Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические основы процесса экстрагирования и его аппаратурного обеспечения (литературный обзор) . 9
1.1 Анализ технологической схемы производства пива 9
1.2 Методы интенсификации экстрагирования 13
1.3 Современное состояние оборудования для экстрагирования . 20
1.3.1 Конструкции заторных котлов . 20
1.3.2 Экстракторы для системы твердое тело – жидкость 26 Выводы по главе 34
ГЛАВА 2. Моделирование процесса экстрагирования в роторно-пульсационном экстракторе 35
2.1 Методы моделирования процесса экстрагирования 35
2.2 Регрессионный анализ 40
2.3 Физическое моделирование процесса экстрагирования 45
2.3.1 Определение кинетики влагопоглощения . 46
2.3.2 Исследование процесса набухания и определение эквивалентного размера частиц солода 47
2.3.3 Определение коэффициента диффузии . 48
2.3.4 Определение коэффициента массоотдачи . 49 Выводы по главе 50
ГЛАВА 3. Аппаратурное обеспечение экспериментальных исследований 51
3.1 Описание лабораторно-исследовательского стенда 51 3.1.1 Роторно-пульсационный аппарат . 53
3.2 Характеристика материалов, использованных в экспериментальных исследованиях . 54
3.3 Методики анализа экспериментальных данных 56
3.3.1 Методика определения экстрактивных веществ 57
3.3.2 Методика определения кинетики влагопоглощения, процесса набухания и определения эквивалентного размера частиц . 57
3.3.3 Методика определения коэффициента диффузии 59
3.3.4 Методика определения коэффициента массоотдачи . 63 Выводы по главе 67
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 68
4.1 Исследование работы роторно-пульсационного аппарата новой конструкции 68
4.2 Исследование процесса затирания в роторно-пульсационном аппарате . 71
4.3 Исследование диспергирования частиц твердой фазы в роторно-пульсационном аппарате 76
4.4 Получение уравнений регрессии на основе полнофакторного эксперимента . 82
4.5 Опытные данные кинетики влагопоглощения . 88
4.6 Эквивалентный размер частиц солода 89
4.7 Исследование диффузионных свойств сырья . 89
4.7.1 Определение коэффициента диффузии 89
4.7.2 Определение коэффициента массоотдачи 91
4.8 Исследование качественного состава сусла, полученного на экспериментальной установке . 94
Выводы по главе 100
ГЛАВА 5. Промышленная реализация 102
5.1 Методика расчета РПА 102
5.2 Разработка аппаратурно-технологической схемы производства пива . 105
5.3 Дегустационная оценка опытного образца пива 107 Выводы по главе 115
4 Основные результаты и выводы работы 116
Список использованной литературы 118
Приложения 130
- Современное состояние оборудования для экстрагирования
- Исследование процесса набухания и определение эквивалентного размера частиц солода
- Методика определения кинетики влагопоглощения, процесса набухания и определения эквивалентного размера частиц
- Исследование диспергирования частиц твердой фазы в роторно-пульсационном аппарате
Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение эффективности производственных процессов является одной из существенных проблем технических наук, то есть одним из факторов повышения экономики, и соответственно, благосостояния России. Этого невозможно достичь без привлечения новых инновационных технологий. Поэтому внимание ученых привлечено на создание нового высокоэффективного оборудования повышающего производительность производств за счет экономии сырья, снижения энергозатрат и сокращения продолжительности изготовления конечного продукта.
В пивоваренной промышленности, интенсификация производства пива может быть достигнута за счет большего извлечения сухих веществ из солода и уменьшения времени различных стадий технологического процесса. Добиться этого можно за счет использования нового современного оборудования на стадии затирания зернопродуктов. По своей сути затирание является экстракционным процессом, поэтому для его проведения следует применять высокоэффективные экстракционные установки, вместо используемых, в настоящее время, заторных котлов.
На сегодняшний день разработано множество различных конструкций экстракторов, однако не все они обладают высоким техническим совершенством для извлечения целевых компонентов. Поэтому разработка высокоэффективных экстракторов, которые характеризуются низкими энергозатратами, является актуальной научной задачей, представляющий интерес не только для пищевой промышленности, но и для ряда других отраслей.
На наш взгляд, наиболее перспективным для использования в пивоваренном производстве являются роторно-пульсационные аппараты (РПА). Эти аппараты широко используют при проведении различных процессов, таких как гидромеханические, химические, тепло-массообменные и т. п. РПА обеспечивают высокое качество получаемого продукта при низких метало- и энергозатратах. При работе РПА возникает интенсивная импульсная акустическая кавитация, переходные гидромеханические процессы, резонансные явления, позволяющие интенсифицировать процессы с существенным снижением удельных затрат, что является одной из приоритетных задач развития науки и техники.
Научной базой для исследований в данной области явились работы Г.А. Аксельруда, Г.Е. Иванец, В.М. Лысянского, С.М. Гребенюка, М. А. Промтова и ряда других ученых.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности».
Цель работы. Интенсификация процесса затирания за счет использования новой конструкции роторно-пульсационного экстрактора с направляющими лопастями.
Разработка новой конструкции высокоэффективного, непрерывнодейству-ющего роторно-пульсационного аппарата с направляющими лопастями на ос-
нове анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса экстрагирования.
Задачи исследования. В соответствии с поставленными целями в настоящей работе решались следующие основные задачи:
теоретические и экспериментальные обоснования разработанной конструкции РПА с направляющими лопастями;
исследование процесса экстрагирования в РПА новой конструкции с применением методов физического моделирования;
анализ новой конструкции РПА с целью нахождения рациональных конструктивных и технологических параметров получения заторов;
разработка инженерной методики расчета РПА;
проведение опытно-промышленных испытаний РПА новой конструкции.
Научная новизна. Созданы математические модели РПА новой конструкции, позволяющие прогнозировать получение конечного продукта с заданными свойствами. Экспериментально исследовано влияние основных факторов на технологические показатели конечного продукта. Получены рациональные технологические параметры работы РПА. Представлены уравнения регрессии, позволяющие рассчитать значения концентрации в зависимости от основных факторов.
Практическая значимость и реализация. Результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса экстрагирования позволили разработать новую конструкцию РПА с направляющими лопастями, техническая новизна РПА защищена патентом РФ. Предложен алгоритм расчета геометрических размеров РПА с направляющими лопастями.
На защиту выносятся: исследование процесса затирания в РПА с направляющими лопастями при физическом моделировании; математическая модель РПА, разработанная с использованием регрессионного анализа, позволяющая выбрать рациональные параметры работы; результаты экспериментальных исследований процесса экстрагирования в РПА с направляющими лопастями.
Объектом исследования являлась разработанная конструкция РПА с направляющими лопастями.
Предметом исследования являлось установление закономерностей, описывающих работу РПА при рациональных режимных параметрах, влияющих на качество получаемых заторов.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на всероссийских и международных научных конференциях (2009-2013 гг.) (Всероссийская конференция студ. и аспир. «Пищевые продукты и здоровье человека». Кемерово, 2009; Пищевые продукты и здоровье человека: тезисы докладов IV Всероссийской конференции студентов и аспирантов. Кемерово, 2011; Инновационные процессы в АПК: материалы III международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых, аспирантов и студентов. Москва, 2011; Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах: материалы
международной научно-технической интернет – конференции. Воронеж, 2011; Пищевые продукты и здоровье человека: материалы Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Кемерово, 2012; Перспективное развитие науки, техники и технологий: материалы II-ой Международной научно-практической конференции. Курск, 2012; V Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум». Москва, 2013; Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Современный взгляд на производство продуктов здорового питания». Омск, 2013; European Science and Technology: Materials of the V international research and practice conference. Munich, Germany, 2013; IV Science, Technology and Higher Education: materials of the IV international research and practice conference. Westwood, Canada, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, из которых 3 в журналах, рекомендованных ВАК, 2 зарубежные публикации, 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений; включает 32 рисунка, 10 таблиц. Основной текст изложен на 129 страницах машинописного текста, приложения – на 20 страницах. Список литературы включает 124 наименования.
Современное состояние оборудования для экстрагирования
Заторные аппараты предназначены для смешивания (затирания) дробленого солода и несоложеных материалов с водой, кипячения и осахаривания заторной массы. Для осуществления различных способов затирания требуются аппараты разной конструкции. Большинство из них являются однотипными устройствами, представляющими собой емкость, обогреваемую паром или водой [75, 111]. Основные различия их по форме корпуса, объему и виду перемешивающего устройства. Большое значение для работы заторного чана имеет месильный орган, от эффективности которого зависит скорость и интенсивность смешивания дробленого солода с водой, а также распределение теплоты при нагревании затора. Его привод, должен предусматривать 2-3 скорости вращения или возможность их плавной регулировки. В современных варочных цехах число оборотов месильного органа в ходе затирания регулируется плавно — при увеличении объема затора в начале затирания она повышается, а в конце затирания с падением уровня затора уменьшается.
В настоящее время в России для пивоваренной промышленности применяют заторные аппараты типа ВКЗ (ВКЗ-1, ВКЗ-1,5, ВКЗ-3, ВКЗ-5 соответственно на 1000, 1500, 3000 и 5000 кг зернопродуктов) [75, 111]. Типовой заторный аппарат ВКЗ показан на рисунке 1.2.
Заторный аппарат представляет собой емкость цилиндрической формы с полым днищем и крышкой. В нижней части заторного котла имеется разгрузочный патрубок для вывода затора на фильтрацию. Разгрузочное устройство действует с помощью конической зубчатой передачи. Внутри аппарата установлена мешалка, получающая движение от привода, состоящего из электродвигателя и червячного редуктора, установленных на фундаменте. Для удобства монтажа аппарата приводной вал мешалки изготавливается из отдельных частей, соединенных муфтами. Стяжная труба установлена на шарнире с поплавком для отбора жидкой фазы затора. Вывод трубы обеспечен заторным устройством, управляемым маховичком. Крышка имеет вытяжной штуцер с поворотной заслонкой, позволяющей регулировать тягу вторичного пара. В вытяжном штуцере крышки установлен кольцевой сборник для удаления конденсата.
Сбоку на крышке аппарата установлен предзаторник, необходимый для предварительного смачивания сухих дробленых зернопродуктов при подаче их в аппарат. У предзаторника расположен смеситель для воды, температура воды определяется с помощью термометра. Для наблюдения за процессом и для промывки аппарата на крышке установлен люк. Температура в аппарате контролируется дистанционным термометром с датчиком. Одним из современных и наиболее эффективных заторных аппаратов является аппарат конструкции Steineker, представленная на рисунке 1.3 [75, 111]. 24 Аппарат представляет собой емкость круглого сечения с механическим перемешивающим устройством. К цилиндрическому корпусу заторного аппарата приварены крышка и днище. Все части аппарата, соприкасающиеся с затором, выполнены из нержавеющей стали. Аппарат устанавливают, как правило, на трубчатых опорах. К крышке аппарата присоединяют вертикальную вытяжную трубу, таким образом, что в месте соединения образуется кольцевой желоб для сбора конденсата вторичного пара, стекающего вниз по внутренней поверхности вытяжной трубы. Конденсат вторичного пара отводят из этого желоба наружу по конденсатору.
На крышке размещают люк, систему внутренней подсветки и световую сигнализацию. Крышка люка оснащена системой электроблокирования и встроенным смотровым окном.
В аппарате - под люком на внутренней стенке корпуса - размещена лестница из нержавеющей стали.
Благодаря хорошему перемешиванию в процессе затирания:
исключается пригорание среды при отварке затора;
обеспечивается эффективный теплообмен, при котором разница температур в различных точках аппарата не превышает 0,1 С;
обеспечивается однородность заторной массы, способствующая более глубокому и полному ферментативному гидролизу сырья.
Перемешивающее устройство с нижним приводом представляет собой двойную лопастную мешалку, лопасти которой развернуты в противоположные стороны. Мотор - редуктор перемешивающего устройства подвешен на фланцах внизу аппарата.
В качестве греющего агента используют насыщенный пар при избыточном давлении 0,25 - 0,3 МПа. Одну нагревательную рубашку располагают на нижней части цилиндрического корпуса, а другую - на днище. Цилиндрическую часть корпуса и днище теплоизолируют. Внутри аппарата размещены моющие головки системы безразборной автоматизированной мойки. В 2004 г. На предприятии Steinecker разработана новая конструкция заторного аппарата, зарегистрированная под торговой маркой ShakesBeer, позволяющая улучшить качество затора, снизить расход энергии и сократить продолжительность затирания до неполных двух часов [111].
От вышеописанного современного заторного аппарата его отличают система теплообмена, форма днища и конструкция перемешивающего устройства (рисунок 1.4)
Исследование процесса набухания и определение эквивалентного размера частиц солода
Во время процесса экстрагирования, в результате поглощения частицами твёрдой фазы растворителя, во внутренних капиллярах растительного сырья возникают силы, действующие на стенки пор, за счет капиллярного давления. Воздействие этих сил совместно с влагопоглощением растворителя вызывает изменение геометрических размеров частиц материала, этот фактор называется набуханием. Набухание материала приводит не только к изменению геометрических параметров частиц твердой фазы, но также и влияет на физические и массопроводные характеристики материала.
Исследование набухания растительного сырья необходимо для получения данных по изменению эквивалентного размера частиц сырья, которые, в дальнейшем, влияют на расчёт коэффициента диффузии.
Математическое описание процесса набухания является довольно затруднительным по причине малого размера объектов исследований. Исходя из этого, обычно выдвигают предположение о равенстве действующих сил во всех направлениях частицы твердой фазы. Учитывая это допущение, для изучения процесса набухания исследовали один из геометрических размеров частицы, а именно диаметр [71, 80].
Для расчета численных значений коэффициента диффузии используется метод извлечения, во время которого периодический (замкнутый) процесс исследуется при снятом внешнем диффузионном сопротивлении [30, 41, 41, 68, 102, 105].
С целью создания режима снятия внешнего диффузионного сопротивления особое внимание уделяется тому, чтобы в процессе была задействована вся поверхность твёрдой фазы.
Для исследований, в которых используется снятое внешнее диффузионное сопротивление, широко применяется экстракционная методика в режиме кипения под вакуумом. Режим кипения под вакуумом дает возможность интенсивно перемешивать материал в среде растворителя [24]. Применение других экстракционных методов с механическим перемешиванием смеси материала и растворителя нежелательно, из-за повреждения частиц материала перемешивающим устройством, что, в свою очередь, может привести к изменению размера частиц.
Наиболее подходящим для определения коэффициента диффузии является метод, в котором гидродинамический режим снятого внешнего диффузионного сопротивления происходит за счет барботирования воздуха в смесь твёрдой фазы и растворителя, в замкнутом объёме [68, 102].
По результатам содержания целевого компонента в растворителе строятся экстракционные кривые для замкнутого процесса экстрагирования, т.е. при условии, что процесс извлечения определяется только за счет диффузионных свойств исследуемого сырья.
Далее рассчитываются численные значения коэффициента молекулярной диффузии Одной из важнейших стадий исследования процесса экстрагирования в системе твёрдое тело-жидкость следует считать изучение этапа массоотдачи от поверхности частицы твердой фазы к растворителю.
Коэффициент массоотдачи является важная характеристика, отражающая влияние некоторых факторов на характер массопереноса в среде экстрагента. В число этих факторов входит: характер движения экстрагента, физические параметры используемого сырья и конструкторская особенность экстракционного аппарата [12, 66].
При изучении характера массообмена в экстракторе рассчитываются численные значения коэффициента массоотдачи, в результате чего становится возможным определить из общего диффузионного сопротивления массопереноса ту его часть, на которую в большей степени влияют условия проведения процесса и конструктивные особенности экстракционного аппарата. Изучение коэффициента массоотдачи дает возможность оценить, как каждый отдельный конструктивный элемент устройства и весь аппарат в целом влияет на оптимальное протекание процесса, а также воздействие конструктивной особенности устройства на интенсивность массоотдачи и определить степень его совершенства.
Изучение массообмена в РПА проводилось при помощи методики, основанной на интервально-безитерационном методе расчета, позволяющей по экспериментальным полученным данным процесса извлечения, уравнениям материальных балансов, рассчитанным величинам коэффициента диффузии и размера частиц сырья, соотношению расхода фаз определить численные значения диффузионного критерия Био на временных участках процесса [80]. Зная значения диффузионного критерия Био можно рассчитать величину коэффициента массоотдачи Р по следующему уравннию: BixD P = R , (2.13) где: Bi - диффузионный критерий Био; - коэффициент диффузии во внутренних капиллярах материала, м /с; R - эквивалентный размер частиц, м.
По результатам расчётных значений диффузионного критерия Био и коэффициента массоотдачи становится возможным оценить характер массообмена на каждом временном участке экстракционного аппарата, а также определить этап, который лимитирует процесс извлечения.
Методика определения кинетики влагопоглощения, процесса набухания и определения эквивалентного размера частиц
При исследовании процесса затирания для пивоваренного производства в качестве объектов исследования использовали солод ячменный пивоваренный и воду питьевую [34, 35, 74]. Солод является основным сырьем для производства пива [115]. Издавна основным сырьем для производства солода является ячмень. Его хорошая всхожесть, легкая обрабатываемость, подходящие вкусовые качества стали причиной того, что солодоращение не распространилось широко на другие зерновые культуры. В настоящее время для изготовления пивоваренного солода кроме ячменя используют только пшеницу в небольших количествах. Влияние солода на качество пива общеизвестно. Некоторые показатели солода, такие, как цвет, вкус и запах, являются решающими в определении типа пива, а количество экстрактивных веществ и степень расщепления белков существенно влияют на его качество. Солод приобретает свои характерные свойства при солодоращении, однако некоторые из них зависят от свойств использованного ячменя. Поэтому издавна большое внимание уделяли качеству ячменя, поскольку многие сорта из-за высокого содержания белков, стекловидности или слишком толстой оболочки не пригодны для солодоращения.
Целью солодоращения является накопление в зерне гидролитических ферментов в свободном состоянии в количествах, необходимых для превращения нерастворимых веществ зерна в растворимые и достижения такого состояния структуры зерна, при которой в благоприятных условиях значительно облегчилось бы действие ферментов на высокомолекулярные соединения зерна. Это состояние зерна называется растворением и характеризуется разрыхлением эндосперма [115].
Для проведения экспериментов использовался солод производителя «Невский берег», соответствующий требованиям ГОСТ 29294 – 92 [35]. Основными требованиями, предъявляемыми к питьевой воде являются: ее безопасность в эпидемическом и радиационном отношении, безвредность по химическим характеристикам и обладание благоприятными органолептическими свойствами [34]. Качество питьевой воды должно соответствовать гигиеническим нормативам перед ее поступлением в распределительную сеть, а также в точках водозабора наружной и внутренней водопроводной сети. Безвредность питьевой воды по химическому составу определяется ее соответствием нормативам по:
обобщенным показателям и содержанию вредных химических веществ, наиболее часто встречающихся в природных водах на территории Российской Федерации, а также веществ антропогенного происхождения, получивших глобальное распространение;
содержанию вредных химических веществ, поступающих и образующихся в воде в процессе ее обработки в системе водоснабжения;
содержанию вредных химических веществ, поступающих в источники водоснабжения в результате хозяйственной деятельности человека.
Безопасность питьевой воды в эпидемическом отношении определяется ее соответствием нормативам по микробиологическим и паразитологическим показателям. Благоприятные органолептические свойства воды определяются ее соответствием нормативам, а также нормативам содержания веществ, оказывающих влияние на органолептические свойства воды.
Не допускается присутствие в питьевой воде различимых невооруженным глазом водных организмов и поверхностной пленки.
Радиационная безопасность питьевой воды определяется ее соответствием нормативам по показателям общей a- и b-активности, либо по содержанию отдельных радионуклидов в соответствии с Нормами радиационной безопасности НРБ-99.
Эксперименты проводились с использованием питьевой воды, соответствующей требованиям по ГОСТ 2874 - 82 [34].
При проведении экспериментов применяли современные физико-химические методы исследования [21, 61, 62, 89, 101Основным показателем для процесса экстрагирования является концентрация ключевого компонента в полученном растворе.
Во время экспериментов через равные промежутки времени отбирались пробы для замера концентрации.
Концентрация в смеси определялась рефрактометрическим методом [101]. Методика определения концентрации заключается в измерении показателей преломления ряда стандартных растворов с известным содержанием анализируемого компонента и построением графика в координатах коэффициент преломления (n) - концентрация (С). Затем измеряют показатели преломления исследуемого раствора и по графику определяют его концентрацию [49].
Определение концентрации сухих веществ в полученных образцах осуществлялось при помощи установки ИРФ-454Б2М.
Для определения коэффициентов диффузии и массоотдачи предварительно необходимо определить скорость поглощения экстрагента частицами солода и их эквивалентный размер [30, 40, 43, 68].
Методика определения кинетики влагопоглощения заключается в следующем. Измельченный материал массой 10 г помещали в химический стакан и заливали 100 г экстрагента, подогретый до температуры опыта. Затем помещали в термостат, где выдерживали в течение определённого времени. В целях обогащения доступа экстрагента к частицам сырья, стакан подвергали перемешиванию. Затем полученную смесь фильтровали через бумажный фильтр. Полученные твёрдую и жидкую фазы взвешивали.
Исследование диспергирования частиц твердой фазы в роторно-пульсационном аппарате
Твердый материал в роторно-пульсационном аппарате под действием приложенных сил разрушается и измельчается до частиц требуемого размера следующими способами [42, 45, 59, 82, 94, 95]: раздавливание - разрушение тела при преобладании внутреннего напряжения над пределом прочности на сжатие; раскалывание - разрушение тела в местах концентрации наибольших нагрузок; разламывание - разрушение тела под действием изгибающих сил; резание - разделение тела на части под действием приложенных сил; истирание - измельчение тела под действием сжимающих, растягивающих и срезывающих сил; удар - разрушение тела под действием динамической нагрузки. Современная теория разрушения твердого тела выделяет две основные стадии процесса разрушения [59]: объемная деформация частицы с образованием микротрещин; разрушение при достижении частицей состояния предельных деформаций.
При ударных нагрузках возникающие напряжения достигают значительных величин из-за кратковременности нагрузки, и величина напряжения в любой точке определяется наложением падающей и отраженной ударных волн. Наложение этих волн может вызвать высокие напряжения, приводящие к разрушению.
Разрушение частицы значительно ускоряется при наличии вкрапленных микродефектов и в хрупком материале разрушение происходит из-за распространения этих трещин по всему материалу [82]. При крупном измельчении размеры дефектов и микротрещин ничтожно малы по сравнению с размерами измельченных частиц и их разрушение происходит по поверхностям наибольших напряжений. В области тонкого и сверхтонкого измельчения, когда размеры дефектов соизмеримы с размерами частиц, при той же объемной плотности микротрещин их количество мало. Поэтому образование новых поверхностей идет с включением дефектов структуры более низкого порядка, требующих более высоких разрушающих напряжений [45].
Под воздействием внешних сил в измельчаемых частицах возникает объемное напряженное состояние, приводящее с ростом его интенсивности к разрушению частиц. Такое развитие дефектов имеет место и в области упругих и в области пластических деформаций. Постепенно переходя в разряд опасных, развивающиеся дефекты определяют резко пониженную реальную прочность твердых частиц по сравнению с их теоретической прочностью.
В РПА основными факторами измельчения являются раскалывание, истирание и удар [94]. Ударные нагрузки возникают как при механическом контакте твердых частичек с рабочими органами аппарата, друг с другом, так и за счет кумулятивных воздействий при развитой кавитации.
При работе РПА твердые частицы разрушаются в основном за счет взаимодействия с зубьями ротора или зубьями статора.
На процесс разрушения тел в жидкой среде влияют свойства жидкости: вязкость, плотность, химический состав [42, 45]. При увеличении значений вязкости и плотности снижается величина ударных воздействий. Наличие в жидкости поверхностно-активных веществ снижает прочность частиц, ослабляет силы сцепления и способствует диспергированию частиц. Расклинивающее действие жидкости в микротрещинах также облегчает разрушение частиц.
Далее представлены типовые схемы разрушения частиц материала различной формы в РПА [94]. Для анализа условий диспергирования форма частицы не играет решающей роли. Важен профиль сечения твердой частицы в точках контакта с кромками каналов ротора и статора. На рисунках 4.6, 4.7 представлены схемы взаимодействия частиц твердой фазы с зубьями ротора и cтатора.
Начальное положение частицы показано на рисунке А. При дальнейшем движении ротора может происходить вращение частицы. Вращение частицы прекратится, когда вектора силы P выйдут навстречу друг другу (рисунок Б). В этом положении происходит раскалывание частицы.
Если точка контакта частицы с ротором и статором лежит на взаимно параллельных гранях частицы, то создаются условия для диспергирования частиц. К таким телам относятся частицы, сечением которых является правильный шестиугольник, восьмиугольник и т.д. Для таких частиц число граней равно 2n (n = 2, 3, 4, ..., n). Частицы, для которых n 2, могут контактировать с ротором и статором на непараллельных гранях. Для трапециевидных фигур и для фигур с n 2, необходимым условием диспергирования является сила трения. Если условие не выполняется, происходит выталкивание частицы из рабочей зоны. Таким образом, наиболее вероятно разрушение частиц в РПА с прямоугольным профилем сечения или близким к прямоугольному. Частица, имеющая форму параллелепипеда с прямоугольным профилем сечения, до момента совмещения каналов ротора и статора будет находиться в канале ротора, прижимаясь к стенке за счет инерционной силы. Так как наибольший размер частицы, меньше ширины канала ротора, то частица будет ориентирована наибольшей гранью вдоль оси канала ротора. При совмещении канала ротора с каналом статора частица будет оставаться в том же положении, пока стенка канала ротора, к которой прижата частица, не совместится с ответной стенкой канала статора. После этого момента частица начинает двигаться вперед вместе с потоком жидкости. Если инерционность частицы мала и скорость ее передвижения в канал статора равна скорости потока жидкости, то частица будет двигаться, пока не прижмется к противоположной стенке канала статора. Часть частицы, оставшаяся в канале статора, будет выведена из аппарата. Другая часть частицы, оставшаяся в канале ротора, будет подвергаться дальнейшему дроблению при следующем совмещении канала ротора с каналом статора, если наибольший размер частицы будет больше величины зазора. При прохождении частицы через зубья ротора и статора она может не подвергнуться разрушающему воздействию. В этом случае она будет вытолкнута потоком. Выталкивание частицы может произойти как в канал ротора, так и в канал статора, в зависимости от положения частицы. Если частица выталкивается в канал ротора, то возможно ее разрушение при повторном контакте с ротором и статором. Если частица выталкивается в канал статора, то происходит проскок частицы. За счет рециркуляции частица может быть разрушена при следующем прохождении через зубья [94]. Следует отметить, что минимальный размер частиц напрямую зависит от зазора между ротором и статором. Для изучения характера диспергирования в разработанном РПА была проведена серия экспериментов. Эксперименты проводились при следующих условиях: температура - 60 С, соотношение фаз 1:3, частота вращения ротора - 2000 об/мин, начальный размер зерен солода 3-4 мм. В процессе проведения экспериментов, через равные промежутки времени, были сняты показания по изменению размера частиц солода в ходе процесса. По результатам экспериментов (Приложение Б) построен график зависимости размера частиц от продолжительности процесса в аппарате без лопастей и с 8-мью лопастями, представленный на рисунке 4.8.
Похожие диссертации на Разработка и исследование роторно-пульсационного экстрактора для интенсификации процесса затирания при производстве пива
