2.3. Основные принципы инженерного расчета процессов и оборудования для подготовки и получения жиросодержащих смесей и эмульсий

Конструкторская разработка перемешивающих устройств для подготовки и получения жиросодержащих композиций основана на знании физико-механических свойств сырья и основных методик инженерного расчета перемешивающего оборудования.

2.3.1. Физико-механические свойства жиров, масел и жиросодержащих эмульсий при перемешивании

Образование жировых смесей и эмульсий перемешиванием жирового сырья с другими компонентами в значительной степени определяется процессовыми и аппаратурными параметрами обработки продукта и возможностью управления процессом перемешивания в устройствах различных типов.

Теплофизические исследования процессов подготовки жировых смесей и эмульсий включают изучение и анализ работы перемешивающих устройств различных типов в условиях поддержания в процессе перемешивания равномерности распределения энергии и температуры среды в интервале температур для образования устойчивых дисперсных систем в целях получения маргариновых и молочных эмульсий, а также смесей для производства хлебопекарных, кулинарных и кондитерских жиров.

Выполненные исследования по определению плотности жиров и масел в диапазоне температур от 30 до 60 ºС, характерных для технологических операций транспортирования, подготовки, перемешивания и дозирования, показали, что значения плотности для саломасов и масел меняются от 935 до 885 кг/м³, для переэтерифициро-ванных жиров – от 922 до 901 кг/м³, для животных жиров – от 916 до 881 кг/м³. Для получения данных по плотности маргариновых эмульсий раздельно исследовались значения плотности жировой и водно-молочных фаз и производился расчет по правилу аддитивности. Было определено, что значения плотности эмульсий при перемешивании в интервале температур 38–43 ºС меняются от 944 до 921 кг/м³. Отклонения экспериментальных данных не превышают 3 %.

Для определения теплоемкости и теплопроводности жировых продуктов в интервале температур подготовки маргариновых эмульсий и других жировых смесей использовались стандартизированные калориметры ИТ-с-400 и ИТ--400, работающие в режиме монотонного нагрева.

Измерения показали, что значения удельной теплоемкости с и теп-лопроводности  для жировых компонентов при температурных режимах процессов перемешивания находятся соответственно в пределах 2,1–5,5 кДж/(кг · К) и 0,18–0,23 Вт/(м · К); для жиросодержащих эмульсий (при 38–45 ºС) – в пределах 2,9–4,7 кДж/(кг · К) и 0,28–0,31 Вт/(м · К). (Предельная относительная погрешность измерений не превышает ±10 %.)

По полученным значениям плотности, теплоемкости и теплопроводности определены значения коэффициента температуропроводности а жировых продуктов для следующих температурных интервалов процессов перемешивания: от 4,0 · 10^–8 до 9,0 · 10^–8 м²/с – для жиров и масел; от 7,9 · 10^–8 до 10,9 · 10^–8 м²/с – для жиросодержащих эмульсий.

При определении реологических свойств маргариновых эмульсий используются капиллярные вискозиметры и реовискозиметры типа «Реотест».

Определены значения вязкости жирового сырья и жировых основ маргариновых эмульсий, составленных в соответствии с рецептурами для маргаринов различного назначения и жирности (погрешность в пределах 0,5 %).

При определении вязкости маргариновых эмульсий на стадии получения дисперсной системы при перемешивании фаз (жировой основы и водно-молочной фазы) в диапазоне температур 38–42 ºС было учтено, что в реальных условиях для удержания такой дисперсной системы в состоянии устойчивости необходимо ее непрерывно перемешивать, иначе происходит быстрое расслаивание эмульсии. Эта особенность была также учтена при использовании принципа капиллярной вискозиметрии с ограниченным временем истечения. Сущность метода определения вязкости эмульсии заключалась в том, что выбирались условия, при которых имеют место равные временные показатели истечения ньютоновской жидкости (раствора глицерина) с известной вязкостью и маргариновой эмульсии.

Для определения значений динамической вязкости эмульсий в температурном диапазоне процессов получения дисперсной системы устанавливалась условная, а затем соответствующая ей динамическая вязкость (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Жирность эмульсии, %	Диапазон изменения условной вязкости, с	Диапазон изменения динамической вязкости, мПа  с
82	44,8–58,0	58,9–76,5
75	47,3–56,0	62,2–73,0
72	44,4–54,0	58,4–71,0
60	47,0	61,7

Влияние концентраций сплошной дисперсионной среды и дисперсной фазы на вязкость эмульсионной системы может быть учтено уравнением

_эм = _с (1 + ₀ _д.ф), (2.19)

где _с – вязкость сплошной среды (жировой основы); ₀ – константа дисперсной фазы; _д.ф – доля дисперсной фазы (водно-молочной фазы).

Анализ полученных результатов исследований позволил определить влияние концентраций сплошной среды и дисперсной фазы на значения вязкости маргариновых эмульсий 72–82 %-й жирности и получить расчетные уравнения для определения динамической вязкости эмульсий (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Содержание дисперсной фазы, %	Содержание эмульгатора, %	Константа дисперсной фазы 0	Расчетные выражения для динамической вязкости эмульсии
18	0,05–0,15	4,56	эм = 1,82 с
25	0,15–0,25	3,00	эм = 1,75 с
28	0,25–0,35	2,58	эм = 1,72 с

Известно, что эффективная вязкость неньютоновских сред и дисперсных систем в цилиндрических аппаратах с перемешивающими устройствами определяется как

_эф = k ^m–1 = k (A n)^m–1, (2.20)

где k – показатель консистенции; γ – скорость сдвига; A – коэффициент пропорциональности; n – частота вращения мешалки; m – показатель неньютоновского поведения среды.

Для пластичных и псевдопластичных жидкостей при ламинарном и переходном режимах перемешивания турбинными мешалками с прямыми лопастями А = 11,5±1,4; турбинными мешалками с наклонными лопастями – А = 13±2; пропеллерными мешалками – А = 10±0,9. Для перечисленных типов мешалок предлагается использовать среднее значение А = 11.

Для мешалок скребкового типа, применяемых в аппаратах с очищаемой поверхностью, величина коэффициента А зависит от числа скребков и может быть вычислена по формуле

А = 110 z^0,5, (2.21)

где z – число скребков.

В результате приближенного решения дифференциальных уравнений движения и реологического уравнения Оствальда де Виля выражение эффективной вязкости для цилиндрических емкостей с мешалкой имеет вид

_эф = k , (2.22)

где D, d_м – диаметр емкости и диаметр мешалки.

Выражение (2.22) используется при энергетических расчетах скребковых перемешивающих устройств.