele de materiale. O posibilitate de exprimare a eficienţei separării este funcţie de diametrul particulelor corespunzător unei eficienţe de 50%, d50. Astfel, după Zanker şi colaboratorii, diametrul d 50 [m], se calculează cu relaţia:

d50

  D3  η  4,5   1 2   Q a  ρ p  ρ m 

12

(VII.54)

în care: D [m] – diametrul interior al camerei cilindrice a hidrociclonului;  [cP] – vâscozitatea dinamică; Qa [l/min] – debitul volumic de suspensie la alimentare; p, m [kg/m3] – densitatea particulelor, respectiv a mediului lichid.

VII.4. Sedimentarea sistemelor eterogene gazoase Sistemele eterogene gazoase conţin particule solide sau lichide. De formă definită sau nedefinită, solubile sau insolubile în apă, inerte sau active din punct de vedere chimic, cu dimensiuni între 0,1 şi 100 μm. În tabelul VII.12 se prezintă o clasificare a sistemelor eterogene gazoase funcţie de mărimea particulelor conţinute în: gaz cu praf, ceaţă şi fum. Sistemele eterogene fum – ceaţă ce conţin particule cu dimensiuni între 0,5 şi 10 μm în aer, se numesc aerosoli.

283

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

Tabelul VII.12 – Clasificarea sistemelor eterogene gazoase Sistem

Particule Natura Dimensiuni [μm]

Praf

Solid

> 10

Ceaţă

Lichid

0,5 – 10

Fum

Solid

< 0,5 (0,1 – 0,5)

Aerosoli

Solid sau lichid în aer

0,5 – 10

Surse de formare Operaţii de măcinare, cernere (pulbere de făină) (15 – 20 μm), uscare (pulbere de amidon) (10 – 25 μm) Condensarea vaporilor, uscarea prin pulverizare, reacţii de ardere etc. Afumarea preparatelor din carne. Faza dispersată: substanţe organice sub formă de particule condensate lichide cu d = 0,1 – 0,08μm, particule solide produse de arderi incomplete şi particule de funingine Fum de tutun: 0,25μm

Eficacitatea operaţiei de separare în sisteme eterogene se poate exprima in mai multe moduri: -

E

eficacitatea de colectare E [%]:

Cint r  Cies  100 Cint r

(VII.55)

în care Cintr, respectiv Cies reprezintă conţinutul (masic, fracţie masică) de particule în fază gazoasă la intrare, respectiv ieşire din separator.

284

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

-

numărul de unităţi de transfer NUT [-]:

NUT  ln -

FP 

Cies Cint r

(VII.56)

factorul de performanţă FP [-]:

NUT Δp

(VII.57)

unde p este pierderea de presiune în separator. Sedimentarea sistemelor eterogene gazoase în câmp de forţe gravitaţional se realizează în camere de sedimentare care sunt aparate simple, sub forma unor camere de diferite dimensiuni (de la 1 m3 la 20 m3), în care curentul de gaz se deplasează continuu cu viteză suficient de mică (0,2 – 0,4 m/s) pentru a asigura timpul necesar sedimentării particulelor. Debitul gazului prelucrat într-o cameră de sedimentare, Q 3 [m /s], este:

Q  w  l  H  w 0 min  l  L

(VII.58)

w [m/s] – viteza de deplasare a curentului de gaz: w [m/s] = 0,2; l [m] – lăţimea camerei; H [m] – înălţimea camerei; L [m] – lungimea camerei; W0min [m/s] – viteza de sedimentare în câmp de forţe gravitaţional minimă. în care:

Diametrul minim al particulelor care se depun (diametrul celor mai fine particule), dmin [m], pentru domeniul Stokes, se determină cu relaţia:

285

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

dmin  3 2 unde:  [Pas] g [m/s2] p [kg/m3]

η w H g  ρp  L

(VII.59)

- vâscozitatea dinamică; - acceleraţia gravitaţională; - densitatea particulei.

În câmp de forţe centrifugal, sedimentarea sistemelor eterogene gazoase se realizează prin creşterea vitezei de sedimentare datorită folosirii câmpului de forţe centrifugal creat prin energia cinetică a gazului. Neglijând densitatea gazului, viteza de sedimentare a sistemelor eterogene gazoase în câmp de forţe centrifugal, ws [m/s], se calculează cu relaţia:

1 2 ρp w 2 ws  d   18 η R

(VII.60)

unde: d [m] – diametrul particulei; R [m] – raza de curbură a traiectoriei. Viteza de sedimentare în câmp de forţe centrifugal, ws, este uzual de 5 – 2500 ori mai mare decât cea în câmp gravitaţional, w0. Aparatele specifice sedimentării sistemelor eterogene gazoase în câmp de forţe centrifugal sunt cicloanele, iar pentru debite mari de gaz, bateriile de cicloane. Diametrul minim al particulelor care se depun într-un ciclon, dmin [m], este:

dmin  3

286

ηR 2  π  n  w  ρp

(VII.61)

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

unde n [-] reprezintă numărul de rotaţii până la depunerea particulelor (de obicei n > 1,5). Pierderea de presiune într-un hidrociclon utilizat pentru sedimentarea sistemelor eterogene gazoase, p [Pa], se determină cu relaţia:

w 2  ρm Δp  ξ  2

(VII.62)

unde:  [-] - coeficient de rezistenţă funcţie de modul de transport:  = 1 pentru transport pneumatic la o proporţie de masă material – aer, μ, mai mare de 1;  = 2 pentru alimentare cu aer curat.

287

Tr an spo rt u l mat e ri al elo r

288