Молочная промышленность

Система сепарирования порошка

Поскольку воздух на выходе из камеры содержит небольшую долю порошка (10-30 %), частицы порошка необходимо отделить от воздуха – как из экономических соображений, так и во избежание загрязнения среды. Эту фракцию порошка обычно называют «мелочью», так как в нее попадают самые мелкие частицы.

В качестве отделителей/сепараторов в молочной промышленности чаще всего применяют:

  1. циклон
  2. рукавный фильтр
  3. скруббер
  4. рукавный фильтр, допускающий безразборную мойку

Циклон

Циклон обладает рядом очевидных преимуществ: высокая эффективность при условии правильной конструкции, простое обслуживание в связи с отсутствием движущихся частей, удобство чистки, если это полностью сварной центрально расположенный циклон, см. рисунок 1.

Рисунок 1 - Центральный циклон
Рисунок 1 — Центральный циклон

Принцип работы основан на вихревом движении, при котором на каждую частицу действует центробежная сила, перемещая ее от оси циклона к внутренней стенке. Однако движение в радиальном направлении является результатом действия двух противоположных сил: центробежная сила перемещает частицу к стенке, а влекущая сила потока – к оси циклона. Поскольку центробежная сила преобладает, происходит сепарация.

Порошок и воздух входят в циклон тангенциально с равными скоростями. Воздух вместе с порошком движется по спирали к основанию циклона, при этом порошок отделяется, смещаясь к стенке аппарата. Порошок выгружается из нижней части циклона через герметизирующий затвор. Чистый воздух поднимается по спирали вдоль центральной оси циклона и выходит из аппарата сверху. (см. рисунок 23).

Рисунок 2 - Циклон
Рисунок 2 — Циклон

Действующая на каждую частицу центробежная сила рассчитывается по формуле:

Система сепарирования порошка

Где: C — центробежная сила; m — масса частицы; Vt — тангенциальная скорость воздуха; r — радиальное расстояние до данной точки.

Из этой формулы видно, что чем больше масса частицы, тем выше эффективность циклона. Чем меньшее расстояние должна пройти частица и чем ближе она к стенке, тем выше эффективность, поскольку скорость выше и радиус меньше.

Однако для того чтобы частица достигла стенки циклона, требуется время, т.е. при проектировании циклона требуется предусмотреть достаточное время прохождения воздуха через аппарат.

Из вышеприведенного уравнения видно, что маленькие циклоны (диаметром меньше 1м) обладают максимальной эффективностью, что является общепринятым фактом.

Однако высокопроизводительные сушилки, работающие в наше время в молочной промышленности, потребовали бы многих циклонов (батареи циклонов). Поскольку каждый циклон требует устройства выгрузки порошка в виде секторного затвора или пневматического либо клапана, это означает большую опасность утечки воздуха, что снижает эффективность циклона. Маленькие циклоны можно соединить с одним центральным бункером, в этом случае понадобится только один клапан, см. рисунок 3. Однако это означает, что в случае различного падения давления в циклонах воздух с порошком будет перетекать из одного циклона в другой через нижнее выпускное отверстие. Это уменьшит эффективность и повысит потери порошка. Чистка многочисленных маленьких циклонов представляет проблему, так как отнимает много времени, а множество внутренних углов создает опасность бактериального заражения.

Рисунок 3 - Батарея циклонов с центральным бункером
Рисунок 3 — Батарея циклонов с центральным бункером

По вышеперечисленным причинам размер циклонов постоянно увеличивается, современные аппараты имеют диаметр 2,5-3 м и обрабатывают 25 000-30 000 кг воздуха в час.

При проектировании максимальной эффективности циклона необходимо учесть ряд ключевых параметров. Максимальная эффективность обеспечивается, если

Система сепарирования порошка

Увеличение расхода воздуха (т.е. скорости Vt) и перепада давления также повышает эффективность, но одновременно возрастают и затраты энергии, так что, как правило, верхний предел перепада давления для сухого обезжиренного молока составляет 175-200мм водяного столба. Для сухого цельного молока необходимо ограничиваться перепадом 140-160 мм водяного столба во избежание отложений и засорения циклона.

В качестве герметичного устройства выгрузки, как правило, применяется роторный затвор, и порошок выгружается со дна циклона, как показано на рисунок 4. Желательно использовать конический тип затвора, так как он облегчает регулировку зазора между корпусом и ротором и снижает потери порошка.

Эффективность циклона можно характеризовать следующими параметрами:

  • предельный диаметр частицы. Предельный диаметр частицы определяется как минимальный размер частиц, которые
    полностью удаляются из воздушного потока (со 100 % эффективностью улавливания).
    Однако, поскольку невозможно строго определить размер, выше которого улавливается или ниже которого теряется 100 % частиц, предельный диаметр частицы – не очень
    полезный показатель.
  • фактический размер. Фактический размер определяется как размер частиц с 50 % осаждением и является
    гораздо более ценным показателем эффективности циклонов. Фактический размер
    определяют по дифференциальным кривым, которые строят, подавая в циклон пылевоздушные смеси с определенным размером частиц. (см. рисунок 5).
Рисунок 5 - Критический размер частиц и кривые фракционной эффективности циклона
Рисунок 5 — Критический размер частиц и кривые фракционной эффективности циклона
  • общая эффективность циклона.  Общую эффективность циклона находят для продукта определенного гранулометрического состава. Зная фракционную эффективность циклона и гранулометрический состав продукта, можно рассчитать общую эффективность циклона, т.е. сделать прогноз потерь порошка.

Другой способ определения эффективности циклона состоит в простом изменении потерь порошка. Очень небольшая часть выходящего из циклона воздуха пропускается через высокоэффективный мини-циклон или через микрофильтр. Количество собранного порошка прямо пропорционально потерям порошка. Основные причины высоких потерь:

  • Подача сырья с низким содержанием сухих веществ или с большим содержанием воздуха.
  • Высокая температура воздуха на выходе.
  • Низкая плотность частиц (например, из-за одной из вышеперечисленных причин).
  • Утечка через старый не отрегулированный роторный затвор выгрузки продукта.
  • Засорение циклона.
  • Изменение параметров сушки, вызвавшее уменьшение среднего размера частиц.
  • Старый циклон, помятый в результате сильного обстукивания для удаления отложений.

Рукавные фильтры

Средние потери порошка в нормальном высокоэффективном циклоне не должны превышать 0,5 % (250 мг/м3 при нормальных условиях) в случае распылительной сушки обезжиренного молока. Однако в настоящее время власти пришли к выводу, что 0,5 % — это слишком высокий уровень. С 2007 года согласно требованиям ЕС потери порошка не должны превышать 10 мг/м3 при нормальных условиях. Поэтому требуется заключительная очистка воздуха. Обычно она производится рукавными фильтрами, которые состоят из большого числа фильтрующих рукавов, через каждый из которых проходит одинаковое количество воздуха. Воздух проходит через фильтрующий материал внутрь рукава, откуда чистый воздух поступает в выходной коллектор. При правильном выборе фильтрующего материала достигается высокая эффективность очистки, и многие производители сообщают об отделении частиц размером 1 мкм. Собранный порошок автоматически стряхивается подачей сжатого воздуха через использующее эффект Коанда сопло Вентури, расположенное в верхней части каждого рукава. Этот порошок выгружается снизу через роторный затвор (см. рисунок 6 и 7).

Рисунок 6 - Рукавный фильтр
Рисунок 6 — Рукавный фильтр
Рисунок 7 - Распылительная сушилка с рукавным фильтром
Рисунок 7 — Распылительная сушилка с рукавным фильтром

Рукавный фильтр можно также использовать вместо циклонов – такое решение часто используют в одноступенчатых сушилках для получения сухого сывороточного или яичного белка. Во избежание конденсации, особенно в конической части корпуса фильтра, используется обдув теплым воздухом или ленточный нагреватель.

Рисунок 8 - Рукавный фильтр с обводной линией к вытяжному вентилятору
Рисунок 8 — Рукавный фильтр с обводной линией к вытяжному вентилятору

Скруббер

Скрубберы давно применяются в химической промышленности. В этих аппаратах используется принцип скруббера Вентури. В молочной промышленности они оказались особенно результативными, их эффективность близка к 100 %.

Каплеуловитель работает по широко известному принципу циклона, однако имеет модифицированный выход, который позволяет минимизировать уровень жидкости, т.е. опасность размножения бактерий, и сокращает пенообразование. Тем не менее, при сушке некоторых продуктов требуется использовать антипенные вещества.

Принцип работы скруббера Вентури показан на рисунке 9.

Рисунок 9 - Скруббер санитарной конструкции
Рисунок 9 — Скруббер санитарной конструкции

Содержащий частицы порошка воздух из распылительной сушилки разгоняется до высокой скорости во входной трубке Вентури, где в него впрыскивается жидкость через форсунки.

В силу различной скорости воздуха с твердыми частицами и капель жидкости они сталкиваются, и порошок растворяется в каплях жидкости. При прохождении через диффузор растворение продолжается и одновременно до некоторой степени восстанавливается давление воздушно-капельной смеси.

Воздух и жидкость разделяются в сепараторе. Воздух выходит из скруббера через центральный канал, а жидкость, имеющая температуру смоченного термометра 45°C, сливается через нижнее отверстие и подвергается дальнейшей обработке или используется повторно, в зависимости от типа выбранной системы.

Возможны две системы подачи жидкости:

  • рециркуляция с водой
  • однократный проход с молоком или сывороткой

Рециркуляция с водой

Согласно вышеописанному принципу работы скруббера вода циркулирует через него под действием центробежного насоса. Расход регулируется клапаном и контролируется расходомером. Уровень воды в сепараторе поддерживается постоянным с помощью бака с регулятором уровня, тем самым компенсируются потери воды на испарение в скруббере.

Испарение происходит из-за того, что воздух из сушилки, который обычно имеет температуру 90-95 °С (для одноступенчатой сушилки), охлаждается до температуры смоченного термометра (45 °C) за счет испарения воды. (см. рисунок 10).

Рисунок 10 - Скруббер с рециркуляцией воды
Рисунок 10 — Скруббер с рециркуляцией воды

Поскольку вода постоянно имеет температуру около 45°С, в ней со временем размножаются бактерии. Даже при том, что в систему добавляется вода для компенсации испарения, через 4-6 часов содержание бактерий возрастает настолько, что вода пригодна только для приготовления кормов.

Однако предварительно рекомендуется пастеризовать и охладить эту воду. Иногда воду упаривают и сушат, но образующийся порошок также применим только для приготовления кормов.

Однократный проход с молоком или сывороткой

Скруббер может работать с однократным использованием молока или сыворотки в качестве абсорбента, см. рисунок 11. Это особенно выгодно, так как выпариванию теперь будет подвергаться продукт, концентрация которого несколько увеличена. Частицы порошка, абсорбированные из воздуха, также увеличивают содержание сухого вещества в продукте.

Рисунок 11 - Скруббер с рециркуляцией молока
Рисунок 11 — Скруббер с рециркуляцией молока

Холодное молоко подается насосом в систему подогрева выпарного аппарата, как обсуждалось выше. Когда молоко или сыворотка нагреваются в подогревателе до 45 °С (температура смоченного термометра), этот продукт проходит через скруббер, где происходит небольшое предварительное концентрирование с одновременной очисткой отработанного воздуха из сушилки. Продукт возвращается в очередной подогреватель выпарного аппарата и пастеризуется перед выпариванием и сушкой.

Рукавный фильтр с СИП

Улавливание порошка из отработанного воздуха распылительных сушилок в молочной и пищевой промышленности до недавнего времени производилось в основном в циклонах, в дополнение к которым применялись скрубберы или тканные рукавные фильтры, если это диктовалось строгими требованиями по ограничению выбросов в атмосферу.

Но постоянно ужесточаемые требования в отношении охраны окружающей среды, потребления энергии, уровня шума, эффективности производства и качества продукта привели к разработке новых систем извлечения порошка для пищевой и молочной промышленности. Допускающие безразборную мойку рукавные фильтры SANICIP™ заменяют циклоны и достигли уже такого уровня, который устанавливает стандарты очистки почти для любых сушилок. (см. рисунок 12).

Рисунок 12 - Рукавный фильтр, допускающий безразборную мойку
Рисунок 12 — Рукавный фильтр, допускающий безразборную мойку

Рукавные фильтры SANICIP™ — это изготовленные из нержавеющей стали фильтры с обратной продувкой. Рукава размещены в цилиндрическом корпусе, оснащенным спиральным устройством подачи воздуха, верхней камерой чистого воздуха и устройством выгрузки псевдоожиженного порошка из нижней конической части корпуса. При работе фильтра продукт собирается на наружной поверхности фильтрующего материала и удаляется с нее струей сжатого воздуха, которая подается в каждый рукав через расположенное над ним специальное сопло запатентованной конструкции, см. рисунок 13.

Рисунок 13 - Сопло обратной продувки.
Рисунок 13 — Сопло обратной продувки

Эта струя подсасывает в рукав воздух из камеры чистого воздуха, что снижает расход сжатого воздуха. Это эффективное и гигиеничное техническое решение. Сопло обратной продувки при безразборной мойке выполняет и другую функцию, описанную ниже.

Рукава продуваются по одному или по четыре за раз, что обеспечивает очень равномерную выгрузку порошка и высокий расход воздуха на единицу площади материала. Частота и длительность цикла продувки регулируется соответственно рабочим условиям.

Корпус фильтра цельносварной, и его цилиндрическая часть ниже пластины с отверстиями теплоизолирована. Система подачи воздуха для псевдоожижения порошка в нижней  части корпуса решает несколько задач. При работе фильтра этот воздух, во-первых, служит для нагрева конической части корпуса, а во-вторых, для псевдоожижения скопившегося там порошка. Это обеспечивает равномерную выгрузку порошка из корпуса фильтра. При простое фильтра воздух служит только для нагрева конической части. Таким образом, предотвращается конденсация и опасность роста грибков.

Рукава фильтра изготовлены из специального 3-слойного полипропилена. Этот материал допускает мойку 2 % растворами NaOH и HNO3 при температуре 75 и 60 °С соответственно.
Он также разрешен FDA. Материал подвергается тепловой обработке, чтобы его поверхность не связывала пыль. Каждый рукав поддерживается сеткой из нержавеющей стали и легко демонтируется. В обычных рукавных фильтрах и моющихся рукавных фильтрах старой конструкции продувка выполняется посредством установленных в верхней части каждого рукава сопел, использующих эффект Коанда. Это работающая конструкция, но зону вокруг сопел трудно очищать, поэтому там оставляют свободное пространство.

Рисунок 14 - Рукавный фильтр SANICIP
Рисунок 14 — Рукавный фильтр SANICIP

Безразборная мойка (СИП) рукавного фильтра включает в себя следующие основные операции:

  1. Внутренняя мойка рукавов в направлении изнутри наружу (к грязной стороне). Чистая вода впрыскивается внутрь рукава через сопло обратной продувки, где она распыляется сжатым воздухом. Проникший внутрь фильтрующего материала порошок вымывается воздушно-капельной смесью в направлении грязной стороны рукава. Эта вода не рециркулирует. Промывка изнутри – очень важная особенность данной системы, поскольку промывкой снаружи очистить фильтрующий материал очень трудно или невозможно.
  2. Камера чистого воздуха над пластиной с отверстиями промывается водой. Эта вода не рециркулирует.
  3. Нижняя сторона пластины с отверстиями и зоны крепления рукавов промываются специальными форсунками. Эти форсунки специальной конструкции расположены на нижней стороне пластины с отверстиями между рукавами. В процессе сушки эти форсунки продуваются сжатым воздухом, чтобы исключить отложения порошка на пластине с отверстиями и предотвратить этим обесцвечивание и денатурацию частиц продукта. Эти форсунки имеют двойное назначение, так как во время мойки они омывают наружную поверхность рукавов. При СИП эта часть воды рециркулирует.
  4. Мойка корпуса фильтра выполняется стандартными втяжными СИП-форсунками. При СИП мойке эта часть воды рециркулирует.

Преимущества фильтра SANICIP:

  • Малый перепад давления на фильтре, а значит, и во всей вытяжной системе, снижает потребление энергии и уровень шума.
  • Оптимальные расход воздуха и количество порошка на единицу площади материала (поскольку продувается один рукав за один проход).
  • Лучшее использование сырья, поскольку в установке не производится продукт второго сорта.
  • Спиральное устройство подачи воздуха уменьшает силу столкновения с рукавами. Рукава не встряхиваются, что снижает их износ.
  • В зависимости от особенностей здания выпускаются фильтры с 4 или 6 м рукавами.
  • Фильтр занимает меньшее пространство.
  • При модернизации старых установок фильтр легко заменяет циклоны, не требуя больших строительных работ.
  • Система разрешена USDA 3A.
  • Короткое время сушки по сравнению с другими рукавными фильтрами, допускающими безразборную мойку

    Таблица 1 - Сравнение различных сепараторов порошка
    Таблица 1 — Сравнение различных сепараторов порошка

Выбор системы дополнительной очистки воздуха после циклонов определяется тем, какой продукт, жидкий или сухой, удобнее утилизировать. Но в любом случае этот продукт не может рассматриваться как первосортный. Поэтому в настоящее время наблюдается тенденция отказа от циклонов и использования моющихся на месте рукавных фильтров.