3.5 Перемішування, змішування, одержання гетерогенних систем. Псевдозрідження

Перемішування в рідкім середовищі

Малюнок 3.25 Схема циркуляційного перемішування

Циркуляційне перемішування. Циркуляційне перемішування (мал. 3.25) здійснюється багатократним перекачуванням рідини через систему апарат 1 –циркуляционный насос 2 – апарат 1. Інтенсивне перемішування в усьому об'ємі досягається таким, що розпиляло рідини, що нагнітається, через насадки 3 на кінцях трубопроводів 4, встановлених тангенціально до стінок апарату і під деяким кутом до горизонталі. Циркуляційне перемішування застосовується при приготуванні суспензій і емульсій і може замінювати механічне перемішування.

Потокове перемішування. Для змішення компонентів в потоці застосовують різноманітні конструкції змішувачів (мал. 3.26). У них належне зміщення потоків досягається за рахунок багатократного перемішування їх на діафрагмах 1 і розсікачах 2 (мал. 3.26, а) або на 8…12 полицях 3 (мал. 3.26, б). Такі змішувачі застосовуються, наприклад, у бродильних виробництвах для змішення меляси з водою. При цьому одночасно з досягненням певної концентрації шляхом подання гарячої і холодної води досягається необхідна температура суміші.

У змішувачі ежекторного типу (мал. 3.26, в) хороше змішення досягається при поданні в нього середовища І під натиском з подальшим всмоктуванням в нього середовища ІІ, проходженням суміші по ділянці змінного перерізу і через гвинтову

Малюнок 3.26 Типи змішувачів

вставку 4.

Пневматичне перемішування і аерація. Пневматичне перемішування рідких середовищ роблять в апаратах, обладнаних барботером, повітряним підйомником (ерліфтом) або спеціальним повітророзподільним пристроєм, який в растильных апаратах для дріжджів і інших аеробних мікроорганізмів окрім перемішування насичує середовище киснем. Схеми пристроїв для пневматичного перемішування і аерації показані на мал. 3.27.

Барботер 1 (мал. 3.27, а) є системою труб з отворами, через які стисле повітря у вигляді бульбашок рівномірно розподіляється по усьому перерізу апарату і, піднімаючись в рідині, перемішує її.

Ерліфт 2 (мал. 3.27, б) застосовується для перемішування замочуваного солодовенного зерна в спиртовому і пивоварному виробництвах, а також для підйому води з артезіанських свердловин і сумішей сипких матеріалів з водою на висоту 10 м і більше. За рахунок стислого повітря, що поступає в нижню частину ерліфта 2, в ній утворюється легко-водяна суміш, щільність якої менше щільності води, що знаходиться поза трубою. При цьому висоти стовпів Н, що урівноважуються, і (Н + h) обернено пропорційні до щільності середовищ в них. Бульбашки повітря, піднімаючись вгору по трубі, у зв'язку зі зменшенням тиски

Малюнок 3.27 Пристроїв для пневматичного перемішування і аерації:

а – з барботером; б – з ерліфтом; в – з повітророзподільним пристроєм

розширюються і збільшують швидкість руху легко-водяної суміші, яка захоплює з апарату суміш сипкого матеріалу з водою, піднімає її на потрібну висоту, а якщо це необхідно, повертає її знову в апарат.

Аераційні пристрої, окрім оцінки перемішуючого ефекту з технологічної точки зору оцінюються за мірою насичення середовища киснем і швидкості накопичення мікробної маси в одиниці об'єму. При перемішуванні повітрям досягається рівномірний розподіл розчиненого в середовищі кисню, поживних речовин і мікроорганізмів в усьому об'ємі рідини, полегшується підведення поживного середовища і кисню до мікроорганізмів, а також відведення продуктів їх життєдіяльності (вуглекислого газу та ін.).

Слід мати на увазі, що при аерації приблизно лише десята частина кисню, що подається в апарат, поглинається рідиною і ця доля зменшується з підвищенням температури рідини і швидкості повітря, що проходить через неї.

Кількість кисню G (в мг), що поглинається рідиною за час τ при заданих температурі і тиску, виражається рівнянням:

G = K F (c_н – c_τ) τ, (3.45)

де G – кількість кисню, що поглинається рідиною, мг;

F – поверхня контакту між рідиною і повітрям, м²;

с_н – концентрація кисню в середовищі, що відповідає межі насичення за даних умов, мг/м³;

c_τ – концентрація кисню в середовищі в даний момент, мг/м³;

К – коефіцієнт абсорбції, що показує, яка кількість кисню поглинається рідиною в одиницю часу в заданих умовах при F = 1 м² й (c_н – c_τ) = 1 мг/м³, м/с.

Збільшення поверхні контакту фаз досягається підвищенням міри диспергування повітря, т. е. розпиляло його через отвори малих розмірів в повітророзподільній системі. У ній отвори розміщують на такій відстані, щоб запобігти злиттю струменів повітря, що виходить з суміжних отворів (для збереження заданої дисперсності при швидкості витікання повітря з отвору 15…20 м/с рекомендується крок між отворами не менше 20 мм для отворів діаметром 2…3 мм і не менше 12 мм для отворів діаметром 1 мм).

Концентрація кисню cн, що відповідає межі насичення, наприклад при рощенні дріжджів при 300С дорівнює 7 мг/л, а в процесі рощення підтримують c_τ = 0,4.0,5 мг/л; при меншій концентрації кисню в середовищі накопичення дріжджової маси зменшується.

У дріжджовирощувальному апараті (мал. 3.27, в) ефективне диспергування повітря досягається проходженням його через отвори діаметром 0,5…3,0 мм в коробчатих розподільниках повітря 3, встановлених на днищі апарату.

Хороше аерування рідини досягається застосуванням ежектора 1 (мал. 3.27, г) у поєднанні з порожнистим перемішуючим пристроєм, що обертається, 2, подібним до сегнерову колеса, по якому насичена повітрям рідина підводиться в зону апарату 3, де досягається усереднювання концентрації кисню в усьому об'ємі рідини. Разом з цим застосовують і ерліфтну систему аерації.

Розрахунок пневматичних перемішуючих пристроїв зводиться до визначення необхідного тиску і витрати стислого повітря.

Прийнявши втрати тиску в повітропроводі рівними 20% опори стовпа Н (в м) перемішуваної рідини щільністю ρ_ж, (в кг/м³) і p₀ (в Па) – тиск над рідиною, необхідний тиск р (в Па) стислого повітря для перемішування можна визначити по формулі:

р = 1,2 H ρ_ж g + p₀, (3.46)

Витрата повітря на 1 м² поверхні рідини в апараті приймають 0,8 м³/ (м² хв) при помірному перемішуванні і 1,0 м³/ (м² хв) при інтенсивному. Треба враховувати, що при перемішуванні повітрям можливе окислення органічних речовин з утворенням небажаних продуктів і віднесення летких речовин.

Перемішування і змішування сипких і пластичних матеріалів

Перемішування і змішування сипких матеріалів широко застосовують на підприємствах харчової промисловості. Наприклад, змішують різні партії борошна на хлібозаводах, сипкі компоненти в кондитерському виробництві, перемішують цукор-пісок або солод при висушуванні та ін. Для цієї мети застосовують пристрою шнекового, лопатевого і барабанного типів.

Для підвищення ефективності перемішування внутрішні поверхні барабанів обладнають насадкою у вигляді різних перегородок, полиць або гвинтової спіралі на поверхні

Малюнок 3.28 Перемішуючих пристроїв для пластичних матеріалів

стінки (мал. 3.28).

Перемішування пластичних (напіврідких) матеріалів широко застосовується в різних харчових виробництвах. Наприклад, в хлібопекарському, кондитерському і макаронному виробництвах перемішують різні види тесту, в консервному – овочеві і м'ясні фарши, в молочному – сир і сиркові маси і т. д. Однорідні суміші, що утворюються при цьому, з декількох компонентів (води, борошна, дріжджів, цукру, солі, олії та ін.) розминаються, придбавають певні физико-механические властивості, а в окремих випадках насичуються повітрям (тісто) або піддаються дії вакууму (фарши). Різні типи перемішуючих пристроїв для пластичних матеріалів показані на мал. 3.28.

Псевдозрідження («киплячий», або зважений шар)

У різних галузях харчової технології за останні роки для інтенсифікації таких процесів, як сушка, адсорбція, кристалізація та ін., що протікають за участю твердої фази, застосовується псевдозрідження, або так званий зважений, або "киплячий", шар. У "киплячому" шарі, наприклад, висушують зерно, цукор-пісок, дріжджі, желатин та ін.

Суть псевдозрідження полягає в тому, що при продуванні повітря з певною швидкістю через шар зернистого матеріалу, що знаходиться на гратах, останній переходить в зважений стан, набуває властивість плинності і переміщається по гратах. Зовні такий шар нагадує киплячу рідину. При русі повітря через зернистий шар можливі наступні стани:

1. при невеликих швидкостях повітря він фільтрується через нерухомий шар; при цьому порозность е шару залишається незмінною і рівна або менше 0,4 (мал. 3.29, а);

2. 

   зі збільшенням швидкості повітря до такого значення, при якому підйомна сила потоку стане рівною вазі шару часток, шар придбаває плинність і переходить в псевдозріджений стан; швидкість wн відповідає цьому моменту, називається критичною швидкістю, або швидкістю початку псевдозрідженні

Малюнок 3.29 Рух газу в зернистому шарі

(мал. 3.29, б). При цьому порозность шару 1 > ε > 0,4, а в оптимальному (робітнику) режимі порозность складає 0,55…0,75;

3) при більшій швидкості потоку повітря підйомна сила його стає більше ваги шару, частки захоплюються потоком і починають переміщатися разом з ним, т. е. починається пневмотранспорт матеріалу; швидкість w_в, що відповідає цьому моменту, називається швидкістю віднесення (витання). Такий режим не характерний для псевдозрідження (мал. 3.29, в).

У зрідженому шарі частки зернистого матеріалу, що хаотично переміщаються, мають високу поверхню контакту з повітрям і тому процеси перенесення речовини або тепла, що відбуваються в них, набагато інтенсифікуються.

Основними показниками псевдозрідженого шару є:

а) перепад тисків Δр в шарі, або його гідравлічний опір;

б) швидкість початку зрідження w_н і швидкість початку віднесення (витання) w_в;

в) міра однорідності зернистого матеріалу по розмірах або масі його часток.

Гідравлічний опір зрідженого шару зернистого матеріалу представляють у вигляді кривої псевдозрідження, що виражає залежність перепаду тисків Δр в шарі від швидкості w повітря (мал. 3.30). Розрізняють ідеальну і реальну криві псевдозрідження. На ідеальній кривій зрідження (мал. 3.30, а) ділянка ОА, що відповідає режиму фільтрування, характеризує лінійне збільшення Δр в нерухомому шарі із зростанням w.

Горизонтальна ділянка АВ зображує псевдозріджений стан, що характеризується рівністю підйомної сили потоку повітря і ваги зрідженого шару. Точка А характеризує початок зрідження, і швидкість wн, що відповідає їй, називається швидкістю початку зрідження.

Зі збільшенням швидкості повітря в шарі до w_у зростає як його висота Н, так і його порозность ε. При цьому значення (1 – ε) зменшується, а добуток Н (1 – ε) залишається постійним, оскільки маса часток в шарі залишається колишньою. При w > w_в у зв'язку з віднесенням часток масовий зміст їх в зрідженому шарі зменшується і Δр падає (ділянка ВС).

Реальна крива псевдозрідження (мал. 3.30, б) аналогічна ідеальній кривій з тією лише різницею, що в реальних умовах крутизна висхідної гілки ОА залежить від щільності засипки твердих часток і при щільнішій засипці опір шару вище і крива ОА буде крутіша. Крім того, в реальних умовах зрідження під час переходу нерухомого шару в режим зрідження на подолання сил зчеплення між частками витрачається частина енергії повітряного потоку; на малюнку це представлено у

Малюнок 3.30 Криві псевдозрідження

вигляді піку тиску (ділянка АА').

Величина Δр, що визначає вибір повітродувки для установки з «киплячим» шаром, знаходиться з умови рівності сили гідравлічного опору зрідженого шару і ваги G_c зважених в нім часток, тобто

Δр f_с = G_с.

звідки гідравлічний опір шару (в Па)

Δр = G_с / f_с, (3.47)

де f_с – площа підстави шару, постійного по висоті, м².

Вес шару на початку зрідження при висоті Н_н, його порозности ε_н і з урахуванням підйомної сили повітря складе

G_с = Н_н f_с (ρ_ч – ρ_п) (1 – ε_н) g, (3.48)

де ρ_ч й ρ_п – густини часток і повітря, кг/м³,

Після підстановки значення G_с в рівняння (3.47) і якщо нехтувати густиною повітря як незначною в порівнянні з густиною часток, гідравлічний опір шару на початку зрідження складе

Δр_н = Н_н ρ_ч (1 – ε_н) g. (3.49)

Аналогічно для оптимального зрідження, при якому висота шару рівна Н₀, а його порозность ε₀,

Δр₀ = Н₀ ρ_ч (1 – ε₀) g. (3.50)

Рівняння (3.49) і (3.50) виражають відомий закон гідростатики (тиск у будь-якій точці шару рідини дорівнює твору її питомої ваги на висоту шару) що свідчить про аналогію між псевдозрідженим шаром і рідиною.

Оскільки в процесі зрідження Δр_н = Δр₀ = const, то, прирівнявши праві частини рівнянь (3.49) і (3.50), знаходять висоту зрідженого шару (в м)

Н₀ = Н_н (1 – ε_н) / (1 – ε₀). (3.51)

Швидкість w_н початку зрідження, що відповідає точці А′, О.М. Тодес рекомендує визначати з наступної критерійної залежності для Rе_н, отриманою для сферичних часток при порозности шару ε = 0,4:

Rе_н = w_н d_е / ν_п = Аr / (1400 + 5,22 √ Ar), (3.52)

де Аr – значення критерію Архімеда;

Аr = g d_ч³ (ρ_ч – ρ_п) / (ν_п² ρ_п);

d_е – еквівалентний діаметр часток, м;

ρ_ч и ρ_п – густини часток і повітря, кг/м³;

ν_п – кінематична в'язкість повітря, м²/с.

Швидкість w_в початку віднесення часток знаходять із наступної формули для Rе_в

Rе_в = w_в d_е / ν_п = Аr / (18 + 0,61 √ Ar). (3.53)

Оптимальне (робоче) значення швидкості повітря w₀, що забезпечує інтенсивне перемішування «киплячого» шару, И.М. Федоров рекомендує визначати по формулі

Rе₀ = w₀ d_е / ν_п = 0,22 Аr^0,52. (3.54)

Малюнок 3.31 Схема сушіння з «киплячим» шаром

Відношення оптимальної швидкості псевдозрідження w₀ до швидкості w_н початку зрідження називають числом псевдозрідження. Воно характеризує інтенсивність перемішування часток в зрідженому шарі. Встановлено, що оптимальному зрідженню відповідає відношення w₀ / w_н = 2…3. При більшому числі зрідження в зернистому шарі повітря утворює окремі канали, по яких він проривається і викидає частки зернистого шару. При цьому порушується рівномірний контакт між фазами і погіршується течія процесу.

Порозность ε₀ зрідженого шару В. Г. Айнштейн рекомендує розраховувати по формулі

ε₀ = ε_н (w₀ / w_н)^п. (3.55)

де w₀ и w_н – швидкості повітря (оптимальна і у момент початку зрідження), м/с;

ε_н – порозность шару на початку зрідження (зазвичай на 15...20% вище порозности нерухомого шару).

Показник міри п для часток розміром 0,3 ≤ d_е ≤ 2,7 мм знаходять по формулі

п = 0,065 + 0,05 d_е,

де d_е – еквівалентний діаметр часток, мм.

При d_е > 2,7 п ≈ 0,2.

Останні роки були періодом широкого впровадження методу псевдозрідження в найрізноманітніші галузі харчової промисловості, були розроблені численні варіанти апаратів з псевдозрідженим шаром, що враховують специфічні особливості взаємодіючих середовищ, вимоги до якості отримуваних продуктів і технологічні умови протікання процесів. Наприклад, на мал. (3.31) представлена схема сушарки з «киплячим» шаром. У камері 1 цієї сушарки здійснюється процес сушки зернистого матеріалу в зрідженому шарі за допомогою нагрітого повітря, що поступає під грати 2. Потім сухий продукт через турнікет 3 поступає в камеру 4, де він в зрідженому стані охолоджується до заданої температури холодним повітрям, що поступає під грати 5, і відводиться за межі пристрою.

Недоліком такої сушарки є змішування того, що поступає в камеру 1 вологого матеріалу з висушеним, а звідси і можливе проскакування недовысушенного матеріалу в готовий продукт. Крім того, спостерігається стирання часток і підвищений знос апаратів за рахунок ерозії металу. Зважений шар може бути утворений не лише потоком повітря або газу, але і потоком рідини, що має місце в адсорберах, кристалізаторах і інших пристроях, працюючих на цьому принципі.

Основним регульованим параметром процесу перемішування є міра однорідності отримуваної суміші, яка залежить від ефективності перемішування і питомої витрати енергії на проведення процесу.