Механические процессы

2.1. Измельчение

Измельчением принято называть процесс разделения твердого тела на части. Измельчение основано на воздействии сил, стремящихся преодолеть силы сцепления между частицами, в результате чего образуются новые поверхности. Механическое измельчение материала приводит к увеличению поверхности твердых веществ путём дробления резания и непосредственного измельчения.

Процесс измельчения широко применяется в мукомольном, свеклосахарном, консервном, крахмалопаточном, спиртовом, пивоваренном, винодельческом и других производствах. Переработка материала в измельченном виде позволяет ускорить экстрагирование веществ, тепловую обработку материалов.

Рис. 10.1. Способы измельчения продуктов:

а – раздавливанием; б – раскалыванием; в – истиранием; г – ударом

Измельчение может быть простое и избирательное. При простом измельчении продукт разрушается, проходя через измельчающее устройство один раз, а при избирательном измельчении (как правило, многократном) извлекаются частицы какого-либо одно вещества. При избирательном измельчении процесс осуществляются последовательно. Каждую стадию процесса измельчения строят так, чтобы были получены частицы, отличающиеся теми или иными физическими свойствами. Это в дальнейшем облегчает разделение сыпучей смеси на фракции, каждая из которых состоит из частиц более или менее однородных по составу. Например, измельчение ржи и пшеницы в сортовую муку основано на использовании различий структурно-механических свойств эндосперма и оболочек. В основу системы построения сложного помола положен метод избирательного измельчения зерна и его частиц. Этот метод в сочетании с формами измельчающих машин позволяет так вести процесс, чтобы можно было свести к минимуму дробление оболочек и извлечь максимальное количество эндосперма. Материал после измельчения поступает на классифицирующий аппарат, который отбирает крупные частицы и возвращает их на доизмельчение. Выход муки, т.е. извлечение, её качество во многом зависят от совершенства процесса измельчения зерна. При большом измельчении снижается производительность машин, повышается расход энергии, а значит, увеличивается себестоимость продукции.

В зависимости от размеров кусков (частиц) исходного материала до измельчения и размеров частиц измельченного материала процессы классифицируют следующим образом: крупное дробление, среднее дробление, мелкое дробление, тонкое измельчение и сверхтонкое измельчение.

Основными критериями оценки эффективности процесса измельчения любых твердых тел являются степень измельчения, удельная энергоёмкость процесса и удельная нагрузка на рабочий орган измельчающей машины. Степень измельчения определяют как отношение суммарной поверхности частиц продукта после измельчения к суммарной поверхности частиц исходного продукта. Например, в мукомольной промышленности степень измельчения колеблется от 20 до 50 мкм, в овощесушильной – от 300 до 400 мкм.

Измельчение материала осуществляется путем разрушения его первоначальной структуры различными видами деформации: раздавливание, раскалыванием, истиранием, ударом (рис.7)

В зависимости от механических свойств и начальных размеров измельчаемого материала применяют один из указанных способов разрешения или их сочетания. Крупное, среднее и мелкое дробление твердых и хрупких материалов целесообразно осуществлять раздавливанием, ударом и раскалыванием. Твердые и вязкие материалы в основном разрушаются раздавливанием и истиранием. Тонкое и сверхтонкое измельчение проводят в воде или других жидкостях для исключения пылеобразования и агломерирования уже полученных сверхтонких частиц. Дробление и измельчение являются энергоемкими процессами.

По назначению измельчающие машины условно делят на дробилки крупного, среднего и мелкого дробления и мельницы тонкого и сверхтонкого измельчения.

Для крупного дробления применяют щековые и конусные дробилки. Основными рабочими органами щековой дробилки служат неподвижная и подвижная щеки, защищенные от истирания стальными рифлеными литыми плитами из износоустойчивой марганцевой стали. Материал поступает на дробление в верхнюю часть пространства между щеками, измельчается раскалыванием и раздавливанием за счет качательного движения подвижной щеки, постепенно проваливается и выходит через нижнюю щель.

Щековые дробилки широко применяются при подготовке сырья в горно-механической, металлургической и промышленности цветных металлов. Наиболее мощные агрегаты могут дробить материал размером до 1,5 м в поперечнике, при этом потребляя значительное количество энергии. В щековых дробилках энергия потребляется практически за рабочий ход при мгновенных нагрузках.

В конусных дробилках материал измельчается раздавливанием и истиранием при сближении поверхностей неподвижного усеченного конуса и эксцентрично вращающегося внутреннего конуса. Материал, загружаемый в пространство между конусами, дробиться между ними и поступает в нижнюю часть машины. Дробление материала происходит непрерывно, в связи с чем конусные дробилки более производительны, чем щековые. Для среднего и мелкого дробления применяются валковые, молотковые дробилки, дезинтеграторы. Валковые дробилки представляют собой два валка, вращающиеся навстречу друг другу. Поверхность валков может быть гладкая, рифленая или зубчатая. Зубчатая поверхность применяется для хрупких материалов, измельчаемых в основном раскалыванием. Для дробления вязких материалов валкам, сообщают, разлиную скорость вращения, чтобы усилить их истирающее действие. При однократном сжатии не происходит переизмельчения материала. Валковые дробилки наиболее эффективны для измельчения материала умеренной твердости и небольшого размера.

Для производства муки макаронных и хлебопекарных помолов используют вальцовые станки с нарезными валками. На характер измельчения продуктов влияют форма рифлей, их количество на 1 см окружности, уклон к оси вальца, взаиморасположение (острие по острию, острие по спинке, спинка по острию, спинка по спинке и др.). Чем больше рифлей тем больше степень измельчения. Наибольшее измельчение происходит при расположении рифлей «острие по острию», так как в этом случае грани острия обоих вальцов активно воздействуют на продукт. Более мягкое воздействие получается при нахождении рифлей в положении «спинка по спинке», так как грани острия обоих вальцов в меньшей степени участвуют в деформации продукта. Уклон рифлей колеблется от 4 до 14%. Максимальный уклон используется при помоле твердой пшеницы, сортовых помолах ржи.

Для производства овсяных и кукурузных хлопьев применяют вальцовые станки-плющилки с гладкими валками. Для измельчения масличных семян применяют пятивалковые дробилки.

Молотковые дробилки (мельницы) являются ударно-истирающими машинами. Продукт в них измельчается вследствие удара рабочих органов (молотков) и истирания о неподвижную перфорированную деку. Молотковые дробилки применяются для измельчения хрупких материалов умеренной твердости (известняк, каменный уголь). Они за один прием обеспечивают относительно высокую степень измельчения зерна, картофеля, сахара, соли и других продуктов.

Дезинтеграторы представляют собой машины ударного действия. Измельчаемый материал через бункер поступает в центральную часть машины, дробится пальцами вращающегося диска, отбрасывается к периферии и встречается с пальцами окружности второго ротора, вращающегося в противоположную сторону. Измельчаемые частицы совершают зигзагообразные движения, подвергаясь многократному дроблению.

Близкие по конструкции к дезинтеграторам машины называются дисмембраторами. У них вращается только один ротор, а второй неподвижно укреплен на станине. Дисковый измельчитель применяют при измельчении зерна, сухарей, какао-бобов, орехов. Ударно-центробежные измельчители обладают высокой производительностью и используются в широком диапазоне степеней измельчения.

В машине для тонкого и сверхтонкого измельчения материал с размерами частиц 2-10 мм доводят до высокой тонины помола, достигающей 1*10^-4 мм. Для этой цели служат мельницы различных конструкций: барабанные, вибрационные, коллоидные. Материал, который требуется измельчить, загружают в мельницу вместе с мелющими телами (металлические шары, стержни, окатанная галька). Крупные шары служат для измельчения крупных кусков материала, а средние и мелкие – для истирания мелких зерен. В стержневых мельницах продукт измельчается более равномерно, чем в шаровых. Измельчение в мельницах производят сухим и мокрым способами.

В вибрационных мельницах из-за интенсивного ударно-истирающего действия обеспечивается высокая дисперсность продукта и однородность размеров измельчаемого материала. Но мельницы этого типа имеют относительно низкую производительность из-за большой занятости объёма мелющими телами. Кроме того, из-за большого разогрева материала вибрационные мельницы не могут использоваться для помола материалов, имеющих низкие температуры плавления или размягчающихся при нагревании.

Для сверхтонкого измельчения дорогостоящих материалов используют пневматические мельницы, у которых необходимая для измельчения материала энергия сообщается струёй воздуха (перегретого пара, инертного газа), подаваемого со звуковыми и сверхзвуковыми скоростями. В струйных мельницах достигается высокая однородность измельчаемого материала, однако они требуют больших энергозатрат, расходуют значительное количество сжатого газа.

Коллоидные мельницы используются для мокрого сверхтонкого измельчения материала между статором и вращающимися со скоростью 100м/с ротором в зазоре, не превышающем 0,05мм. Частицы вращаются вокруг собственной оси с такими высокими скоростями, что разрываются под действием центробежных сил. Так как частицы находятся в жидкости, они не агрегируются. Однако мелющие органы могут загрязнить продукты помола материалом, из которого они изготовлены.

При необходимости придания продукту определенной формы и размера используют резательные машины (консервное, свеклосахарное производство).

В зависимости от формы и конструкции режущего инструмента резательные машины подразделяют на следующие три основные группы:

• с дисковыми вращающимися ножками;

• с фигурными ножками (серповидными, прямоугольными и др.);

• с комбинированными ножками, разрезающими продукт в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

В зависимости от скорости подачи продукта к режущим кромкам машины подразделяют на линейные, барабанные и роторные. Рабочим органом резательных машин является нож. Для процесса резания характерным является относительное перемещение режущего инструмента и продукта, при котором движение происходит одновременно перпендикулярно и параллельно лезвию. В пищевой промышленности наиболее распространены дисковые и центробежные машины. В резательной центробежной машине, применяемой для измельчения свеклы в желобчатую или пластинчатую стружку, ножи установлены вдоль цилиндрического корпуса. Навстречу режущей кромке ножей со скоростью 100-120 об/мин вращается улитка с лопастями. Свекла захватывается лопастями, прижимается к ножам и измельчается в стружку, которая затем выбрасывается в пространство между корпусом и кожухом.

Для измельчения плодов (при производстве соков) и картофеля (на крахмалопаточных заводах) используются терочные машины, в которых основным измельчающим органом являются специальные зубчатые пилки, укрепленные на вращающемся с большой скоростью барабане. Терки с металлическими прижимами дают высокий коэффициент измельчения и имеют наименьший удельный расход энергии. На небольших предприятиях применяют терки с прижимами из дерева твердых пород (обычно комлевая часть березы), но они дают меньший коэффициент измельчения. Для наиболее полного разрыва клеток под терочными барабанами устанавливают специальные решетки. Чем больше окружная скорость пильной поверхности барабанов, число пилок и количество зубьев на них, тем выше степень измельчения продукта. Степень измельчения продукта зависит от конструкции резательной машины, продолжительности пребывания в ней материала, его влажности и расхода энергии на проведение процесса.