Смешения сыпучих материалов в объемных инерционных смесителях.

Если большая дисперсность частиц, то играют роль жидкостные характеристики. При мелкой дисперсности имеет место принудительное перемешивание. Имеет место взаимное распределение компонентов в объемном смесителе. Рассмотрим механизм перемешивания сыпучего материала в объемном смесителе.

Аппарат начал двигаться, материал поднимается вместе с аппаратом, за счет сил внешнего трения между корпусом и материалом. Если нет трения между частицами, то при движении аппарата, материал обсыпается. Аппарат крутиться, материал все больше поднимается, когда угол наклона превышает угол естественного откоса, материал обсыпается вниз.

 

 

Рассмотрим взаимодействие элементарной точки и корпуса объемного смесителя (периодического действия в виде горизонтального цилиндра). На материал действуют силы: сила тяжести (mg), центробежная сила  и сила трения.

Если имеется скорость , то точка выбрасывается по касательной и продолжает полет по нисходящей траектории до встречи с аппаратом в другом квадранте и т.д.

Интенсивность перемешивания является функцией коэффициента заполнения и требуемого качества смеси, обозначенная через m – кратность пересыпания:

;  ;

 рассчитывается: , где

радиус барабана

 радиус центра тяжести.

Оптимальный коэффициент заполнения для периодических смесителей ; если  выше, то условия пересыпания изменяются и перемешивание значительно увеличиваются.

Для непрерывных смесителей .

Расчет производительности непрерывного смесителя будет определяться количеством загружаемого и выгружаемого материала. Непрерывные смесители всегда имеют угол наклона относительно горизонта , он обеспечивает при заданной длине аппарата необходимое количество пересыпания , чтобы получить на выходе требуемое количество качества смеси или угол наклона для данного материала с коэффициентом внешнего трения, которое обеспечивает необходимое количество пересыпания.

 

 

13. Технологические особенности перемешивания паст.

Паста (в переводе с итальянского – тесто) – смесь твердой и жидкой фаз.

Пасты подразделяются на:

- суспензии (содержание жидкой фазы более 70%);

- легкие (70-30%);

- средние (30-15%);

- твердые (15-3%).

Пасты являются промежуточным составом между жидкостью и твердым телом. В пищевой промышленности к пастам относят:

- тесто;

- мясной, рыбный фарши;

- кондитерские массы;

- кисломолочные и творожные массы.

                           Аппараты для паст.

Требования:

1. Соответствие формы емкости и перемешивающего устройства. Чем больше консистенция, тем меньше зазор между мешалкой и корпусом. Консистенция – сопротивляемость пасы в перемешивающем устройстве.

2. Конструкция пары «аппарат – мешалка» должна обеспечивать передвижение массы в область интенсивного перемешивания.

3. Иметь мешалку, которая позволяет обрабатывать пасту так, чтобы была достигнута требуемая степень перемешивания за предельно короткое время.

4. Иметь устройство для быстрого освобождения корпуса от готовой массы.

 

14. Конструкции аппаратов по возрастанию консистенции:

- реакторные аппараты с лопастными мешалками;

- реакторные аппараты с турбинными мешалками;

- шаровые мельницы для измельчения твердых материалов и конгломератов при перемешивании с плохо смачиваемыми жидкостями;

- мешалки с вращающимися сосудами и неподвижной лопастью;

- мешалки с вращающимися сосудами и лопастью;

- аппараты с ленточными мешалками;

- аппараты с дисковыми мешалками;

- аппараты с рамными и якорными мешалками;

- аппараты с двойными лопастями, вращающимися в разные стороны;

- аппараты с гребенчатыми мешалками;

- аппараты с планетарными мешалками;

- валковые машины;

- смесительные бегуны;

- мешалки с вертикальным винтом;

- лопастные и червячные смесители;

- роторные смесители;

- специальные эмульсионные и гомогенизирующие устройства.

 

15. Шнековые смесителя. Ленточные смесители.

Наиболее часто для средних паст применяют шнековые (червячные) аппараты. Эти аппараты работают непрерывно. Шнек – устройство для транспорта и перемещения твердых паст. Изготавливаются сваркой и точением для малых габаритов диаметром не более 150 мм.

Червяк – устройство для перемещения и нагнетания тяжелых паст. Изготавливаются литьем с последующей обработкой поверхности или точением. Диаметры червяков бывают не более 150 мм.

За один оборот все точки условно продвигаются на 1 шаг. Шнек вращается; подаются компоненты; за счет вращения шнека происходит продвижение материала внутри корпуса. Т.к. имеет место трение на поверхности вала, корпуса и шнека, появляются градиенты скоростей. Если все эти скорости сложить по высотам, то получим общую скорость движения массы по высоте градиента.

За счет наличия градиента скоростей происходит неполное перемещение массы, находящейся в межвитковом пространстве за 1 оборот в следующее межвитковое пространство.

Производительность:

; где

 межвитковый объем

коэффициент заполнения (проскальзывания) – это доля продукта прошедшего минус доля оставшегося. Чем меньше , тем больше перемешивающий эффект.

Мощность: ; где

удельный расход энергии на единицу производительности; сопротивление материала движению материала в корпусе шнека; угол наклона винтовой линии; общая длина шнека.

 Для шнековых смесителей . Чем меньше , тем больше перемешивающий эффект.

; n сплошных шнеков = 20-200 об/мин

Ленточные смесители. Разновидностью является ленточные смесители (вал, на котором закреплена спираль в виде ленты; спираль закрепляется на валу на спицах). Имеются эмпирические формулы для расчета производительности (Q) и мощности (N) этих смесителей. Коэффициент заполнения для этих смесителей равен 0,2-0,4 и является функцией размеров вязкости и рабочих параметров. Эти смесители работают при более высоких оборотах 100-500 об/мин.B, b – ширина спицы или лопастей.

Производительность: ;   

Мощность: ;    

 

 

Лопастные смесители.

Применяются для перемешивания и разминания жестких паст (полимеры, замазки) с одновременной тепловой обработкой.

Классификация лопастных смесителей:

1. По технологическому назначению:

1) для смешения паст между собой;

2) для расслоения (обновления поверхностей масс при промывке, удалении жидких и газообразных включений);

3) для насыщения жидкостями и газами;

4) для растворения твердых густых масс в жидкости;

5) для варки, прогревания и охлаждения масс с интенсивным перемешиванием;

6) для образования суспензии, эмульсии из густых масс;

7) для смешения порошкообразных материалов с красителями.

2. По конструкции:

емкости, корыта на 5, 25, 100, 200, 400, 600, 800, 2000 литров (данные конструкции стандартизированы и выпускаются машиностроительными заводами РФ; чертежи и ГОСТ разработаны НИИ «ХИММАШ»);

3. По мощности:

- малой (до 25 кВт);

- средней (до 60 кВт);

- повышенной (до 150 кВт).

4. По способу выгрузки:

- с поворачивающимся корытом или через люк на дне корыта.

5. По форме лопастей:

- Z-образные, гладкие;

- защищенные от истирания;

- рифленые;

- 2-х, 4-х или многокрыльчатые;

6. По конструкции корыта:

- без обогревательной рубашки;

- с обогревательной рубашкой;

- с частичной и полной поверхностью корпуса;

- с обогревом тенами;

- с защищенным покрытием внутренней стенки листовым материалом.

7. По конструкции крышки:

- для работы при обычном давлении;

- для работы при повышенном внутреннем давлении;

- для работы при повышенном наружном давлении.

Для наружного давления применяют сферические крышки (наиболее жесткие).

Самыми распространенными являются двух вальные смесители с Z-образной мешалкой.

 

Роторные смесители.

Применяются для перемешивания высоконаполненных паст с высоковязкой жидкостью. По конструкции они напоминают лопастные. Лопасти выливаются и занимают 60% объема корпуса. Сплошные лопасти обычно располагаются в смесителе (2-3 штуки). Эти смесители используются для производства пластмасс и карамели.

Бывают:

- однолопастные;

- сплошные;

- двулопастные.

Классификация:

1. По конструкции корпуса:

- с теплообменной рубашкой или без нее;

- с загружающей воронкой;

- с затвором для загрузки и выгрузки (затвор постоянно открыт).

2. По конструкции привода:

- от синхронного и тихоходного двигателя (позволяет менять число оборотов за счет напряжения и силы тока питания);

- от быстроходного и синхронного двигателя (n = 600-1200 об/мин);

- от блок редуктора с асинхронным двигателем на 1500 об/мин;

- через редуктор с синхронным двигателем на 1500 об/мин.

3. По форме ротора:

- трехгранные;

- овальные;

- цилиндрические;

- 4-гранные;

- шевронные (передача, когда зубья нарезаются наклонно).

4. По частоте вращения:

- тихоходные (20 об/мин);

- средней скорости (до 40 об/мин);

- быстроходные (60 и более об/мин).

5. По конструкции подшипниковых узлов:

- с подшипниками скольжения до 40 об./мин;

- с подшипниками качения свыше 40 об./мин.

Все подшипниковые узлы делаются выносными.

Объем смесителя может меняться 1-10 куб. м (промышленные смесители).

Производительность:

Q = ((60 V pсм)/Тц) Кзап

Необходимо учесть время открывания, закрывания затвора:

Тц = Тзаг + Тоз + Тзз + Тсм + Тов + Тзв + Точ + Твыг

               Открывание     При выгруз-

                закрывание     ке (10%)

                затвора при

                загрузке (10%)

Основные характеристики:

1. Объем смесительных камер: 4, 5, 20, 71, 250 л.

2. Количество загружаемого материала: К_зап=0,4

3. Давления внутри камеры: могут работать только при избыточном внутреннем давлении.

4. Число оборотов и мощность.

 

 

18. Валковые смесители.

Назначение: дезагрегация комков, равномерное распределение жидкой фазы между частицами твердой. Смесители бывают: одно-, двух-, трех валковые до шести валков. Валки могут быть обогреваемыми. Соотношение скоростей меняется как 1: 1,5  и 1:3.

Производительность является функцией числа оборотов между валками и кинематической вязкостью материалов. Число оборотов: n _max=4 – 6 об/мин.

Масса протирается башмаком или между валками. Масса срезается ножом. Эти процессы происходят за счет тангенциальных и нормальных сил, возникающих в зазорах между волками за счет трения слоев пасты между собой и на поверхности волков. Зазор между волками измеряется числом волков от 1 до 6. 

Одновалковые смесители. Башмак размазывает компоненты на поверхности волка.

Двухвалковые смесители. Валки расположены вертикально. Один валок крепится жестко (загрузочный), а другой – подвижно. Такое устройство применяется для раскатки коржей для тортов.

Трехвалковые смесители.

Производительность зависит от длины волка (L), зазора (в), соотношения компонентов (Сж/Ств), вязкости. Мощность находится по эмпирическим формулам в зависимости от числа волков.

 

 

19. Формование. Характеристики формовочных машин.

Формование – это механическая обработка полуфабрикатов внешним силовым воздействием с целью придания ему требуемой формы, размеров, плотности и прочности.

Классификация формовочных машин.

Сложность технологического процесса формования – в разнообразии сырья, рецептурного состава, многокомпонентности и изменении свойств в процессе формования.

Поэтому выбор способа и режима формования должен гарантировать качество изделия.

Признаки классификации:

1. По наличию принудительного нагнетания:

- с нагнетателем;

- без нагнетателя.

2. По типу нагнетающих устройств:

- поршневые (одно- и много-);

- шестеренные;

- валковые;

- пластинчатые;

- шнековые;

- комбинированные.

3. В зависимости от количества нагнетающих устройств:

- с одним;

- с несколькими одного типа;

- с несколькими различного типа.

4. По способу определения продукта:

- с режущим инструментом;

- с золотниковым отсекателем;

- с разрывом жгута.

Характеристики формовочных машин.

Главная характеристика – зависимость между объемным расходом и давлением нагнетания.

По этой зависимости существуют 3 группы связей:

1. жесткая связь между объемным расходом и давлением (для поршневых, шестеренных, пластинчатых нагнетателей – в них нагнетающая масса находится в замкнутом объеме);

2. мягкая связь между объемным расходом и давлением (имеет место в одношнековых, двухшнековых, с не зацепляющими шнеками в нагнетателях и в валковых нагнетателях; для мягкой связи эта характеристика является напорно-расходной);

3. переменная связь (в отсадочных машинах, где давление снижается на продукт в предматричной камере).

 

Шнековые нагнетатели.

Применяются в линиях непрерывного формования пищевых продуктов (отжатии). Непрерывная подача материала под определенным давлением. Производительность и давление имеют мягкую связь зависимость производительности от давления (напорно-расходная характеристика). Используются в пищевой промышленности при формовании конфетных, макаронных изделий, при отжатии соков, масла (из масла семян), бульонов из рыбных отходов, нагнетание фарша в колбасном производстве.

Достоинства: непрерывность работы, возможность термостатирования продукта в процессе обработки, возможность регулирования давления формования, получения однородного состава на выходе, благодаря непрерывному перемешиванию в межвитковом пространстве.

Недостатки: отсутствие единой теории математического описания, большое конструктивное разнообразие шнеков (по форме, изготовлению).

Физическая картина течения материала в канале шнека.

1. Образуется прямой потов, в результате вращения шнек-винта по каналу прямоугольного сечения межвиткового пространства от входа шнека к выходу по принципу “ болт-гайка”.

2. Образуется обратный поток, за счет противодавления от формующей головки, препятствующей движению массы, который еще называют утечкой массы материала через зазор между корпусом и шнеком. Кроме того, в межвитковом пространстве происходит перемешивание, за счет градиента скоростей вдоль оси шнека по высоте винтовой линии и высоте нарезки.

 

Основные параметры шнека.

d - диаметр вала;

D - диаметр шнека;

t - шаг винтовой нарезки;

W - ширина винтового канала;

b - ширина реборды;

h - глубина нарезки;

e - зазор между корпусом и шнеком;

L - длина шнека.

В идеальном случае шнек повернулся на 1 оборот, и материал должен передвинуться на 1 шаг.

dVy/dy; dVz/dz; dVx/dx - градиенты скоростей.

На практике часто применяют 2-х шнековые нагнетатели.

Достоинства: хороший захват продукта. Если шнеки взаимозацепляющиеся, то не происходит налипания продукта на шнек и не происходит пробкообразование.

Для зацепляющихся шнеков производительность не зависит от формы матрицы, а следовательно имеется жесткая связь между производительностью и давлением. Если 2 шнека не зацепляются, то расчетные формулы и характеристики пресса и пресс-формы остаются как для одношнекового нагнетателя.

НЕЗАЦЕПЛЯЮЩИЕСЯ       ЗАЦЕПЛЯЮЩИЕСЯ

 

                     

 

 

Валковые нагнетатели.

Применяются для тестовых заготовок, конфетных масс, бисквитов. Для нагнетания всегда применяют 2-х валковые аппараты.

Преимущества:

- равномерное распределение по всей ширине матрицы постоянной плотности и геометрических размеров;

- высокая и регулируемая производительность;

- сохранение структуры массы.

Принцип работы: выдавливание массы через зазор между валками, т.е. создание давления между валками. Валки вращаются навстречу друг другу с одинаковой скоростью.

Шестеренные нагнетатели.

Относятся к классу с независимой напорно-расходной характеристикой, т.е. давление формования не зависит от производительности.

1 –зубчатые колеса;

2 – корпус;

3 – формующая головка;

4 – нагнетаемый материал.

Нагнетаемый материал попадает в зазор между корпусами и транспортируется до тех пор, пока шестеренки не войдут в зацепление на другом конце корпуса. Шестеренки могут быть прямозубые, косозубые и эвольвентные. Прямозубые дают скачки давлений (изнашивается только поверхности зубьев). Косозубые дают касательные напряжения, но выравнивают давление (нет скачков). Эвольвентные (шевронные) позволяют исключить скачки давлений, неравномерный износ колес.

Такие нагнетатели используются для предварительного заполнения предматричных камер тестом, фаршем, в комбинированных нагнетательных устройствах.

                                      

Пластинчатый нагнетатель.

У таких нагнетателей жесткая характеристика: давление имеет максимум и не регулируется, работают по принципу пластинчатых вакуумных насосов (РВМ).

1 – корпус; 2 – ротор; 3 – пластины; 4 – пружины, прижимающие пластины к корпусу. Ротор смещен относительно корпуса на величину  (эксцентриситет). 5 – нагнетаемый материал. 

Ротор вращается с числом оборотов n, захватывает материал, создает давление, которое нарастает прямо пропорционально оборотам и достигает максимума в положении . Имеют место большие скачки давления, необходимы предматричная камера и компенсатор давления.

Производительность и давление не зависят от друг от друга.

Давление зависит от величины смещения; производительность – от габаритов корпуса и ротора.

Недостаток нагнетателей – большая пульсация по производительности.

 

Контактные сушилки.

Классификация сушилок: 1. по принципу действия: периодического и непрерывного действия. 2. по хар-ру взаимодействия потоков: прямоточные, противоточные. 3. по хар-ру взаимодействия с теплоносителем: контак-е, конвектив-е. 4. по типу греющего агента: паровые, газовые. 5. по давлению сушильной камеры: раб. по норм-му давлению, по разряжению. 6. по конструктивным признакам: распылительные, пневматические, вихревые, барабанные, ленточные, вакуумные.

Контактные сушилки. В контактных сушилках тепло высушиваемому материалу передается через металлическую стенку, обогреваемую паром или водой. Поверхность контакта может быть либо цилиндрической, когда паста или густой раствор высушиваемого продукта подаются на поверхность обогреваемого цилиндра (одно- и двухвальцовые сушилки), либо плоской, когда влажный продукт насыпается на горизонтальные плиты, обогреваемые изнутри паром, водой, электронагревателями. Применяют цилиндрические поверхности с наружным обогревом цилиндров и подачей материала внутрь (гребковые, центробежно-щеточные сушилки).

В контактных сушилках молоко высыхает при непосредственном контакте с горячей поверхностью барабана. В зависимости от конструкции этих установок молоко можно сушить как при атмосферном давлении так и при вакуумном давлении. В кач-ве сушильного агента используют водяной пар подаваемый во внутреннюю часть барабанов и нагревающий их.

Конструкции центрифуг

  Типовой цикл работы фильтрующих центрифуг состоит из операции фильтрования суспензии с об-

разованием осадка, его промывки, центробежного отжима, выгрузки осадка регенерации фильтрующей

перегородки. 

Трехколонная (маятниковая) центрифуга. Аппараты этого типа относятся к нормальным отстойным

или фильтрующим центрифугам периодического действия.Эти центрифуги применяются для отделения жидко-сти от механических примесей и разделения средне- и крупнодисперсных суспензий, требующих дли-

тельного центрифугирования. Общим конструктивным признаком маятниковых центрифуг с ручной выгрузкой осадка является вертикальное расположение оси ротора, вал которого вращается в подшипниках качения. При работе центрифуги  суспензия подается в ротор обычно на ходу машины через питатель. Суспензии высокой концентрации, а также суспензия с абразивной твердой фазой загружаются в неподвижный ротор до пуска центрифуги. Осадок выгружается вручную через борт или днище ротора. Фильтрат и промывной фильтрат выводят из кожуха через сливной патрубок.

 Подвесные центрифуги относятся к числу нормальных отстойных или фильтрующих центрифуг пе-

риодического действия. Подвесные центрифуги предназначены для разделения тонкодисперсных сус-

пензий небольшой концентрации, что позволяет подавать суспензию непрерывно для получения слоя

осадка достаточной толщины.

Общим недостаток: непроизводительные затраты энергии и времени, связанные с цикличностью работы машины.

Отстойная центрифуга с нижней выгрузкой осадка. Твердая фаза суспензии, поскольку ее плотность больше плотности жидкой фазы, отбрасывается под действием центробежной силы к стенкам ротора и осаждается на них. Жидкая фаза располагается в виде кольцевого слоя ближе к оси ротора и по мере разделения вновь поступающих порций суспензии переливается через верхний край ротора в пространство между ним и неподвижным кожухом. Жидкость удаляется из центрифуги через штуцер.

Горизонтальные центрифуги с ножевой выгрузкой осадка. Фильтрующие  центрифуги применяются для разделения суспензий со средне- и мелкозернистой (размер частиц более 30 мкм), преимущественно растворимой твердой фазой, когда допускается дробление частиц осадка. Последнее является их недостатком. Центрифуги со сплошным барабаном применяют для выделения твердого вещества из труднофильтруемых суспензий. Преимущество: возможность проведения всех

стадий процесса в автоматическом режиме и при постоянной частоте вращения ротора. Недостатки: измельчение кристаллов при срезе осадка, большие трудности регенерации фильтрующей перегородки при обработке суспензий с нерастворимой твердой фазой.