 |
Общие аспекты перемешивания.
|
|
|
|
Общие сведения о пищевом оборудовании.
Все оборудование делится на 5 классов:
1.Машины-двигатели - это машины, используемые для приводов действия технологических машин (электродвигатели, гидродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, редукторы, вариаторы, мотор-редукторы).
2.Транспортирующее оборудование (ленточные, шнековые конвейеры, транспортирующие тележки). Это пневмотранспорт (для сыпучих и штучных материалов), транспортеры (ленточные, шнековые, винтовые, элеваторы), гидротранспорт (Для транспортирования жидких материалов).
3.Технологическое оборудование, на котором производят переработку исходного сырья в пищевой продукт или полуфабрикат (машины-смесители, диффузионное оборудование).
4.Счетно-аналитические машины и ЭВМ, для расчета экономики производства, себестоимости продукции, регистрации входа и выхода сырья и продукции.
5.Управляющие машины для создания автоматизированных систем управления технологическими процессами.
АППАРАТ- это устройство для тепло- и массообменных процессов химически и биологически обрабатываемого продукта с изменением физического и химического агрегатного состояния.
Если нет химического изменения, то это Машина.
Наличие реакционного пространства - частное название - химический реактор.
МАШИНА - устройство, имеющее движущий орган, который осуществляет механическое воздействие на перерабатываемую продукцию с изменением формы, размеров и физических параметров, сохраняя свойства исходного сырья.
СОСТАВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ.
Машина состоит из следующего:
1. Привод (электрический, гидравлический).
1. Рабочий орган - это инструмент, деталь, преодолевающая сопротивление (мешалки, шнеки, ножи).
|
|
|
2. Исполнительные механизмы, обеспечивающие требуемые траектории движения рабочего органа (редукторы, кривошипно-ползунные механизмы).
3. Трансмиссионные передачи (ременные, цепные) создают необходимое число оборотов.
4. Устройства для наладки, контроля, регулирования процесса.
КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ПО ХАРАКТЕРУ
ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕГО ОРГАНА.
1. Непрерывно-поточные перерабатывают не штучную, а сплошную продукцию, движущуюся через аппарат; непрерывность потока обеспечивает стабильность качества продукта.
1. Периодические служат для переработки порции сырья продукта. Качество продукта гарантируется только в пределах одной порции и не гарантируется от порции к порции.
3.Циклические служат для переработки штучной порции. Рабочие органы работают с повторяющимися циклами.
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МАШИН.
Теоретическая производительность - это количество продукта, вырабатываемое в единицу времени при установившемся режиме работы.
Технологическая - это наивысшая производительность, рассчитанная для идеальных условий по технологическому времени.
Расчетная - это производительность, определяемая с учетом всех потерь времени (время холостого хода, время возврата рабочего органа), внецикловые потери (смена инструмента, переналадка, текущий ремонт, профилактические работы).
Фактическая - это производительность, с учетом потерь времени на организацию технологического процесса (время простоев, отсутствие воды, электроэнергии). Рассчитывается по годовому выпуску продукта, т. е. определяет количество реально выпущенного продукта в год.
2.
ОБЩИЕ И СПЕЦИальные МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ.
Специальные:
1. Оборудование должно отвечать санитарным нормам, установленным стандартам на оборудование.
1. Удобство чистки и разборки.
2. Отсутствие мертвых зон, в том числе, в сварных швах.
|
|
|
3. Материал аппарата должен соответствовать требованиям химической стойкости перерабатываемого материала
(в пищевой промышленности применяют пищевой алюминий (ПА-1), латунь (Л-12), нержавеющая пищевая сталь (12Х18Н10Т: 0,12% углерода; 18% хрома; 10% никеля; до 1% титана, остальное – железо));
5. Аппараты и машины должны иметь специальные конструкции сальников уплотнений, исключающих попадание посторонних веществ (смазки, теплоагента) в рабочую зону аппарата.
5. Все машины для пищевой промышленности обеспечиваются выносными подшипниковыми узлами.
Общие:
1. Соответствие назначения.
1. Технологичность изготовления оборудования.
2. Металлоемкость.
3. Удобство разборки и сборки.
4. Удобство монтажа, демонтажа, эксплуатации.
5. Транспортабельность.
6. Экономичность (исключение вредных выбросов в атмосферу и стоков в канализацию).
7. Патентная чистота.
8. Эстетичность.
Классификация технологического оборудования пищевой промышленности.
1. Оборудование подготовительных производств (мойка, сортировка, чистка, стерилизация).
1. Диффузионное оборудование (ректификационное оборудование, бродильные чаны).
2. Оборудование разделения (резка, дробление, разделение)
3. Тепловое оборудование (нагреватели, холодильники, печи).
4. Смесительное оборудование.
5. Формовочное оборудование.
6. Микробиологическое оборудование (дрожжеватели, фильтры, выпарные аппараты).
7. Оборудование для обработки в электро-магнитном поле (СВЧ-печи).
4. Тема: Смесительное оборудование в пищевой промышленности.
Общие аспекты перемешивания.
В пищевой промышленности продукты на 99% являются смесью. Из чистых продуктов мы употребляем только мед и фрукты. Смесительное оборудование служит для изменения физико-механических свойств материала, за счет смешения дозы исходных компонентов.
Перемешивание – процесс перераспределения компонентов в системе относительно его первоначального распределения с целью получения продукта, состоящего на макроуровне из исходных компонентов в заданном соотношении. Процесс смешения необходим для увеличения поверхности раздела фаз, от которых зависит интенсивность тепло- и массообменных процессов. 
|
|
|
Процесс смешения можно считать законченным, если получен статистический беспорядок распределения компонента, т.е. бесконечно-малая проба смеси на макро-уровне из различных зон объема имеет одинаковый состав, который соответствует заданному соотношению компонентов смеси.
Компоненты на макро-уровне представляют собой частицы или молекулы. Распределение происходит за определенное время и в данном объеме, и проба взятая в любом месте должна содержать компонент А и компонент В, тогда мы имеем идеальную смесь.
Процесс смешения носит случайный характер, это определяется тем, что компоненты могут перемещаться в любое место, т.е. перераспределение компонентов идет по случайным законам, нет жесткой системы распределения по жесткому закону, следовательно, оценка смеси основана на законе случайных величин. Смешение необходимо для увеличения поверхности контакта фаз, которое интенсифицирует процессы тепло- и массообмена, независимо от вида системы. Поверхность раздела фаз определяет глубину и качество процесса, и количество конечного продукта, получаемого в результате перемешивания.
Качество продукта - это совокупность полезных эксплутационных, технологических или потребительских свойств продукта.
Продукцию характеризует надежность, долговечность, износостойкость, ресурс, химическая стабильность, содержание отдельных компонентов, срок хранения, физико-механические свойства. Единого универсального показателя качества не существует, в каждом случае выбирается параметр или группа параметров наиболее полно характеризующие продукт.
Качество продукции имеет 2 характеристики:
1. Производственно-технический фактор, который характеризуется диапазоном отклонения различных технологических параметров (точность дозирования, состав, влажность, температура).
1. Потребительская характеристика характеризует удовлетворительные требования к готовому продукту (органолептические свойства (вкус, запах, цвет), прочность, форма, срок хранения).
|
|
|
Эти два фактора имеют между собой корреляционную связь, т.е. производственно-технологическим свойствам качества можно судить о потребительских свойствах. Такая связь позволяет найти количественные оценки потребительских свойств через производственно-технологические свойства.
Исходной основой оценки изделия служат ГОСТы, ОСТы, ТУ и сертификаты качества.
Любое свойство качества имеет размах, коридор, выход, за пределы которого контролируется органами (в пищевой промышленности - санэпиднадзор).
Виды смешения.
1. Совершенное, полное смешение, где бесконечно-малые пробы, отобранные в различных частях системы, будут иметь одинаковый состав в соответствии с исходным соотношением компонентов.
1. Простое, когда в процессе перемешивания не происходит изменения размера частиц; характерен для жидких взаиморастворимых компонентов и твердых компонентов с постоянной дисперсностью.
2. Диспергирующее, когда в ходе процесса происходит дробление компонента с изменением размера частиц; характерно для компонентов взаимно-нерастворимых друг в друге или для твердых компонентов при сопутствующем смешении.
3. Периодическое, когда исходные компоненты равномерно смешиваются по всему объему смесителя за определенный период времени.
4. Непрерывное, когда непрерывно подаются исходные компоненты и непрерывно выходит смесь, проба из любого сечения выходного потока близка по содержанию к рецептурному значению.
Таким образом, смешение - это процесс обмена частиц между исходными компонентами. Движущей силой смешения является наличие градиента концентраций. Изменение концентрации по координате называется градиентом концентрации. Процесс перемешивания считается законченным, если градиент концентрации равен 0 по объему.
dCa/dL=dCb/dL=grad C
Процесс можно описать стехиометрически:
Где m - интенсивность перемешивания.
Обратный процесс смешения называется сегрегация с интенсивностью l.
Механизмы смешения.
Однозначного определения процесса механизма смешения нет, благодаря тому, что имеет место множество способов смешения агрегатного состояния физико-механических свойств исходных компонентов.
Механизм смешения можно разделить по агрегатному состоянию компонентов:
1. «Жидкость – жидкость»: механизм перемешивания в этой системе зависит от:
а) природы жидкости, которую определяет взаиморастворимость или нерастворимость этих жидкостей;
б) соотношения жидкостей, особенно взаимонерастворимых;
в) физико-механические свойства жидкостей:
- плотность;
- динамическая (или кинематическая) вязкость;
- напряжение поверхностного натяжения.
|
|
|
Эти свойства определяют скорость (интенсивность) перемешивания.
Перемешивание жидкостей – это циркуляционное движение жидкостей с организацией их поперечного тока между циркулирующими поверхностями.
Для математического описания процесса перемешивания жидкостей применяется первый закон Фика, где скорость изменения концентрации зависит от коэффициента перемешивания (D) и градиента концентрации:
dCa / dT = D(dCa / dx).
Чем выше коэффициент, тем больше скорость концентрации.
2. «Жидкость – твердое тело»: главная характеристика – соотношение компонентов (Сж / Ств). Если Сж>70%, то это суспензия. Если Сж<70%, то это паста. Эта система описывается специальными кинетическими уравнениями, полученными как экспериментально, так и теоретически.
Физико-механические свойства жидкости:
- плотность;
- динамическая (или кинематическая) вязкость;
- напряжение поверхностного натяжения;
- угол смачивания (Cos ~) – определяет смачивающую способность жидкости данного твердого компонента.
Физико-механические свойства твердого компонента:
- плотность;
- коэффициент внешнего и внутреннего трения;
- дисперсность (d min / d max);
3. «Твердое- твердое»:
1) соотношение компонентов (Ca / Cв);
2) физико-механические свойства;
3) разновидности перемешивания твердых компонентов (взаимодействие рабочих органов на систему)
Разновидности перемешивания:
- конвективное перемешивание – это перемещение групп частиц из одного места в другое в объеме смесителя;
- диффузионное перемешивание – это перераспределение компонентов во вновь образованные поверхности разделов фаз, то есть переход частиц из одного макро объема в другой через поверхность разделов фаз. Затраты энергии при таком перемешивании определяются коэффициентами внешнего трения перемешиваемых масс;
- сдвиговое смешение– этоперемещение скользящих плоскостей перемешиваемых компонентов внутри массы. Затраты энергии определяются величиной коэффициента внутреннего трения.
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СМЕСИ.
Оценку ведут по параметрам и закономерностям случайных процессов. Параметром является концентрация компонентов.
Первоначальной оценкой качества смеси является средняя концентрация компонента в пробе. Концентрация, имея определенный градиент, перераспределяется случайным образом в объеме смесителя с уменьшением градиента.
Чтобы произвести оценку качества смеси необходимо отобрать n – проб весом Рi. Чтобы исключить значение веса, переходим к весовой доле: Xi – весовая доля содержания компонента Xi=Pi/P. Среднее содержание компонентов в n – пробах или первый момент случайной величины:
m=i=
Второй момент (определяет состояние случайных величин) это дисперсия: D=. Если рассчитывается на основании n – проб, то выборочная дисперсия: D=, которая характеризует суммарное отклонение компонентов в пробах от его среднего значения.
Иногда за оценку качества принимают среднеквадратичное содержание компонента в пробах от его содержания.
Если вместо берем рецептурное значение Xp, то такую дисперсию называют генеральной.
i2 =
Третья оценка это коэффициент корреляции, который показывает точность наших расчетов по одному из компонентов. Этот метод используется редко.
r*= ((xi – x)^2(yi – y)^2) / 2(n – 1)
Для двух компонентных смесей анализ можно производить по любому компоненту. Необходимо анализировать компонент с меньшим содержанием, чтобы уменьшить ошибку в анализе. В многокомпонентных смесях желательно анализировать все компоненты, чтобы сравнить расчетные дисперсии по всем компонентам, чтобы по максимальному и минимальному значению дисперсии компонентов определить диапазон погрешности.
Определение численных характеристик подчиняется определенному правилу, которое диктуется случайностью процесса:
1. методика пробоотбора.
2. необходимое и достаточное количество проб. Чем больше число проб, тем точнее оценка.
3. размеры проб и их влияние на оценку.
Методы отбора проб.
1. Случайный отбор проб. Каждая проба отбирается в случайный момент времени в случайно из различных точек объема.
2. Систематический отбор проб. Пробы отбирают в точках V, е определенным образом ориентированных в этом объеме. Сюда же входит способ равномерного отбора, при котором пробы отбираются равными по объему смеси или через равные промежутки времени в непрерывном потоке.
3. Комбинированный отбор проб предполагает разделение всего объема на равные части, и из каждой части отбор пробы ведется в случайном порядке.
В промышленности применяется метод конверта, когда весь объем или поверхность смеси делится на определенные зоны в виде конверта. Для каждого времени отбираются пробы в одних и тех же точках в определенном порядке. Если объемы смеси и проб велики, то применяется метод двойного конверта.
Метод концентрических окружностей. Весь объем делится на концентрические цилиндры. На различных по глубине участках отбираются пробы.
Особое внимание уделяется отбору проб в потоке. Необходимо в потоке отбирать в пробы от сечения к сечению совмещая точки отбора проб.
Число проб определяет степень точности исследования качества смеси. Если число проб (n) больше 100, то ошибка составляет 1% или уровень значимости (p) равен 0.01. Если число проб 50 – 100, то уровень значимости равен 0.05.
Методы анализа проб.
1. Метод ключевых веществ – используется в предварительных исследованиях и в исследовательских работах.
Ключевое вещество – это вещество, которое добавляется в смесь сверх 100%, в количестве 5-10% от минимального содержания компонента.
Например: А+В à (АВ)см. (А = 10-20%)
Требования к ключевому веществу:
- инертность относительно смешиваемых компонентов и материала корпуса;
- необходимо, чтобы ключевое слово не исчезало в процессе перемешивания;
- простота анализа ключевого вещества в пробе.
Ключевым веществом могут быть: красители, меченные атомы, металлы.
2. Метод градиента температуры – используется при перемешивании взаимно растворимых жидкостей, при растворении которых идет экзотермическая эндотермическая реакция. Пример: получение водки.
3. Оценка смеси по электрофизическим параметрам (электрическое сопротивление, проводимость).
4. Ультразвуковой метод – используется для промышленных аппаратов непрерывного действия, которые состоят из УЗГ – ультразвуковой генератор; УЗД – ультразвуковой датчик; УЗП – ультразвуковой приемник.
По изменению амплитудно-частотной характеристики ультразвука в смеси определяется степень готовности смеси.
5. Разности плотностей – применяется в случае перемешивания суспензии паст и эмульсий. Если содержание жидкой фазы больше 30%, то это – суспензия (взвесь твердой фазы в жидкости), а если менее 30%, то это – паста.
Эмульсия – смесь взаимно нерастворимых жидкостей, когда плотность тяжелой жидкости значительно превышает плотность легкой жидкости.
6. Метод непрерывной регистрации вязкости в потоке перемешиваемых компонентов применим для паст.
Вязкость – сопротивление жидкой среды внешнему силовому воздействию.
Обратная величина вязкости – текучесть.
Вязкость бывает кинематической и динамической.
7. Стабильность эмульсии во взаимно нерастворимых жидкостях.
(Прибор называется нефелометр).
По изменению силы света, проникающего в кювет, измеряется содержание компонента в смеси.
8. В системе «жидкость – твердое тело».
Пробы анализируются фильтрованием, высушиванием, вымыванием связки растворителем, выжиганием связки.
9. Метод фотографирования движущихся капель в объеме эмульсий с регистрацией скорости и дисперсности числа капель.
|
|
|
