Содержание к диссертации
Стр.
Введение 4
ГЛАВА 1. НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 10
ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ И ДИСПЕРГИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Общие закономерности процесса смешивания сыпучих 10
дисперсных материалов
1.2. Классификация и конструктивное развитие смесительного 16
оборудования
1.3. Общая характеристика процессов диспергирования сыпучих 24
материалов
Обзор конструкций смесителей с эффектом диспергирования 28
Современные методы моделирования процессов 31
смесеприготовления дисперсных материалов
1.6. Пути интенсификации процессов смесеприготовления 39
дисперсных материалов
1.7. Заключение по анализу литературы и постановка 43
задач исследования
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ 46
СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ СТОХАСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Модель структуры материальных потоков 46
Моделирование процесса смесеобразования "О
Выводы по главе 2 ""
ГЛАВА 3. АППАРАТУРНОЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ 67 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ
Описание лабораторно-исследовательского стенда "'
Блок дозирующих устройств ""
3.3 Устройство и принцип работы центробежного 70
смесителя-диспергатора
Методика отбора проб из смеси и определения 72 концентрации ферромагнитного трассера
Методика определения среднего размера частиц '^
Материалы, используемые 76 в экспериментальных исследованиях
Методика определения коэффициентов 79 циркуляции материала в аппарате
Выводы по главе 3 1
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 82
ИССЛЕДОВАНИЙ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СМЕСИТЕЛЯ -ДИСПЕРГАТОРА
Обоснование аппаратурно - процессовой схемы производства 83 мучных композитных смесей для сахарного печенья
Исследование факторов, влияющих на 85 диспергирующую способность аппарата
Исследование диспергирующей способности аппарата *"
Определение гранулометрического состава сыпучего 90 материала
4.3. Исследование факторов, влияющих на процессы 94
смесеобразования в центробежном смесителе -
диспергаторе
Влияние режимных параметров на качество 94 смешивания дисперсных материалов
Влияние коэффициента загрузки аппарата 97 на качество смесеобразования
Влияние структуры движения потоков в аппарате 99 на качество смешивания дисперсных материалов
4.4. Сопоставление результатов моделирования 103
и экспериментальных исследований
Идентификация параметров математической модели ЮЗ
Проверка математической модели на адекватность Ш
4.5. Методика проектирования центробежного 112
смесителя-диспергатора
4.6. Промышленная апробация технических решений 116
в производстве комбинированных продуктов
4.6.1. Применение смесителя - диспергатора для 116
получения мучных композитных смесей
4.6.2. Анализ экономической эффективности от внедрения 118
центробежного смесителя-диспергатора
Выводы по главе 4 125
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ 127
ЛИТЕРАТУРА 129
ПРИЛОЖЕНИЯ 137-148
Введение к работе
Общая характеристика работы
Концепция создания нового технологического оборудования для пищевых и перерабатывающих отраслей АПК Минсельхоза России предусматривает создание нового оборудования, разработку ресурсосберегающих технологических процессов и машин, обеспечивающих комплексную безотходную переработку пищевого сырья и готовой продукции. В рамках программы обеспечения населения доступными и качественными комбинированными продуктами питания необходимо решить задачу, возникающую при расширении масштабов переработки твердых дисперсных материалов в пищевой и других отраслей промышленности, заключающуюся в приготовлении однородных по составу композиций. Внедрение высокоэффективных процессов в технологию новых продуктов питания требует создания и совершенствования смесительной аппаратуры.
В настоящее время в НИИ и ведущих вузах пищевого профиля разработаны принципиально новые, энергетически выгодные технологии, обеспечивающие комплексную безотходную переработку как традиционного, так и «вторичного» сырья, производство экологически безопасных продуктов питания, обогащенных витаминами и биологически активными добавками (БАД), с учетом различных возрастных потребностей и состояния здоровья населения.
Так, при производстве кондитерских изделий, в основе технологии мучных композитных смесей, лежит стадия получения многокомпонентного состава, включающего помимо основных рецептурных компонентов минеральные вещества, витамины, пищевые волокна, а также продукты вторичной переработки [72, 88].
В НИИ хлебопекарной промышленности предложены технологии производства новых видов хлебобулочных изделий повышенной биологической и пищевой ценности [73], разработаны рецептуры композитных смесей с подсластителями, пшеничными зародышевыми
хлопьями, соевой мукой, сухим соевым молоком, витаминно-минеральными добавками.
ВНИИМП (академик Лисицын А.Б.) предлагает кормовые белково-минеральные добавки с комплексным использованием «вторичных» продуктов пищевых отраслей. Здесь разработаны технологии сухих многокомпонентных смесей с их использованием [83].
В МГУПБе (академик Рогов И.А.) созданы методы и технологии получения безопасных продуктов питания [63].
Неблагоприятная экологическая обстановка, сложившаяся в Кузбассе, осложняется несбалансированностью рациона питания и отсутствием в нем нужного количества витаминов, микро- и макроэлементов [50]. Это вызывает необходимость обогащения продуктов питания биологически ценными компонентами. С учетом низкой платежеспособности населения производство продуктов, обогащенных витаминами, БАД и минеральными добавками, помогает решить задачу по обеспечению доступного для большинства населения уровня соотношения цена / качество.
Аналогичную проблему приходится решать в других отраслях промышленности (химическая, электротехническая, строительная, авиакосмическая), например, при производстве новых композиционных материалов, различных шихт для получения стекла и искусственных алмазов, электронных и электротехнических изделий [16] и т.п.
Поэтому рассматриваемая проблема является межотраслевой.
Практически во всех отраслях пищевой технологии находят применение разнообразные дисперсные системы [101]. Рассмотрению свойств дисперсных систем и закономерностей их образования посвящены многие специальные монографии и фундаментальные труды ученых: Ребиндера П.А., Урьева Н.Б., Генералова М.Б., Дерягина Б.В., Зимона А.Д., Лыкова А.В., Талейсника М.А., Харитонова В.Д., Липатова Н.Н., Горбатова А.В., Рогова И.А., Попов A.M. и других [11, 23, 34, 37, 43, 48, 58, 64, 84,101 ].
Российскими и зарубежными учеными (Баранов Д.А., Борщев В.Я., Долгунин В.Н., Зайцев А.И., Иванец В.Н., Иванец Г.Е., Макаров Ю.И., Селиванов Ю.Т., Харитонов В.Д., ЧувпилоА.В., Штербечек 3., Шубин И.Н., Gibilaro L.G., Bourne I.R., Engels К. Aohema и др.) опубликованы ряд исследований в области разработки теории и практики процессов смесеприготов-ления [23, 24, 30, 37, 43, 47, 51, 112,117, 121, 123]. Однако, несмотря на возрастающую роль процессов смешивания в пищевой и смежных технологиях, исследованиям смесительных агрегатов центробежного типа посвящено сравнительно небольшое количество работ.
При переработке твердых дисперсных материалов с большим соотношением смешиваемых компонентов применяют один из перспективных методов интенсификации процесса — совмещение операций смешивания и диспергирования [24, 37]. Основное преимущество такого метода заключается в том, что протекание механических, гидромеханических и массотеплообмен-ных процессов происходит с большой поверхностью контакта фаз. Перспективным оборудованием для реализации совмещенных процессов являются смесители центробежного типа. В данных аппаратах можно перерабатывать большие объемы материалов при низких энергетических затратах; при этом организация направленного движения потоков материалов в объеме аппарата и перевод компонентов в разреженное состояние сравнительно просто оформляется конструктивно.
Сложность аналитического описания процессов смешения сыпучих материалов объясняется недостаточно выясненным механизмом смесеобразования. Процесс смешивания носит стохастический характер, как в силу его вероятностных свойств, так и самих дисперсных сыпучих материалов. В работах российских и зарубежных ученых (Александровский А.А., Ахмадиев Ф.Г., Бытев Д.О., Веригин А.Н., Джинджихадзе СР., Дорохов И.И., Зайцев А.И., Иванец В.Н., Иванец Г.Е., Кафаров В.В., Макаров Ю.И., Мизонов В.Е., Промтов М.А., Селиванов Ю.Т., Федосенков Б.А., Campbell C.S., Dankwerts P.V., Geynis J., Gibilaro R.G. и др.) исследуются проблемы теоретического
описания процессов смешивания и его моделирования [8, 13, 27, 34, 44, 47, 51, 57, 67, 85, 93, 103, 111, 113, 116, 117, 119], однако использованию стохастических методов и подходов к данному процессу посвящено сравнительно небольшое количество публикаций. Это, в свою очередь, затрудняет выбор наиболее оптимального аппаратурного оформления и режимов работы смесительного оборудования.
Поэтому научное обоснование и разработка конструкции малогабаритного центробежного смесителя-диспергатора периодического действия для переработки дисперсных материалов (при соотношении смешиваемых компонентов до 1:400), создание теории и методики их расчета является актуальной научной задачей, представляющей большой практический интерес для пищевой и ряда других отраслей народного хозяйства.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с грантом 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»; грантом губернатора Кемеровской области «Разработка научно-практических аспектов создания дозировочно-смесительного оборудования для производства комбинированных кормов и продуктов питания» (2007 г., грантодержатель — Бакин И.А.); хоздоговорной НИР «Теоретические и практические аспекты процессов смешивания в производстве сухих строительных смесей» с ООО «РСТ», г. Кемерово (2007 - 2009 г.).
Цель работы. Разработка новой конструкции и методики расчета центробежного смесителя-диспергатора периодического действия для получения сухих комбинированных смесей (соотношение компонентов до 1:400) на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов смешивания и диспергирования; повышение интенсивности процесса, снижение удельных энергозатрат и повышение качества конечного продукта за счет организации направленного движения материальных потоков в рабочем объеме аппарата.
Научная новизна. На основе теории стохастических процессов разработана математическая модель, описывающая процессы в аппарате центробежного типа периодического действия с направленной организацией движения материальных потоков, позволяющая проанализировать эффективность смесеобразования в зависимости от структуры потоков в рабочем объеме.
Выявлено и обосновано эффективное влияние конструктивных параметров аппарата на процессы диспергирования возвратных отходов кондитерского производства (крошка печенья).
Исследовано влияние параметров работы центробежного смесителя-диспергатора на кинетику процесса смесеобразования дисперсных материалов.
Получены новые экспериментальные данные о закономерностях процессов смешивания и диспергирования дисперсных материалов.
Практическая ценность и реализация результатов. Разработан и изготовлен центробежный аппарат, позволяющий интенсифицировать процессы смешивания и диспергирования сухих комбинированных продуктов. Получен патент на изобретение № 2311951 «Центробежный смеситель - диспергатор». Использование аппарата в промышленности позволяет существенно снизить метало — и энергоемкость, время процесса за счет совмещения стадий измельчения компонентов и смешивания в одном аппарате.
Результаты проведенных исследований положены в основу разработанной компьютеризированной методики расчета смесителей-диспергаторов центробежного типа с конусным ротором.
Разработана аппаратурно - процессовая схема для малотоннажного производства мучных композитных смесей для кондитерских изделий -печенье сахарное «Земляничное». Технология внедрена в рамках предприятия ООО "КДВ Яшкино", п.г.т. Яшкино, Кемеровской области.
По результатам проведенных исследований разработана и утверждена
техническая документация — ТИ 9131-002-00356151-2009 Технологическая инструкция по производству печенья сахарного «Земляничное» по ГОСТ 24901-89.
Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и НИР при подготовке бакалавров и магистрантов на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств ГОУ ВПО КемТИГШ.
Автор защищает. Стохастическую модель процесса смесеобразования в центробежном смесителе-диспергаторе периодического действия; результаты экспериментальных исследований влияния значимых параметров на процессы, протекающие в нем; новую конструкцию центробежного смесителя-диспергатора периодического действия и методику его расчета.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (2005 -2008 г.г.); Всероссийской научно-практической конференции «Образование для новой России (опыт, проблемы, перспективы)», Юрга, 2005; V региональной конференции «Пищевые продукты и здоровое питание», Кемерово, 2005; Всероссийской конференции молодых ученых «Пищевые технологии», Казань, 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ (в том числе две статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК).
