2.2.1. Диссипация энергии в перемешивающих устройствах при получении эмульсий

Для образования устойчивой дисперсной системы из составляющих ее дисперсных фаз при перемешивании в аппаратах с мешалками требуются условия равномерного распределения частиц в виде мелких капелек в сплошной фазе (жировой массе).

Одним из основных требований к качеству эмульсии на стадии приготовления считается отсутствие признаков расслаивания во времени, которое определяется условиями проведения технологического процесса производства жировой продукции [11,12, 32, 35].

Для определения устойчивости эмульсии используется метод отбора проб эмульсии в мерный цилиндр [5, 32, 36]. Промежуток времени до начала расслаивания эмульсии в мерном цилиндре зависит от размеров капель дисперсной фазы, полученных при перемешивании. Чем крупнее капли, тем быстрее они опускаются на дно мерного цилиндра, образуя сплошной слой, отличающийся цветом от остального объема пробы.

Таким образом, для обеспечения необходимых условий устойчивости эмульсии требуется регулировать размеры капель дисперсной системы при перемешивании в аппаратах с мешалками.

Расчетные зависимости, позволяющие определить диаметр капель в эмульсии, обобщены в виде уравнения для определения диаметра наиболее устойчивых капель в турбулентном потоке применительно к аппаратам с мешалками [29, 36]:

d_к  3,5  (_п / )^0,6, (2.2)

где d_к – диаметр капли эмульсии; _о – осредненное значение диссипации энергии; _п – коэффициент межфазного поверхностного натяжения;  – плотность среды.

Однако широкое применение полученного выражения в методиках инженерного расчета оказалось недостаточным, и авторам других работ [29] удалось получить дополнительные значения коэффициентов, отражающих влияние геометрии мешалки и свойств среды.

В работах [29, 37] были предложены расчетные зависимости, позволяющие определить размеры капель в эмульсии с учетом времени перемешивания, физических свойств перемешиваемых сред, а также конструктивных и геометрических параметров аппаратов с мешалками.

Считается, что в области техники перемешивания одной из возможностей масштабного перехода является поддержание постоянной энергии диссипации процесса перемешивания в целях получения устойчивых эмульсионных систем, т. е. предлагается определять среднее значение диссипации энергии по величине мощности, потребляемой на перемешивание [29, 37]:

_о = N/( V) = K_п n³ d⁵/V, (2.3)

где N – мощность, затрачиваемая на перемешивание;  – плотность сре- ды; V – перемешиваемый объем среды; K_п – поправочный коэффициент; n – частота вращения мешалки; d – диаметр мешалки.

Мощность на перемешивание определяется как

N = K_п  n³ d⁵. (2.4)

Мощность, затрачиваемая на перемешивание, относится к гидродинамически установившемуся режиму, когда скорость течения жидкости постоянна, а частота вращения мешалки соответствует номинальной частоте вращения вала электропривода. С учетом увеличения вращения мешалки в начальный период, или «пусковых перегрузок», для маргариновых смесителей различных конструкций определены поправочные коэффициенты К_п мощности на перемешивание (в установившемся рабочем режиме), которая меньше номинальных мощностей электроприводов в 2–4 раза (табл. 2.3).

Анализ расчетов энергии диссипации по формуле (2.3) для процессов получения маргариновых эмульсий различными способами перемешивания показал, что ее величина, как видно из рис. 2.3, меняется в зависимости от плотности эмульсии 60–82 %-й жирности для мягких (наливных), столовых и марочных сортов маргаринов в пределах 0,96–1,08 Вт/кг.

Таблица 2.3

Смесительные агрегаты линий (страна)	Вместимость емкости смесителя V, м3	Площадь поверхности cмесителя S, м2	Номинальная мощность привода агрегата N, кВт	Поправочный коэффициент Кп
А1-МЛМ, А1-ЖЛУ (Россия)	2,38	8,18	7,5	4,0
Фирм:
«A. Johnson & Co Ltd» (Англия)	1,10	4,78	9,7	2,0
«TMCI Chemtech Ltd» (Англия)	3,0	8,73	9,7	2,0
«Schröder» (Германия)	3,0	9,3	9,4–10,0	2,0–2,2

Результаты исследования возможностей регулирования дисперсности различных эмульсий [29, 36, 37] в процессе перемешивания показывают, что процесс дробления и размеры капель зависят от локального значения диссипации энергии в зоне дробления и от продолжительности пребывания эмульсии в этой зоне. В качестве зоны дробления в работах [29, 36] рассматривается область лопастей мешалки. В процессе перемешивания лопасть мешалки обтекается потоком жидкости, совершающей окружное движение, при этом происходит «срыв вихрей» и за лопастью образуется вихревой след. Кроме того, за счет существующей в аппарате меридиональной циркуляции лопасть обтекается потоком жидкости в радиальном направлении. Предполагается, что максимальная диссипация энергии будет сосредоточена в зоне за лопастью мешалки и в этой зоне будет происходить дробление капель до наименьших размеров.

Описанный подход к определению максимальной диссипации энергии [29, 37] наметил возможные пути регулирования степени дисперсности эмульсии, образующейся при перемешивании в аппарате с мешалкой, почти без изменения его энергоемкости.

По результатам исследования возможностей регулирования дисперсности жиросодержащих эмульсий, в процессе перемешивания в аппаратах с мешалками [36] могут быть использованы турбинные или пропеллерные мешалки, позволяющие повысить циркуляционный расход перемешиваемого продукта через зону лопастей мешалки. Это, в свою очередь, позволит прекратить использование тихоходных ленточных мешалок и исключить из технологической схемы подготовки эмульсий насосы-эмульсаторы.

Диапазоны значений частоты вращения быстроходных мешалок могут быть определены как

n = (_о V/К_п d⁵)^0,33. (2.5)

Тогда для получения эмульсий различной жирности и назначения рабочие диапазоны частоты вращения мешалок для смесительных емкостей с равными размерами диаметра D и высоты H при _о = 0,961,08 Вт/кг будут определяться по следующей зависимости:

n = (4,30  0,09) 10^–1D/Кd^1,65. (2.6)

Величина К_п определяется по известной зависимости К_п = f (Re) для нормализованных быстроходных мешалок.

_о,

Вт/кг 1,06		*	*	*
1,04											  
1,02
1,00					Х	Х
0,98
0,96			+
	920	925		930		935		940		, кг/м3

Рис. 2.3. График зависимости энергии диссипации в аппаратах с мешалками различных

технологических линий от плотности маргариновых эмульсий при перемешивании:

( Х, +, , ) – эмульсии маргаринов столовых 72, 75, 82 %-й жирности и марочных 82 %-й жирности – на линиях А1-МЛМ, А1-ЖЛУ (Россия), фирмы «A.Johnson & Co Ltd» (Англия), на лабораторных и камеральных установках;

(, *) – эмульсии 60 и 82 %-й жирности (мягкие – наливные) – на линиях фирмы «TMC Chemtech Ltd» (Англия), на лабораторных и камеральных установках

Для выполнения условий инженерного расчета и при окончательном определении рабочей частоты вращения мешалки необходимо учитывать значение числа Re. Если расчет частоты вращения мешалки по (2.6) окажется меньше или больше (при расчете числа Re), то его следует продолжать до совпадения с предложенным расчетным соотношением (2.6).