Общие сведения о процессах и оборудовании для перемешивания и смешивания мясного и рыбного сырья

Перемешивание и смешивание пищевых сред представляют собой процессы, при которых достигается равномерность распределения различных компонентов с образованием новых видов дисперсных сред или систем.

Термин «перемешивание», как правило, используется для жидкофазных и пластично-вязких, высоковязких видов сырья, а термин «смешивание» – для мелкокусковых, сыпучих дисперсных сред.

При перемешивании в жидких средах частиц твердых материалов образуются дисперсные системы типа суспензий. При перемешивании взаимно нерастворимых и растворимых жидких сред образуются соответственно эмульсии и растворы. Перемешивание также используется для образования газосодержащих и пенообразных пищевых дисперсных систем.

В мясо- и рыбоперерабатывающей отрасли устройства для перемешивания и смешивания используют при производстве мясокостных, клеевых и желатиновых бульонов, белковых и кислотных гидролизатов из животного сырья, фаршевых и колбасных изделий, фаршевых консервов, топленых животных пищевых и технических жиров, кулинарных жиров, при переработке крови и другого сырья для производства пищевых добавок, фармацев-тических препаратов и т. д.

Основными способами перемешивания жидкофазных сред и дисперсных систем являются: механический, циркуляционный, статический и пнев-матический.

В мясной и рыбной промышленности наибольшее применение получило механическое перемешивание, для которого используются аппараты с перемешивающими устройствами, а также механическое смешивание, для которого используются фаршемешалки.

Аппарат с перемешивающим устройством (рис. 1) состоит из перемешивающего устройства и корпуса.

Перемешивающее устройство (рис. 2) состоит из мешалки, вала, привода и стойки для крепления привода на корпусе аппарата.

Типы перемешивающих устройств определяются особенностями технологических процессов и связаны с конструкцией, режимами работы, размерами составных элементов устройств.

Перемешивающими устройствами снабжены некоторые другие виды мясо- и рыбоперерабатывающего комбинированного оборудования, такие как экстракторы, биореакторы и ферментаторы и пр.

Рис.1. Схема аппарата

с перемешивающим устройством

Рис.2. Перемешивающее устройство

Механическое перемешивание производится при помощи мешалок двух основных видов: быстроходные и тихоходные.

Быстроходные мешалки, используются для перемешивания жидких сред преимущественно при турбулентном и переходном режимах движения жидкости. Тихоходными – используются, как правило, при ламинарном режиме перемешивания жидкости.

К основным видам быстроходным мешалкам для перемешивания жидкофазных сред и получения дисперсных систем относятся: турбинные, винтовые или пропеллерные, лопастные и трехлопастные, скребковыеЮ фрезерные и другие.

1. Турбинные мешалки делятся на мешалки открытого (рис. 3, а) и закрытого (рис. 3, б) типа. Открытые – представляют собой конструкцию кольцевого диска с шестью плоскими лопастями. Закрытые – имеют восемь плоских лопастей конической формы

Рис. 3. Турбинная мешалка:

а – открытого типа; б – закрытого типа.

Рабочим органом мешалок этого типа является турбинное колесо (турбинка), вращающееся на вертикальной оси. Применяются они, как правило, при частоте вращения (n) в диапазоне 1,66–33,33 ^с–1 (100–2000 1/мин).

Турбинные мешалки пригодны для перемешивания жидкостей с вязкостью  от 0,001 до 20 Пас (иногда до 50 Пас). Они используются для взмучивания осадков в жидкостях, содержащих до 60 % твердой фазы.

2. Винтовые или пропеллерные мешалки (рис. 4) применяются при частоте вращения n в диапазоне 1,66–33,0^с–1 100–1800 1/мин), иногда и до 50^с–1 (3000 1/мин) и пригодны для перемешивания жидкостей с вязкостью  от 0,001 до 10 Пас.

Рис. 4. Пропеллерная мешалка

Пропеллерные мешалки в качестве рабочего органа имеют винт, насаженный на вертикальный, наклонный или горизонтальный вал. Винты применяются двух-, трех- и четырехлопастные.

Благодаря изменяющемуся углу наклона лопастей по их длине, при перемешивании часть жидкости отталкивается винтом по многим направлениям. Вследствие этого возникают встречные струи жидкости, что обеспечивает хорошее перемешивание.

Для придания осевого направления потоку жидкости, создаваемому пропеллером, последний иногда располагают в коротком цилиндре с раструбом, а для лучшего перемешивания на одном валу устанавливают два винта, которые образуют при вращении встречные потоки. Частота вращения этих мешалок от 2,5 до 16,66 с^–1 (150–1000 1/мин).

При направлении потока жидкости ко дну лопасти хорошо взмучивают осадок с размером частиц до 0,15 мм. Эффективность мешалок повышает наклонное расположение оси винта.

3. Трехлопастные мешалки представляют собой плоские лопасти, установленные перпендикулярно или наклонно к направлению движения (рис. 5).

Рис. 5. Трехлопастная мешалка

Тихоходные мешалки используются, как правило, для перемешивания высоковязких сред.

К тихоходным мешалкам относятся: рамные, шнековые, листовые, якорные, ленточные и другие.

1. Рамные мешалки (рис. 6) применяются при низкой интенсивности

перемешивания с частотой вращения от 0,3 до 1,5 с^–1 или от 18 до 90 1/мин (Re_ц = 10–80) для сред с вязкостью от 1 до 40 Пас в емкостях от 0,1 до10 м³.

Рис. 6. Рамная мешалка

2. Шнековые мешалки (рис. 7) рекомендуется применять при наличии

в рабочем объеме внутренних устройств и при перемешивании с частотой вращения  0,8 с^–1 50 1/мин (Re_ц = 0,1–30) для сред с вязкостью от 10 до 100 Пас в емкостях от 0,1 м³ и более.

Рис. 7. Шнековая мешалка

3. Листовые мешалки рекомендуется применять при частоте вращения от 0,25 до 1,66 с^–1 (15–100 1/мин) для сред с вязкостью от 0,001 до 0,05 Пас в емкостях от 1 м³ и более.

4. Якорные мешалки рекомендуется применять при перемешивании с частотой вращения от 0,33 до 1,33 с^–1 или от 20 до 80 1/мин (Re_ц = 10–80) для сред с вязкостью от 0,1–10 Па с в емкостях от 0,1 м³ и более.

5. Ленточные мешалки применяются для аппаратов объемом от 0,25м³ и более для гомогенизации, суспендирования (Re_ц = 1–80) сред.

Все типы мешалок, используемых для жидкофазных сред, крепятся на валу, который устанавливается по оси перемешивающего устройства, а также может располагаться наклонно или асимметрично. На валу могут располагаться несколько перемешивающих устройств.

Вал перемешивающего устройства в большинстве случаев закрепляется консольно в подшипниковых опорах, которые могут располагаться в стойке или в корпусе привода, если это допускается конструкцией последнего.

Герметизация корпуса аппарата в зоне прохождения вала перемешивающего устройства осуществляется с помощью уплотнений (см. рис.1) торцовых, сальниковых или гидравлических затворов (в зависимости от состава рабочей среды и режима работы аппарата).

Корпус (рис. 8) перемешивающего устройства представляет собой цилиндрический вертикально или горизонтально расположенный аппарат с плоским, наклонным, конусообразным, вогнутым и выпуклым днищем и крышкой. Исполнение корпуса может быть со съемной и разъемной крышкой.

Рис. 8. Типы корпусов перемешивающих устройств:

а – эллиптические днище и крышка; б – эллиптическое днище и плоская крышка;

в – плоские днище и крышка

Вместимость корпуса (емкости) оборудования по стандарти-зированному ряду составляет объем: 0,01; 0,025; 0,04; 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63 и далее от 1 до 10 м³.

Емкости перемешивающих устройств имеют такие названия как чан, танк, ванна, дежа и т. д.

Конструктивные варианты корпусов (см. рис. 8) отличаются наличием внутренних и теплообменных устройств, типом опор, размещением штуцеров и т. д.

Внутренние устройства могут быть различными: отражательные перегородки (рис. 9, а), барботер (рис. 9, б), труба передавливания (рис. 9, в).

Отражательные перегородки устанавливаются для предотвращения вращательного движения всей массы жидкости вместе с лопастями мешалок (особенно при перемешивании вязких жидкостей).

При вращении мешалок на поверхности жидкости может образовываться воронка, глубина которой увеличивается с возрастанием частоты вращения.

Барботер предназначен для подачи сжатой газовой фазы в жидкофазную рабочую среду. Барботер представляет собой перфориро-ванную трубу (или ряд труб), расположенную у днища емкости.

При пневматическом перемешивании газ поступает в жидкость через отверстия сопла барботера. При этом струи газа распадаются на пузыри, поднимающиеся в массе жидкости. Всплывающие пузыри увлекают часть жидкости за собой.

Иногда барботирование производится паром, тогда перемешиваемая жидкость еще и подогревается.

Этот способ применяется для невязких сред ( = 0,2 Пас); расход газа при барботировании составляет 0,4–1,0 м³/мин на 1 м² поверхности жидкости.

Труба передавливания применяется для отвода (вытеснения давлением) рабочей среды из корпуса аппарата, а также для подвода сырьевых компонентов в рабочую зону мешалки.

Рис. 9. Внутренние устройства корпусов:

а – отражательные перегородки; б – барботер; в – труба передавливания

Теплообменные устройства устанавливаются снаружи или внутри кор-пуса в виде гладкой приварной рубашки (рис. 10, а), змеевика (рис. 10, б) или в виде гибкого ленточного нагревательного элемента (рис. 10, в).

Рис. 10. Теплообменные устройства:

а – приварная рубашка; б – змеевик; в – гибкий ленточный нагреватель

В качестве теплоносителя используется водопроводная или оборотная вода, конденсат, рассол, водяной пар, органические теплоносители.

Диапазон предельных температур стенки корпуса и теплообменного устройства составляет от –30 до +250 °С.

Допускаемая температура стенки зависит от марки материала корпуса и теплообменного устройства и типа уплотнения вала перемешивающего устройства.

В качестве материалов для корпусов и перемешивающих устройств могут использоваться стали марок ВСт3сп4, 12Х18Н10Т, 09Г2С, 16ГС в зависимости от состава рабочей среды и режима работы аппарата.

Допускаемое избыточное давление в корпусе и теплообменном устройстве при максимальных значениях температуры стенки уста-навливается на основании расчета на прочность.

При температуре стенки 20 °С в корпусе аппарата с эллиптическим днищем и эллиптической или плоской съемной крышкой используется избыточное давление не более 0,6 МПа (6 кгс/см²); остаточное (вакуум) – не менее 0,67 кПа (5 мм рт.ст.) в зависимости от типа уплотнения вала перемешивающего устройства в корпусе аппарата с плоским днищем и плоской съемной крышкой.

В теплообменном устройстве с гладкой приварной рубашкой используется избыточное давление не более 0,4 МПа (4 кгс/см²), а в змеевике она должна составлять не более 1,6 МПа (16 кгс/см²).

Для любых корпусов используются опоры-лапы (рис. 11, а), опоры-стойки (рис. 11, б), а также кольцевые опоры.

Возможна установка опор в виде штатива для перемешивающих устройств лабораторного типа и малых емкостей.

Рис. 11. Опоры корпуса:

а – опоры-лапы; б – опоры-стойки

Количество, расположение и конструктивные параметры штуцеров на корпусе аппарата принимается в соответствии с требованиями технологического процесса и возможностью их размещения по соображениям прочности корпуса аппарата (рис. 12).

Корпуса аппаратов снабжаются также устройствами для заземления и отвода статического электричества, узлов крепления для строповки и теплоизоляции.

Рис. 12. Штуцеры аппарата:

А – для входа продукта; Б – для трубы передавливания; В – для манометра; Г – для термометра; Д – технологический; Е – для подачи газа через барботер; Ж – люк; И – вход (выход) теплоносителя в змеевик; К – выход (вход) теплоносителя из змеевика; Л – выход продукта; М – вход (выход) теплоносителя в рубашку; Н – выход (вход) теплоносителя из рубашки; О – отвод воздуха

В качестве привода используются, как правило, асинхронные электродвигатели закрытого обдуваемого или другого требуемого исполнения с напряжением питания – 220/380 В, частотой тока – 50 Гц. Применяются также мотор-редукторы различных типов и компоновок отечественного или иностранного производства.

Для малогабаритных аппаратов с перемешивающими устройствами мощность электродвигателя при частоте вращения выходного вала 16,66 с^–1 (1000 1/мин) составляет 0,25–0,55 кВт, а мощность мотор-редуктора 0,12–0,55 кВт при частоте вращения выходного вала 0,66 с^–1 (40 1/мин) или от 0,12 до 0,25 кВт при частоте вращения 3,3 с^–1 (200 1/мин).

Циркуляционный способ перемешивания осуществляется с помощью насосов, перекачивающих жидкую фазу по замкнутой системе: смеситель – насос – смеситель.

Этот способ широко используется для пищевых дисперсных систем с целью получения устойчивых эмульсий и суспензий, а также гомогенизации пищевых систем. Интенсивность циркуляции зависит от ее кратности и конструктивных особенностей линии нагнетания. Иногда в линии нагнетания устанавливается дополнительные устройства в виде статических насадок.

Статический способ перемешивания осуществляется с помощью перекачки по трубопроводам со статическими насадками в виде винтовых, лопастных, шнековых вставок. Поток продукта, сталкиваясь с перегородками, изменяет направление движения. Чем больше насадок в статическом смесителе, тем больше затраты мощности на продавливание и транспортирование жидкости.

Этот способ используются для перемешивания в трубопроводах жидких сред невысокой вязкости, в основном ньютоновских жидкостей, а также для пластифицирования вязкопластичных дисперсных систем, например, для получения тонкой эмульсии из грубой.