Publication text
(PDF):
Read
Download
Введение Одним из процессов, широко используемых в пищевой промышленности, является диспергирование - сокращение крупности исходного сырья до размеров частиц, соответствующих технологии переработки или до потребительских размеров. Процесс диспергирования растительного сырья характеризуется значительными затратами подво- димой энергии, что обусловлено высокой струк- турной прочностью и анизотропией свойств. Высо- кая прочность растительного сырья связана с осо- бенностями морфологического строения расти- тельной ткани, обусловлена наличием твердой не- растворимой клеточной стенки, состоящей главным образом из целлюлозы, погруженной в полисаха- ридный матрикс из гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Целлюлозный каркас обеспечивает проч- ностные свойства растительной ткани, а полисаха- ридный матрикс - ее упругие свойства. Любой процесс разрушения (образования новой поверхности в твердом теле), независимо от пере- рабатываемого сырья, характеризуется очень низкой энергетической эффективностью. Согласно теории П.А. Ребиндера, в поверхностную энергию преобразуется только избыток энергии упругой деформации, накопленной материалом, отсюда КПД процесса составляет менее 1 % [1]. Одним из путей интенсификации разрушения твердых тел является осуществление процесса в среде жидко- сти, причем для пищевых материалов таковой в наилучшем случае является вода и ее растворы. При этом эффективность процесса повышается за счет механоактивирующего действия воды в дис- персных системах, подвергаемых обработке. Влия- ние концентрации влаги в растительных дисперс- ных системах велико. При насыщении водой сни- жается прочность адгезионного взаимодействия растительных структур. Вода повышает подвиж- ность связей, снижает энергию поверхностных вза- имодействий, замещая более прочные межмолеку- лярные связи в биополимерах водородными [2]. При таком понижении адгезионной прочности це- лесообразно получать пюреобразные стерилизо- ванные продукты с заданной концентрацией сухих веществ, минуя стадию высушивания с целью кон- сервации или же низкотемпературного хранения. Кроме того, измельчение растительной клетчатки является непростой технологической проблемой. Целлюлоза (клетчатка) и пектиновые вещества от- носят к классу веществ, которые в настоящее время принято назвать пищевыми волокнами, они долж- ны обязательно входить в рацион питания человека в качестве компонента. Клетчатку также называют грубыми пищевыми волокнами, а пектиновые ве- щества - мягкими. Перспективным оборудованием для дисперги- рования растительного сырья в жидкой среде яв- ляются аппараты роторно-пульсационного типа (РПА), которые позволяют проводить процесс в условиях интенсивной гидромеханической актива- ции. Несмотря на распространенность РПА и их высокую эффективность, они обладают весьма су- щественным недостатком - большим энергопотреблением. Но вопросу энергетических затрат на процессы, протекающие в РПА, по настоящее вре- мя внимания уделялось недостаточно. Большинство представленных в литературе подходов к определению мощности либо матема- тически сложны, либо содержат значительное ко- личество экспериментально определяемых пара- метров, зачастую требующих применения доста- точно специализированных средств измерения вхо- дящих в них величин. Это делает затруднительным их использование при проведении инженерных расчетов [3]. В работе [4] автором предложена ме- тодика определения удельных затрат без значи- тельного количества конструктивных и режимных параметров работы аппарата по заданным техниче- ской характеристикой значениям производительно- сти и физико-механическим свойствам обрабатыва- емого материала - вязкостью и плотностью. Во многих работах [5, 6, 7], в балансе энергети- ческих затрат процессов, протекающих в РПА, включены затраты мощности на измельчение, но их относят к диссипативным потерям, а полезными считают затраты энергии на приведение материала в движение, создание напора, нагрев обрабатывае- мой среды. То есть РПА рассматривается главным образом как насос или нагнетатель. Процесс раз- рушения частиц дисперсной фазы в РПА весьма сложен, он может протекать в двух режимах: сдви- говом и кавитационном. Несмотря на то, что кави- тация является фактором, значительно интенсифи- цирующим процесс диспергирования, для пищевой промышленности работа аппарата в таком режиме не может являться приемлемой из-за жестких тре- бований к безопасности пищевых продуктов в от- ношении содержания металлических примесей. Поскольку при возникновении кавитационных яв- лений протекают процессы эрозийного разрушения рабочих органов [8], частицы материала рабочих органов попадают в конечный продукт. Исследова- телями отмечалось, что эффективная работа дис- пергатора возможна в режиме высоких сдвиговых деформаций [9] без кавитационных явлений. Для расчета оборудования для измельчения необходимо связывать затраты энергии с параметрами, характе- ризующими процесс измельчения, в первую оче- редь со степенью измельчения материала - главной количественной характеристикой процесса. Целью исследования является изучение работы РПА с позиции распределения энергии, определе- ние энергии, затраченной непосредственно на раз- рушение частиц дисперсной фазы в жидких дис- персных системах, содержащих пищевые волокна, изучение влияния параметров работы РПА на сте- пень измельчения. Объекты и методы исследований Для исследования процессов измельчения дисперсных систем, содержащих в своем составе пи- щевые волокна, была спроектирована, изготовлена и смонтирована экспериментальная установка, принципиальная схема которой представлена на рис. 1. В состав установки входят: роторно-пульса- ционный аппарат, циркуляционная емкость, система соединительных трубопроводов с запорной ар- матурой. На линии подачи продукта из РПА в цир- куляционную емкость установлен ротаметр для контроля объемного расхода. Для пуска установки в работу и регулирования предназначен пульт управления, в состав которого входят: преобразова- тель напряжения, пусковая аппаратура, лаборатор- ный автотрансформатор и измерительный комплект К-505 для измерения потребляемой установки мощности. а б Рис. 1. Экспериментальная установка: а - принципиальная схема установки: 1 - РПА, 2 - циркуляционная емкость, 3 - ротаметр, 4 - пульт управления; б - рабочие органы аппарата Исследование процесса измельчения проводили при обработке модельной смеси, представляющей собой дисперсную систему (суспензию), дисперс- ную фазу которой составляет мезга моркови со средним размером частиц 0,7 мм и массовой кон- центрацией 5 %. Зазор между ротором и статором при этом сохранялся постоянным и составлял 1 мм. Полученной суспензией заполняли циркуляци- онный контур установки, необходимая частота вращения ротора устанавливалась при помощи лабораторного автотрансформатора. Отбор проб для микроскопического анализа размера частиц дис- персной фазы осуществляли при достижении тре- буемой кратности обработки. Частота вращения вала электродвигателя опре- делялась тахометром часового типа. Объемный расход определяли при помощи поплавкового ро- таметра LZM-20G производства компании Yuyao Kingtai Instrument Co. Ltd. Размер частиц мезги моркови определяли микроскопированием с ис- пользованием цифрового оптического микроскопа Bresser LCD и обработкой полученных микрофо- тографий с помощью программного обеспечения J Micro Visionv 1.27. Мощность, потребляемая аппаратом, определялась при помощи ваттметра, входящего в состав измерительного комплекта К-505. Результаты и их обсуждение Выделим основные виды энергозатрат в РПА. При обработке жидких дисперсных систем с твер- дой фазой в РПА полезно затрачиваемой энергией является работа на разрушение частиц дисперсной фазы, так как он является диспергатором по своему технологическому предназначению. Кроме того, значительная энергия затрачивается на перемеще- ние обрабатываемой среды через аппарат и нагрев обрабатываемого материала. Энергию, затрачиваемую на разрушение частиц дисперсной фазы в РПА WР, Дж, можно предста- вить в следующем виде Wр = Wо - (WП + WК) - Wт, (1) где WО - полная энергия, Дж; WП - работа, затрачиваемая на создание напора, Дж; WК - работа, затрачиваемая на сообщение потоку среды скорости, Дж; WТ - комплексные затраты энергии, выражен- ные нагревом среды, Дж. Энергия, затрачиваемая на создание напора WП, Дж, определяется по формуле WП = ∆П = (Рвых - Рвх) /ρg, (2) где ∆П - изменение потенциальной энергии потока среды; Рвых - давление в выходном патрубке аппа- рата, м; Рвх - давление во входном патрубке аппа- рата, м. Энергия, затрачиваемая на сообщение потоку обрабатываемой среды скорости WК, Дж, определя- ется по формуле Wк= ∆К = Нsс - Нsр, (3) где ∆К - изменение кинетической энергии потока среды; Нsс- скоростной напор в зоне между стато- ром и корпусом аппарата, Нsр - скоростной напор в полости ротора. Энергетические затраты на нагрев среды пред- ставим в следующем виде WТ = сpVΔt, (4) где с - удельная теплоемкость среды, кДж/(кг∙°С); ρ - плотность среды, кг/м3; ∆t - изменение темпе- ратуры среды при обработке, °С. Коэффициент полезного действия процесса раз- рушения η, %, определяется по формуле Т = Wр Wо ∙ 100%. (5) ханическую энергию, и ее механоактивация при установленных параметрах работы РПА завершена. В дальнейшем потребляемая мощность затрачива- Приняв, что потери в электродвигателе, приводном механизме и внутренние потери будут одинаковы как при работе аппарата под нагруз- кой при обработке дисперсной системы, так и при работе аппарата, заполненного водой, не со- держащей каких-либо частиц, затраты мощности на разрушение дисперсной фазы представим в следующем виде ется только на создание напора и перемещение об- рабатываемой среды через аппарат. На рис. 3 пред- ставлены графики зависимости температуры обра- батываемой среды в циркуляционной емкости в зависимости от кратности обработки. об об Wр = Wпр - Wв , (6) пр где W об - общие затраты энергии при обработке об дисперсной системы, Дж; Wв - общие затраты энергии при работе аппарата, заполненного водой, Дж. В качестве параметра, характеризующего про- должительность воздействия РПА на обрабатывае- мый материал, целесообразно использовать крат- ность обработки, представляющую собой количе- ство циклов, которое проходит объем материала через аппарат за определенный промежуток време- ни при заданной производительности и времени обработки. Кратность обработки Ко определяется следующим выражением: о К = Qт, (7) Vс где Q - объемный расход обрабатываемого продукта через аппарат, м3/с; т - время обработки, с; Vс - объем обрабатываемого продукта, м3. Предварительные эксперименты показали, что экспериментальный РПА достигает кавитационно- го режима при 1800-1900 об/мин. В этой связи определение потребляемой мощности проводили при постоянной частоте вращения ротора аппарата n = 1560 об/мин. Снятие показаний ваттметра про- изводили с интервалом 60 секунд. В дальнейшем показания времени были пересчитаны в кратность обработки в соответствии с формулой (7). На рис. 2 представлены графики зависимости потребляемой аппаратом мощности при работе ап- парата с водой, не содержащей посторонних включений - чистой жидкостью (кривая 2), с модельной смесью - суспензией с заданной концентрацией дисперсной фазы (кривая 1) и мощности, затрачи- ваемой на измельчение (кривая 3) в зависимости от кратности обработки при фиксированной частоте вращения ротора. При работе аппарата с модельной смесью затра- ты мощности линейно убывают при кратности об- работки в диапазоне от 0 до 100. При Ко > 100 за- траты мощности остаются постоянными, при этом процесс измельчения частиц дисперсной фазы пре- кращается и дальнейшее увеличение степени из- мельчения возможно при увеличении частоты вра- щения ротора. При работе аппарата с чистой водой стационар- ный режим работы аппарата достигается при крат- ности обработки более 40. Предположительно, чистая жидкость больше не поглощает внешнюю ме- Рис. 2. Зависимость мощности, потребляемой РПА, от кратности обработки: ■, ●,▲ - экспериментальные данные; ▬ аппроксимация; ■ - затраты мощности при работе аппарата с модельной смесью; ● - затраты мощности при работе аппарата с водой; ▲ - затраты мощности на измельчение дисперсной фазы Рис. 3. Зависимость температуры обрабатываемой среды от кратности обработки Из графиков на рис. 3 видно, что зависимость изменения температуры при работе с чистой водой и модельной смесью имеет одинаковый характер, что говорит о незначительном вкладе вязкости мо- дельной смеси (при используемой массовой кон- центрации) на затраты энергии на процесс переме- щения модельной смеси через аппарат. При обра- ботке модельной смеси затрачиваемая мощность с увеличением кратности обработки снижается главным образом за счет уменьшения размеров частиц дисперсной фазы. На рис. 4 представлена графическая зависи- мость КПД процесса диспергирования η, %, от кратности обработки модельной смеси в РПА. Рис. 4. Зависимость КПД процесса разрушения от кратности обработки модельной смеси в РПА Анализ графика показывает, что до кратности 40 процесс протекает нестационарно, что может быть пояснено одновременностью механоактива- ции дисперсионной среды и диспергированием дисперсной фазы. В дальнейшем диспергирование продолжается, и одновременно формируется струк- тура дисперсной системы на молекулярном уровне. Главным технологическим параметром для оценки работы и расчета диспергаторов является степень измельчения i, представляющая собой от- ношение среднего характерного размера частиц до и после измельчения. Для технологического расчета оборудования необходимо знать характер зависимости степени измельчения от продолжительности обработки. Определение размера частиц дисперсной фазы модельной смеси осуществляли с использованием программного обеспечения J Micro Vision 1.27. Ча- стицы дисперсной фазы модельной жидкости пред- ставляют собой тонкие хлопья различной формы и длины, поэтому в качестве параметра, характери- зующего размер частиц дисперсной фазы, исполь- зовался эквивалентный цилиндрический диаметр dэкв, мм, что позволит применять полученные дан- ные при дальнейших технических расчетах. Для проведения микроскопирования проводи- ли отбор проб исследуемой модельной смеси до обработки и при обработке с кратностью 32,5; 65; Микрофотографии получали при увеличении в 40 раз. Размер микрофотографий - 3264 2448 пикселей, разрешение - 72 пикселя/дюйм. Для перехода к физическим единицам измерения осуществлялась калибровка с использованием объекта-микрометра. На рис. 5 представлены микрофотографии ча- стиц дисперсной фазы модельной смеси при различной кратности обработки. а б в г Рис. 5. Микрофотографии частиц дисперсной фазы при различной кратности обработки в РПА: а - до обработки; б - Ко = 32,5; в - Ко = 65; г - К = 130 В результате обработки данных анализа микрофотографий в среде MS Excel были построены гистограмы распеределения частиц дисперсной фазы по размерам, представленные на рис. 6. дисперсной фазы составляет 0,26 мм, степень измельчения - 2,70. После 65 циклов обработки модельная смесь становится более гомогенной, содержание частиц размером до 0,10 мм составляет 94 %, средний размер частиц - 0,13 мм, степень измельчения - 5,46. После 130 циклов средний размер частиц дисперсной фазы составляет 0,12 мм, степень измельчения - 5,90. В диапазоне изменения кратности обработки с 65 до 130 не происходит значительного повышения а гомогенности модельной смеси и уменьшения среднего размера частиц, и, учитывая результаты определения мощности затрачиваемой на измель- чение, рационально прекратить процесс измельче- ния при Ко = 100, поскольку в дальнейшем процесс измельчения частиц дисперсной фазы не протекает, о чем говорит прямой участок на кривой 3 (рис. 2). Дальнейшего увеличения степени измельчения возможно достичь за счет увеличения градиента скоростей, которое достигается главным образом увеличением частоты вращения ротора. Для определения рациональных режимов работы б роторных диспергаторов необходимо иметь пред- ставление об удельных затратах энергии, затрачиваемой на измельчение единичного объема обрабатыва- емой дисперсной системы, в зависимости от степени измельчения и кратности обработки. Энергоемкость процесса диспергирования Э, кВт· ч / кг, с учетом степени измельчения i опре- деляют по формуле [10] Э = Nд , (8) Q∙i где Nд - затраты мощности на диспергирование, Вт; Q - производительность диспергатора, кг/ч. в В то же время полезная мощность затрачивается не только на измельчение дисперсной фазы, но и на изменение физико-механических свойств обрабатываемого продукта и структурообразование устойчивой дисперсной системы. Выразив производительность РПА из формулы пр (7) и приняв, что Nд = Wр = Wоб в Wоб , представим интегральные затраты энергии на диспергирование и образование устойчивой дисперсной си- стемы Nи, кВт· ч/м3 следующим образом: об об (Wпр -Wв ∙т Nи = . (9) К ∙V ∙i г о с Рис. 6. Гистограммы дисперсной фазы при разной кратности обработки Ко: а - до обработки; б - Ко = 32,5; в - Ко = 65; г - Ко = 130 Модельная смесь до обработки в РПА представляет собой полидисперсную систему, в которой присутствует 33,4 % частиц с размером более 1,00 мм. Средний размер частиц составляет 0,71 мм. После 32,5 циклов обработки содержание частиц с размером до 0,10 мм увеличивается приблизительно в два раза и состаляет 75 %, средний размер частиц После проведения расчета по формуле (9) для известных значений кратности обработки и соот- ветствующей ей степени измельчения получено следующее аппроксимирующее выражение: y = 1809,3x-1,064, с величиной достоверности R2 = 0,98. На рис. 7 представлена зависимость интеграль- ных затрат энергии на диспергирование и форми- рование дисперсной системы от кратности обра- ботки. Наиболее эффективно процесс диспергирования протекает до определенного значения кратности обработки, после которого дальнейшее увеличение времени работы аппарата при данной частоте вра- щения ротора не проводит к значительному приро- сту степени измельчения, поскольку количество по- лезно затрачиваемой мощности снижается, и про- цесс диспергирования практически прекращается. Рис. 7. Зависимость интегральных затрат энергии на диспергирование в РПА от кратности обработки По результатам проведенных экспериментов и их анализа можно сделать следующие выводы: предлагаемый подход к определению удель- ных энергозатрат связывает затраты полезной мощности на диспергирование с характеристиками процесса - кратностью обработки и степенью измельчения; с целью сокращения непроизводительных за- трат энергии на диспергирование гетерогенных систем рациональным будет проведение процесса в несколько этапов при различной частоте враще- ния ротора, необходимо для каждого материала определять время (либо кратность обработки), при котором процесс становится неэффективным по предложенной авторами методике; проведенные эксперименты показали, что в промышленных установках целесообразно исполь- зовать насосы, компенсирующие затраты энергии РПА на создание скоростного напора, что повысит эффективность РПА как диспергатора; предлагаемый подход к определению затрат мощности на измельчение частиц дисперсной фазы включает в себя параметры, легко доступные для непосредственного измерения и не требует приме- нения специализированных средств и методов из- мерения физических величин.