Отстаиванием называется процесс разделения неоднородных жидких смесей на фракции, различающиеся по плотности, в поле гравитационных сил. Фильтрацией называется процесс отделения осадка от суспензий при помощи пористых, фильтрующих перегородок, которые задерживают осадок и пропускают осветленную жидкость. Центрифугированием называется разделение неоднородных суспензий на фракции в поле центробежных сил. Различают отстойное и фильтрационное центрифугирование. Сепарированием называется процесс разделения неоднородных жидких смесей на фракции, различающиеся по плотности, в поле действия центробежных сил. Фильтрационное центрифугирование применяется для разделения суспензий, имеющих дисперсионную фазу кристаллической или зернистой структуры, а также для обезвоживания влажных материалов, поры которых целиком или частично заполнены жидкостью. Фильтрационное центрифугирование получило распространение в сахарной промышленности для фуговки утфеля. Утфель представляет собой двухфазную вязкую массу, содержащую 45…60 % по объему кристаллов сахара и межкристальный раствор. Процесс фуговки осуществляется за счет действия центробежной силы на утфель, загруженный в цилиндрический перфорированный ротор центрифуги, вращающейся с окружной скоростью 50… 90 м/с. Процесс фуговки утфеля делится на три периода :
- образование осадка;
- уплотнение;
- механическая сушка осадка.
Первый период – обычная фильтрация, причем давление обусловливается гидравлическим напором под действием центробежных сил. Во время второго периода центрифугируемая масса представляет собой двухфазную систему, причем твердые частицы имеют минимум точек касания. В дальнейшем происходит сближение частиц с уменьшением объема пор массы и выжимание жидкой фазы из этих пор.
Мембранные процессы классифицируют по среднему размеру пор на обычную фильтрацию, микрофильтрацию, ультрафильтрацию и обратный осмос. Микрофильтрация – промежуточное положение между обычной фильтрацией и и мембранными процессами. Поры микрофильтрационных мембран имеют средний размер от 0,1 до 10 мкм. В этих процессах могут отделятся как мельчайшие частицы механической примеси, так и отдельные клеточные организмы. Ультрафильтрация – процесс разделения, фракционирование и концентрирования растворов с помощью полунепроницаемых мембран. При этом жидкость непрерывно подается в пространство над мембраной под давлением 0,1…1,0 МПа. Процессы ультрафильтрации выполняют на мембранах со средним диаметром пор от 0,01 до 0,1 мкм, называемых ультрафильтрационными мембранами. Обратный осмос – мембраны имеют поры, средний диаметр которых 0,01 мкм. Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации бывают периодического и непрерывного действия. По способу расположения мембран аппараты делятся на аппараты типа «фильтр-пресс» с плоскокамерными фильтрующими элементами, аппараты с цилиндрическими и рулонными элементами и аппараты с мембранами в виде полых волокон. В зависимости от формы мембраны и типа ее укладки мембранные аппараты делятся на четыре группы:
1. Аппараты, составленные из модулей типа фильтр-пресс с плоскопараллельными фильтрующими элементами. Модуль состоит из рам и опорных дренажных плит, через поры которых отводится фильтрат. Ширина канала, по которому движется исходная жидкость, зависит от толщины прокладки (рамки) и обычно составляет 0,8…1,0 мм.
2. Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами. Такие аппараты изготовляют двух типов: мембрану наносят на внутреннюю поверхность пористой несущей трубки или на внешнюю поверхность и закрывают кожухом. Элементы с внутренней мембраной выгодно использовать в бескорпусных аппаратах, когда фильтрат свободно изливается через поверхность трубок и собирается в установленных внизу лотках. При движении исходного раствора по трубкам вдоль мембраны обеспечиваются наилучшие гидродинамические условия процесса.
3. Аппараты с рулонными или спиральными модулями. Спиральный модуль устройством напоминает спиральный теплообменник. Спираль модуля состоит из ленты упругого дренажного материала, с двух сторон покрытого ленточными мембранами. Поверх мембран уложена сетка сепаратора. Такую многослойную ленту сворачивают в рулон и помещают в цилиндрический корпус. Исходный раствор с торца рулона поступает сразу во все каналы спирали, проходит по ним и отводится в виде концентрата с противоположного торца. Фильтр по дренажному слою перемещается от периферии к центру спирали и выводится из аппарата через центральную трубку. Недостатки аппаратов этого типа — необходимость замены всего модуля при местном повреждении мембраны, а также сложность герметизации при высоком рабочем давлении. 4. Модули с мембранами типа полых волокон. Эти модули конструктивно напоминают модули с трубчатыми мембранами. Крепление волокон в торцах модуля осуществляется заливкой концов клеем на основе эпоксидных смол. Полые волокна, достаточно устойчивые по отношению к внешнему и внутреннему давлению, не нуждаются в поддерживающем каркасе, поэтому возможно их плотная укладка в виде прядей внутри модуля. Такие модули характеризуются наибольшей удельной поверхностью фильтрации. Недостатки модулей с фильтрующими волокнами – возможность обеспечить перемешивание раствора вне волокна, тем более внутри его, а также необходимость тщательной очистки раствора от посторонних частиц. Модули из полых волокон используют в основном в процессах обратного осмоса.
Центрифуги классифицируются по фактору разделения. В зависимости от этой характеристики различают нормальные, у которых фактор разделения меньше 3000, и сверхцентрифуги, у которых фактор разделения больше 3000.
По осуществлению рабочего процесса центрифуги делятся на непрерывно и периодически действующие.
В сахарной промышленности применяют нормальные и фильтрующие центрифуги.
По способу удаления осадка из ротора различают центрифуги с ручной, гравитационной, ножевой, пульсирующей, шнековой и инерционной выгрузкой.
По характеру расположения вала, на котором закрепляется ротор, различают центрифуги с вертикальным и горизонтальным расположением вала. Центрифуги с вертикальным валом в зависимости от расположения опоры вала могут быть подвесные, когда опора расположена выше центра тяжести ротора, а ротор укреплен внизу вала, и центрифуги, ротор которых расположен на верхнем конце вала.
Сепараторы могут быть классифицированы по следующим признакам:
- технологическое назначение сепараторов;
- тип сепараторов по конструкции барабана;
- способ выгрузки осадка;
- принцип и характер выгрузки осадка;
- конструкция устройства для выгрузки осадка ;
- способ подвода исходной гетерогенной системы и отвода продуктов сепарирования;
- область применения;
- вид привода сепаратора.
По технологическому назначению сепараторы делятся на три основных класса:
1) Сепараторы разделители, применяемые для разделения жидкостей, не растворимых одна в другой;
2) Сепараторы- осветлители, предназначенные для выделения твердых частиц из жидкости;
3) комбинированные сепараторы, служащие для выполнения двух или более операций переработки жидкой смеси.
К классу сепараторов осветлителей можно отнести еще две группы:
1.сепараторы, предназначенные для дальнейшего диспергирования (гомогенизации) дисперсной фазы эмульсий и их очистки от примесей;
2. сепараторы для удаления из жидкостной системы микроорганизмов, скапливаемых в шламовом пространстве вместе с другими механическими примесями.
Типы сепараторов по конструкции барабана разделяют на две группы: тарельчатые и камерные. Ротор тарельчатых сепараторов укомплектован пакетом конических вставок, которые делят поток жидкости на параллельные тонкие слои. Ротор камерных сепараторов имеет реберную вставку или комплект концентричных цилиндрических вставок, разделяющих его объем на кольцевые камеры, по которым обрабатываемая жидкость протекает последовательно. Тарельчатые сепараторы независимо от отрасли их применения делят на два основных типа. Первый тип сепараторов имеет тарелки,обеспечивающие подачу жидкости в межтарелочные пространства через отверстия, имеющиеся в самих тарелках. Второй тип сепараторов характеризуется тем, что жидкость в межтарелочные пространства поступает с периферии и движется к центру барабана. Тарелки в этих сепараторах в большинстве своей отверстий не имеют. По способу подвода исходной гетерогенной системы и отвода продуктов сепарирования различают сепараторы трех типов: открытые, полузакрытые и герметические. В открытых сепараторах подача в ротор жидкой смеси и отвод полученных жидких фракций осуществляются открытым потоком. Процесс сепарирования не изолирован от потока воздуха. В полузакрытых сепараторах подается в ротор открытым или закрытым потоком, а отвод одной или обеих жидкостей происходит под давлением по закрытым трубопроводам. В герметических сепараторах подача в ротор исходной жидкости и отвод жидких фракций происходят под давлением по закрытым трубопроводам, герметически соединенным с выпускными патрубками, процесс сепарирования изолирован от доступа воздуха. По виду привода сепараторы разделяют на три группы: с ручным, комбированным и электромеханическим приводом.
Фильтры классифицируются в зависимости от признака на следующие типы: а) по виду давления, создаваемого для движения фильтруемой среды, — на вакуум –фильтры и фильтр –прессы; б) по типу фильтрующих перегородок – на рамные, листовые, дисквые, патронные, трубчатые; в) по способу очистки – с ручной, механизированной и с регенеративной очисткой; г) по способу действия – периодического и непрерывного действия. В пищевой промышленности прессы применяются для отделения жидкой фазы от твердой. По конструкции прессы могут быть шнековыми, ленточными, валковыми, поршневыми и т.д.