ЛЕКЦИЯ № 14 ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

МОДУЛЬ № 2

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ЛЕКЦИЯ № 14 ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

1. Г.Д. Кавецкий, В.П. Касьяненко «Процессы и аппараты пищевой технологии».- М., КолосС, 2008.-591 с.: ил. План лекции: 1. Общие сведения

ВОПРОС № 1 Общие сведения

 

Перемешивание в жидкой среде применяют для получения сус­пензий и эмульсий. При смешивании пластичных и сыпучих ма­териалов ставится задача получения однородной массы основного вещества с различными твердыми, жидкими и пластичными до­бавками.

При перемешивании интенсифицируются тепловые, диффузи­онные и биохимические процессы.

Для перемешивания используют смесители различных конст­рукций.

Качество перемешивания характеризуется степенью (равно­мерностью) смешивания фаз. Степень смешивания фаз

 

(1)

 

 

 

 

Равномерность смешивания может изменяться от 0 до 1. При идеальном (полном) смешивании компонентов I= 1

 

ВОПРОС № 2 Перемешивание жидких сред

Перемешивание жидких сред осуществляют несколькими спо­собами: пневматическим, циркуляционным, статическим и меха­ническим при помощи мешалок.

Пневматическое перемешивание производят при помощи сжато­го газа (в большинстве случаев воздуха), пропускаемого через слой перемешиваемой жидкости. Для равномерного распределения в слое жидкости газ подается в смеситель через барботер, который представляет собой ряд перфорированных труб, расположенных у днища смесителя по окружности или спирали.

В некоторых случаях перемешивание осуществляют при помо­щи эжекторов.

Интенсивность перемешивания определяется количеством газа, пропускаемого в единицу времени через единицу свободной поверхности жидкости в смесителе.

Пневматическое перемешивание применяют редко, в случаях, когда допускается взаимодействие перемешиваемой жидкости с газом.

Циркуляционное перемешивание осуществляют при помощи на­соса, перекачивающего жидкость по замкнутой системе смеси­тель — насос — смеситель.

Интенсивность циркуляционного перемешивания зависит от кратности циркуляции, т. е. отношения подачи циркуляционного насоса в единицу времени к объему жидкости в аппарате. Иногда вместо насосов применяют паровые инжекторы.

Статическое смешивание жидкостей невысокой вязкости, а так­же газа с жидкостью осуществляют в статических смесителях за счет кинетической энергии жидкостей или газов.

Статические смесители устанавливают в трубопроводах перед реактором или другой аппаратурой либо непосредственно в реак­ционном аппарате.

Простейшие статические смесители — устройства с винтовыми вставками различной конструкции.

На рис.1,а представлена конструкция цилиндрического статического смесителя, предназначенного для перемешивания газа и жидкости, с вставными элементами, которые представляют собой разнозакрученные пластины из нержавеющей стали, уста­новленные последовательно встык в корпусе смесителя. Геометрия отдельного элемента определяется углом и направлением за­кручивания, а также соотношением диаметра и длины. Число ус­тановленных элементов зависит от вязкости, а также от соотноше­ния вязкостей смешиваемых жидкостей: чем выше вязкость и раз­личие в вязкости жидкостей, тем больше устанавливают элемен­тов.

 

 

 

Статические смесители используют также для получения эмульсий. На рис. 1, б изображен вихревой эмульсор для по­лучения эмульсии жирофосфатидной смеси в обезжиренном мо­локе (заменитель цельного молока). Вихревой эмульсор обеспе­чивает высокую эффективность эмульгирования при давлении 0,3...0,36 МПа, прост в изготовлении и эксплуатации. Принцип его действия заключается в использовании эффекта центробеж­ной форсунки при каскадном истечении жидкости. Получаемая эмульсия с частицами размером до 3 мкм не расслаивается в те­чение 24 ч.

Механическое перемешиваниеприменяют для интенсификации гидромеханических процессов (диспергирования), тепло- и массообменных, биохимических процессов в системах жидкость — жидкость, газ — жидкость и газ — жидкость — твердое тело при помощи различных перемешивающих устройств — мешалок. Ме­шалка представляет собой комбинацию лопастей, насаженных на вращающийся вал.

Все перемешивающие устройства, применяемые в пищевых производствах, можно разделить на три группы: лопастные; тур­бинные и пропеллерные; специальные — винтовые, шнековые, ленточные, рамные, ножевые к другие, служащие для перемеши­вания пластичных и сыпучих масс.

По частоте вращения рабочего органа перемешивающие уст­ройства делятся на тихо- и быстроходные.

Лопастные (рис. 2, а, б), ленточные, якорные и шнековые мешалки относятся к тихоходным: частота их вращения составля­ет 30...90 мин^-1, окружная скорость на конце лопасти для вязких жидкостей 2...3 м/с.

Достоинствами лопастных мешалок являются простота устрой­ства и невысокая стоимость. К недостаткам относится создавае­мый слабый осевой поток жидкости, что не обеспечивает полного перемешивания во всем объеме смесителя. Усиление осевого по­тока достигается при наклоне лопастей под углом 30 "С к оси вала.

Якорные мешалки имеют форму днища аппарата, их применя­ют для перемешивания вязких сред. Эти мешалки при перемеши­вании очищают стенки и дно смесителя от налипающих загрязне­ний.

Шнековые мешалки имеют форму винта, их применяют, как и ленточные, для перемешивания вязких сред.

 

К быстроходным относятся пропеллерные и турбинные мешал­ки: частота их вращения составляет 100...3000 мин^-1 при окруж­ной скорости 3...20 м/с.

Пропеллерные мешалки (рис. 2, в) изготовляют с двумя или тремя пропеллерами. Они обладают насосным эффектом и созда­ют интенсивную циркуляцию жидкости. Их применяют для пере­мешивания жидкостей вязкостью до 2 Па • с.

Турбинные мешалки (рис. 2, г, д, ё) изготовляют в форме колес турбин с плоскими, наклонными и криволинейными лопас­тями. Они бывают открытого и закрытого типа. Закрытые мешалки имеют два диска с отверстиями в центре для прохода жидкости. Для одновременно­го создания радиального и осевого потоков применяют турбинные мешалки с наклон­ными лопастями, которые обеспечивают интенсивное перемешивание во всем рабо­чем объеме смесителя. Для уменьшения кругового движения жидкости и образова­ния воронки в смесителе устанавливают отражательные перегородки.

Рис. 3. Смеситель с мешалкой:

1— привод; 2— стойка привода;

3— уплотнение; 4— вал; 5— корпус; б —рубашка;

7—отражательная перегородка;

8— ме­шалка; 9—труба

 

Турбинные мешалки применяют для пе­ремешивания жидкостей вязкостью до 500 Па • с, а также грубых суспензий.

Основные элементы типового смесителя с перемешивающим устройством — корпус с крышкой, привод и мешалки (рис. 3).

Наиболее широко применяют выносной электрический привод с вертикальным валом. Бывают также приводы с горизонтальным и боковым расположением вала. Возможно верхнее и нижнее рас­положение вертикального привода по отношению к смесителю.

Вал перемешивающего устройства соединяется с валом редук­тора чаще всего продольно-разъемной или зубчатой муфтой. В первом случае опорой вала является подшипник редуктора. При работе мешалки возникают крутящие колебания вследствие дина­мических нагрузок на консольный конец вала. Для устранения ко­лебаний и повышения надежности в реакторах обычно устанавли­вают концевой или промежуточный подшипник.

Для уплотнения вращающихся валов с целью создания герме­тичности применяют сальники с мягкими и твердыми набивками. На рис. 4 показан охлаждаемый сальник, в котором сальнико­вое устройство одновременно служит подшипником скольжения для вала мешалки. В середине сальниковой набивки имеется сма­зочное кольцо, обеспечивающее подвод смазки по всему перимет­ру вала. Теплота отводится охлаждающей жидкостью, подаваемой в рубашку.

Расчет перемешивающих устройств сводится к определению мощности, расходуемой на перемешивание. Интенсивность пере­мешивания назначают на основании экспериментальных данных.

После выбора типа, размеров и частоты вращения мешалки приступают к расчету потребляемой мощности.

 

При работе мешалок в аппаратах возникают определенным образом направ­ленные токи жидкости. При низкой частоте вращения мешалки жидкость враща­ется по окружностям, лежащим в горизонтальных плоскостях движения лопастей мешалки. При этом отсутствует перемешивание с соседними слоями жидкости.

Интенсивное перемешивание жидкости происходит только в результате образо­вания вторичных потоков и вихревого движения. Под действием центробежных сил жидкость движется в плоскости вращения лопасти мешалки от центра смесителя к стенкам. Вследствие такого движения в центре смесителя возникает зона понижен­ного давления и образуется воронка, куда засасывается жидкость из слоев, располо­женных выше и ниже лопасти мешалки. Вторичные потоки и круговое движение жидкости создают сложный контур циркуляции, показанный на рис. 5.

 

 

 

 

В качестве определяющего линейного размера принимают диа­метр мешалки d_M, а вместо линейной скорости жидкости, сред­нюю величину которой определить практически нельзя, в крите­рии подобия подставляют окружную скорость конца лопасти ме­шалки v_p = πdn (где п — частота вращения, с^-1).

Секундный объём перемешиваемой жидкости в аппарате

(2)

 

 

Выразим FиН через диаметр мешалки d:

(3)

 

Кратность циркуляции, пропорциональная частоте вращения мешалки,

(4)

 

 

Таким образом определяем перепад давлений между передней и задней плоскостями лопасти мешалки, который выражают через полезную мощность N, введенную в жидкость:

(5)

 

 

 

 

(6)

 

После преобразований получим упрощенное критериальное уравнение: Еu_м =Areⁿ_мГ^а₁Г^б₂ Значения коэффициента Аи пока­зателей степеней зависят от типа мешалки, конструкции смесителя и режима перемешивания, их находят экспериментально. Для уп­рощения расчетов экспериментальные данные представляют в виде графической зависимости между критериями Эйлера и Рейнольдса с учетом подобия условий входа и выхода жидкости из реактора.

Зависимости Eu_м =f(Re_м)для нормализованных перемешиваю­щих устройств разных типов представлены на рис. 6, характе­ристики мешалок — в табл. 1 и на рис.7.

Таблица. 1.

 

 

 

 

Из установленных закономерностей следует, что мощность, потребляемая мешалкой, возрастает с увеличением частоты ее вращения и диаметра, а также с увеличением плотности и вязкос­ти перемешиваемой жидкости.

На потребляемую мешалкой мощность, кроме того, значитель­ное влияние оказывают форма аппарата и расположение мешалки в аппарате. Для аппаратов, форма которых отличается от цилиндрической, а также при размещении в смесителе перегородок, змеевиков и т. д. потребляемая при перемешивании мощность возрастает.

Перемешивание механическими мешалками может происхо­дить при ламинарном или турбулентном режиме. При ламинар­ном режиме Re_м < 20 перемешиваются слои жидкости, которые непосредственно примыкают к лопастям мешалки. При Re_м > 100 имеет место турбулентный режим перемешивания.

В области развитой турбулентности (Re_м > 10⁵) число Эйлера практически не зависит от критерия Рейнольдса. В этой автомодельной области увеличение частоты вращения мешалки приво­дит к увеличению затрачиваемой мощности без достижения жела­емого эффекта.

 

Представленные на рис. 6 зависимости позволяют по задан­ной на основании экспериментальных данных интенсивности пе­ремешивания подобрать методом последовательных приближений тип мешалки, ее размеры и частоту вращения и рассчитать мощ­ность двигателя для привода мешалки.

По рабочему объему аппарата V_p и требуемой интенсивности перемешивания j[Н • м/(м³ • с)] определяют потребляемую мешалкой мощность

 

(7)

 

 

Затем выбирают тип мешалки, ее размеры и частоту вращения.

По предварительно выбранным параметрам мешалки рассчи­тывают критерий Эйлера, в соответствии с которым по рис. 6 находят Re_м. По значению Re_м определяют частоту вращения ме­шалки

(8)

 

Если найденная из этого соотношения частота вращения ока­жется меньше или больше предварительно принятой, то задаются другим ее значением, большим или меньшим. Расчет проводят до совпадения предварительно принятой частоты вращения мешалки с найденной из соотношения (8).

Если полученную в результате такого расчета частоту вращения мешалки представляется целесообразным увеличить или умень­шить, уменьшают или соответственно увеличивают предваритель­но принятый диаметр мешалки.

Мощность двигателя, кВт,

(9)

 

Энергия (кВт•ч), расходуемая на перемешивание мешалкой, определяется в зависимости от заданной продолжительности пе­ремешивания τ :

(10)

В пусковой период, когда энергия расходуется не только на преодоление сил трения, но и на преодоление сил инерции при­водимого в движение перемешивающего устройства и самой жид­кости, потребляемая мешалкой мощность возрастает по сравне­нию с расчетной.

Опыт эксплуатации смесителей показывает, что в период пуска сила, действующая на лопасти перемешивающего устройства со стороны жидкости, увеличивается в 2—4,5 раза по сравнению с усилиями, действующими в рабочий период, поэтому применяют асинхронные двигатели, допускающие кратковременную пере­грузку на 200...300 %.

При перемешивании тестообразных масс, в частности при за­месе теста для хлебобулочных, кондитерских и макаронных изде­лий, фарша, творога и др., происходит смешивание различных компонентов. Одновременно полученная смесь при этом разми­нается, насыщается воздухом и приобретает определенные свой­ства.

В пищевой технологии смешивание проводят в аппаратах пе­риодического действия, снабженных специальными перемешива­ющими устройствами — рамными, шнековыми, ленточными и другими мешалками (рис. 8). Аппараты могут быть оборудованы месильным устройством с вертикальной или горизонтальной осью.

 

 

 

Для обработки эластично-упругих масс, например пшеничного теста, применяют смесители с двумя месильными устройствами, вращающимися навстречу друг другу с разной частотой.

Для перемешивания мало- и высоковязких кондитерских масс — вафельного теста, вафельной начинки, бисквитного, пе­сочного теста, а также смешения кондитерских масс с сыпучими компонентами (кексовое тесто с изюмом, белково-сбивная масса с орехами) применяют смесители корытообразной формы с распо­ложенными в них двумя спиральными рабочими месильными органами, вращающимися в разные стороны. Высокая интенсив­ность смешения достигается проведением процесса в тонком слое.

Месильное устройство аппарата для приготовления кондитерс­кого теста снабжено четырьмя лопастями, расположенными под углом 90° друг к другу, которые выполнены по форме днища (рис. 9). Частота вращения мешалки 12 мин^-1. По окончании про­цесса смешивания аппарат опрокидывается, при этом крышка от­кидывается и тесто выгружается.

Тестомесильная машина состоит из передвижной дежи, месиль­ного устройства, привода и станины с плитой для крепежа меха­низмов (рис. 10).

Дежу крепят на трехколесной тележке. Для замеса теста ее подка­тывают к станине, на которой укреплено месильное устройство. Оно опускается в дежу, включается привод, и происходит замес теста. Пос­ле замеса месильное устройство поднимается и дежа откатывается.

Месильное устройство представляет собой два рычага: корот­кий прямой и длинный изогнутый. При замесе тесто вращается вместе с дежой, равномерно перемешивается мешалками и при этом насыщается воздухом.

 

ВОПРОС № 3 Перемешивание сыпучих материалов

Для перемешивания сыпучих материалов с целью получения сухих смесей, например сухих соков, молочных смесей и т. п., в пищевых производствах используют смесители, работающие в других отраслях промышленности, или смесители, специально сконструированные для смешивания материалов, различающихся гранулометрическим составом, плотностью, прочностью, физи­ческим состоянием и другими свойствами.

Как правило, смесители классифицируют по принципу дей­ствия, скоростным характеристикам и конструктивным призна­кам. По принципу действия все смесители могут быть разделены на смесители непрерывного и периодического действия. Смесите­ли периодического действия можно разделить на барабанные, ленточные, бегунковые, центробежные, с вращающимся ротором, червячно-лопастные, плунжерные, пневмосмесители и смесители с псевдоожиженным слоем; смесители непрерывного действия — на барабанные, червячно-лопастные, роторные и др.

По скоростным характеристикам смесители делятся на скорост­ные и тихоходные.

Скоростные смесители бывают одно- и двухступенчатыми. Одна ступень может быть обогреваемой, а другая — охлаждаемой. В зависимости от конструкции ротора смесители делятся на лопа­стные (турбинные), волчковые, дисковые и шнековые.

Общий вид двухступенчатого центробежного турбосмесителя показан на рис. 11. Такой смеситель применяют при смешива­нии порошкообразных, вязких и жидких материалов. Первая сту­пень служит для гомогенизации смеси, вторая — для ее охлажде­ния. Для улавливания пыли на крышке смесителя установлен ру­кавный фильтр. В смесителе вращается скоростной комбиниро­ванный ротор, состоящий из трехлопастной мешалки и комбинации ножей (рис. 12).

Готовая охлажденная смесь выгружается через нижний затвор, управляемый пневмоцилиндром. Смесительные роторы приводят­ся во вращение от электродвигателей через ременную передачу.

Принцип действия смесителей с псевдоожиженным слоем ос­нован на псевдоожижении смешиваемых материалов быстровра-щающимся ротором. Частота вращения рабочего органа смесите­лей разных моделей и вместимостей 300...3000 мин^-1.

При вращении рабочего органа материал отбрасывается к стен­ке смесителя и перемещается вверх, при этом образуется циркуля­ционный контур. Восходящий поток материала вдоль стенок пре­пятствует налипанию влажного материала на стенку. Рабочий орган выполнен таким образом, чтобы не образовывались застой­ные зоны. Его конструкция обеспечивает самоочищение лопаток ротора. Как правило, рабочий орган состоит из двух- или трехряд­ных ножевых лопастей, горизонтальных или загнутых вверх.

 

 

 

 

Тихоходные смесители (ленточные, лопастные, шнековые и с псевдоожиженным слоем) для смешивания сыпучих и влажных материалов имеют цилиндрическую или корытообразную форму и закрываются с торцов и сверху крышками. Внутри корпуса смеси­теля расположен вал с плоскими ленточными спиральными лопа­стями. Для интенсивного перемешивания материалов лопасти вы­полнены с левой и правой навивкой. В ленточных смесителях большой вместимости смесительный элемент состоит из четырех лент. Окружная скорость наружной ленты 1,2 м/с. Привод вала осуществляется через клиноременную передачу.

На рис. 13 показан спаренный планетарно-червячный смеси­тель, предназначенный для смешивания зернистых материалов с частицами диаметром не более 10 мм. Он состоит из конического корпуса, внутри которого расположен наклонный червяк, вращаю­щийся одновременно вокруг собственной оси и вокруг конического корпуса смесителя при помощи водила. Смешиваемые материалы червяком перемещаются вверх, а затем падают под действием гра­витационной силы. Смеситель обеспечивает хорошее смешивание при небольшом расходе энергии. Частота вращения червяка 60 мин^-1, водила 1,58 мин^-1. Корпус смесителя закрыт общей крышкой, на которой установлены приводы червяков и водила.

 

Рис.13. Общий вид смесителя - усреднителя с планетарным шнековым перемешивающим устройством

1-привод; 2-конический корпус; 3-перемешивающее устройство.

 

Смесители, принцип действия которых основан на псевдоожи­жении зернистых материалов газовым потоком, применяют для усреднения больших партий. Смеситель представляет собой вер­тикальный цилиндрический корпус с коническим днищем и крышкой. В нижнюю часть днища вмонтированы сопла, которые соединяются с коллектором подачи сжатого газа. Материал загру­жается через загрузочные клапаны, расположенные на крышке, а выгружается через разгрузочный клапан, расположенный в ниж­ней части днища.

Смешивание происходит за счет импульсной подачи сжатого газа при давлении до 3 МПа в камеру смешения. При подаче сжа­того газа образуются турбулентные пылегазовые потоки, направ­ленные по восходящей спирали в периферийной кольцевой зоне смесителя и по нисходящей — в центральной цилиндрической зоне. В результате движения частиц материала по пересекающимся траекториям происходит его перемешивание. Технологический газ, очищенный от пыли в циклоне или фильтре, поступает на сжатие в компрессор.

 

ВОПРОС № 4 Диспергирование

Диспергирование включает эмульгирование, гомогенизацию и распыление жидкостей в газовой среде. Эмульгированиеприменяют для получения эмульсий жир в воде и наоборот. В первом… При эмульгировании для получения стойких, нерасслаиваю-щихся эмульсий в смесь добавляют поверхностно-активные…

ВОПРОС № 5 Пенообразование и взбивание

Пенообразование происходит при перемешивании продукта в миксерах при большой частоте вращения мешалки, во взбивательных аппаратах, а также при… Для получения устойчивой, нерасслаивающейся пены в про­дукт добавляют… Образование пены связано с присутствием белков и других поверхностно-активных веществ, а также пузырьков воздуха. Пены…