Описание и анализ аппаратов проектируемого процесса

Перемешивание жидких сред осуществляют несколькими спо­собами: пневматическим, циркуляционным, статическим и меха­ническим при помощи мешалок. [1]

Пневматическое перемешиваниепроизводят при помощи сжато­го газа (в большинстве случаев воздуха), пропускаемого через слой перемешиваемой жидкости. Для равномерного распределения в слое жидкости газ подается в смеситель через барботер, который представляет собой ряд перфорированных труб, расположенных у днища смесителя по окружности или спирали.

В некоторых случаях перемешивание осуществляют при помо­щи эжекторов.

Интенсивность перемешивания определяется количеством газа, пропускаемого в единицу времени через единицу свободной поверхности жидкости в смесителе.

Пневматическое перемешивание применяют редко, в случаях, когда допускается взаимодействие перемешиваемой жидкости с газом.

Циркуляционное перемешивание осуществляют при помощи на­соса, перекачивающего жидкость по замкнутой системе смеси­тель – насос – смеситель.

Интенсивность циркуляционного перемешивания зависит от кратности циркуляции, то есть отношения подачи циркуляционного насоса в единицу времени к объему жидкости в аппарате. Иногда вместо насосов применяют паровые инжекторы.

Статическое смешивание жидкостей невысокой вязкости, а так­же газа с жидкостью осуществляют в статических смесителях за счет кинетической энергии жидкостей или газов.

Статические смесители устанавливают в трубопроводах перед реактором или другой аппаратурой либо непосредственно в реак­ционном аппарате.

Простейшие статические смесители – устройства с винтовыми вставками различной конструкции.

На рисунке 2.1, а представлена конструкция цилиндрического статического смесителя, предназначенного для перемешивания газа и жидкости, с вставными элементами, которые представляют собой разнозакрученные пластины из нержавеющей стали, уста­новленные последовательно встык в корпусе смесителя. Геометрия отдельного элемента определяется углом и направлением за­кручивания, а также соотношением диаметра и длины. Число ус­тановленных элементов зависит от вязкости, а также от соотноше­ния вязкостей смешиваемых жидкостей: чем выше вязкость и раз­личие в вязкости жидкостей, тем больше устанавливают элемен­тов.

а – цилиндрический с вставными элементами(1 – фланец; 2 – корпус; 3 – смешивающие элементы); б – эмульсор

Рисунок 2.1 – Статические смесители

Статические смесители используют также для получения эмульсий. На рисунке 2.1, б изображен вихревой эмульсор для по­лучения эмульсии жирофосфатидной смеси в обезжиренном мо­локе (заменитель цельного молока). Вихревой эмульсор обеспе­чивает высокую эффективность эмульгирования при давлении 0,3...0,36 МПа, прост в изготовлении и эксплуатации. Принцип его действия заключается в использовании эффекта центробеж­ной форсунки при каскадном истечении жидкости. Получаемая эмульсия с частицами размером до 3 мкм не расслаивается в те­чение 24 часов.

Механическое перемешиваниеприменяют для интенсификации гидромеханических процессов (диспергирования), тепло- и массообменных, биохимических процессов в системах жидкость – жидкость, газ – жидкость и газ – жидкость – твердое тело при помощи различных перемешивающих устройств – мешалок. Ме­шалка представляет собой комбинацию лопастей, насаженных на вращающийся вал.

Все перемешивающие устройства, применяемые в пищевых производствах, можно разделить на три группы: лопастные; тур­бинные и пропеллерные; специальные – винтовые, шнековые, ленточные, рамные, ножевые к другие, служащие для перемеши­вания пластичных и сыпучих масс.

По частоте вращения рабочего органа перемешивающие уст­ройства делятся на тихо- и быстроходные.

Лопастные (в соответствии с рисунком 2, а, б), ленточные, якорные и шнековые мешалки относятся к тихоходным: частота их вращения составля­ет 30...90 мин^-1, окружная скорость на конце лопасти для вязких жидкостей 2...3 м/с.

Достоинствами лопастных мешалок являются простота устрой­ства и невысокая стоимость. К недостаткам относится создавае­мый слабый осевой поток жидкости, что не обеспечивает полного перемешивания во всем объеме смесителя. Усиление осевого по­тока достигается при наклоне лопастей под углом 30 ºС к оси вала.

Якорные мешалки имеют форму днища аппарата, их применя­ют для перемешивания вязких сред. Эти мешалки при перемеши­вании очищают стенки и дно смесителя от налипающих загрязне­ний.

Шнековые мешалки имеют форму винта, их применяют, как и ленточные, для перемешивания вязких сред.

а – трехлопастная; б – двухлопастная; в – пропеллерная; г – открытая турбинная; д – открытая турбинная с наклонными лопастями; е – закрытая турбинная

Рисунок 2.2 – Типы мешалок

К быстроходным относятся пропеллерные и турбинные мешал­ки: частота их вращения составляет 100 – 3000 мин^-1 при окруж­ной скорости 3 – 20 м/с.

Пропеллерные мешалки (рисунок 2.2, в) изготовляют с двумя или тремя пропеллерами. Они обладают насосным эффектом и созда­ют интенсивную циркуляцию жидкости. Их применяют для пере­мешивания жидкостей вязкостью до 2 Па ·с.

Турбинные мешалки (рисунок 2.2, г, д, ё) изготовляют в форме колес турбин с плоскими, наклонными и криволинейными лопас­тями. Они бывают открытого и закрытого типа. Закрытые мешалкиимеют два диска с отверстиями в центре для прохода жидкости. Для одновременно­го создания радиального и осевого потоков применяют турбинные мешалки с наклон­ными лопастями, которые обеспечивают интенсивное перемешивание во всем рабо­чем объеме смесителя. Для уменьшения кругового движения жидкости и образова­ния воронки в смесителе устанавливают отражательные перегородки.

Турбинные мешалки применяют для пе­ремешивания жидкостей вязкостью до 500 Па·с, а также грубых суспензий.

Основные элементы типового смесителя с перемешивающим устройством – корпус с крышкой, привод и мешалки (в соответствии с рисунком 2.3).

1 – привод; 2 – стойка привода; 3 – уплотнение; 4 – вал; 5 – корпус; 6 – рубашка; 7 – отражательная перегородка; 8 – ме­шалка; 9 – труба.

Рисунок 2.3 – Смеситель с мешалкой

Наиболее широко применяют выносной электрический привод с вертикальным валом. Бывают также приводы с горизонтальным и боковым расположением вала. Возможно верхнее и нижнее рас­положение вертикального привода по отношению к смесителю.

Вал перемешивающего устройства соединяется с валом редук­тора чаще всего продольно-разъемной или зубчатой муфтой. В первом случае опорой вала является подшипник редуктора. При работе мешалки возникают крутящие колебания вследствие дина­мических нагрузок на консольный конец вала. Для устранения ко­лебаний и повышения надежности в реакторах обычно устанавли­вают концевой или промежуточный подшипник.

Для уплотнения вращающихся валов с целью создания герме­тичности применяют сальники с мягкими и твердыми набивками. На рис. 4 показан охлаждаемый сальник, в котором сальнико­вое устройство одновременно служит подшипником скольжения для вала мешалки. В середине сальниковой набивки имеется сма­зочное кольцо, обеспечивающее подвод смазки по всему перимет­ру вала. Теплота отводится охлаждающей жидкостью, подаваемой в рубашку.

Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: собственно мешалки, вала и привода. Мешалка является рабочим элементом устройства, закрепляемым на вертикальном, горизонтальном или наклонном валу. Привод может быть осуществлен либо непосредственно от электродвигателя (для быстроходных мешалок), либо через редуктор или клиноременную передачу. По устройству лопастей различают мешалки лопастные, листовые, пропеллерные, турбинные и специальные. По типу создаваемого мешалкой потока жидкости в аппарате различают мешалки, обеспечивающие преимущественно тангенциальное, радиальное и осевое течения. При тангенциальном течении жидкость в аппарате движется преимущественно по концентрическим окружностям, параллельным плоскости вращения мешалки. Перемешивание происходит за счет вихрей, возникающих на кромках мешалки. Качество перемешивания будет наихудшим, когда скорость вращения жидкости равна скорости вращения мешалки.

Перемешивание сыпучих материалов.

Для перемешивания сыпучих материалов с целью получения сухих смесей, например сухих соков, молочных смесей и другого, в пищевых производствах используют смесители, работающие в других отраслях промышленности, или смесители, специально сконструированные для смешивания материалов, различающихся гранулометрическим составом, плотностью, прочностью, физи­ческим состоянием и другими свойствами.

Как правило, смесители классифицируют по принципу дей­ствия, скоростным характеристикам и конструктивным призна­кам. По принципу действия все смесители могут быть разделены на смесители непрерывного и периодического действия. Смесите­ли периодического действия можно разделить на барабанные, ленточные, бегунковые, центробежные, с вращающимся ротором, червячно-лопастные, плунжерные, пневмосмесители и смесители с псевдоожиженным слоем; смесители непрерывного действия – на барабанные, червячно-лопастные, роторные и другие.

По скоростным характеристикам смесители делятся на скорост­ные и тихоходные.

Скоростные смесители бывают одно- и двухступенчатыми. Одна ступень может быть обогреваемой, а другая – охлаждаемой. В зависимости от конструкции ротора смесители делятся на лопа­стные (турбинные), волчковые, дисковые и шнековые.

Общий вид двухступенчатого центробежного турбосмесителя показан на рисунке 2.4. Такой смеситель применяют при смешива­нии порошкообразных, вязких и жидких материалов. Первая сту­пень служит для гомогенизации смеси, вторая – для ее охлажде­ния. Для улавливания пыли на крышке смесителя установлен ру­кавный фильтр. В смесителе вращается скоростной комбиниро­ванный ротор, состоящий из трехлопастной мешалки и комбинации ножей (рисунок 2.5).

Готовая охлажденная смесь выгружается через нижний затвор, управляемый пневмоцилиндром. Смесительные роторы приводят­ся во вращение от электродвигателей через ременную передачу.

1 – электродвигатель; 2 – ротор; 3 – обогреваемая рубашка; 4 – дефлектор; 5 – фильтр; 6 – поворотная крышка; 7 – переточное устройство; 8 – охлаждаемые сегменты;9 – перемешивающее устройство

Рисунок 2.4 – Комбинируемый турбосмеситель

Рисунок 2.5 – Рабочий орган турбосмесителя

Принцип действия смесителей с псевдоожиженным слоем ос­нован на псевдоожижении смешиваемых материалов быстровращающимся ротором. Частота вращения рабочего органа смесите­лей разных моделей и вместимостей 300 – 3000 мин^-1. [1]

При вращении рабочего органа материал отбрасывается к стен­ке смесителя и перемещается вверх, при этом образуется циркуля­ционный контур. Восходящий поток материала вдоль стенок пре­пятствует налипанию влажного материала на стенку. Рабочий орган выполнен таким образом, чтобы не образовывались застой­ные зоны. Его конструкция обеспечивает самоочищение лопаток ротора. Как правило, рабочий орган состоит из двух- или трехряд­ных ножевых лопастей, горизонтальных или загнутых вверх.

Тихоходные смесители (ленточные, лопастные, шнековые и с псевдоожиженным слоем) для смешивания сыпучих и влажных материалов имеют цилиндрическую или корытообразную форму и закрываются с торцов и сверху крышками. Внутри корпуса смеси­теля расположен вал с плоскими ленточными спиральными лопа­стями. Для интенсивного перемешивания материалов лопасти вы­полнены с левой и правой навивкой. В ленточных смесителях большой вместимости смесительный элемент состоит из четырех лент. Окружная скорость наружной ленты 1,2 м/с. Привод вала осуществляется через клиноременную передачу.

На рисунке 2.6 показан спаренный планетарно-червячный смеси­тель, предназначенный для смешивания зернистых материалов с частицами диаметром не более 10 мм. Он состоит из конического корпуса, внутри которого расположен наклонный червяк, вращаю­щийся одновременно вокруг собственной оси и вокруг конического корпуса смесителя при помощи водила. Смешиваемые материалы червяком перемещаются вверх, а затем падают под действием гра­витационной силы. Смеситель обеспечивает хорошее смешивание при небольшом расходе энергии. Частота вращения червяка 60 мин^-1, водила 1,58 мин^-1. Корпус смесителя закрыт общей крышкой, на которой установлены приводы червяков и водила.

Смесители, принцип действия которых основан на псевдоожи­жении зернистых материалов газовым потоком, применяют для усреднения больших партий. Смеситель представляет собой вер­тикальный цилиндрический корпус с коническим днищем и крышкой. В нижнюю часть днища вмонтированы сопла, которые соединяются с коллектором подачи сжатого газа. Материал загру­жается через загрузочные клапаны, расположенные на крышке, а выгружается через разгрузочный клапан, расположенный в ниж­ней части днища.

Смешивание происходит за счет импульсной подачи сжатого газа при давлении до 3 МПа в камеру смешения. При подаче сжа­того газа образуются турбулентные пылегазовые потоки, направ­ленные по восходящей спирали в периферийной кольцевой зоне смесителя и по нисходящей – в центральной цилиндрической зоне. В результате движения частиц материала по пересекающимся траекториям происходит его перемешивание. Технологический газ, очищенный от пыли в циклоне или фильтре, поступает на сжатие в компрессор.

1-привод; 2-конический корпус; 3-перемешивающее устройство

Рисунок 2.6 – Общий вид смесителя - усреднителя с планетарным шнековым перемешивающим устройством

При перемешивании тестообразных масс, в частности при за­месе теста для хлебобулочных, кондитерских и макаронных изде­лий, фарша, творога и другого, происходит смешивание различных компонентов. Одновременно полученная смесь при этом разми­нается, насыщается воздухом и приобретает определенные свой­ства.

В пищевой технологии смешивание проводят в аппаратах пе­риодического действия, снабженных специальными перемешива­ющими устройствами – рамными, шнековыми, ленточными и другими мешалками. Аппараты могут быть оборудованы месильным устройством с вертикальной или горизонтальной осью.

Для обработки эластично-упругих масс, например пшеничного теста, применяют смесители с двумя месильными устройствами, вращающимися навстречу друг другу с разной частотой. [1]

Для перемешивания мало- и высоковязких кондитерских масс – вафельного теста, вафельной начинки, бисквитного, пе­сочного теста, а также смешения кондитерских масс с сыпучими компонентами (кексовое тесто с изюмом, белково-сбивная масса с орехами) применяют смесители корытообразной формы с распо­ложенными в них двумя спиральными рабочими месильными органами, вращающимися в разные стороны. Высокая интенсив­ность смешения достигается проведением процесса в тонком слое.

1 – основание; 2 – привод; 3 – месильная емкость

Рисунок 2.7 – Тестомесильная машина

Тестомесильная машинасостоит из передвижной дежи, месиль­ного устройства, привода и станины с плитой для крепежа меха­низмов (рисунок 2.7).

Дежу крепят на трехколесной тележке. Для замеса теста ее подка­тывают к станине, на которой укреплено месильное устройство. Оно опускается в дежу, включается привод, и происходит замес теста. Пос­ле замеса месильное устройство поднимается и дежа откатывается.

Месильное устройство представляет собой два рычага: корот­кий прямой и длинный изогнутый. При замесе тесто вращается вместе с дежой, равномерно перемешивается мешалками и при этом насыщается воздухом.