Процесс перемешивания

Смешивание или перемешивание – механический процесс равномерного распределения отдельных компонентов во всем объеме смеси под действием внешних сил. Применяется в пищевой промышленности для приготовления эмульсий, суспензий и получения гомогенных систем (растворов), а также для интенсификации биохимических, тепловых и диффузионных процессов.

Процесс смешивания материалов зависит от конструкции смесителя и заключается в выравнивании концентраций каждого из компонентов смеси по всему объему рабочей камеры с образованием в конечном итоге однородной смеси.

Способы перемешивания.

Различают два основных способа перемешивания в жидких средах: механический (во вращающемся резервуаре смесителя, с помощью мешалок различных конструкций (лопасти, винты, ножи, шнеки и др.)) и пневматический (сжатым воздухом, паром или инертным газом). Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах и перемешивание с помощью сопел и насосов, ультразвуком или гидродинамическим эффектом и др.

Смешивание твердых сыпучих материалов является скорее механическим, чем гидродинамическим процессом.

Для смесителя конфигурацию и форму лопастей выбирают, учитывая состояние перемешиваемой массы, ее объем, толщину слоя, производительность, соотношение смешиваемых компонентов, степень однородности, способ загрузки и выгрузки продукта, требования технологии.

При использовании перемешивания для интенсификации биохимических, тепловых и диффузионных процессов в гетерогенных системах создаются лучшие условия для подвода вещества в зону реакции, к границе раздела фаз или к поверхности теплообмена.

Увеличение степени турбулентности системы, достигаемое при перемешивании, приводит к уменьшению толщины пограничного слоя, увеличению и непрерывному обновлению поверхности взаимодействующих фаз. Это вызывает существенное ускорение процессов тепло- и массообмена.

Критерии эффективности процесса смешивания.

Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств, которые могут быть положены в основу их сравнительной оценки, являются: эффективность перемешивающего устройства и интенсивность его действия.

Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество проведения процесса перемешивания. Например, в процессax получения суспензий эффективность перемешивания характеризуется степенью равномерности распределения твердой фазы в объеме аппарата; при интенсификации тепловых и диффузионных процессов - отношением коэффициентов тепло- или массоотдачи при перемешивании без него. На эффективность смешивания влияют плотность исходных компонентов, гранулометрический состав (форма, размеры, дисперсионное распределение по степени крупности для неоднородных компонентов) частиц компонентов смеси, влажность компонентов, состояние поверхности частиц, силы трения и адгезии поверхности частиц и т.д.

Интенсивность перемешивания определяется временем достижения заданного технологического результата или числом оборотов мешалки при фиксированной продолжительности процесса (для механических мешалок). Чем выше интенсивность перемешивания, тем меньше времени требуется для достижения заданного эффекта перемешивания. Интенсификация процессов перемешивания приводит к уменьшению размеров проектируемой аппаратуры и увеличению производительности действующей.

В идеальном случае должна быть получена смесь, в которой в любой ее точке к каждой частице одного компонента примыкают частицы других компонентов, причем в количествах, которые определены заданным их соотношением. В действительности такого идеального расположения частиц практически не бывает, т. к. огромное число различных факторов влияет на их перемешивание. Возможно бесконечное разнообразие взаимного расположения частиц, поэтому соотношение компонентов в любых точках смеси будет случайной величиной. Поскольку законы взаимного расположения частиц для систем со многими случайными величинами весьма сложны, на практике статистический материал анализируют по одной случайной величине, т. е. по распределению одного из компонентов.

Для того чтобы оценить качество смешивания одной случайной величиной, смесь условно считают двухкомпонентной. Обычно выделяют один компонент, называемый ключевым, а все остальные объединяют во второй условный. Таким образом, в двухкомпонентной смеси случайной величиной х является содержание ключевого компонента в микрообъеме. К ключевому компоненту предъявляют такие требования: сравнительная простота определения его содержания в пробе; небольшое его количество; физические свойства должны отличаться от свойств остальных компонентов.

Наибольшее распространение в качестве критерия оценки качества смешивания получил коэффициент вариации (неоднородности):

(1)

где - среднее содержание ключевого компонента в пробах; - значение случайной величины х в i -ом опыте; n - количество отобранных проб.

Смесь считается однородной, если в каждой пробе количество компонента х будет равно , то . И наоборот, чем больше значение , тем менее однородна смесь.

Периодическое смешивание. В смесителях периодического действия смешиванию подвергается смесь, составленная из различных компонентов.

Процесс смешивания складывается из элементарных процессов:

- перемещения группы смежных частиц из одного места смеси в другое внедрением, скольжением слоев (так называемое конвективное смешивание);

- постепенное перераспределение частиц через свежеобразованную границу их раздела (так называемое диффузионное смешивание);

- сосредоточение частиц, имеющих близкую массу и размеры, в соответствующих местах смесителя под действием инерционных, гравитационных сил (сегрегация частиц).

Если первые два процесса способствуют улучшению качества смеси, то последний препятствует этому. В смесителе одновременно протекают все три процесса, но их влияние в разные периоды смешивания неодинаково. Процесс конвективного смешивания в первые моменты идет с большой скоростью, процессу конвективного смешивания соответствует I участок (рис. 1). Между компонентами смеси величина поверхности раздела еще невелика и доля диффузионного смешивания незначительна.

На участке конвективного смешивания скорость процесса почти не зависит от физико-механических свойств смеси, т. к. процесс смешивания идет на уровне макрообъемов.

Главное влияние на скорость процесса смешивания в эти моменты времени оказывает характер движения потоков частиц в смесителе, который зависит от конструкции и параметров смесителя.

После того как компоненты в основном будут распределены по рабочему объему смесителя, процессы конвективного и диффузионного смешивания становятся по их влиянию на общий процесс смешивания сопоставимы. В это время процесс перераспределения частиц идет уже на уровне макрообъемов. Начиная с некоторого момента, процесс диффузионного смешивания становится преобладающим (II участок на рис. 1). Существенное влияние на процесс начинает оказывать сегреграция частиц.

В какой-то момент времени эти процессы могут уравновеситься, после чего дальнейшее перемешивание теряет смысл, и процесс должен быть закончен (III участок на рис. 1).

Продолжительность диффузионного смешивания зависит и от физико-механических свойств смеси, из которых наибольшее значение имеют гранулометрический состав, плотность, форма и характер поверхности частиц, их влажность и сыпучесть. Чем ближе у компонентов указанные свойства, тем эффективнее их смешивание. Большее различие в размерах, плотности способствует сегрегации частиц. Имеет значение также число компонентов. С их увеличением доля каждого уменьшается, а процесс смешивания затрудняется.

Большая продолжительность смешивания необходима для равномерного распределения компонентов, входящих в состав смеси в малых количествах. Естественно, что компоненты с большей дисперсностью, содержащие в единице объема большее количество частиц, распределяются лучше.

В различных отраслях пищевой промышленности возникает необходимость в перемешивании жидких продуктов: для смешивания двух или нескольких жидкостей, сохранения определенного технологического состояния эмульсий и суспензий, растворения или равномерного распределения твердых продуктов в жидкости, интенсификации тепловых процессов или биохимических реакций, получения или поддержания определенной температуры или консистенции жидкостей и т. д.

Смешивание пищевых продуктов осуществляется в смесителях следующих типов: шнековых, лопастных, барабанных, пневматических (сжатым воздухом) и комбинированных.

Смесители классифицируются (рис. 2):

– по назначению: для смешивания, растворения, темперирования и т. д.;

– расположению аппарата: вертикальные, горизонтальные, наклонные, специальные;

– характеру обработки рабочей среды: смешивание одновременно во всем объеме, в части объема и пленочное смешивание;

Рис. 11.2. Классификация смесителей

– характеру движения жидкости в аппарате: радиальное, осевое, тангенциальное и смешанное;

– принципу действия: механические, пневматические, эжекторные, циркуляционные и специальные.

Для тонкого измельчения и перемешивания мясного сырья используют куттер-мешалку. Кусковые вязкие и вязкопластичные продукты (мука, мясо, мясной фарш, творожно-сырковая масса) перемешивают шнеками, лопастями в барабанных и других смесителях. Жидкие продукты (молоко, сливки, сметана и др.) перемешивают в емкостях лопастными, пропеллерными и турбинными мешалками.