3. Гидромеханика двухфазных потоков

3.1. Области распространения двухфазных потоков в пищевой технологии

Под многофазными понимаются системы, внутри которых имеется поверхность раздела фаз, в общем случае изменяющаяся во времени и пространстве.

Многофазные системы состоят из сплошной и дисперсной фаз. Дисперсной считается та фаза, которая распределена в сплошной в виде отдельных объемов (пузырьков, капель, твердых частиц).

Примерами наиболее часто встречающихся в пищевой технологии многофазных систем могут служить двухфазные системы газ (пар)–жидкость, жидкость–жидкость, газ–твердое, жидкость–твердое. Рассмотрим области применения указанных систем в некоторых пищевых производствах.

Система газ–жидкость. Чаще всего данная система используется в процессах абсорбции газов, реже при перемешивании жидкостей газом.

Абсорбцией называется процесс растворения газов в жидкостях. В пищевой промышленности следует отметить следующие производства, где абсорбционные процессы играют наиболее важную роль в общетехнологической цепи.

Пивобезалкогольная промышленность. Производство многих безалкогольных напитков, пива, шипучих вин связано с обязательным насыщением их диоксидом углерода. От качества газирования зависят вкус, аромат, пенистость и игристость напитков. Газирование напитков (в зарубежной литературе часто встречается название «карбонизация») протекает либо в изотермических условиях, когда в предварительно охлажденный продукт подается , либо при переменной температуре в процессе охлаждения напитка. И в том и другом случае при гидравлическом расчете абсорбера (карбонизатора) необходимо учитывать наличие двух фаз.

Микробиологическая отрасль. В производстве хлебопекарных дрожжей, лимонной кислоты и некоторых других пищевых продуктов основным процессом является аэробное культивирование микроорганизмов. Для обеспечения клеток кислородом через культуральную среду барботируется воздух в количестве до 100 м/ч на 1 м среды. Процесс ведется при условиях, обеспечивающих максимальную скорость растворения кислорода в культуральной жидкости.

Масложировая промышленность. При производстве натуральных олиф основным процессом является окислительная полимеризация растительных масел, осуществляемая в специальных реакторах при температурах 130–160 С. Окисление производится кислородом воздуха, пропускаемого через слой масла в виде пузырьков.

При производстве саломасов, промежуточного продукта, применяемого для производства маргариновой продукции, различных консистентных смазок, парфюмерных кремов важным этапом является гидрогенизация жиров.

Гидрогенизация – химический процесс присоединения атомов водорода к ненасыщенным жирным кислотам, осуществляется при интервале температур 160–230 С продувкой водорода через слой масла. Как при окислительной полимеризации, так и при гидрогенизации лимитирующим фактором считается скорость растворения водорода в жидкой среде. Интенсификация процесса достигается путем изменения гидродинамической обстановки в реакторе.

Система пар–жидкость. Парожидкостные потоки возникают в тех случаях, когда температура жидкости поднимается до температуры кипения при заданном давлении либо когда давление при заданной температуре становится равным давлению насыщенных паров жидкости.

Первый случай имеет место в кипятильных трубах выпарных аппаратов при производстве сгущенных пищевых жидкостей (молока, томатной пасты, фруктовых пюре и т. п.), в испарителях и конденсаторах холодильных машин и паросиловых установок.

Второй случай может возникнуть при резком падении давления в результате возрастания скорости движения жидкости в трубопроводе. Он рассмотрен в подразд. 2.9 при изучении явления кавитации.

Система газ–твердое. Движение двухфазных потоков газ–твердое применяется при пневмотранспортировке зерна, муки, сухого молока, сахарного песка и других сыпучих материалов.

Система жидкость–твердое. Используется при гидротранспортировке овощей (картофеля, свеклы и т. п.), некоторых фруктов, рыбы и т. д.

Система жидкость–жидкость. Используется при производстве многокомпонентных продуктов (маргаринов, некоторых видов напитков) либо в процессах экстракции, т. е. селективного извлечения целевого компонента из смеси каким-либо растворителем.

Гидравлический расчет аппаратов, в которых осуществляются указанные процессы, в принципе не отличается от расчетов потерь напора при течении однокомпонентных жидкостей по трубам. Отличие будет заключаться лишь в определении вязкости и плотности двухкомпонентной смеси. Уравнения для расчета этих величин даны в разд. 2.

Приведенный краткий перечень примеров убедительно доказывает необходимость изучения законов переноса импульса, теплоты и массы в двухфазных потоках. В данном разделе будет рассмотрено определение потерь энергии на транспортировку двухфазных сред по трубам и каналам.