Лекция 2

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

 

Цель: сформировать представление о механических процессах

План

1 Измельчение

2 Сортирование

3 Прессование

 

1 Измельчение

Процессы, связанные с механическим воздействием на матери­алы, приводящие к изменению их формы без изменения физико­химических характеристик, называются механическими процессами.

К механическим процессам относят измельчение, сортирова­ние, прессование.

Измельчение — процесс разрушения кусков твердого материа­ла до требуемой крупности.

Процесс измельчения широко применяется для увеличения поверхности твердых материалов в целях удобства дальнейшей обработки и хранения материала, получения однородной массы из тел с неоднородным распределением по объему свойств мате­риала, интенсификации последующих тепло- и массообменных процессов и отделения друг от друга частей с различными свой­ствами.

Измельчение широко используют в мукомольном, хлебопекар­ном, кондитерском, пивоваренном и других производствах.

При уменьшении размера кусков материала измельчение под­разделяется на процессы:

- без придания формы — дробление;

- с приданием формы — резание и измельчение в терках.

Теоретические основы измельчения. Эффективность измельче­ния оценивается многими характеристиками: степенью измельче­ния, удельным расходом энергии и удельной нагрузкой на рабо­чий орган измельчающей машины и др.

Степень измельчения /' выражается как отношение среднего раз­мера куска материала до измельчения dH к среднему размеру кус­ка после измельчения dK:

В зависимости от степени измельчения кусков различают клас­сы измельчения (табл. 2.1).

Для характеристики измельченного материала используют так называемый предел крупности: верхний (+d\), нижний (—d2). Это означает: не меньше dx и не крупнее d2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зависимость класса измельчения от размера кусков

Класс измельчения

Размер куска, мм

до измельчения dH

после измельчения dK

Дробление:

 

 

крупное

1 500... 200

250...25

среднее

200... 25

25...5

мелкое

25 ...5

5... 1

Помол:

 

 

тонкий

5... 1

1... 0,075

коллоидный

0,2...0,1

До 1... 10

 

Степень измельчения зависит от прочности материала (чем прочнее материал, тем меньше должно быть /), его твердости и хрупкости.

Прочность при сжатии и изломе оценивается для разных ка­тегорий материалов по напряжению, 10 s Па: материалы с низкой механической прочностью — менее 100; особо мягкие — 100...500; мягкие — 500... 1 000; средней прочности — 1 000 ... 1 500; проч­ные — 1 500... 1 800; особо прочные — более 1 800.

Твердость материалов влияет не только на степень измельчения, но и на износ измельчающих машин. Твердость оценивается по 10- балльной минералогической шкале твердости Мооса. Начало шкалы соответствует тальку (1 балл), конец шкалы — алмазу (10 баллов).

Хрупкость материалов оценивается по способности разрушать­ся при механическом воздействии без явной пластической дефор­мации. Хрупкость некоторых материалов зависит от температуры. Измельчаемые материалы обычно обладают значительной неодно­родностью. Чем мельче размер куска, тем больше его прочность. При измельчении единичных кусков расходуется энергии при­мерно в 20 раз меньше, чем при коллективном измельчении ма­териала с различной крупностью.

Способы измельчения выбирают в зависимости от размеров и физико-механических свойств измельчаемых материалов, а также от вида применяемых усилий (рис. 2.1).

 

 

 zzz3.png

 

Теории измельчения. Для разрушения материала внешние силы должны преодолевать силы взаимного сцепления частиц материа­ла. Данный процесс связан с затратой большого количества энер­гии, определение величины которой основывается на следующих теориях измельчения: поверхностной теории Риттингера и объем­ной теории В.Л.Кирпичева.

Теория Риттингера. При измельчении работа расходуется на пре­одоление сил молекулярного притяжения по поверхности разрушения материала.

Работа, необходимая для измельчения, пропорциональна вели­чине вновь образующейся поверхности измельчаемого материала:

AAF=KtAF,                                                                              (2.2)

где Aaf — работа, затраченная на образование новой поверх­ности, Дж; Кх — коэффициент пропорциональности, равный ра­боте, затраченной на образование единицы новой поверхности; AF — величина вновь образовавшейся поверхности, м2.

Теория В.Л.Кирпичева. При измельчении работа расходуется на деформацию материала до достижения предельной разрушающей деформации.

Работа, необходимая для измельчения, пропорциональна уменьшению объема кусков материала перед их разрушением:

Aav=K2 AV,                                                                            (2.3)

где АйУработа, затраченная на деформацию объема разрушае­мого куска, Дж; К2 — коэффициент пропорциональности, рав­ный работе деформирования единицы объема тела; AV измене­ние объема разрушаемого материала, м3.

 

2 Сортирование

Во многих производствах пищевой отрасли используемое ос­новное и вспомогательное сырье, а также готовый продукт под­вергаются сортированию и очистке по различным параметрам, например зерно в мукомольном, спиртовом, пивоваренном произ­водствах, мука — в хлебопекарном и макаронном, сахар — в сахар­ном и др.

Процесс разделения сыпучей смеси на фракции, отличающиеся по форме и размеру частиц, скорости осаждения их в жидкой и газовой среде и магнитным свойствам, называется сортированием или классификацией.

Основными целями сортирования являются:

- получение фракции определенной крупности или плотно­сти;

- выделение из материала загрязнений и металлических приме­сей.

Процесс разделения частиц зависит:

- от механического движения по ситам — механическая класси­фикация (просеивание);

- скорости осаждения частиц в жидкой среде —- гидравлическая классификация;

- скорости осаждения в газовой среде — пневматическая (воз­душная) сепарация;

- электромагнитных свойств примесей — магнитная сепарация.

Механическое сортирование. Наиболее распространенным ви­дом сортирования является механическое сортирование — просе­ивание. Просеивание, называемое иногда грохочение, заключает­ся в том, что сыпучий материал разделяется на фракции просеи­ванием его через сита (грохоты) с определенным размером от­верстий d. Частицы, размеры которых меньше d, проходят через отверстие (фракция -d называется проходом), а более крупные ос­таются на сите (фракция +d называется сходом).

Основной частью всех устройств, просеивающих сыпучие ма­териалы, являются сита.

Сита изготовляются из плетеных или тканных сеток или штам­пованных решеток.

Сита, изготовленные штамповкой из металлических листов толщиной 8 = 2... 12 мм, называют решетами. Круглые или продолговатые отверстия размером 5... 10 мм (во избежание забивки) штампуют расширяющимися к низу.

Виды сортирования. Кроме просеивания в пищевой промыш­ленности используют и другие виды сортирования: пневматиче­ское, гидравлическое и магнитную сепарацию.

Пневматическое сортирование. Процесс разделения сыпучих смесей в воздушной среде называется пневматическим сортирова­нием, или воздушной сепарацией.

Воздушная сепарация применяется при сортировании зерна и других крупяных сыпучих смесей. На проведение данного процес­са влияет неодинаковая плотность и крупность разделяемых час­тиц. Движущими силами являются сила тяжести G и подъемная сила Р потока. При этом скорость потока выбирают такой, чтобы с транспортирующим потоком уносились частицы с размерами и плотностью меньше, чем у определенных, а в аппарате оседали частицы больших размеров и обладающие большей скоростью осаждения.

Гидравлическое сортирование. Процесс разделения смесей твер­дых частиц в жидкой среде осуществляется с учетом разной ско­рости осаждения частиц в горизонтальном или восходящем пото­ке воды. Скорость потока выбирается такой, чтобы на свободную поверхность жидкости выносились частицы меньше определен­ного размера, а осаждались частицы больших размеров.

Гидравлическое сортирование широко применяется в спирто­вом, свеклосахарном и крахмалопаточном производствах для вы­деления песка, камней и других примесей из картофеля, свеклы и кукурузных зерен, поступающих в производство, а в консерв­ном производстве — для сортирования зеленого горошка и зерен кукурузы, которые в зависимости от степени зрелости имеют раз­личную плотность.

Магнитная сепарация. В сыпучих материалах, используемых на пищевых предприятиях, могут содержаться металлические при­меси. Попадая в аппарат, они вызывают их преждевременный износ. Для удаления этих примесей применяют магнитные сепа­раторы.

Они различны по конструкциям и делятся на две группы: с постоянными магнитами и электромагнитами.

 

 

3 Обработка материалов давлением (прессование)

Прессованием называют процессы обработки материалов воз­действием внешнего давления, создаваемого в прессах. При этом по целям прессования различают:

- отжатие жидкой фазы из твердых материалов;

- формование пластических материалов;

- уплотнение сыпучих материалов.

Отжатие жидкости из твердого материала. Отжатие жидкости из твердого материала применяют в двух случаях:

когда жидкость представляет большую ценность, чем остаток (виноградный сок, растительное масло);

когда жидкость, оставаясь в твердом остатке, уменьшает его ценность (жидкость в жоме).

Использование данного вида прессования в пищевых произ­водствах достаточно велико, например в виноделии для отжатия сока из винограда, в ликерно-водочной промышленности для от­жатия сока из ягод и плодов. С помощью давления отжимают рас­тительное масло из семян, сок из сахарного тростника, воду из свекловичного жома (отхода сахарного производства), отделяют жир от шквары.

Элементы теории процесса отжатия жидкости из твердого материала давлением. В пищевых производствах твердый матери­ал, подвергающийся прессованию, в основном имеет сложную клеточную структуру (семена, плоды, ягоды, стебли растений, животные ткани).

Чтобы уменьшить сопротивление этих структур выделению из них жидкой фазы, перед отжатием их подвергают механической, гидротермической, тепловой, ферментативной и электрической обработке. Механическая обработка заключается в дроблении кле­точной ткани в целях разрушения клеточных оболочек, препят­ствующих выходу жидкости из клеток. При гидротермической, тепловой и электрической обработках происходят более сложные процессы.

Основной величиной, характеризующей процесс отжима жид­кости из твердого материала, является выход жидкости, который зависит от следующих факторов:

давления, под которым происходит отжатие; качества поступающего на отжатие материала, т.е. характер клеточной структуры и степень ее разрушения при предваритель­ной обработке;

содержания жидкой фазы в подвергаемой отжатию сложной структуре;

продолжительности процесса прессования и последовательно­сти изменения давления;

термических условий, при которых происходит отжатие; толщины слоя отжимаемого материала.

Уплотнение сыпучего материала

Уплотнение сыпучего материала производят для брикетирова­ния, гранулирования, дражирования, таблетирования. В пищевой промышленности эти процессы применяются для получения пи­щевых продуктов с увеличенным размером частиц, т.е. для соеди­нения небольших частиц в более крупные массы.

Сбор таких частиц составляет гранулированную сыпучую мас­су, которая используется в качестве полуфабриката, готового про­дукта производства, вспомогательного компонента для осущест­вления или интенсификации процессов и обладает следующими преимуществами:

при хранении не пылит, занимает меньший объем и не нали­пает на поверхность рабочих органов технологических аппаратов;

при транспортировании и фасовании не пылит, что резко со­кращает потери на всех этапах движения материала и улучшает санитарные условия труда, особенно в случае использования ядо­витых веществ;

облегчает и повышает точность дозирования вещества в меха­низированных и автоматизированных поточных линиях разных производств.

Процессы гранулирования находят широкое применение в пи­щевой промышленности, в производстве комбикормов, в сель­ском хозяйстве; весьма эффективны при решении важного во­проса утилизации отходов — возвращения их в производство как полноценного сырья.

Уплотнением производятся следующие разновидности грану­лированной продукции: брикеты (размер в поперечнике 100... 200 мм); окатыши (20...40 мм), собственно гранулы (1...20 мм); таблетки (масса 0,5...8 г, 12...50 мм).

Исходными материалами для брикетирования являются: сахар­ный песок, жом свеклосахарного производства, пищевые кон-

центраты, комбинированный корм, отходы пищевых и многих друщх производств.

В качестве компонентов для брикетирования сыпучих материа­лов используют декстрозу, желатин, глюкозу, сахарозу, лактозу, крахмал, пищевые камеди.

Брикетирование. Этот вид уплотнения сыпучего материала на­шел особенно широкое применение в сахарорафинадном произ­водстве. Прессованию подвергается влажная рафинадная кашка, состоящая из отдельных кристаллов и их сростков. Грани кристал­лов покрыты тонкой пленкой сахарного раствора.

Гранулирование пылеобразных веществ, растворов и суспензий в дисперсных потоках. Гранулирование из растворов, суспензий и пульп наиболее эффективно в дисперсных потоках, характеризующихся большой поверхностью взаимодействующих фаз, а также в случаях, когда скорость процесса пропорциональна величине фазового контакта.

 

Контрольные вопросы

1 Какие процессы относят к механическим?

2 Каковы цели сортирования?

3 Способы обработки материала давлением?

4 Виды сортирования?

 

 

Пилипенко, "Процессы и аппараты" стр. 35-49