книги из ГПНТБ / Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник

вращающиеся со скоростью w — 2,5-М2 м/с при вязкости среды р=25,0н-0,001 Па-с. Турбинки открытого типа имеют рабочие колеса с прямыми или изогнутыми лопастями, а турбинки закры­ того типа имеют рабочее колесо с каналами. В отличие от от­ крытой турбинки с наклонными лопастями, создающими осевые потоки, закрытая турбинка в зависимости от направления ее

вращения создает радиаль­ ные или осевые потоки, обес­ печивающие быстрое и эф­ фективное перемешивание.

С = 4 рРС£Э-

*1* V \ \

◄

Рис. 48. Пропеллерная мешалка:

а — типы пропеллеров, б — схемы уста­ новки пропеллеров в диффузорах и дви­ жение потоков жидкости

Рис. 49. Рабочие органы турбинной мешалки:

а, б — открытые турбинки с прямыми и изогнутыми лопатками, в — турбинка закрытого типа: / — турбинка, 2 — направляющий аппарат.

Я к о р н а я м е ш а л к а применяется-для перемешивания гус­ тых II вязких жидких сред. Лопасть этой мешалки (рис. 50) изо­ гнута по форме стенки и днища аппарата. Вращаясь со скоро­ стью 50—60 об/мин на расстоянии 5—8 мм от стенки, такая ло­ пасть очищает стенки аппарата от налипшей на них массы, бла­ годаря чему улучшается теплообмен и предотвращается перегрев массы.

90

Определение частоты вращения мешалки

Окружная скорость вращения мешалки является важным по­ казателем, от которого во многом зависят эффективность пере­ мешивания и расход энергии. При перемешивании суспензий равномерное распределение частиц твердой фазы в жидкости достигается при такой частоте вращения, при которой осевая составляющая скорости потока жидкости становится равной или несколько больше скорости осаждения частиц; при этом восхо­ дящий поток жидкости удерживает твердые частицы во взве­ шенном состоянии, препятствуя их осаждению.

По данным И. С. Павлушенко, эта частота вращения п (в об/с) мешалки

компонентов различаются более чем на 30%, то в расчетах при­ нимают среднюю плотность смеси, рассчитанную по формуле (18).

Значения коэффициента С и показателей степеней х и у в уравнении (98) приведены в табл. 2.

завихренных потоков. Пусковая мощность превышает рабочую не более чем в 2 раза и расходуется в очень непродолжительный период. В связи с этим установка электродвигателя с мощно­ стью, значительно превышающей мощность в рабочий период, экономически нецелесообразна. Поэтому электродвигатель к ме­ шалке выбирают по расходу энергии в рабочий период с учетом кратковременной перегрузки на 30—40% Для лопастных меша­ лок и на 15—20% для пропеллерных и турбинных.

Определим расход энергии на мешалку в рабочий период. Независимо от режима движения и формы лопасти сила соп­ ротивления R среды выразится “в общем виде законом Ньютона

pw2 .

= 1)), получим R — ^ w 2d2p. Примем силу сопротивления R среды

После подстановки значений Р и w = ndn (где п — частота вращения мешалки в секунду) в уравнение (100) получим

Np = фл3с!5я3р .

Обозначив произведение постоянных величин г|ж3 через ко­ эффициент мощности Kn, получим

Коэффициент мощности Kn для нормализованных мешалок, перемешивающих жидкости умеренной вязкости,находят по

Рис. 51. Зависимость коэффициента мощности Кк от зна­ чения ReM.

92

графику (рис. 51) в зависимости от типа мешалки (позиции ме­ шалок на рис. 51 соответствуют позициям на рис. 52) и режима ее движения, т. е. от критерия ReMдля мешалки, полученного из известного критерия Re, в котором окружная скорость выражена через частоту вращения (w — ndn),

по формуле (18).

Если высота уровня Н жидкости в аппарате не равна его диаметру D, то значение Np умножают на поправочный коэф­ фициент

Я \0,5

тывающего пусковой момент, и к. п. д. передачи т) = 0,8-^0,85, не­ обходимая мощность электродвигателя для мешалки jV3B ( в кВт) равна:

93

в количестве 32% по отношению ко всему объему смеси. Ап­ парат с гладкими внутренними стенками имеет змеевик и гиль­ зу для термометра.

Р е ш ' е н и е . Так как плотности перемешиваемых компо­ нентов различаются более чем на 30%, то в расчетах п и ReM

Динамическую вязкость смеси определим по формуле (19)

рс = 0,024 (1 + 4 , 5 - 0 , 3 2 ) = 0,0586Па-с.

Приняв по табл. 2 для лопастной мешалки С==46,4 и пока­

Согласно полученному значению ReM= 30 600 и типу ме­ шалки № 1 по рис. 51 найдем значение коэффициента мощно­ сти Ajf = 0,23.

Мощность, потребляемая мешалкой в рабочий период, оп­

многократным перекачиванием жидкости через систему аппа­ рат— циркуляционный насос — аппарат. Интенсивное переме­ шивание во всем объеме достигается распылением нагнетаемой жидкости через насадки 3 на концах трубопроводов 4, установ­ ленных тангенциально к стенкам аппарата и под некоторым уг­ лом к горизонтали.

Циркуляционное перемешивание применяется при приготов­ лении суспензий и эмульсий и может заменять механическое пе­ ремешивание.

94

Рис. 53. Схема циркуляци­ онного перемешивания:

/ — аппарат, 2 — насос, 3 — на­ садки, 4 — трубопровод.

/ — корпус, 2 ~ диафрагма, 3 — рассекатель, / — полки, 5 — винто­ вая вставка.

Рис. 55. Устройства для пневматического перемешивания и аэрации:

а — аппарат с барботером 1 ,6 — аппарат с эрлифтом 2, в — аппарат с воздухораспределительным устройством 3.

в) Поточное перемешивание

Для смешения компонентов в потоке применяют разнообраз­ ные конструкции смесителей (рис. 54). В них надлежащее сме­ шение потоков достигается за счет их многократного перемеши­ вания на диафрагмах 2 и рассекателях 3 (рис. 54, а) или на 8— 12 полках 4 (рис. 54,6). Такие смесители применяются, напри­ мер, в бродильных производствах для смешения мелассы с во­ дой; при этом одновременно с достижением определенной кон­ центрации подачей горячей и холодной воды достигается необ­ ходимая температура смеси. В смесителях других систем хоро­ шее смешение достигается при подаче в них компонентов под напором с последующим прохождением смеси по участку с пе­ ременным сечением и через винтовую вставку 5 (рис. 54,б), че­ рез отверстия решеток и т. п.

г) Пневматическое перемешивание и аэрация

Пневматическое перемешивание жидких сред производят в аппаратах, оборудованных барботером, воздушным подъемни­

сыщает среду кислородом. Схемы устройств для пневматическо­ го перемешивания и аэрации показаны на рис. 55.

равномерно распределяется по всему сечению аппарата и, под­ нимаясь в жидкости, перемешивает ее.

Эрлифт 2 (рис. 55, б) применяется для перемешивания за­ мачиваемого солодовенного зерна в спиртовом и пивоваренном производствах, а также для подъема воды из артериальных скважин и смесей сыпучих материалов с водой на высоту 15 м и более. За счет сжатого воздуха, поступающего в нижнюю часть трубы 2, в ней образуется воздушно-водяная смесь, плот­ ность которой меньше плотности воды, находящейся вне трубы: при этом уравновешивающиеся высоты столбов Н и (Я -f/i) об­ ратно пропорциональны плотностям сред в них. Пузырьки возду­ ха, поднимаясь вверх по трубе, в связи с уменьшением давления расширяются и увеличивают скорость движения воздушно-водя­ ной смеси, которая увлекает из аппарата смесь сыпучего мате­ риала с водой, поднимает ее на нужную высоту, а если это необ­ ходимо, возвращает ее снова в аппарат.

Аэрационные устройства, кроме перемешивающего эффекта, с технологической точки зрения оцениваются по степени насы­ щения среды кислородом и скорости накопления биомассы в единице объема. При перемешивании воздухом достигается рав­ номерное распределение растворенного в среде кислорода, пи-

96

тательных веществ и микроорганизмов во всем объеме жидкос­ ти, облегчается подвод питательной среды и кислорода к микро­ организмам, а также отвод продуктов их жизнедеятельности (углекислого газа, водорода и др.). Следует иметь в виду, что при аэрации примерно лишь десятая часть подаваемого в аппа­ рат кислорода поглощается жидкостью и эта доля уменьшается с повышением температуры жидкости и скорости проходящего через нее воздуха.

Количество кислорода, поглощаемого жидкостью в единицу времени при заданных температуре и давлении, выражается уравнением

Из формулы (105) видно, что при постоянном значении k ко­ личество кислорода, поглощаемого жидкостью, прямо пропорци­ онально поверхности контакта F и разности концентраций (сп—

— ст). Увеличение поверхности контакта фаз достигается повы­

шением степени диспергирования воздуха, т. е. распылением его через отверстия малых размеров в воздухораспределительной системе. В ней отверстия размещают на таком расстоянии, что­ бы предотвратить слияние струй воздуха, выходящего из смеж­ ных отверстий (для сохранения заданной дисперсности при ско­ рости истечения воздуха из отверстия 15—20 м/с рекомендуется шаг между отверстиями не менее 20 мм для отверстий диамет­ ром 2—3 мм и не менее 12 мм — для отверстий диаметром 1 мм).

Концентрация кислорода сн, соответствующая пределу насы­ щения, например при ращении дрожжей при 30° С равна 7 мг/л, а в процессе ращения поддерживают сх=0,44-0,5 мг/л; при

меньшей концентрации кислорода в среде накопление дрожже­ вой массы уменьшается. Наиболее эффективными аэрирующими устройствами в настоящее время являются:

разработанный Н. И. Дерканосовым дрожжерастильный ап­ парат (рис. 55, в) с пластинчатым воздухораспределителем в ви­ де коробов 1, установленных на днище аппарата. Диаметр от­ верстий в коробах около 0,5 мм;

аппарат Фогельбуша, оборудованный мешалкой с полыми лопастями с отверстиями диаметром 10 мм, направленными па­ раллельно плоскости вращения лопасти; диспергирование возду­ ха при этом происходит с помощью жидкости, обтекающей ло­ пасти. Частота вращения лопасти— 106 об/мин;

эрлифтная система аэрации, разработанная УкрНИИ спирто­ вой промышленности.

Представляет практический интерес барботажный метод аэрации жидкостей в сочетании с механическим перемешивани­ ем их, что, по данным К- Г. Федосеева, повышает степень насы­ щения жидкости кислородом и интенсифицирует процесс перено­ са его; это позволяет сократить расход воздуха и снизить энер­ гетические и капитальные затраты на его получение.

Расчет пневматических перемешивающих устройств сводится к определению необходимого давления и расхода сжатого воз­ духа. Приняв потери давления в воздуховоде равными 20% от сопротивления столба Н (в м) перемешиваемой жидкости плот­ ностью рж (в кг/м3) и Р0 (в Па) — давление над жидкостью, не­ обходимое давление Р (в Па) сжатого воздуха для перемеши­ вания можно определить по формуле

Р = 1,2Ярж § + Р 0.

Расход воздуха на 1 м2 поверхности жидкости в аппарате принимают 0,8 м3/(м2-мин)— при умеренном перемешивании и 1,0 м3/(м 2-мин) — при интенсивном. Необходимо иметь в виду, что при перемешивании воздухом возможно окисление органиче­ ских веществ с образованием нежелательных продуктов и унос летучих веществ.

3.ПЕРЕМЕШИВАНИЕ И СМЕШИВАНИЕ СЫПУЧИХ

ИПЛАСТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Перемешивание и смешивание сыпучих материалов широко применяются на пищевых предприятиях, например смешивают различные партии муки на хлебозаводах, сыпучие компоненты-— в кондитерском производстве, перемешивание сахара-песка или солода при высушивании их и др. Для этой цели применяют уст­ ройства шнекового, лопастного и барабанного типа. Для повы­ шения эффективности перемешивания внутренние поверхности барабанов оборудуются насадкой в виде различных перегородок, полок или винтовой спирали на поверхности стенки (рис. 184).

Перемешивание пластических (полужидких) материалов ши- ' роко применяется в различных пищевых производствах. Напри­ мер, в хлебопекарном, кондитерском и макаронном производст-

Рис. 56. Рабочие органы для замеса сдобного теста.

98

вах перемешивают различные виды теста, в консервном — овощ­ ные и мясные фарши, в молочном — творог и сырковые массы и т. д. Образующиеся при этом однородные смеси из нескольких компонентов (воды, муки, дрожжей, сахара, соли, масла и др.) разминаются, приобретают определенные физико-механические свойства, а в отдельных случаях насыщаются воздухом (тесто) или подвергаются воздействию вакуума (фарши). Различные типы перемешивающих устройств для пластических материалов показаны на рис. 56.

4.ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ («КИПЯЩИЙ» СЛОЙ)

Вразличных отраслях пищевой технологии за последние го­ ды для интенсификации таких процессов, как сушка, адсорбция

и др., протекающих с участием твердой фазы, применяется псев-

доожижение, или так называемый «кипящий» слой. В «кипя­ щем» слое, например, высушивают зерно, сахарный песок, дрож­ жи, желатин и др.

Сущность псевдоожижения заключается в том, что при про­ дувании воздуха с определенной скоростью через слой находя­ щегося на решетке зернистого материала последний переходит во взвешенное состояние и приобретает свойства текучести; внешне такой слой напоминает кипящую жидкость.

В зависимости от скорости воздуха различают следующие со­ стояния слоя (рис. 57):

1)при небольших скоростях воздуха он фильтруется через неподвижный слой; при этом порозность ес слоя (объемная доля свободного пространства между частицами) остается неизмен­ ной и'составляет <0,7;

2)с увеличением скорости воздуха до такого значения, при котором подъемная сила потока станет равной массе слоя часг тиц, слой приобретает текучесть и переходит в псевдоожиженное