Дробление

Методические рекомендации для выполнения лабораторной работы

По дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»

Тема: «Виды измельчения. Определение энергетических затрат на измельчение вязкопластичных масс»

Орел-2008

Авторы: д.б.н., профессор А.В. Мамаев,

ассистент И.В. Сонина.

Рецензент: к.б.н., доцент О.А. Шалимова

Методические указания рассмотрены Учебно – методическим советом ОГАУ.

Цель работы:

1. Изучить виды измельчения

2. Освоить определение энергетических затрат на измельчение вязкопластичных масс

3. Рассмотреть процессы тумблирования, шлифования и обдирки

Введение

Механическое измельчение – это процесс разделения тел на части под воздействием внешних сил. По свойствам разрушаемых тел подразделяют следующие процессы: разрыв под действием сил растяжения, кручения или изгиба; раскалывание в результате переменных напряжений и разрушение под действием ударных нагрузок.

Кинетика механических разрушений иллюстрируется кривой растяжения пластичных материалов. Особенностью пищевых материалов является то, что процесс разрушения связан не с развитием трещин на последнем этапе кривой, а с их «залечиванием». Это обусловлено переориентацией и реструктуризацией белковых молекул в поле действия сил, что позволяет восстанавливать все структурно-механические свойства обрабатываемых материалов.

К процессам измельчения относят процессы дробления, резания и поверхностной обработки материала (шлифование, обдирку и обминку).

Дробление

Способы дробления классифицируются по характеру и виду напряжений возникающих в материале. Как правило, все аппараты совмещают те или иные деформации. При этом предпочтение отдается аппаратам создающим динамичное напряженное состояние в обрабатываемом материале.

Основной характеристикой процесса является критерий, называемый степенью дробления и характеризующий отношение размеров разрушаемых кусков материала до (D) и после (d) разрушения.

(3)

Другой характеристикой процесса является размер конечной частицы. По размеру частицы дробление подразделяется на: крупное – от 40 до 250 мм, среднее – от 10 до 40 мм, мелкое – от 1 до 10 мм, тонкое – от 1 до 0,4 мм, сверхтонкое – 0,4 мм до 1 мкм и коллоидное – в пределах 1 мкм.

Работу процесса дробления, основываясь на исследования П.А. Ребиндера, можно записать как расходуемую на образование поверхности разрыва и на деформацию материала с учетом констант аппарата:

(4)

Основные требования, предъявляемые к дробилкам:

1) Малый разброс размеров раздробленных частиц относительно заданного;

2) Минимальное пылеобразование;

3) Энерго- и материалоемкость аппарата;

4) Легкая замена рабочих органов.

По конструкции аппарата дробилки делят на щековые, вальцовые, молотковые, жерновые, шаровые и струйные.

Щековые дробилки (Рис. 1) применяют для дробления хрупких материалов: известняка, угля, соли, костных тканей животных и т.п.

При этом в материале возникают неравномерные концентрации напряжений сжатия с незначительными сдвиговыми деформациями, зависящими от свойств материала.

Разновидностью щековых дробилок являются гиррационные дробилки (Рис.2), в которых качательное движение щеки заменено ударно-вращательным движением пальца или конуса.

КПД щековых и гиррационных дробилок невысокий – порядка 40–60% при значительном износе рабочих органов. Этим обусловлено малое применение данных дробилок в пищевой промышленности, где предъявляются достаточно жесткие требования к качеству готовой продукции и наличию металлопримесей.

При расчете щековых и гиррационных дробилок определяют их производительность (Q или т) по объему рабочей камеры (V).

, (5)

или (6)

где а – минимальный размер выпускного отверстия, м;

S – прирост размера выпускного отверстия, м;

п – частота качания подвижной щеки или частота вращения пальца, с^-1;

L – длина рабочей зоны, м;

h – высота рабочей зоны, м.

Вальцовые дробилки (Рис.3) – являются самыми распространенными в пищевой промышленности, из-за надежной работы, легкого обслуживания и ремонта. С помощью них может осуществляться среднее, мелкое и тонкое дробление. Как правило, на производстве стоит 3-4 пары вальцовых станков, обеспечивающие равномерное распределение сдвиговых напряжений в материале и, как следствие, выполнение заданных требований.

В целом в материале возникает напряжение сдвига и сжатия. При этом сдвиговые деформации зависят от разности частот вращения вальцов и шероховатости поверхности. По шероховатости вальцы делят на гладкие и рифленые, применение которых обусловлено технологическим режимом и свойствами материала:

i_гл. = 20…25 – степень дробления гладкими вальцами упруго-прочных материалов (тонкое и сверхтонкое дробление);

i_риф1 = 10…15 – степень дробления мелко рифлеными вальцами твердо-упругих материалов (тонкое и среднее дробление);

i_риф2 = 2…5 – степень дробления гладкими вальцами твердых материалов (крупное дробление).

Основное условие захвата определяется минимальным диаметром частицы.

(7)

Угол j характеризует сцепление материала с поверхностью вальцов за счет его адгезионных свойств, выражаемых коэффициентом трения. Исходя из этих соображений, материал захватывается, если соблюдаются следующие условия:

– сила затяжки материала в вертикальной и горизонтальной плоскостях;

или – угол захвата должен быть меньше коэффициента трения.

Разновидностью вальцовых станков являются станки терочного типа (Рис. 4), применяемые для тонкого и сверхтонкого дробления упругих материалов. При этом роль основных рабочих органов выполняют рифы – крупные рифли или зубья, обеспечивающие постепенное поверхностное дробление. В отличие от вальцовых дробилок, данные дробилки позволяют ускорить процесс дробления за счет больших сдвиговых деформаций по гладкой поверхности.

Частота вращения вальцовых станков колеблется в пределах 20–40 и терочных 20–80 об/мин.

Молотковые дробилки (Рис. 5) осуществляют ударное воздействие на разрушаемый материал и классифицируются: по количеству молотков (с 2, 4 или 6 молотками); по виду закрепления молотков (с неподвижными, подвижными и подпружиненными молотками).

Основной их характеристикой является окружная скорость движения молотков:

(8)

где P – сила удара, H;

τ – продолжительность, ;

m – масса раздробленной частицы, кг.

В шаровых дробилках (Рис. 6) осуществляются сдвиговые деформации материала в результате динамичного нагружения. При этом рабочая зона дробилки загружена на 30-35% шарами диаметром от 35 до 175 мм из стали, фарфора, диабаза или других прочных материалов.

Их применяют для дробления костной ткани и высушенного казеина. Основной рабочей характеристикой аппарата является частота вращения барабана, которая должна обеспечивать вовлечение исходного материала 2 в круговое вращательное движение совместно с центробежным движением шаров 1 без полного вращательного движения последних. Это означает, что шары относительно первоначального положения смещаются на угол, не превышающий 100^о, а частицы необходимой массы подхватываются потоком воздуха или жидкости 3 и выносятся из аппарата. Приближенно частоту вращения барабана можно определить по его внутреннему радиусу: (9)

К преимуществам данных видов дробилок относится возможность регулирования процесса дробления в пределах от крупного до коллоидного дробления за счет изменения силы и скорости газожидкостного потока.

Жерновая, бегунковая и дисковая дробилки предназначены для тонкого и сверхтонкого дробления твердо-упругого материала и относятся к дробилкам жернового типа (Рис.7). Данные дробилки классифицируются по расположению осей рабочих органов и по движению дисков. По движению дисков существуют три типа дробилок: 1 – когда скорость дисков различна при одном направлении; 2 – когда движение дисков противоположно; 3 – когда один из дисков неподвижен.

Основной характеристикой этих дробилок, как и шаровых, является частота враще

ния основного рабочего органа. Она колеблется от 200 об/мин – для жерновых и до 600…1200 об/мин – для дисковых дробилок. К преимуществам этих дробилок относят возможность регулирования качества процесса в широком диапазоне размеров частиц и легкость обслуживания. Однако основными недостатками являются зависимость процесса от адгезионных свойств материала и значительный износ абразивного материала. Все эти факторы учитываются при расчете производительности мельниц:

(10)

где d – диаметр дисков, м;

k₁ – коэффициент дробления ();

k₂ – коэффициент распределения скорости в радиальном направлении ;

j – коэффициент заполнения камеры ;

d – зазор между дисками, м;

W – влажность материала, %;

r_н – насыпная плотность материала, .

Лучший результат дробления можно достичь комбинацией молотковых и дисковых дробилок. Такой комбинацией является дезинтегратор – он обеспечивает дробление материала в узкой щели между молотками, укрепленными на дисках. Это снижает влияние адгезионных свойств материала и позволяет осуществлять коллоидное дробление. Кроме того, повышается производительность аппарата за счет увеличения частоты вращения дисков до 1800…2800 об/мин.

Струйные мельницы обеспечивают дробление материала за счет сил трения друг о друга в вихревом поле 1 и за счет ударных взаимодействий частиц со стенками аппарата в результате ускорения материала в пневмо- или гидропотоках в соплах и насадках 2. Необходимость создания значительных динамических нагрузок позволяет определять силу дробления как динамическую функцию потока. Тогда сила дробления:

(11)

где ν – скорость потока;

m – масса отдельно взятой частицы в потоке;

– коэффициент трения частиц;

– продолжительность ударного взаимодействия.