Смешивание высокодисперсных порошков в условиях воздействия вибрации

18.06.2015

Рассмотренные ранее закономерности образования и разрушения структуры высокодисперсных порошков позволяют проанализировать разнообразные технологические процессы получения и переработки порошкообразных пищевых дисперсных систем. Следует особо подчеркнуть, что создание динамического состояния с помощью воздействия вибрации дает возможность в принципе моделировать поведение порошков как в процессах их течения (трубопроводный транспорт, дозирование, заполнение емкостей для хранения и истечение из них и т. д.), т. е. в процессах, осуществляемых в условиях псевдоожижения, так и в процессах, осуществляемых в условиях кипения. Последнее относится, например, к процессам сушки и, особенно, смешивания многокомпонентных материалов.
В этом случае достижение максимальной однородности смеси, т. е. равновероятного распределения различных компонентов между собой, может осуществляться только в условиях предельного разрушения структур с полным дезагрегированием.
Высокая однородность смесей в значительной степени определяет качество множества пищевых продуктов, получение которых в той или иной степени связано с использованием порошкообразных компонентов (мука, сахарная пудра, какао-порошок; порошки, полученные после сублимированной сушки тонкоизмельченных овощей и фруктов; различные порошкообразные специи, вкусовые добавки, ферменты, витамины и т. д.).
Поскольку в предыдущем параграфе закономерности разрушения структур порошков уже рассмотрены, наибольшее внимание будет уделено изучению кинетики достижения однородностей смесей.
Методы смешивания и управления процессами структурообразования в таких системах используются в технологических процессах на смесительных установках периодического и непрерывного действия, в которых регулируемое, в том числе предельное, разрушение структуры и гомогенизация должны обеспечиваться на начальной стадии массообменных процессов при механических воздействиях, причем важно, чтобы максимальная однородность смеси достигалась в предельно короткое время.
Параметры массообменных процессов в порошкообразных дисперсных системах (в условиях конвективной диффузии при смешивании) должны быть определены в результате изучения, кинетики изменения структурно-механических свойств этих систем в динамических условиях, а оптимальное сочетание вибрации и ПАВ должно соответствовать достижению ηv<η0, ηv=ηm при уровне механической энергии W→Wмин.
Естественно, что наряду с определением кинетики изменения структурно-механических параметров при вибрации необходимо также определить и кинетику изменения однородности распределения компонентов, так как именно микро- и макрооднородность распределения дисперсных фаз являются важнейшей характеристикой дисперсных структур и в том числе структур дисперсных пищевых продуктов.
Между тем в настоящее время не существует общепринятого критерия оценки процесса смешивания широко применяемой методики оценки однородности распределения компонентов, т. е. степени смешивания.
В производственной практике применяется визуальное определение однородности распределения компонентов. Степень смешивания часто определяют по величине электростатических зарядов, электропроводности, реакционной способности реологических характеристик, предела прочности при растяжении, плотности материала, его влажности и удельному объему. Однако эти свойства зависят от ряда побочных явлений, сопровождающих процесс смешивания, и поэтому не дают точного представления о процессе.
В связи с этим при изучении кинетики распределения компонентов применяется наиболее прямой способ оценки качества, смешивания. Этот способ заключается в установлении поля рассеивания одного из компонентов (индикатора) в объеме смеси путем подсчета числа кинетических единиц этого компонента и вычисления коэффициента вариации Kn или коэффициента равномерности смешивания Pn:

Смешивание высокодисперсных порошков в условиях воздействия вибрации

Как отмечалось выше, рассеивание компонентов при смешивании является величиной случайной и подчиняется закону нормального распределения Гаусса и законам математической статистики.
Пользуясь методами статистического анализа, обработку опытных данных производили в такой последовательности: вычисляли среднее значение χ из n-го числа частных измерений, затем определяли Sn и оценивали анормальность отдельных результатов наблюдений.
При моделировании системы наиболее приемлемым индикатором для определения качества смешивания оказались металлические частицы размером от 600 до 800 мкм и насыпной плотностью 4300 кг/м3, обладающие магнитными свойствами. Частицы легко обнаруживались и извлекались из смеси.
Кроме того, выбор в качестве индикатора однородное смешивания металлических частиц объясняется тем, что из-за значительно большей их плотности по сравнению с другими рецептурными компонентами и склонности к сегрегации трудности в достижении «гомогенности» изучаемой гетерогенной системы возрастали. Тем самым более наглядно можно было оценить влияние различных факторов на динамику смешивания и достигаемую однородность распределения фаз. В качестве рабочей модели сыпучей системы использовали муку, гранулометрический состав которой (в %): <50 мкм — 50; 50—100 Мкм — 30; 100—180 мкм — 20. Таким образом, в ней содержатся частицы как с δ<δс, так и с δ≥δс. Соотношение компонентов по массе в двухкомпонентной смеси частицы индикатора — мука во всех опытах сохранялось постоянным: 1/500 (коэффициент заполнения месильной камеры 0,5).
Исследования равномерности распределения компонентов в двухкомпонентной сыпучей смеси проводили в экспериментальной вибросмесительной машине.
Выбор экспериментального смесителя для исследования формирования структур пищевых дисперсных систем в условиях вибрационных воздействий при смешивании производили путем сравнения показателя Fv. Учитывая этот показатель, за основу экспериментальной вибросмесительной машины был взят вибролопастной циркуляционный смеситель конструкции ВНИИНСМ, характеризуемый максимальным среди известных типов смесителей показателем Fv.
Однако критерий Fv, дающий интегральную характеристику эффективности различных типов вибросмесителей, не позволяет оценить однородность распределения плотности подводимой энергии внутри перерабатываемой среды. Для оценки роли этого фактора в процессе экспериментальных исследований специально рассмотрено влияние частоты расположения лопастей на валах рабочих органов, угла их установки, конфигурации и площади лопастей, взаимного их расположения на валу и между налами в плоскости совмещения, а также величины зазора между лопастями в параллельных оси вала плоскостях на длительность процесса образования структуры кондитерских масс.
Смешивание высокодисперсных порошков в условиях воздействия вибрации

Экспериментальный вибросмеситель (рис. 33) представляет собой корпус со щеками и противовесом, образующими жесткую коробчатую конструкцию, в середине которой расположен динамический (инерционный) вибратор. Дебаланс выполнен в виде двухопорного неуравновешенного вала, вращающегося в сферических роликовых подшипниках. На валу посажены диски с регулируемыми противовесами.
Вся система установлена на упругих пружинных опорах, которые обеспечивают под действием центробежных сил, возникающих при вращении дебаланса, поступательное перемещение установки по замкнутой круговой или эллипсоидальной траектории в плоскости, перпендикулярной оси вибратора. Частота колебаний установки равна частоте вращения вала вибратора.
Упругие опоры из спиральных пружин обеспечивают снижение вибрации основания до наименьших значений. Внутри корпуса в противоположных направлениях вращаются два лопастных вала, приводимые в движение от электродвигателя через редуктор. Привод дебалансного вибратора осуществляется от специального электродвигателя.
Передача крутящего момента на вибратор и лопастные осуществляется гибкими соединительными муфтами.
Конструкцией машины предусмотрено два съемных корпуса: для периодического и непрерывного смешивания компонентов.
Смешивание высокодисперсных порошков в условиях воздействия вибрации

В камере для периодического замеса (рис. 34) проводилось при исследовании различных пищевых дисперсных систем изучение кинетики равномерности распределения компонентов при смешивании с вибрацией и без вибрации, кинетики образования структуры модельных систем.
Камера для непрерывного приготовления модельных систем использовалась при проверке установленных закономерностей и отработке оптимальных параметров процесса.
Частота вращения лопастей регулируется в пределах 14—220 об/мин, параметры вибрации с эллипсовидной формой колебаний в вертикальной плоскости по частоте 10—44 Гц, амплитуде 0,1—5 мм. Диапазон изменения скоростей вращения лопастных валов, частот и амплитуд колебаний определен на основе анализа известных данных по смешиванию высоконаполненных дисперсных систем.
Основным критерием оценки эффективности работы месильных машин является коэффициент равномерности (Pn), который был использован при определении интенсивности и качества смешивания в условиях вибрации и без нее.
Из анализа полученных результатов видно, что при вибросмешивании, когда трение частиц материала о вибрирующие поверхности значительно уменьшается, равномерное распределение компонентов в зонах по длине месильной камеры достигается через 3—5 с перемешивания. Влияние продольного наклона камеры на равномерность распределения компонентов почти полностью нейтрализуется (рис. 35, а).
Смешивание высокодисперсных порошков в условиях воздействия вибрации

При смешивании без вибрации такое же распределение достигается только через 35—40 с. В течение первых 10—15 с, пока обрабатываемая масса находится в рыхлом состоянии, наблюдается большая неравномерность в распределении компонентов, особенно между средними значениями количества индикатора в крайних зонах. При продолжительном перемешивании наклон камеры в меньшей степени сказывается на равномерности распределения компонентов по зонам (рис. 35, б).
Анализ данных распределения компонентов между правой и левой частями месильной камеры при смешивании с вибрацией (рис. 36) показывает, что почти полное выравнивание концентраций модельного материала обеспечивается через 15 с посыле смешивания. При смешивании без вибрации равномерность распределения значительно меньшая — при τ=45 с Pш=80%. Положительное влияние вибрации на качество и скорость перераспределения компонентов подтверждается И при сравнительной оценке отношений содержания индикатора по ширине камеры (χп/χл) в любых ее сечениях (рис. 37).
Смешивание высокодисперсных порошков в условиях воздействия вибрации

Следует отметить, что при смешивании без вибрации в отличие от виброперемешивания равномерность распределения компонентов по зонам в правой и левой частях камеры зависит от расположения лопастей на валах. Так, из-за продольной циркуляции материала по часовой стрелке, особенно в первые 15—25 с перемешивания, количество индикатора в V зоне правой части камеры больше, чем в левой. При достаточно продолжительном, перемешивании с возрастанием роли поперечной циркуляции влияние расположения лопастей уменьшается и соотношение компонентов по ширине камеры в крайних зонах выравнивается (рис. 38).
Данные по распределению компонентов в верхних и нижних слоях месильной камеры показывают, что при виброперемешивании (рис. 39) поступательное движение материала в вертикальной плоскости по круговой или эллипсоидальной траектории способствует почти полному выравниванию распределения компонентов по слоям уже через 10 с перемешивания.
Смешивание высокодисперсных порошков в условиях воздействия вибрации
Смешивание высокодисперсных порошков в условиях воздействия вибрации

Без вибрации трение материала о торцевые стенки в крайних зонах препятствует осаждению в муке более тяжелого индикатора. Поэтому, несмотря на довольно продолжительное перемешивание, компоненты по высоте распределяются на 7—8% хуже, чем при виброперемешивании.
Это положение наблюдается и при сравнении соотношение компонентов по слоям χ(в/χн) любых сечениях месильной камеры (рис. 40).
Интенсивность смешивания или равномерность распределения частиц индикатора по всему объему месильной камеры определяется характером кривой, выражающей зависимость коэффициента равномерности (Pв) от продолжительности перемешивания (рис. 41). При смешивании в условиях вибрации свыше 15 с наблюдается стабилизация равномерности распределения компонентов во времени, что характеризуется горизонтальным участком кривой.
Без вибрации стабилизация системы наступает в 2—2,3 раза медленнее (τ=35 с) и конечная однородность получается более низкая (Рв=84%), чем при смешивании с вибрацией (Pв=90%).
Смешивание высокодисперсных порошков в условиях воздействия вибрации

Сравнительные исследования распределения индикатора качества в сыпучей системе, проведенные при наиболее характерной продолжительности перемешивания 15 с с вибрацией и без вибрации, подтвердили положительное влияние вибрационных колебаний на интенсивность смешивания (рис. 42). Таким образом, анализ проведенных исследований позволил выявить следующие преимущества виброперемешивания:
1. В условиях вибрации в значительной степени снижается влияние некоторых факторов (трения материала о стенки месильной камеры, влияния наклона камеры и разности физико-механических свойств компонентов), препятствующих равномерному распределению компонентов в общем объеме.
2. В процессе виброперемешивания скорость перераспределения компонентов в 2—3 раза выше, чем при смешивании без вибрации. При этом достигается более высокая конечная однородность систем.
Из всего изложенного следует, что основное условие, определяющее возможность регулирования структурно-механических свойств высокодисперсных порошков, состоит в достижении предельного разрушения структуры. Экспериментальным доказательством служит получение полных реологических кривых течения высокодисперсных порошков.
Смешивание высокодисперсных порошков в условиях воздействия вибрации
Смешивание высокодисперсных порошков в условиях воздействия вибрации

Полная реологическая кривая высокодисперсного порошка при вибрации характеризует степень разрушения структуры от интенсивности. При этом такого рода кривые можно получить как в состоянии псевдоожижения, так и в области кипящего слоя. Реологические кривые позволяют в количественной форме определить условия предельного разрушения структур, характеризуемые распадом дисперсной системы на отдельные частицы с разрывом всех связей — контактов между ними. Естественно, что для поддержания предельного разрушения и исключения возможности восстановления связей между частицами энергия механических колебаний должна подводиться непрерывно с достаточно большой скоростью.
В пищевой промышленности при перевозке и хранении порошкообразных материалов по мере увеличения удельной поверхности частиц возрастает склонность их к сводообразованию и слеживаемости.
Кроме того, для пищевой промышленности весьма актуальна разработка методов надежного истечения сыпучих компонентов из вместилищ (емкостей), питателей, дозаторов и различных транспортирующих устройств.