CC BY
55
64.047.002.28
КИНЕТИКА ИЗМЕЛЬ ЧЕНИЯ В ВИБРАЦИОННОЙ СУШИЛКЕ-МЕЛЬНИЦЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПОРОШКОВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
о-
Г!-
г
:х-
!К-
:г-
р-
П-
IV-
ин
.4 С к
Й0-
Шг
1дАД
::т-
.)>
|ЬГ-
[£■
,ъг-
:■■■
;Т"с
Г1- ■
VI»
ми
их
[и:-;
У.:
НЛ. ДУБКОВА, Г.И. ИВАНОВА, З.К. Г АЛИ АКБЕРОВ,
Н.А. НИКОЛАЕВ
Казанский государственный технологический университет
Измельчение твердых материалов - одна из основных операций интенсификации тепломассообменных процессов. Роль процесса измельчения при получении порошков из растительного сырья заключается в удалении высушенного поверхностного слоя и развитии новой поверхности испарения внутренней влаги, чем обеспечивается первый период сушки до полного удаления влаги [1]. Совмещение процессов сушки и измельчения значительно снижает потребление энергии и себестоимость продукции.
Порошковая форма является наиболее перспективным, эффективным и компактным способом длительного, без потерь, хранения и транспортировки растительного сырья. Кроме того, расширяется диапазон применения порошковой формы растительного сырья - от пищевых красителей и ароматизирующих добавок до компонентов детского, диетического и диабетического питания, лекарственных препаратов и т.д.
Рис. 1 ....
Предлагаемый способ реализуется в вибрационной сушилке-мельнице [2] (рис.1: /-крышка загрузочного люка, 2 - корпус, 3 - мелющие тела, 4 --теплообменная рубашка, 5 - обрабатываемый материал, б - упругая опора, 7 - крышка выгрузочного люка, 8 - вибратор, ВАК - вакуум, ТН - теплоноситель). Измельчение высушиваемого материала осуществляется мелющими
телами, загружаемыми в аппарат. В ходе процессов измельчения и сушки материал значительно уменьшает свой объем (на 60—65%) за счет потери влаги е “А 90 до 4—10%. В конце процесса высушенный материал занимает поровое пространство мелющих тел, препятствуя их износу.
Интенсивность измельчения растительного сырья определяет характер испарения влаги и взаимное влияние измельчения и сушки.
Скорость измельчения имеет оптимум при круговой траектории колебания корпуса, что обеспечивается равенством горизонтальной и вертикальной жесткости упругих опор [3]. ........
Основными показателями режимов работы вибрационной мельницы являются амплитуда и частота колебаний, определяющие интенсивность измельчения материала. Известно, что при оптимальной амплитуде энергозатраты минимальны [4]. Для измельчения материалов различной прочности рекомендуется ускорение вибрации в пределах 10-15§ [4-6]. Учитывая, что при получении порошков измельчается влажный материал с малой прочностью, необходимо установить возможность принятия рабочих параметров вибрационной сушилки-мельницы из условия оптимальных параметров вибрации, обеспечивающих интенсивное перемешивание.
Эффективность работы вибромельниц определяется формой, размерами и материалом мелющих тел. Установлено [4, 6], что наиболее подходящим по форме являются шары и ролики с длиной, не превышающей 1,5 диаметра. Размер мелющих тел зависит от требуемой дисперсности: для грубого помола и прочных материалов - большего диаметра, для тонкого помола и мягких материалов - мелющие тела малого размера. Исходя из этих рекомендаций, в качестве мелющих тел для вибрационной сушилки-мельницы была использована полидисперсная среда, состоящая из шариков и роликов подшипников качения с определяющими размерами 10-40 мм в равном объемном соотношении их типоразмеров, позволяющих одновременно измельчать крупные и мелкие частицы материала. Мелющие тела изготовлены из стали марки ШХ-15 (ГОСТ 801-78), отвечающей по твердости и износостойкости требованиям чистоты продуктов помола в пищевой, фармацевтической промышленности [7].
Оптимальный коэффициент заполнения корпуса мельницы при сухом помоле составляет 0,8-0,9, количество материала при этом занимает 0,2-0,3 [3]. Для вибрационной сушилки-мельницы с учетом уменьшения объема материала в процессе сушки принимается коэффициент заполнения 1. При этом объемное соот-
ношение мелющих тел и измельчаемого материала составит 0,8 : 1,2. Это соотношение может изменяться в соответствии с получаемым объемом готового порошка.
Экспериментальные исследования по измельчению растительного сырья проводились на лабораторной вибромельнице с объемом рабочей камеры 0,4 л. В качестве мелющих тел использовали шарики и ролики (Ь/с! = 1) с диаметром 10 и 15 мм. Межпоровый объем мелющих тел при равном соотношении объемов типоразмеров составляет 34,76%. Диапазон изменения параметров вибрации для измельчения растительного сырья был следующим:
А, мм 0,002 0,001 0.0009
п, об/мин 2760 3400 3400
Критерий
Фруда Рг 17 13 11
Для измельчения использовали высушенный до различной остаточной влажности (8-60%) картофель. Соотношение объема мелющих тел и измельчаемого материала рассчитывали, исходя из начальной влажности материала с учетом объема сухого конечного материала при коэффициенте заполнения корпуса мельницы 1.
Исследуемое сырье, предварительно нарезанное на кубики 5x5x5 мм, высушивали до требуемой влажности и измельчали в вибрационной мельнице. Через определенные промежутки времени проводили ситовый анализ измельчаемого сырья с набором сит 5 : 2,5 : 1 : 0,63 : 0,315 [8] и рассчитывали эквивалентный диаметр. По результатам исследований построены графики зависимости эквивалентного диаметра от времени
измельчения при разных значениях влажности, Рг = 13 (рис. 2).
Интенсивность измельчения материала увеличивается при значениях влажности менее 10 и более 40%, достигая оптимума при влажности 50-80%, а при средних значениях влажности (30^40%) - снижается. Этот эффект объясняется образованием конгломератов [9], что наблюдали при эксперименте.
Исследования влияния интенсивности вибрационного воздействия показали, что при значениях Рг более 13 интенсивность измельчения уменьшается . Это позволяет принять рабочие параметры вибрационной сушилки-мельницы, соответствующие оптимальным значениям для процесса смешения [1]:
Рг = ^ = 8-ь11;П1 =— =(5-г7)Ю"3 8 £ где А - амплитуда колебаний, м; ю - частота колебаний, рад/с; й - ускорение силы тяжести, м/с2; П] - параметрический критерий.
Рациональные условия и разработка новых способов измельчения возможны при исследовании закономерностей процесса и свойств материалов. Технологический процесс сушки с сопутствующим измельчением протекает при непрерывном изменении гранулометрического состава и влажности сырья. Однако этот вопрос мало изучен: нет сведений о влиянии влагосодер-жания в твердой фазе на процесс измельчения.
Теоретическое и экспериментальное изучение кинетики измельчения растительного сырья позволит разработать адекватное математическое описание процесса с целью создания методики расчета сушил-ки-мельницы.
Матричная модель кинетики дискретного измельчения в ударно-истирающих мельницах позволяет определить конечный гранулометрический состав продукта [10, 11]. Существует описание кинетики измельчения на основании представления процесса дробления частиц как цепи случайных событий (стохастический переход). Этот подход позволяет рассчитать плотность вероятности распределения размеров частиц в определенный момент времени [12]. Различные варианты описания кинетики измельчения с использованием математического аппарата теории разрывных Марковских процессов обобщены и широко представлены в трудах школы акад. В.В. Кафарова [13].
В работе [14] предлагается модель измельчения, в которой процесс рассматривается как разрывной Марковский:
5(т) =5,. ехр
.Ё2.
2
2 \
(1)
Рис.
где 5(т) - начальное и текущее (на момент времени т) значение удельной поверхности частиц измельчаемого материала; X - коэффициент интенсивности измельчения; р - параметр, характеризующий долю частиц, находящихся в зоне измельчения, на которые активно действуют мелющие тела.
; -.-і . ом-Жі V... ■
Таблица 1
п х,Ы РіХі РіХі X Р г-. Ъг
ю = 8%
1 5 ' -1,65 2,5 5,83
2 '■ 3;, 10 15 -2,467 —3,189 7.5 12.5 60 164,2 0,708 -0,115 -0,236 -0,0136
4 ,. 20 -3,507 17,5 318,3 со = 30% ■ ... - ■ .- V '
... - 1 15 -0,528 12,5 164,16 : І
2 з ' • 30 45 -1,204 -1,854 27.5 42.5 776,7 1839,17 0,149 -0,0359 -0,0496 -0,00098
; 4- 60 -3,137 57,5 3351,7 со - 40% ►
.1 , 30 -0,821 27,5 776,7
2'"* ' 3 60 90 -1,966 -2,577 57.5 87.5 3351.7 7726.7 0,0838 -0,0186 -0,0279 -0,00026
..у. 4 120 -2,996 117,5 13901,7
со = 60% ! ?
і 30 -0,58 27,5 776,7
С* № ■а 60 90 -1,204 -1,715 57.5 87.5 3351.7 7726.7 0,0567 -0,0188 -0,019 -0,00018
4 120 -2,12 117,5 13901,7
Этой моделью был адекватно описан процесс измельчения сухих материалов [15], а также смешения при сопутствующем измельчении [16] в вибрационных аппаратах. Ее применимость проверялась экспериментальными данными по измельчению картофеля различной влажности.
Принятая модель может быть выражена через средний эквивалентный диаметр частиц
сі ■
--с1йе
(2)
где с/о, (1 - начальный и текущий (на момент времени х) средний эквивалентный диаметр частиц.
Преобразовав выражение (2), получаем
представляющее собой уравнение вида у = Ь]х+Ь2х2 .
(3)
(4)
Для определения параметров модели X и (3 (61 и Ь2) экспериментальные данные обработаны с использованием полиномов Чебышева [17]. Результаты обработки сведены в табл. 1.
Зависимость параметров модели от влажности измельчаемого картофеля в явном виде имеет следующие выражения:
1пХ. =-0,202+ 0,049*Г; (5)
1пр =-0,0398+ 0,00024^, (6)
где № - влажность измельчаемого материала в процентах.
Эти выражения получены обработкой экспериментальных данных (табл.2) методом наименьших квадратов.
Оценка адекватности модели (2) с учетом зависимостей (5) и (6) показала удовлетворительную сходимость, среднеквадратическая ошибка не превышает
10%. -л.
Таблица 2
Продолжительность сушки, мин Параметры модели измельчения
<а, % X Р с/ф. мм
0 80 - - 10
5 60 0,0567 -0,0188 9
10 ,, 40 0,0838 -0,0186 7,3
20 ' 30 0,149 -0,0395 2,5
30 8 0,708 -0,115 4-Ю'7
Таблица 3
х, мин IV № і ЛЧ0'3
0 4,13 - -
30 1,72 2,41 80 . .
60 0,72 1,00 33
90 0,39 0,33 11
120 0,25 0,14 4
150 0,13 ' 0,12' 4
180 0,09 - і 0,04 :■ 1,3
210 0,09 0,00 0,0
Определяющим моментом при исследовании совмещенных процессов является выявление лимитирующего процесса, т.е. такого, который протекает с минимальной скоростью. Для установления степени влияния измелшения на сушку произведена оценка ин-
тенсивности сушки и измельчения сравнением экспериментальной кривой вибро-вакуумной сушки без измельчения (табл. 3) и кинетической кривой измельчения, рассчитанной по модели (2) с учетом зависимости параметров модели от влажности. Расчетные данные сведены в табл. 2.
Рис. 3
Анализ характера изменения кривых (рис. 3) показывает, что измельчение растительного сырья происходит значительно быстрее, чем его сушка. Это подтверждается и экспериментальными наблюдениями. Сначала образуется пюреобразная измельченная масса, которая затем высушивается до сухого порошка. Таким образом, при получении порошков в вибрационной вакуумной сушилке-мельнице лимитирующим процессом является сушка, а измельчение обеспечивает период постоянной скорости сушки практически до полного высушивания материала.
ЛИТЕРАТУРА. --------
1. Пат. 2064477 РФ. Способ получения порошков из растительного сырья / З.К. Галиакберов, Н.А. Николаев, Н.З. Галиакберо-ва. - Опубл. в ЕИ. - 1996. -№ 21.
У >'■ • • ■ Ь
* ВЫБОР РЕЖИМОВ
..' И СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ
Г.В. СЕМЕНОВ, Н.В. ШЕЙН, Т.Л. ТРОЯНОВА
Московский государственный университет прикладной биотехнологии
Кубанский государственный технологический университет
В настоящее время технология сублимационной сушки как метод высококачественного консервирования широкого спектра термолабильных биообъектов (продуктов питания и пищевого сырья, заквасок, ферментов, экстрактов лекарственных трав и т.п.) получает все более широкое практическое использование. Данная технология включает два основных этапа:
2. Свид, на полезн. модель 1Ш 14649 41. Вибрационная сушилка-мельница / Н.З. Дубкова, З.К. Галиакберов, Н.А. Николаев, Г.И. Иванова. - Опубл. в БИПМ. - 2000. - № 22.
3. Снденко И.М. Измельчение в химической промышленности. - М.: Химия, 1977. -368 с.
4. Моргулис М.Л. Вибрационное измельчение материалов. - М.: Промстройиздат, 1957. - 105 с.
5. Изучение процесса измельчения в вибромельнице / А.А. Александровский, З.К Галиакберов, Л.А. Эмих и др // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 1979. -22. -Вып. 1. - С. 97-100.
6. Гишбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. - М.: Агропромиздат, 1985. - 335 с.
7. Сушка пищевых растительных материалов / Г.К. Фило-ненко, М.А. Гришин и др. - М.: Колос, 1993. - 320 с.
8. ГОСТ 9201-90. Сита барабанные полигональные.
9. Членов В.А., Михайлов Н.В. Виброкипящий слой. -М.: Наука, 1972. - 343 с.
10. Смирнов Н.М., Блмничен В.Н., Стрельцов В.В. Расчет гранулометрического состава продуктов помола в одноступенчатой мельнице ударно-отражательного действия. - Иваново, 1976. - Юс.
11. Смирнов Н.М., Блиничев В.Н., Стрельцов В.В. Определение вероятности разрушения зернистого материала при многократном высокоскоростном нагружении // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 1977. - 20. - № 4. - С. 601-603.
12. Земсков Е.П., Бытиев Д.О., Зайцев А.И. Моделирование распределений частиц по размерам в кинетике измельчения дисперсных материалов // ТОХТ. - 1995. - 29. - № 6. - С. 643-645.
13. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Артюнов С.Ю. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы измельчения и смешения сыпучих материалов. - М.: Наука, 1985. - 440 с.
14. Ахмадиев Ф.Г., Александровский А.А. Описание кинетики измельчения твердых тел // Современные аппараты для обработки гетерогенных сред: Межвуз. сб. науч. тр. - Л.: Изд-во ЛТИ им. Ленсовета, 1984. - С. 13-16.
15. Галиакберов З.К., Голубев Л.Г. Математическое моделирование кинетики периодического вибрационного измельчения сыпучих материалов // Тез. докл.: Технология сыпучих материалов. Ч. 1. - Белгород, 1986. - С. 76.
16. Галиакберов З.К., Голубев Л.Г. Обработка термола-бильных материалов в оптимальных 1 силовых режимах//Тез. докл. I Респ. науч.-техн. конф. - Ташкент, 1989. - С. 129.
17. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. - М.: Высш. школа, 1978. -319 с.
Кафедра оборудования пищевых производств ' ' ■
Поступила 06.06.02 г.
л, : 66.047.9.001.57
ЗАМОРАЖИВАНИЯ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ
предварительное замораживание высушиваемых материалов и последующее удаление замороженной части влаги в вакууме фазовым переходом лед-пар. При этом уровень сохранности нативных свойств консервируемых объектов решающим образом зависит от способов и режимов предварительного замораживания, а также от уровня температуры и программы энергоподвода на этапе собственно удаления влаги сублимацией. Со своей стороны режим сушки тесно взаимосвязан с особенностями конструкции и техническим уровнем сублимационной установки.
