Лабораторная работа № 3 перемешивающие устройства

Цель работы: изучить устройство и принцип действия оборудования для перемешивания жидких сред, пластичных масс и сыпучих материалов.

Порядок выполнения работы

1. Изучить устройство мешалок и смесителей.

1. Ознакомиться с принципом действия перемешивающих устройств.

2. Составить отчет.

Для перемешивания жидких сред применяются несколько способов: пневматический, циркуляционный, статический и механический.

Пневматическое перемешивание осуществляется с помощью сжатого газа (в большинстве случаев воздуха), пропускаемого через слой перемешиваемой жидкости. Для равномерного распределения в слое жидкости газ подается в смеситель через барботер – ряд перфорированных труб, расположенных у днища смесителя по окружности или спирали.

В ряде случаев перемешивание проводят с помощью эжекторов.

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

Пневматическое перемешивание имеет ограниченное применение: используется тогда, когда допускается взаимодействие перемешиваемой жидкости с газом.

Циркуляционное перемешивание осуществляется с помощью насоса, перекачивающего жидкость по замкнутой системе смеситель – насос – смеситель.

Интенсивность циркуляционного перемешивания зависит от кратности циркуляции, т. е. отношения подачи циркуляционного насоса к объему жидкости в аппарате. В ряде случаев вместо насосов могут применяться паровые инжекторы.

Статическое смешивание жидкостей невысокой вязкости, а также газа с жидкостью осуществляется в статических смесителях за счет кинетической энергии смешиваемых компонентов.

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

Простейшими статическими смесителями являются устройства с винтовыми вставками различной конструкции.

На рис. 25 представлены конструкции цилиндрических статических смесителей, предназначенных для перемешивания газа и жидкости, с вставными элементами – разнозакрученными пластинами из нержавеющей стали, установленными последовательно встык или в корпусе смесителя. Геометрия отдельного элемента определяется углом и направлением закручивания, а также соотношением диаметра и длины. Количество установленных элементов зависит от вязкости, а также от отношения вязкостей смешиваемых жидкостей: чем выше вязкость и различие жидкостей, тем больше устанавливается элементов.

Рис. 25. Статические смесители: а – цилиндрический с вставными элементами (1 – фланец; 2 – корпус; 3 – смешивающие элементы); б – эмульсор

Статические смесители используются также для получения эмульсий. На рис. 25 (б) изображен вихревой эмульсор для получения эмульсий жирофосфатидной смеси в обезжиренном молоке (заменитель цельного молока). Он обеспечивает высокую эффективность эмульгирования при давлении 0,30 – 0,36 МПа, прост в изготовлении и эксплуатации. Принцип его действия заключается в использовании эффекта центробежной форсунки при каскадном течении жидкости. Получаемая эмульсия с размером частиц до 3 мкм не расслаивается в течение 24 ч.

Механическое перемешивание используется для интенсификации гидромеханических (диспергирования), тепло- и массообменных, биохимических процессов в системах жидкость – жидкость, газ – жидкость – твердое тело. Осуществляется оно 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 (рис. 26): лопастные; турбинные и пропеллерные; специальные – винтовые, шнековые, ленточные, рамные, ножевые и др., служащие для перемешивания пластичных и сыпучих масс.

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

Лопастные, ленточные, якорные и шнековые мешалки относятся к тихоходным: частота их вращения составляет 30 – 90 мин, окружная скорость на конце лопасти для вязких жидкостей – 2 – 3 м/с.

Достоинствами лопастных мешалок (см. рис. 26, а, б) являются простота устройства и невысокая стоимость. Недостаток – слабый осевой поток жидкости, что не обеспечивает полного перемешивания во всем объеме смесителя. Усиление осевого потока достигается при наклоне лопастей под углом 30° к оси вала.

Якорные мешалки имеют форму днища аппарата, применяются для перемешивания вязких сред, при этом они очищают стенки и дно смесителя от налипающих загрязнений.

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

К быстроходным относятся пропеллерные и турбинные мешалки с частотой вращения от 100 до 3000 мин при окружной скорости 3 – 20 м/с.

Пропеллерные мешалки (см. рис. 26, в) изготавливают с двумя или тремя пропеллерами. Они обладают насосным эффектом, используются для создания интенсивной циркуляции жидкости, применяются для перемешивания жидкостей вязкостью до 2 Па·с.

Турбинные мешалки (см. рис. 26, г, д, е) изготавливают в форме колес турбин с плоскими, наклонными и криволинейными лопастями. Они бывают открытого и закрытого типов. Закрытые мешалки имеют два диска с отверстиями в центре для прохода жидкости. Для одновременного создания радиального и осевого потоков применяют турбинные мешалки с наклонными лопастями. Турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание во всем рабочем объеме смесителя. Для уменьшения кругового движения жидкости и образования воронки в смесителе устанавливаются отражательные перегородки.

Рис. 26. Типы мешалок: а – трехлопастная; б – двухлопастная; в – пропеллерная; г - открытая турбинная; д – открытая турбинная с наклонным и лопастями; е – закрытая турбинная

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

Основными элементами типового смесителя с перемешивающим устройством (рис. 27) являются корпус с крышкой, привод и мешалки.

Наиболее широко применяется 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.

Рис. 27. Смеситель с мешалкой: 1 – привод; 2 – стойка привода; 3 – уплотнение; 4 – вал; 5 – корпус; 6 – рубашка; 7 – отражательная перегородка; 8 – мешалка; 9 – труба

Для уплотнения вращающихся валов с целью создания герметичности применяют сальники с мягкими и твердыми набивками. На рис. 28 показан охлаждаемый сальник, в котором сальниковое устройство одновременно является подшипником скольжения для вала мешалки. В середине сальниковой набивки имеется смазочное кольцо, обеспечивающее подвод смазки по всему периметру вала. Отвод теплоты осуществляется охлаждающей жидкостью, подаваемой в рубашку (рис. 29).

При перемешивании пластичных масс, в частности в хлебопекарном, макаронном и кондитерском производствах, не только смешиваются различные компоненты, но при этом тесто разминается, насыщается воздухом и приобретает определенные свойства.

Процесс перемешивания проводится в смесителях периодического и непрерывного действия, оборудованных специальными перемешивающими устройствами – рамными, шнековыми и ленточными мешалками (рис. 30). Смесители могут иметь месильное устройство с вертикальной или горизонтальной осью.

Рис. 28. Охлаждаемый сальник: 1 – вал мешалки; 2 – корпус; ; 3 – рубашка; 4 – нажимной фланец; 5 – набивка; 6 – смазочное кольцо; 7 – упорное
	Рис. 30. Схемы шнековых (а) и ленточных (б, в) мешалок

Рис. 29. Схема циркуляции жидкости в смесителе

Для обработки эластично-упругих масс (пшеничное тесто) в ряде случаев применяют смесители с двумя месильными устройствами, вращающимися навстречу друг другу с различными скоростями.

Для смешивания мало- и высоковязких кондитерских масс (вафельное тесто, вафельная начинка, бисквитное тесто, песочное тесто и т. д.), а также перемешивания кондитерских масс с сыпучими компонентами (кексовое тесто с орехами) применяются смесители корытообразной формы с расположенными в них двумя спиральными рабочими органами, вращающимися в разные стороны. Высокая интенсивность перемешивания достигается за счет проведения процесса в тонком слое.

Рис. 31. Аппарат для приготовления теста для пирожных: 1 – крышка; 2 – стойка; 3 – корпус; 4 – месильное устройство

Тесто для пирожных готовится в аппарате с месильным устройством, которое имеет четыре лопасти, расположенные перпендикулярно друг другу и выполненные по форме днища аппарата (рис. 31). Частота вращения мешалки 12 мин. По окончании процесса смешивания аппарат опрокидывается, при этом крышка откидывается и происходит выгрузка теста.

Для смешивания сыпучих материалов в пищевых производствах используют смесители как работающие в других отраслях промышленности, так и специально сконструированные для смешивания материалов, различающихся гранулометрическим составом, плотностью, прочностью, физическим состоянием и другими свойствами.

Как правило, смесители классифицируют по следующим признакам:

– по принципу действия: непрерывного (барабанные, червячно-лопастные, роторные и др.) и периодического (ленточные, бегунковые, плунжерные, пневматические и с псевдоожиженным слоем) действия;

– по скоростным характеристикам: скоростные и тихоходные. Скоростные смесители бывают одно- и двухступенчатыми. Одна ступень может быть обогреваемой, а другая – охлаждаемой;

– по конструктивным особенностям: лопастные (турбинные), волчковые, дисковые и шнековые.

Общий вид двухступенчатого центробежного турбосмесителя показан на рис. 32. Он применяется для смешивания порошкообразных, вязких и жидких материалов. Первая ступень служит для гомогенизации смеси, а вторая для ее охлаждения. Для улавливания пыли на крышке установлен рукавный фильтр. В смесителе вращается скоростной комбинированный ротор, состоящий из трехлопастной мешалки и комбинации ножей (рис. 33).

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

Принцип действия смесителей с псевдоожиженным слоем основан на псевдоожижении смешиваемых материалов быстровращающимся ротором (частота вращения рабочего органа смесителей разных моделей и объемов изменяется от 300 до 3000 мин^-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 2- или 3-рядных ножевых лопастей, горизонтальных или загнутых вверх.

Рис. 32. Комбинированный турбосмеситель: 1 – электродвигатель; 2 – ротор; 3 – обогреваемая рубашка; 4 – дефлектор; 5 – фильтр; 6 – поворотная крышка; 7 – передаточное устройство; 8 – охлаждаемые сегменты; 9 – перемешивающее устройство

Рис. 33. Рабочий орган турбосмесителя

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, на которых для интенсивного перемешивания материалов сделаны левая и правая навивки. В ленточных смесителях большой вместимости смесительный элемент состоит из четырех лент. Окружная скорость наружной ленты составляет 1,2 м/с. Привод вала осуществляется через клиноременную передачу.

На рис. 34 показан спаренный планетарно-червячный смеситель, предназначенный для смешивания зернистых материалов с диаметром частиц не более 10 мм. Смеситель 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.

Смеситель, основанный на псевдоожижении зернистых материалов газовым потоком, применяется для усреднения больших партий. Он представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с коническим днищем и крышкой. В нижнюю часть днища вмонтированы сопла, соединяемые с коллектором подачи сжатого газа. Материал загружается через специальные клапаны, расположенные на крышке, а выгружается через клапан в нижней части днища.

Рис. 34. Общий вид смесителя-усреднителя с планетарным шнековым перемешивающим устройством: 1 – привод; 2 – конический корпус; 3 – перемешивающее устройство

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 компримирование.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. С какой целью применяется перемешивание в пищевой технологии?

2. Какой показатель характеризует качество смешивания?

3. Какие существуют способы перемешивания в жидких средах?

4. Какие конструкции мешалок применяются в пищевой технологии, и от чего зависит выбор мешалки?

5. От каких параметров зависит мощность, потребляемая мешалкой?

6. Почему в критериальное уравнение, описывающее процесс перемешивания, входят модифицированные критерии гидродинамического подобия?

7. Как определяется мощность мешалки?

8. Какие типы месильных устройств применяются для перемешивания пластичных масс?

9. Какие типы смесителей применяются для перемешивания сыпучих материалов?