Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические основы процесса непрерывного смесеприготовления и его аппаратурного обеспечения 17
1.1. Основные направления в исследованиях процесса непрерывного смесеприготовления 17
1.2. Влияние флуктуации питающих потоков на процесс смесеобразования 23
1.3. Состояние и перспективы развития смесительного оборудования центробежного типа для переработки сыпучих материалов 27
1.4. Методы интенсификации процесса смешения дисперсных материалов в непрерывно действующем агрегате центробежного типа 48
1.5. Методы моделирования процесса смешения сыпучих материалов 56
Результаты и выводы по первой главе 61
ГЛАВА 2. Моделирование процесса смешивания дисперсных материалов в непрерывно действующем агрегате центробежного типа с различной топологией материальных потоков 62
2.1. Анализ простых схем движения материальных потоков внутри центробежных смесителей 63
2.2. Анализ схем движения материальных потоков внутри центробежного смесителя с трех конусным ротором
2.3. Влияние процесса усреднения материальных потоков на снижение их неоднородности 85
Результаты и выводы по второй главе 92
ГЛАВА 3. Обоснование и разработка новых конструкций центробежных СНД 93
3.1. Новые конструкции СНД с горизонтальным расположением ротора 93
3.2. Новые конструкции СНД с вертикальным расположением ротора 100
Результаты и выводы по третьей главе 104
ГЛАВА 4. Моделирование процесса смешивания дисперсных материалов в непрерывнодействующих смесительных агрегатах центробежного типа на основе кибернетического подхода 105
4.1. Моделирование процесса смешивания в динамической системе с
различной топологией материальных потоков 105
4.2. Моделирование смесительных агрегатов, включающих в свой состав два центробежных смесителя 114
4.3. Моделирование смесительного агрегата, включающего в свой состав СНД, работающий по методу последовательного разбавления смеси 127
Результаты и выводы по четвертой главе 134
ГЛАВА 5. Результаты исследования центробежных смесителей непрерывного действия 135
5.1. Исследование одноконусных центробежных смесителей непрерывного действия 135
5.2. Исследование многоконусных центробежных смесителей
непрерывного действия с горизонтальным расположением ротора 147
5.3. Исследование процесса диспергирования и определение удельных энергозатрат смесителя диспергатора 161
5.4. Исследование совмещенных процессов смешивания и увлажнения в центробежном смесителе непрерывного действия 166
5.5. Исследование работы двух последовательно установленных центробежных СНД при получении смеси с соотношением смешиваемых компонентов 1:1000 171
5.6. Исследование конструкции центробежного смесителя, работающего по методу последовательного разбавления смеси 180
5.7. Методика расчета СНД центробежного типа 188
Результаты и выводы по пятой главе 194
ГЛАВА 6. Идентификация параметров математических моделей смесительных агрегатов для получения сухих комбинированных смесей 196
6.1. Математическое описание сигналов создаваемых дозаторами объёмного типа 196
6.2. Экспериментальное определение передаточных функций разработанных центробежных СНД 202
6.3. Анализ частотно-временных характеристик смесительного агрегата центробежного типа при смешивании сыпучих компонентов с соотношением 1:100 207
6.4. Анализ частотно-временных характеристик смесительных агрегатов, включающих в свой состав два последовательно установленных СНД центробежного типа 214
6.5. Анализ частотно-временных характеристик
смесительного агрегата, включающего в свой состав СНД,
работающий по методу последовательного разбавления смеси 229
6.6. Сопоставление результатов моделирования и экспериментальных исследований 235
Результаты и выводы по шестой главе 236
ГЛАВА 7. Исследование распределения скоростей воздушных потоков в рабочей камере центробежных смесителей 238
7.1. Исследование скоростей воздушных потоков в одноконусных центробежных смесителях непрерывного действия 238
7.2. Исследование скоростей воздушных потоков в многоконусных центробежных смесителях непрерывного действия 245
Результаты и выводы по седьмой главе 252
ГЛАВА 8. Промышленная реализация и расчет экономической эффективности производства 253
8.1. Аппаратурное оформление производства витаминизированной муки для хлебобулочных изделий 253
8.2. Расчёт экономической эффективности при организации собственного производства витаминизированной муки 259
8.3. Аппаратурное оформление процесса смешивания при производстве йодированной мучной смеси 261
8.4. Аппаратурное оформление производства сухой строительной штукатурной смеси М 100 264
8.5. Аппаратурное оформление производства посолочных смесей...267
8.6. Аппаратурное оформление процесса производства сухих завтраков 271
8.7. Аппаратурное оформление процесса производства сухих
витаминизированных киселей 276
Результаты и выводы по восьмой главе 279
Основные результаты и выводы работы 281
Список литературы
- Состояние и перспективы развития смесительного оборудования центробежного типа для переработки сыпучих материалов
- Анализ схем движения материальных потоков внутри центробежного смесителя с трех конусным ротором
- Новые конструкции СНД с вертикальным расположением ротора
- Исследование процесса диспергирования и определение удельных энергозатрат смесителя диспергатора
Введение к работе
Актуальность темы. Современное состояние рынка оборудования пищевой промыпшенности характеризуется значительным увеличением спроса на машины и аппараты, позволяющие с небольшими энергетическими затратами получать высококачественные продукты повышенной ценности (обогащенные витаминами и биологически необходимыми компонентами). В частности, населению необходимо использовать в своем рационе новые комбинированные продукты, позволяющие ликвидировать дефицит различных пищевых веществ и микронутриентов. Так как многие виды добавок содержатся в основном продукте в небольших количествах (от 1 % и менее), то одной из главных проблем является их равномерное распределение по всему объему. По результатам исследований выявлено, что наиболее перспективными для решения этой проблемы являются смесители непрерывного действия (СНД) центробежного типа, которые характеризуются высокой интенсивностью процесса смешивания, за счет направленной организации движения тонких разреженных слоев, обеспечивают надежное сглаживание пульсаций входных материалопотоков. В СНД центробежного типа возможно совмещение процессов смешения и диспергирования, это позволяет получать смеси хорошего качества при большом соотношении смешиваемых компонентов и является одним из их основных преимуществ.
В настоящее время в пищевых вузах и НИИ разрабатываются новые технологии получения продуктов питания для различных слоев населения, обогащенных витаминами, минералами и биологическими добавками. Например, актуальна проблема получения многокомпонентных смесей заданного качества в технологии производства продуктов и рационов питания для космонавтов, в создании пищевых концентратов, в том числе для детского, диетического и спортивного питания широкого ассортимента, сбалансированных по содержанию основных питательных веществ с одновременным сохранением вкусовых достоинств, разработки комплексных пищевых добавок для кондитерских изделий, напитков и молочных продуктов.
Схожую крупную проблему приходится решать в других отраслях промышленности, например, в аграрно-промышленном комплексе (производство комбикормов), в строительной (производство сухих смесей), фармацевтической (производство витаминов, таблеток, цементов для лечения остеопорозных позвонков), химической (производство пороха, сухого ракетного топлива). Поэтому разработка эффективных непрерывно действующих центробежных смесителей нового типа для получения качественных смесей с соотношением компонентов до 1:1000 смеси является актуальной научной проблемой, имеющей общехозяйственное значение.
Значительный вклад российских и зарубежных учёных, посвященный исследованиям в области разработки теории, моделирования и практического смесепри-готовления, был сделан: Ю.И. Макаровым, А.А. Александровским, Ф.Г. Ахмадие-вым, А.И. Зайцевым, А.В. Каталымовым, В.В. Кафаровым, И.И. Дороховым, В.Н. Иванцом, Г.Е. Иванец, Б.А. Федосенковым, И.А. Бакиным, СР. Джинджихадзе, И.И. Фишером, КС. Кампбелом, П.В. Данквертсоном, Chen J. L., Harwood С, Muz-zio F.J. и рядом других ученных. Однако, несмотря на большой объём исследований смесителей центробежного типа, остаются недостаточно изученными вопросы, ка-
сающиеся повышения эффективности и интенсивности непрерывных смесеприго-товительных процессов; реализации и математического описания последовательного разбавления смеси; изучения скоростей пылевоздупшых потоков для создания их направленного движения внутри СНД с целью повышения качества смеси.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», на проведение исследований выделены гранты: Министерства образования РФ Т02-06.7-1238 «Научно-практические основы разработки непрерывнодействующих смесителей центробежного типа с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов», 2003-2004 г.г.; Грантом Губернатора Кемеровской области «Разработка непрерывнодействующих смесительных агрегатов центробежного типа для получения комбинированных кормов и продуктов питания», 2007 г. (грантодержатель - Д.М. Бородулин); грант Всероссийского конкурса докладов в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» - «Разработка и исследование непрерывнодействующих смесительных агрегатов центробежного типа для получения сухих комбинированных продуктов», 2007 г. (грантодержатель - Д.М. Бородулин); грант Министерства образования и науки РФ 7.2715.2011 «Разработка высокоинтенсивных процессов получения комбинированных продуктов питания с использованием вторичного сырья», 2012-2014 г.г.
Цель работы. Создание эффективных центробежных непрерывнодействующих смесителей нового типа, на основе использования результатов математического моделирования и экспериментальных исследований влияния различных факторов на процессы смешивания и диспергирования, а также организации направленного движения тонких разреженных слоев и пылевоздупшых потоков в рабочем объёме аппарата, позволяющих решить общехозяйственную проблему получения смесей заданного качества.
Задачи исследований.
Математически описать процесс смешивания на основе корреляционного анализа ряда схем с различной организацией движения материальных потоков в центробежных смесителях нового поколения.
На основе кибернетического подхода с применением теории автоматического управления и дифференциальных уравнений создать математические модели процесса смешивания в смесительных агрегатах центробежного типа, с учётом динамических параметров аппаратов, входящих в их состав.
Теоретически обосновать конструкции СНД центробежного типа нового поколения для получения качественных смесей при соотношении смешиваемых компонентов до 1:1000, в том числе совмещающие процессы смешения, увлажнения и диспергирования.
Разработать алгоритм расчёта на ЭВМ рациональных динамических и конструкционных параметров работы СНД на основе частотно-временного анализа, с учётом входных воздействий, оказываемых со стороны дозаторов объёмного типа. Проверить математические модели смесителей на адекватность реальному процессу.
Разработать и исследовать новые конструкции СНД центробежного типа с целью нахождения их рациональных конструктивных и технологических параметров работы, обеспечивающих стабильность качества готовой продукции. Изучить распределение скоростей воздушных потоков в рабочем объёме центробежных смесителей нового поколения для выявления их степени влияния на качество получаемой смеси. Разработать инженерную методику расчета СНД центробежного типа и агрегата в целом.
Экспериментально подтвердить возможность повышения эффективности центробежных смесителей нового поколения, за счёт совмещения в них процессов смешивания, увлажнения и диспергирования.
Разработать аппаратурное оформление стадий получения сухих или увлажненных композиций для ряда отраслей промышленности, с использованием предложенных нами новых конструкций СНД центробежного типа.
Методология и методы исследования. Автором при изучении научных теорий и разработок в области смешивания и диспергирования сыпучих и увлажнённых материалов обобщены результаты, полученные различными учёными. В качестве объекта исследования обоснован выбор новых конструкций высокоэффективных СНД центробежного типа. При выполнении работы применялись теоретические и экспериментальные методы исследования, направленные на решение поставленных задач. Исследования проводились путем разработки математических моделей с использованием теории автоматического управления, математической статистики и физического моделирования, позволяющие получать аналитические и численные решения. Изучение процессов смешивания и диспергирования проводилось на различных лабораторных стендах, расположенных на площадках действующих производств и смесительной лаборатории КемТИППа.
Научная концепция. В основе научного исследования положено многогранное изучение процесса смешивания, базирующегося на новых теоретических аргументах, разработанного математического аппарата и проведённых конструктивных и технологических мероприятий по повышению его эффективности при получении комбинированных продуктов в СНД центробежного типа, позволяющих обеспечить заданное качество смеси.
Научная новизна. Математические модели, полученные на основе корреляционного анализа влияния топологии материальных потоков на однородность смеси в новых конструкциях СНД центробежного типа. Результаты их моделирования позволяют оценить степень сглаживания в аппаратах с прямым и обратным рециклами внешних и внутренних контуров, а также провести её расчёт для каждого конкретного случая, и определить коэффициенты рециркуляции, обеспечивающие заданное качество смеси.
Математические модели в виде систем дифференциальных уравнений, включающие в свой состав информацию о формировании потоковых сигналов в блоках дозирующих устройств, описывающие поведение смесительного агрегата в пространстве состояний.
Результаты исследований конструктивных и технологических параметров, позволяющие повысить эффективность и интенсивность процесса смешивания в новых смесителях центробежного типа.
Эффективность использования центробежного СНД новой конструкции, работающего по методу последовательного разбавления, при получении смесей с соотношением исходных компонентов порядка 1:500...1000, по сравнению к двум последовательно соединенным аппаратам.
Математические модели непрерывнодействующих смесительных агрегатов (на основе кибернетического подхода, с применением теории автоматического управления), включающих в свой состав СНД центробежного типа с прямым и обратным контурами материальных потоков, и аппарата, работающего по методу последовательного разбавления, позволяющие прогнозировать качество смеси.
Измерения распределения скоростей воздушных потоков в роторах, состоящих из одного или нескольких конусов, которые за счёт организации их направленного движения способствуют улучшению качества получаемых смесей.
Уравнения регрессии, адекватно описывающие экспериментальные данные позволяют определить рациональные конструктивные и технологические параметры работы центробежных смесителей, а также спрогнозировать качество получаемых смесей.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны и обоснованы новые конструкции центробежных СНД, обладающие регулируемой инерционностью, а так же аппараты, совмещающие в себе процессы смешения, диспергирования и увлажнения, которые позволяют получать высококачественные смеси при соотношении исходных компонентов в диапазоне от 1:100 до 1:1000.
Применение нового программного «MathCAD» алгоритма расчета численных значений сглаживающей способности и передаточных функций, динамических и конструктивных параметров смесителя, а также входных воздействий, оказываемых со стороны блока объёмных дозирующих устройств, позволяет согласовать частотные характеристики работы всего смесительного агрегата.
Использование новых конструкций центробежных смесителей в промышленности снижает металло- и энергоёмкость почти на 30 %. Техническая новизна предлагаемых нами центробежных СНД действия защищена девятью патентами РФ на изобретения. Разработано аппаратурное оформление технологических линий, которые включают в свой состав новые центробежные СНД для получения: витаминизированной муки для хлебобулочных изделий на ООО «Мастер-продукт» (г. Новокузнецк) с фактическим экономическим эффектом 11222016 руб./год; йодированной муки на ООО «Кемеровохлеб» (г. Кемерово); сухой строительной штукатурной смеси М100 на ЗАО «Профикс-Кузбасс» (г. Кемерово); сухие смеси для посола деликатесных продуктов из мяса птицы на ОАО «ТД ОТМАШ» (г. Кемерово); сухих комбинированных завтраков и напитков на ООО НПО «Здоровое питание».
Значимые аспекты диссертации используются при академической подготовке на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств бакалавров и магистрантов ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности».
В диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных ис-
следований, проведенных самим Бородулиным Д.М., или при его непосредственной деятельности как научного руководителя грантов, хоздоговорных НИР и диссертационных работ с 2000 по 2013 годы.
Положения, выносимые на защиту: математическое представление различных схем материальных потоков внутри центробежных смесителей на основе корреляционного анализа; математические модели непрерывно действующих смесительных агрегатов, разработанных с использованием кибернетического подхода и элементов теории автоматического управления, позволяющих за счёт согласования частотно временных характеристик смесительного агрегата (СА) определить необходимые степени сглаживания флуктуации входных материалопотоков; результаты теоретических и экспериментальных исследований методов повышения интенсивности и эффективности процессов смешивания и диспергирования дисперсных материалов в новых конструкциях СНД центробежного типа и методики их инженерного расчёта.
Апробация результатов работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на:
международных научно-технических конференциях (2000-2013 гг.): «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания» (Орёл, 2000); «Пища. Экология, человек» (Москва, 2001); симпозиуме «Федеральный и региональный аспекты государственной политики в области здорового питания» (Кемерово, 2002); «Современные материалы, техника и технология» (Курск, 2011); «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2012); «Научный форум» (Москва, 2012); «Современные инновации в науке и технике» (Курск, 2012); Инновационный конвент: «Кузбасс: Образование, наука, инновации» (Кемерово, 2012); Международный научный форум «Пищевые инновации и биотехнологии» (Кемерово, 2013); Международный конкурс научно-исследовательских проектов молодежи «Продовольственная безопасность» (Екатеринбург, 2013); «European Science and Technology» (Munich -Germany, 2013); «Science, Technology and Higher Education» (Westwood - Canada, 2013); XV Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (Москва, 2013);
всероссийских научно-технических конференциях (2003-2009 гг.): «Достижение науки и практики в деятельности образовательных учреждений» (Юрга, 2003); «Молодые ученые Сибири» (Улан-Удэ, 2003); «Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых производствах» (Кемерово, 2009); «Новый этап развития пищевых производств: инновации, технологии, оборудование» (Екатеринбург, 2009);
региональных научных конференциях (2001-2004); «Информационные недра Кузбасса» (Кемерово, 2001); «Пищевые технологии» (Казань, 2002, 2003, 2007); «Наука и практика. Диалоги нового века» (Татарстан, Набережные челны, 2003); «Молодые ученые Кузбассу» (Кемерово, 2003); «Новое в технологии инженерного образования: опыт, проблемы и перспективы» (Кемерово, 2004);
научных конференциях ФГБОУ ВПО «КемТИПП».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 77 работ, в том числе: 2 монографии; 19 журналах, рекомендованных ВАК; 5 депонированных руко-
писей; 2 работы в зарубежных научных изданиях; 9 патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений; включает 44 таблицы, 106 рисунков. Основной текст изложен на 270 страницах машинописного текста, приложения - на 54 страницах. Библиографический список включает 210 наименований.
Состояние и перспективы развития смесительного оборудования центробежного типа для переработки сыпучих материалов
В настоящее время нет единого мнения по выбору определяющего параметра, характеризующего качество смеси. Наиболее целесообразно применение безразмерных параметров оценки однородности смеси [41, 79, 122].
Из практики известны ряд способов смешения, отличающихся условиями поступления и обработки смешиваемых материалов в рабочем объёме смесителя. Наиболее простой из них - периодический, когда цикл работы включает в себя время загрузки, смешивания и выгрузки. При проведении периодического процесса загрузка компонентов в смеситель осуществляется либо поэтапно дозаторами непрерывного действия, либо одновременно несколькими порционными дозаторами. Сыпучие компоненты, загруженные в рабочую камеру периодического смесителя, представляют собой упорядоченную структуру. Процесс смешивания в этом случае разбивается на ряд элементарных процессов: - конвективное смешивание - перемещение макрообъёмов частиц внутри аппарата из одного места в другое внедрением, вмятием или скольжением слоев; - диффузионное смешивание - перераспределение микрообъёмов частиц внутри общей массы различных компонентов через вновь образованную поверхность раздела; - сегрегации - сосредоточение частиц, имеющих одинаковую массу, в соответствующих местах аппарата под действием инерционных и гравитационных сил.
Данные процессы протекают в смесителе одновременно, но степень их влияния в различные периоды времени не одинакова. В начальный период преобладает конвективное смешение на уровне макрообъёмов. Поверхность раздела между различными компонентами не большая, поэтому доля процесса диффузионного смешения, идущего с небольшой скоростью, не велика. Ещё меньшее влияние в это время оказывает процесс сегрегации, так как внутри перемещающихся макрообъёмов частицы относительно друг друга остаются практически неподвижны. Скорость конвективного смешения практически не зависит от физико-механических свойств смеси, так как он протекает на уровне макрообъёмов. Поэтому главное влияние на скорость процесса смешения в этот момент времени оказывает характер движения потоков частиц в смесителе. После того, как компоненты в основном будут распределены по всему объёму смеси, процессы конвективного и диффузионного смешения становятся сопоставимы по их влиянию. В это время процесс перераспределения частиц идёт на уровне микрообъёмов. Начиная с некоторого момента процесс диффузионного смешения становится преобладающим. В это время на его ход более заметное влияние начинает оказывать сегрегация частиц. В какой-то момент времени два противоположных процесса - диффузионное смешение и сегрегация (в зависимости от конструкции смесителя и физико-механических свойств смеси) могут уравновешиваться, после этого дальнейшее смешивание компонентов не имеет смысла, так как качество смеси остаётся практически постоянным. Скорости перераспределения отдельных частиц в процессах диффузионного смешения и сегрегации зависит не только от характера движения потока материала в смесителе, но и от физико-механических свойств компонентов смеси (размеры, коэффициент внутреннего трения, насыпной вес, адгезионные свойства и т.д.). Поэтому скорость диффузионного процесса смешения для различных смесей в одном и том же смесителе не одинакова, так же как и значения оптимального времени смешения.
Альтернативой периодическому способу смешения может служить непрерывный поточный метод. В этом случае в аппарат дозируются в определённом соотношении компоненты и смесь непрерывно из него выводится. Процесс приготовления смесей в непрерывно-действующих смесителях имеет отличительные особенности. Вследствие сравнительно небольшого времени пребывания материала в активной зоне смешивания, у СНД с быстровращающимся перемешивающим органом, в основном, преобладает конвективное смешивание. Поэтому скорость процесса смесеобразования и достигнутое качество конечного продукта зависят от конструктивных особенностей смесителя и характера подачи в него исходных материалов. В тихоходных смесителях, где процесс осуществляется при движении материала под действием сил тяжести или центробежной силы, достигается беспорядочное движение отдельных частиц относительно друг друга, т.е. преобладает диффузионное смешение.
Незавершенность процесса смешивания и сегрегация обуславливают макронеоднородности смеси, т.е. средние концентрации ключевого компонента в отдельных частях композиции имеют различные значения, отличающиеся от заданной. Это явление вносит наибольший вклад в неоднородность смеси, зависит от состава композиции и гранулометрических характеристик компонентов. Она обусловлена случайным размещением разнообразных по форме и размерам частиц компонентов в смеси и присутствием с ней конгломератов. Макронеоднородность смеси можно обнаружить при анализе проб небольшой величины, так как в крупных пробах она нивелируется. Дисперсия смеси, с учетом погрешности измерения её состава из-за экспериментальных ошибок и предполагаемой взаимной независимостью макронеоднородностей, определяется по следующему выражению: дисперсия, вызванная вариацией средней концентрации ключевого компонента в разных частях смеси; о2м - дисперсия, вызванная вариацией концентрации ключевого компонента относительно локальных средних концентраций; al -дисперсия, обусловленная экспериментальными ошибками при анализе состава смеси. Характерной особенностью процесса смешения плохосыпучих материалов является то, что частицы компонентов способны соединяться друг с другом, образуя устойчивые структуры (конгломераты), которые существенно влияют на ход процесса и конечную однородность смеси. Время для смешения компонентов, содержащих конгломераты или склонных к их образованию, увеличивается на два порядка и более. Конгломераты образуются вследствие возникновения прочных связей между частицами, обусловленных межмолекулярными (ван-дер-ваальсовыми), электростатическими (кулоновскими), адсорбционными, химическими, капиллярными, механическими и другими силами сцепления. Размеры и прочность конгломератов зависят от природы связей между частицами и условий их образования. В процессе смешивания под действием внешних сил конгломераты распадаются на более мелкие образования, которые проявляют большую устойчивость к разрушению, чем первоначальные. При определённых условиях конгломераты могут быть полностью разрушены, но чаще в смеси остаётся их некоторая часть, вызывая локальные неоднородности.
Анализ схем движения материальных потоков внутри центробежного смесителя с трех конусным ротором
В настоящее время в серийно выпускающих смесителях ввод малых количеств жидких добавок производится в сплошной слой сыпучего материала. В результате этого образуются конгломераты, которые приходится разрушать при помощи специальных устройств - диспергирующих ножей. Эффективность распределения жидкости по всему объему смешиваемой массы в этом случае весьма низкая. Нами предлагается ввод жидкой фазы осуществлять методом распыления в тонкие разреженные слои сыпучей смеси. Жидкость, внесенная таким образом, имеет повышенные, по сравнению с обычным вводом, поверхность контакта и поверхностную активность, в результате чего достигается лучшая адгезия частиц сыпучего материала с ней. Помимо этого высокодисперсный компонент, при смешивании в высокоскоростных центробежных смесителях переходит в пылевоздушное пространство, т.е. происходит сегрегация смеси. Ввод жидкой фазы предлагаемым способом нейтрализует данный процесс, что в конечном итоге заметно улучшает качество готовой смеси. Для достижения данной цели автор настоящей работы разработал оригинальную конструкцию центробежного СНД [143], в которой процесс смешивания осуществляется в два этапа, что способствует повышению интенсивности проведения процесса и повышению качества получаемой смеси. На первом этапе исходные компоненты подвергаются предварительному смешиванию в приёмно-распределительном устройстве с жидкостью, распыляемой диском тонкими слоями. На втором этапе происходит окончательное смешивание в тонких разреженных слоях.
За счёт того, что смешивание на первом этапе происходит под воздействием вращающихся лопастей при достаточно большой циркуляции материалов удается: - хорошо сглаживать пульсации входных материальных потоков, что позволяет укомплектовывать смеситель недорогими и простыми по конструкции дозаторами объёмного типа (например, порционными); - получить на первом этапе смешивания достаточно однородную структуру смеси без конгломератов, которые могут образоваться при вводе в сыпучие компоненты жидкой фазы.
Организация опережающего материального потока на втором этапе смешения и проведение процесса в тонких разреженных слоях позволяет: -добиться равномерной удельной загрузки конусов ротора, что способствует равной толщине слоя материала на них; - проводить процесс смешивания на уровне микрообъёмов и отдельных частиц. По результатам анализа экспериментальных данных [53, 69] можно сделать вывод, что при вводе жидкости на стадии приготовления сухих комбинированных кормов, качество последних улучшилось в 1,8 раза, а влияние сегрегации на качество получаемой смеси свелось фактически к минимуму.
Эмпирический метод до настоящего времени широко используется для изучения процесса смешивания. При этом подходе в результате обработки экспериментальных данных, полученных при исследовании лабораторной модели смесителя, пытаются выявить зависимость между коэффициентом неоднородности (Vc), характеризующим качество смешения, и физико-механическими характеристиками исходных компонентов, конструктивными и режимными параметрами смесителя. Эти зависимости, как правило, имеют вид регрессионных или критериальных уравнений, не раскрывающих физическую сторону процесса и описывающих работу только конкретной машины в исследованных диапазонах изменения конструктивных и режимных параметров. Подробный анализ его применения приведен, например, в монографии проф. Макарова Ю.И. [132].
При кибернетическом моделировании [101, 102, 107, 114] процесс смешивания описывается как преобразование входных сигналов стационарным линейным объектом (смесителем) в определенный выходной сигнал. Основу данного подхода составляет набор типовых идеализированных структур гидродинамической обстановки в аппарате, каждая из которых отражает тот или иной вид движения субстанции и описывается определенным уравнением. Построение математического описания технологического процесса сводится к подбору такой комбинации элементарных моделей, при которой результирующая модель достаточно точно отражает внутреннюю структуру реальной системы.
Определенный вклад в теорию процесса непрерывного смешивания, базирующегося на кибернетическом подходе, внесли исследования, проведенные под руководством проф. Иванца В.Н. [100, 102, 107, 108]. Предлагаемые методы основаны на том, что смесительный агрегат представляется в виде динамической системы, характеризующейся известной топологией, соответствующими структурной и параметрической типами организаций и подверженной определенным внешним воздействиям. В результате выработан системный подход, увязывающий в единую цепочку технологические процессы дозирования и смешения.
Результаты использования методов технической кибернетики при описании процесса смешивания показали, что они достаточно объективно отражают физику процесса смешения и позволяют хорошо учесть влияние флуктуации входящих потоков. Однако эти методы не описывают эффекты микросмешения и непосредственно кинетику процесса, кроме того, не решается задача определения затрачиваемой при этом мощности.
При моделировании процессов смешения гетерогенных систем предпринимаются многочисленные попытки определения концентрационных, температурных полей и траекторий движения компонентов смеси в объеме аппарата методами механики сплошных сред [31, 32]. Однако, при разработке математических моделей процесса смешивания, исследователи столкнулись со сложной проблемой решения систем уравнений механики многофазных сред, обусловленной турбулентным характером и трёхмерностью движения фаз системы, необходимостью учета явлений столкновения, дробления и т.п. Особые сложности при использовании методов механики сплошных сред возникают при описании поведения материала в разреженных слоях [32, 98-101], наличие которых характерно для многих современных конструкций СНД.
Энтропийно-информационный подход может успешно использоваться при оценке состояния смесей и их качества [132, 136]. В процессе эволюции смеси к равновесному состоянию меняется значение энтропии, с которым могут быть связаны параметры, оценивающие качество смесей. Однако при моделировании работы смесителей имеются определенные трудности при описании кинетики процесса.
Стохастические или вероятностные модели позволяют теоретически описать случайный характер движения частиц гетерогенной системы [24, 34, 123, 124]. Обычно применяются два вида стохастических моделей. В первом случае модель процесса аппроксимируется операцией случайных перестановок частиц по методу Монте-Карло [166, 197]. В работах Роуза Н.Е. и Яно Т. моделировалось их перераспределение в аппарате периодического действия при отсутствии сегрегации и агрегатирования, что, естественно, частично ограничивает использование этого метода.
Стохастические модели второго типа исходят из предположения, что перераспределение частиц исходных ингредиентов происходит при их случайном обнаружении в аппарате. Подробно этот подход рассмотрен в работах Дорохова И.Н., Александровского А.А., Ахмадиева Ф.Г. [26, 31, 89, 125]. Описание кинетики процесса смешения с помощью теории разрывных марковских процессов позволяет, путем преобразования системы дифференциально-разностных уравнений Колмогорова, получить выражения, оценивающие качество смеси через абсолютное или стандартное отклонение концентрации практически при любом способе организации процесса. Параметры модели определяются экспериментально. Использование марковских цепей для описания процесса смешения позволяет определить функцию распределения времени пребывания (ФРВП), оценить степень гомогенности системы через выборочные статистики. Однако в этом варианте описания процесса возникает трудность определения матрицы переходов и учета явления сегрегации.
Новые конструкции СНД с вертикальным расположением ротора
Объектом исследования является смесительный агрегат, включающий в себя блок дозаторов (Д, z = 1, N) - два спиральных и порционный, и один СНД работающий по методу последовательного разбавления смеси. С целью улучшения ее качества при соотношении смешиваемых компонентов 1:1000 спиральный Ді и порционный Д2 дозаторы создают загрузочные воздействия, в виде весовых расходов питающих потоков, поступающих через суммирующий элемент СЭ] в СНД. Параллельно дозаторам Д] и Д2 спиральный Д3 осуществляет подачу непосредственно в смеситель, где и происходит смешивание всех компонентов. В результате этого на выходе из СНД получаем смесь заданного качества с соотношением 1:1000.
Общая структурно-функциональная схема исследуемого смесительного агрегата представлена на рисунке 4.11. Дозаторы формируют сигналы весовых расходов Xd, (t), і =\, N - номер дозатора; Qdt(t) - масса материала, подаваемого от z -го дозатора на СНД. На схеме обозначены параметры материалопотоков в виде мгновенных расходов X(t) и масс веществ Q(t). Для осуществления метода последовательного разбавления смеси на рисунке 4.11 показано, что потоки материалов с массой Qdj(t) и Qd2(t), и концентрацией Xdj(t) и Xd2(t) подаются на СЭЬ далее суммарный поток с параметрами Xdc(t) и Qdc(t) поступает в СНД. Помимо этого в смеситель поступает поток материала из спирального дозатора Д, с параметрами Xd3(t) и Qd3(t). В итоге из центробежного СНД выходит смесь с параметрами
Для осуществления контроля и регулирования основных параметров непрерывного процесса смешения составим структурно-функциональную схему, включающую в себя определение ПФ всех аппаратов, входящих в состав смесительного агрегата.
Из рисунка 4.11. видно, что СА содержит два блока дозаторов, обладающих определенными ИПХ WMEi(S) и WME2(S), формирующими сигналы различного вида и работающих параллельно на СЗі и СНД. Основным элементом схемы является оригинальная конструкция центробежного СНД [145] WCM(S).
Воспользовавшись законами преобразования структурных схем, приведем выходной сигнал смесительного агрегата в операторном виде WCA(S):
Эта модель описывает процесс смешивания сыпучих компонентов по методу последовательного разбавления смеси при соотношении ее компонентов 1:1000. . Расчет смесительного агрегата, включающего в свой состав СНД, работающий по методу последовательного разбавления смеси, в технологическом пространстве состояний при непрерывном дозировании Рассмотрим процедуру в пространстве состояний модели СА, состоящей из двух спиральных дозаторов и одного порционного, а также СНД, в виде двухъёмкостного статического объекта (рис. 4.11).
Далее переведем общую структурно-функциональную схему исследуемого смесительного агрегата (рис. 4.11) в блочно-структурную схему, звенья которой заданы в виде ПФ (рис. 4.12).
Виртуальные звенья описываются такими передаточными функциями, что бы при синхронной подаче на их входы фиктивного управляющего воздействия u(t) в виде единичного импульсного воздействия, на входе смесителей возникал сигнал, равный суммарному воздействию реальных дозирующих импульсов. Из блочно-структурной схемы видно, что она имеет два входа и один выход, что позволяет, для ее описания воспользоваться векторно-матричной моделью.
На основании заданных передаточных функций, представленных на рисунке 4.12, запишем систему дифференциальных уравнений (4.40), в которой yi(t),y2(t), 2 5(0 - внутренние сигналы, характеризующие работу соответствующих звеньев БСС. Причем уі(0 и у2(0 составляют в сумме сигнал, формируемый спиральным, а уз(0, у4(0 Угз(0 порционным дозаторами, входящими в первый блок. Сигналы у24(0 и y2s(0 получают спиральным дозатором второго блока.
Разработаны математические модели различных центробежных смесительных агрегатов для переработки сыпучих компонентов в условиях их объемного дозирования и применения метода последовательного разбавления смеси, осуществляемого в двух последовательно установленных СНД и одной оригинальной конструкции смесителя.
Полученные модели реализуются с помощью программно-прикладных пакетов, которые позволяют производить преобразование временных функций в операторную форму и обратно, т.е. производить операционные исчисления. Таким образом, модели СА при использовании кибернетического подхода с применением компьютерного моделирования позволяют прогнозировать качество смешивания исходных компонентов, если известны
Для проверки предложенного нами технического решения смесителя [150], представленного на рисунке 3.1, были проведены эксперименты по определению качества бинарной смеси в зависимости от конфигурации ротора, верхняя часть которого имела прямую или волнообразную кромки. Последняя конфигурация, способствует появлению дополнительного эффекта смешивания в пересекающихся потоках материала. При этом общий кольцевидный поток материала, сходя с поверхности конуса в разные моменты времени, разделяется на несколько частей, которые, впоследствии, пересекаются друг с другом в кольцевом пространстве между ротором и корпусом смесителя, рисунок
Исследование процесса диспергирования и определение удельных энергозатрат смесителя диспергатора
Для исполнения целевой региональной научно-технической программы «Кузбасс», автор принимал участие: в выполнении темы 4.2.3 «Интенсификация процесса смешения высокодисперсных материалов и разработка его аппаратурного оформления», включающей разработку смесительного агрегата непрерывного действия центробежного типа для получения мучных композиций в хлебопекарном производстве; в гранте Министерства образования и науки РФ «Разработка высокоэффективных процессов получения комбинированных продуктов питания с использованием вторичного сырья» (номер государственной регистрации
Концепция государственной политики в области здорового питания населения РФ предусматривает создание пищевой продукции, обогащенной витаминами, минеральными и биологически активными добавками. При этом главное внимание обращается на качество пищевых продуктов и их соответствие медико-биологическим требованиям.
Одним из направлений создания продуктов такого рода является использование муки с равномерно распределенными в ней витаминами, наполнителями, стабилизаторами и ароматизаторами, вносимыми в малых количествах (2 % и менее). Это направление актуально при производстве различных хлебобулочных и кондитерских изделий.
Целью данных исследований являлась оценка эффективности использования нового СНД (рис. 3.5, пат. № 2207186) центробежного типа для приготовления витаминизированной муки. В нём процесс смешивания основан на принципе создания структуры направленного движения материальных потоков во всем объеме аппарата, за счёт использования различного вида рециклов и опережающих потоков.
На данной конструкции СНД, укомплектованной дозаторами объемного типа, проводился ряд экспериментов по получению опытных партий витаминизированной муки, состав и цена которой приведен в таблице 8.1. Соотношение смешиваемых компонентов 0,5:100 при производительности СНД 400 кг/ч, и частоте вращения ротора п = 12,5 с"1.
Введение в муку витамина В1 положительно влияет на функции мышц и нервной системы, он входит в состав ферментов, регулирующих многие важные функции организма, в первую очередь углеводный обмен, а также обмен аминокислот. Он необходим для нормальной деятельности центральной и периферической нервных систем. В1 содержится преимущественно в продуктах растительного происхождения: в злаках, крупах (овес, гречиха, пшено), в муке грубого помола (при тонком помоле наиболее богатые витамином В1 части зерна удаляются с отрубями, поэтому в высших сортах муки и хлеба содержание витамина В1 резко снижено).
Витамин В2, влияющий на рост и возобновление клеток, входит в состав ферментов, играющих существенную роль в реакциях окисления во всех тканях человека, а также регулирующих обмен углеводов, белков, жиров. В2 важен для поддержании нормальной функции глаза.
Витамин В6 необходим для жизнедеятельности организма, он участвует в обмене аминокислот и жирных кислот. Недостаток витамина отрицательно влияет на функции мозга, крови, приводит к нарушению работы сосудов, ведет к возникновению дерматитов, к диатезам и другим заболеваниям кожи, нарушаются функции нервной системы.
Особенно много витамина Вб содержится в зерновых ростках, в грецких орехах и фундуке, в шпинате, картофеле, цветной капусте, моркови, салате, кочанной капусте, помидорах, клубнике, черешне, апельсинах и лимонах, а также в мясных продуктах, рыбе, яйцах, крупах и бобовых.
Витамин PP. Никотиновая кислота входит в состав ферментов, участвующих в клеточном дыхании и обмене белков, регулирующих высшую нервную деятельность и функции органов пищеварения. Используется для профилактики и лечения пеллагры, заболеваний желудочно-кишечного тракта, вяло заживающих ран и язв, атеросклероза.
Витамин С повышает защитные силы организма, ограничивает возможность заболеваний дыхательных путей, улучшает эластичность сосудов (нормализует проницаемость капилляров). Витамин С оказывает благоприятное действие на функции центральной нервной системы, стимулирует деятельность эндокринных желез, способствует лучшему усвоению железа и нормальному кроветворению, препятствует образованию канцерогенов.
Кальций является главным строительным материалом для формирования костей и зубов. Кальций входит в состав крови, клеточных и тканевых жидкостей. Участвует в свертывании крови и уменьшает проницаемость стенок сосудов, препятствуя проникновению в клетки чужеродных аллергенов и вирусов.
Стимулирует функции некоторых ферментов и гормонов, выделения инсулина, оказывает противовоспалительное и антиаллергенное действие, увеличивает защитные силы организма, влияет на синтез нуклеиновых кислот и белка в мышцах, процессы восстановления водного баланса в организме, вносит ощелачивающий эффект в кислотно-щелочное равновесие наряду с натрием Na, калием К и магнием Mg.
Железо участвует в образовании гемоглобина в крови, в синтезе гормонов щитовидной железы, в защите организма от бактерий. Оно необходимо для образования иммунных защитных клеток, требуется для "работы" витаминов группы В.
Работа технологической схемы процесса смешивания муки и витаминов, представленной на рисунке 8.1, организована следующим образом. Исходные компоненты загружаются в бункера: 1 - витамин В1, 2 - витамин В2, 3 - витамин Вб, 4 - витамин РР, 5 - железо, далее, они попадают в дозатор 6, из которого поступают на ленточный транспортер 7. По нему также движутся кальций и витамин С, поступающие из объемных дозаторов 11 и 12. Далее, эти компоненты через загрузочный патрубок попадают в СНД центробежного типа 13. Основной компонент - мука хлебопекарная высшего сорта высыпается из дозатора объёмного типа 10 в смеситель через второй загрузочный патрубок. Полученная готовая смесь ссыпается на ленточный транспортер 9, по которому движется к фасовочному аппарату 8, и поступает на хранение.
С целью определения работоспособности предложенной технологической схемы для приготовления витаминизированной муки, в количестве 300 кг, проведены опытно-промышленные испытания на ООО «Мастер-продукт» г. Новокузнецк, при соотношении смешиваемых компонентов 0,5:100, при производительности смесителя равной 400 кг/ч и частоте вращения ротора п = 12,5 с"1.
