Материал: Технологии производства пищи

Циклы и способы измельчения

Измельчение - разрушение твердых тел до требуемых размеров. По размеру (крупности) измельченного продукта различают: грубое (300-100 мм), среднее (100-25 мм) и мелкое (25-1 мм) дробление; грубый (1000-500 мкм), средний (500-100 мкм), тонкий (100-40 мкм) и сверхтонкий ( < 40 мкм) помол. Цель дробления - получение кускового продукта необходимой крупности и гранулометрического, или фракционного, состава, подготовка к помолу. Цель помола - увеличение дисперсности твердого материала, придание ему определенных гранулометрич. состава и формы частиц (остроугольные, скатанные, чешуйчатые и т. п.), дезагрегирование. Измельчение. способствует: улучшению однородности смесей (напр., произ-во СК); ускорению и повышению глубины протекания гетерог. хим. р-ций (в произ-ве минер. удобрений, ультрамарина и др.); повышению интенсивности сочетаемых с ним др. технол. процессов (перемешивание, сушка, обжиг, хим. р-ции); снижению применяемых т-р и давлений (напр., при варке стекла); улучшению физ.-мех. св-в и структуры материалов и изделий (твердые сплавы, бетон, керамика, огнеупоры и т. п.); повышению красящей способности пигментов и красителей, активности адсорбентов и катализаторов; переработке полимерных композиций, включающих высокодисперсные наполнители (напр., сажу, слюду, хим. и иные волокна), отходов произ-ва, бракованных и изношенных изделий (резиновые шины, термо- и реактопласты и др.) и т. д. Осн. характеристики процесса: изменение дисперсности; степень Измельчения. - отношение среднего размера кусков (зерен) исходного материала к среднему размеру кусков (зерен, частиц) измельченного продукта; уд. энергетич. затраты (в кВт. ч на 1 т продукта). Главные характеристики продукта И. - гранулометрич. состав (в %) и уд. пов-сть (в см 2/г). Измельчение. может быть сухим (как правило, при грубом и среднем дроблении) и мокрым (часто при мелком дроблении и помоле). Сухое Измельчение. проводят в воздушной среде или в инертных газах (при переработке окисляющихся, пожаро- и взрывоопасных, а также токсичных материалов). Мокрое Измельчение. (исходный материал смешивают с жидкостью, преим. с водой) применяют при обогащении руд методомфлотации, при послед. обработке измельченного материала в виде суспензии (напр., в произ-ве ТiO2), при повыш. влажности материала и наличии в нем комкующих примесей, при необходимости исключить пылеобразование. Измельчение. может осуществляться периодически либо непрерывно. Периодич. процесс применяют при небольших масштабах произ-ва, т. к. он сравнительно малоэкономичен, сопровождается сильными нагреванием (Измельчение. происходит в замкнутом объеме) и агрегированием обрабатываемого материала и дает возможность получать продукт только широкого гранулометрич. состава, содержащий значит. кол-ва мелких и крупных фракций. Непрерывный процесс осуществляют по двум осн. схемам. При работе в открытом цикле, используемом чаще всего для грубого и среднего Измельчения., материал проходит через измельчитель только один раз, не возвращаясь в него, и также характеризуется широким гранулометрич. составом. Наилучшие показатели по качеству продукта, производительности измельчителя и энергетич. затратам достигаются в случае И. в замкнутом цикле с непрерывным отбором тонкой фракции. Тонкое дробление (или помол) производят, как правило, в замкнутом цикле "И. - классификация". В нем материал с размерами кусков больше допустимого предела многократно возвращается в машину на доизмельчение, а целевая фракция отбирается в результате послед. классификации с помощью: 1) грохотов при дроблении, 2) гидравлических либо воздушных сепараторов соотв. при сухом и мокром помоле. При содержании в исходном материале не менее 30-40% требуемого тонкого продукта измельчения. в открытом или замкнутом цикле проводят с предварит. классификацией сырья. При высокой степени измельчения. резко возрастает расход энергии. С целью его снижения процесс осуществляют в неск. стадий (обычно в две, реже в три), направляя материал в установленные последовательно дробилки или мельницы для грубого, среднего и тонкого Измельчения. Для измельчения. используют разл. способы. В пром. измельчителях чаще всего применяют след. виды мех. воздействий: свободный удар, раздавливание, истирание, а также их комбинации. Выбор усилия зависит от крупности и прочности материала. Машины для измельчения. подразделяют на дробилки и мельницы.. Дробление производят в осн. с помощью дробилок четырех типов: щековых, конусных, валковых, роторных. Щековые дробилки служат для грубого и среднего дробления, напр., серного колчедана в произ-ве H2SO4. В них материал раздавливается между неподвижной и подвижной плитами, наз. щеками, рабочие пов-сти к-рых имеют зубчатую форму; расстояние между щеками уменьшается в направлении движения материала. Осн. достоинства: высокая производительность, простота конструкции, широкая область применения (в т. ч. для дробления крупнокусковых материалов большой твердости), компактность, легкость обслуживания; недостатки: периодичность воздействия на материал (только при сближении щек), неполная уравновешенность движущихся масс, что является причиной шума и сотрясений зданий, где работают дробилки.

Осаждение неоднородных систем под действием центробежных сил

Осаждение неоднородных систем под действием центробежных сил называется центрифугированием.

Центробежное поле создается двумя способами:

вращением потока при неподвижном корпусе аппарата (циклонный процесс);

вращением потока вместе с вращением корпуса аппарата (центрифугирование).

По первому способу осаждение жидкости происходит в гидроциклонах. Несмотря на более простое устройство, скорость осаждения в них невелика, а гидравлическое сопротивление более высокое. По указанным причинам степень очистки в гидроциклонах небольшая и они в промышленности используются ограниченно. В данном учебном пособии этот способ не рассматривается.

По второму способу осаждение жидких неоднородных систем происходит под действием центробежных сил в осадительных центрифугах. Осадительные центрифуги применяются для разделения суспензий с концентрацией твердой фазы до 40 % и диаметром частиц 0,005... 10 мкм и для разделения эмульсий. После разделения суспензий образуется осадок с небольшим содержанием жидкости и фугат.

Важной характеристикой центрифуг является отношение центробежного ускорения и2/r к ускорению силы тяжести g, которое равно отношению центробежной силы к силе тяжести данного тела. Это отношение называется фактором разделения:

Кр = w2/rg = щr/g = 4р2n2r/g = 4n2r.

неоднородный химический жидкий осаждение центробежный

Осаждение под действием центробежных сил проводится в барабанах, вращающихся со скоростью щ и имеющих радиус вращения r. Жидкая неоднородная система вводится в барабан снизу. Под действием центробежной силы и силы тяжести свободная поверхность жидкости принимает форму параболоида вращения.

Различают центробежное осветление и центробежное отстаивание.

Центробежное осветление проводится для очистки жидкостей, содержащих небольшое количество твердых частиц (тонкие суспензии, коллоидные растворы). При малой концентрации дисперсной фазы четкой границы между фугатом и осадком нет. По физической сущности центробежное осветление можно рассматривать как свободное осаждение частиц в поле центробежных сил.

Центробежное отстаивание проводится для разделения суспензий и эмульсий. При повышении концентрации твердых частиц в суспензии образуется четкая граница раздела фаз. На первом этапе процесса происходит образование осадка, на втором -- его уплотнение.

Отличием процессов осаждения под действием сил тяжести от центробежных сил является то, что центробежная сила не постоянна по сечению барабана: она увеличивается с увеличением радиуса вращения. Кроме того, в отстойниках частицы проходят через постоянные поперечные сечения аппарата, а в центрифугах -- через возрастающие по радиусу поперечные сечения кольцевого слоя.

Теория конвективного теплообмена

Теория конвективного теплообмена позволяет определить коэффициенты теплоотдачи для подобных случаев теплообмена путем обобщения экспериментальных данных. Для этого применяются критериальные числа подобия:

Теплоотдающей поверхностью в опытах по определению коэффициента теплоотдачи конвективного теплообмена служит поверхность металлической трубы.

Внутри трубы, установленной на стойках, находится электрический нагреватель, мощность которого регулируется автотрансформатором и измеряется ваттметром. Мощность нагревателя W в условиях стационарного теплового режима равна полному тепловому потоку Qполн с поверхности нагретой трубы в окружающую среду.

Применение теории подобия позволяет обобщить результаты экспериментальных исследований теплоотдачи в виде критериальных уравнений для конкретного класса явлений. Критериальные уравнения подобия теплоотдачи устанавливают зависимость критерия Нуссельта от определяющих критериев (Pr,Gr). Как правило, эти уравнения представляются в виде степенных функций. В условиях свободной конвекции критериальное уравнение имеет вид:

ж = с ( Grж Prж ) n.

Эмпирические коэффициенты c и n, входящие в уравнение, определяются путем статистической обработки многочисленных экспериментальных данных. Для теплоотдачи с поверхности горизонтальной трубы при свободной конвекции в диапазоне величин 510 2 Grж Prж 210 7 эти коэффициенты имеют постоянные значения :

c = 0,5 ; n = 0,25,

а критериальное уравнение теплоотдачи принимает следующий вид:

ж = 0,5 ( Grж Prж ) 0,25.

Практическое использование эмпирических уравнений подобия заключается в нахождении коэффициентов теплоотдачи по значению ж, вычисленному из критериального уравнения для данного класса явлений.

Понятие термодиффузии

Движение влаги под действием только градиента влагосодержания называют диффузией. Под этим общим термином подразумеваются различные виды молярного и молекулярного переноса свободной и связанной жидкости,-- в зависимости от вида тел и форм связи влаги с материалом различают: капиллярную диффузию и пленочное движение, а также концентрационную и избирательную диффузии.

При малом влагосодержании тела и (или) при интенсивном подводе тепла возникает температурный градиент. Движение влаги под действием температурного градиента называют термодиффузией.

Этот термин объединяет следующие виды переноса жидкости и пара: капиллярную термодиффузию жидкости, термодиффузию пара, неизотермическое пленочное движение жидкости и тепловое скольжение жидкости и пара.

При температуре тела более 100 °С (и при меньшей, если тело нагревается изнутри -- при сушке в электромагнитном поле) интенсивное парообразование приводит к тому, что парциальное давление насыщенного пара становится больше барометрического давления окружающего воздуха.

В процессах диффузии, термодиффузии и при наличии градиента давления пар перемещается от участков с большими влагосодержанием, температурой, давлением к участкам с меньшими значениями параметров -- в направлении, противоположном вектору соответствующего градиента.

Особенности влагопереноса в различных телах. В капиллярно-пористых телах влага в основном связана в макро- и микрокапиллярах, но имеется также незначительное количество адсорбционной влаги.

Коэффициент диффузии капиллярно-пористого тела возрастает с увеличением влагосодержания и температуры тела. Относительный коэффициент термодиффузии капиллярно-пористого тела зависит от влагосодержания и температуры, причем характер кривых kKn(U) определяется видом влагопереноса. Для большинства тел он увеличивается с повышением влагосодержания, достигает наибольшего значения, затем остается постоянным или уменьшается. Для типичных коллоидных тел характерны адсорбционная, осмотическая связи и связь влаги в микрокапиллярах, средний радиус которых того же порядка, что и размер молекул и мицелл коллоидного тела. Коэффициент диффузии типичного коллоидного тела зависит от влагосодержания: с повышением влагосодержания он несколько увеличивается, достигает некоторого максимума, затем уменьшается. Относительный коэффициент термодиффузии коллоидных тел /гтк зависит от влагосодержания и температуры. Зависимость kTV.(U) имеет четко выраженный максимум, положение которого определяет границу между адсорбционной и осмотической связями влаги. С повышением температуры kJK уменьшается.

Осмотически связанная влага легко удаляется лишь с поверхности типичного коллоидного тела. Движение ее внутри тела замедленно, так как на пути к поверхности она преодолевает многочисленные стенки клеток или, оказавшись в межклеточном пространстве, движется как влага микрокапилляров. Попытки интенсифицировать процесс сушки приводят к образованию поверхностной корки: наружные слои быстро обезвоживаются, дают сильную усадку, роговеют, теряют способность пропускать влагу. По этим причинам сушку типичных коллоидных тел следует проводить при умеренных градиентах влагосодержания и температуры.