Розділ 4. Основні процеси, машини та апарати будь-якої технології

Класифікація процесів та апаратів в технології

Незважаючи на різноманітність технологічних процесів у будь-якій галузі промисловості їх можна звести до декількох ти­пових або основних (одиничних) процесів, що властиві більшості галузям технології. Класифікацію цих процесів можна встанови­ти за різними ознаками. Зараз основну класифікацію проводять в залежності від основних закономірностей, що характеризують перебігання процесів, в такі групи.

Механічні процеси, що пов'язані з обробкою твердих речовин.

Гідродинамічні процеси, що характерні для рідких, газо­подібних середовищ.

Теплові процеси, що пов'язані з перенесенням теплоти з одно­го середовища до іншого.

Дифузійні — визначають процеси перенесення речовин з однієї фази в іншу.

Хімічні — пов'язані зі зміною хімічного складу речовин.

Біохімічні — пов'язані з перетворенням речовин під дією мікроорганізмів та інших біологічних факторів.

Всі перелічені процеси засновані на трьох началах (законах) або на трьох основних фундаментальних положеннях термоди­наміки, які визначають основні принципи перетворення або пе­ренесення теплоти (енергії).

Перше начало: Теплота Q витрачається на зміну внутрішньої енергії U і на здійснення роботи А (зміна кінетичної енергії якщо система рухається)

Q=

Друге начало: Неможливо створити вічний двигун 2-го роду. У будь-якій замкнутій системі ентропія S при будь-яких процесах не зменшується dS<0. Неможливо перенесення теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого

Третє начало (Нернста): Ентропія твердого або іншого тіла в етапі рівноваги прямує до нуля S 0.

Функцію стану тіла S = dQ/T Клаузіус назвав ентропією, яку можна розглядати в деякому сенсі як термічний заряд. Розмір-

ність питомої ентропії кДж/(кг-К), тобто таке як і в теплоємності, але має зовсім інший зміст.

Механічні процеси

До механічних процесів відносять подрібнення, різання, дозу­вання, перемішування, формоутворення (брикетування, грану­лювання, тощо) та інші. Процеси подрібнення використовують в тих випадках, коли необхідно зменшити розміри частинок сипко­го матеріалу без надання їм певної форми.

Сепарування (розділення, класифікацію) застосовують для розділення сипких матеріалів на фракції, які відрізняються розмірами, формою, швидкістю осадження в рідкому чи газово­му середовищі і т.д. Для сепарування використовують машини та апарати в залежності від ознаки чи властивості, за якою розділя­ють сипкий матеріал.

При дозуванні та змішуванні різноманітних рідких, пасто­подібних та сипких компонентів утворюються суміші з певними якісними показниками для переробки їх в готовий продукт. При­кладами можуть бути змішування борошна, води, солі, дріжджів та інших компонентів для приготування хлібобулочних виробів на хлібозаводах будь-яких компонентів, для складання шихти для виплавлення чавуну, змішування компонентів для вироб­ництва інших виробів.

Мета змішування — це також отримання партії продукту за якимось заданим якісним показником сировини або готового продукту. Прикладами можуть бути складання партії продукту однакової водорості, формування продукту з однаковими показ­никами якості. Складання партії сировини або формування сор­ту продукту проводять на основі математичних моделей змішу­вання. Точність складу забезпечується за допомогою техно­логічної операції дозування. Однорідність характеристик партії або сорту продукту досягають ретельним перемішуванням в спеціальних змішувачах. Інколи достатня однорідність продукту забезпечується транспортною або технологічною операцією (пе­реміщенням сипкої суміші шнеками, заміс тіста).

Процеси перемішування використовуються в промисловості для утворення однорідних продуктів з певними властивостями, а також для інтенсифікації технологічних процесів. Властивості продуктів визначаються умовами проведення наступних опе­рацій чи якістю сировини проміжного або готового продукту.

Перемішування здійснюють різними способами в різно­манітних апаратах з мішалками, а також в газових та рідинних потоках. Ефективність перемішування оцінюють ступенем отри­маної однорідності в об'ємі апарату, за певний часперемішуван-ня, що необхідний для отримання заданої однорідності.

Якщо перемішування застосовують для інтенсифікації техно­логічних процесів, його ефективність визначають ступенем інтен­сифікації процесу, наприклад, збільшенням коефіцієнтів тепло­та масопередачі, розчинення, тощо. Процес перемішування та його якість оцінюють моделями, заснованими на різноманітних уявленнях по природі розглядаємого процесу.

Процеси формоутворення. Процеси формоутворення (пресу­вання, гранулювання, таблетування) призначені для перетворен­ня сипких або рідких речовин у тверді із визначеною формою (гранули, пігульки, тощо).

Під формоутворенням розуміється з'єднання сипких про­дуктів у більш крупні утворення (гранули, брикети, пігульки (таблетки)). При формоутворенні сипкий продукт ущільнюється, збільшується його об'ємна маса, що спрощує його зберігання, транспортування та споживання, або інше використання. При ущільненні сипких продуктів вони настільки зближуються між собою, що сили міжмолекулярного притягування стають помітними і призводять до зміцнення гранул чи брикетів.

Показником щільності гранул є коефіцієнт щільності

де — первісний об'єм сипкого продукту;

— об'єм гранул.

Процеси формоутворення використовують при брикетуванні вугілля, торфу, комбікормів, лікарських препаратів, тощо.Нада­ють також певної форми металам, пластмасам, тістовим виро­бам, куванням, пресуванням, вичавлюванням, штампуванням, волочінням, вальцюванням та іншими технологічними засобами.

Подрібнення

Подрібнення використовують в різних галузях промисловості з метою зменшення розмірів кускових матеріалів (подрібнення руд, гірських порід, вугілля, мінералів, зерна, пластмас, напівфа-

брикатів та готових матеріалів) до визначених розмірів шляхом роздавлювання, розколювання, розламування, різання, розпилю­вання, розбивання, розривання. Під подрібненням розуміють тільки зменшення крупних шматків. Мілкі кускові матеріли підлягають мілкому здрібненню або розпилу.

Крупним вважають подрібнення кусків із середнім попереч­ним розміром від 1000 до 200 мм, середнім — від 250 до 50 мм, мілким — від 50 до 20 мм і тонким (розмелом) від 20 до 3 мм. Ду­же тонке подрібнення використовують коли кінцевий продукт повинен мати розмір — десяті і соті частки міліметра. Відношен­ня поперечного розміру початкового продукту — D найбільш крупних шматків до подрібнення до розміру d шматків після подрібнення називають ступенем подрібнення

, (4.1)

яка змінюється в межах: (2...6) — для крупних часток; (5... 10) — для середніх; (10...20) — для мілких і 50 — для самих мілких часток.

У більшості випадків спосіб подрібнення та відповідну подрібнюючу машину вибирають в залежності від фізичних вла­стивостей і початкових розмірів матеріалу.

Важливою характеристикою процесу подрібнення є витрати енергії. Є дві гіпотези, що визначають витрати енергії в залеж­ності від степені подрібнення — пропорційність затрат енергії площі новоутвореної поверхні матеріалів та пропорційність за­трат енергії об'єму (або лінійним розміром) подрібненої сирови­ни. Жодна з цих гіпотез не має кількісного визначення і не завжди узгоджується з практичними дослідженнями. Але є ос­новні принципи подрібнення, додержання яких забезпечить най­менші затрати енергії.

Не подрібнювати зайвого, тобто подрібнення треба вести тільки до даного ступеня, що необхідний для подальшого вико­ристання сировини. Частки матеріалу, що мають ці нормовані розміри, повинні негайно вилучуватись із машин.

Всі машини за ступенем подрібнення поділяють на три групи: машини для крупного (попереднього) подрібнення; машини для середнього і мілкого подрібнення; машини для тонкого подрібнення (розмелу).

Куски матеріалу до і після подрібнення звичайно не мають правильної форми. Тому у практиці розміри кусків визначають через розміри отворів сит, крізь які просіюють сипкий матеріал до і після подрібнення. 124

За розмірами кусків вихідної сировини і кінцевого продукту дробіння умовно поділяють на кілька класів (табл. 4.1.)

Твердий матеріал можна зруйнувати і подрібнити до части­нок потрібного розміру такими способами: роздавлюванням або розчавлюванням, розколюванням, розламуванням, різанням, розпилюванням, розтиранням, розбиванням і розриванням. Схе­матично ці способи зображені на рис. 4.1.

 

 

Таблиця 4.1.

Класи подрібнення

Клас	Зозмір кусків, мм
До подрібнення D	після подрібнення d
Подрібнення крупне
середнє
дрібне		1...5
Помел грубий	1...5	0,1... 0,04
середній	0,1... 0,04	0,005... 0,015
тонкий	0,1... 0,04	0,001... 0,005
колоїдний	= 0,1	= 0,001

Роздавлювання (рис. 4.1, а). Тіло під впливом наван­таження деформується по всьому об'єму і, коли внутрішнє напру­ження в ньому перевищить границю міцності на стиск, руй­нується. В результаті такого руйнування утворюються частинки різного розміру і форми.

Розколювання (рис. 4.1, б). Тіло руйнується на частинки в місцях концентрації найбільших навантажень, які передаються клиноподібними робочими елементами подрібнювача. Частинки, що утворюються при цьому, більш однорідні за розмірами і фор­мою, хоч форма, як і під час роздавлювання, мінлива. Спосіб роз­колювання досконаліший порівняно з роздавлюванням, оскільки дає можливість регулювати розмір одержуваних частинок.

Розламування (рис. 4.1, в). Тіло руйнується під впли­вом згинальних сил. Розміри і форми частинок після розламуван­ня приблизно такі самі, як і після розколювання.

Різання (рис. 4.1, г). Тіло ділиться на частинки наперед за­даних розмірів і форми. Процес повністю керований.

Розпилювання (рис. 4.1, д). Результати такі самі, як і після різання. Процес цілком керований, а частинки мають напе­ред визначені розміри і форму.

Розтирання (рис. 4.1, є). Тіло подрібнюється під впли­вом стискальних, розтягу вальних і зрізувальних сил. Утво­рюється дрібний порошкоподібний продукт.

Розбивання (рис. 4.1, є, ж). Тіло розпадається на частин­ки під дією динамічного навантаження. У випадку сконцентрова­ного навантаження створюється ефект, схожий на той, який має місце під час розколювання, а в разі розподілу зусиль на весь об'єм тіла ефект руйнування схожий на ефект роздавлювання. Розрізняють руйнування тіла обмеженим і вільним ударами. У випадку обмеженого удару (рис. 4.1, є) тіло руйнується між дво­ма робочими органами подрібнювача, а при вільному ударі (рис. 4.1, ж) тіло руйнується в результаті зіткнення його з робочим ор­ганом подрібнювача або іншими тілами в польоті.

Розривання (рис. 4.1, з). Тіло руйнується під дією розтя-гувальних сил у результаті виникнення напруження в матеріалі, яке перевищує границю міцності на розрив.

У практиці часто комбінують різні способи дробіння ма­теріалів. Так, наприклад, розтирання завжди супроводжується роздавлюванням чи розбиванням, розламування — розколюван­ням або роздавлюванням.

Вибір способу подрібнення залежить від фізичних властивос­тей і розмірів матеріалу. Основне значення має твердість. Дуже тверді матеріали недоцільно розривати, роздавлювати або стира­ти, бо вони стійкі проти таких дій. Для них найкращим способом подрібнення буде розбивання або розколювання.

Машини, що призначені для подрібнення твердих матеріалів, повинні працювати якомога повільніше (зменшується спрацю­вання машин дрібними твердими частинками).

Матеріали в кусках великих розмірів найкраще дробити роз­давлюванням або розколюванням. Розтирання у цьому випадку недоцільне. Для матеріалів у вигляді кусків середніх розмірів дробіння має ґрунтуватися на розколюванні або розбиванні. Ду­же дрібні матеріали найкраще подрібнювати розтиранням або розбиванням, для них зовсім непридатні способи роздавлювання або розламування.

Структура матеріалу також може істотно впливати на вибір способу дробіння. Для волокнистих матеріалів треба використо­вувати машини, дія яких ґрунтується на різанні або розриванні. Очевидно, у цьому випадку роздавлювання не дасть позитивних результатів.

Процес подрібнення вимагає значних витрат енергії, тому визначення величини використаної енергії на подрібнення є ос­новною проблемою в теорії подрібнення. Нині проблема достат­ньою мірою ще не розв'язана.

За спостереженнями Ребіндера, енергія, яка витрачається на подрібнення матеріалу, є сумою робіт, що йдуть на деформацію тіла і на утворення нових поверхонь

, (4.2)

 

де к — коефіцієнт пропорційності, що дорівнює роботі деформу­вання одиниці об'єму твердого тіла;

V — об'єм тіла, яке деформується.

Думка про те, що робота подрібнення пропорційна як наново утвореній поверхні, так і об'єму подрібнюваного матеріалу, знай­шла своє відбиття у подальших дослідженнях подрібнення. На жаль, жодна із запропонованих гіпотез для визначення роботи, що витрачається на подрібнення, не дістала широкого застосування.

У загальному випадку схема руйнування твердого тіла скла­дається з таких трьох стадій. Стадія пружної деформації від по­чаткового моменту прикладення руйнівних сил, спричинених

дією робочих органів машини, до моменту появи тріщин, що відповідає границі пружності. Стадія пластичної деформації, яка відображує переміщення елементів в окремих частинах тіла. В межах цієї стадії тіло розколюєтеся, іноді сплющується і в усяко­му разі ущільнюється. Стадія дробіння тіла на частинки. В цій стадії енергія витрачається на утворення нових зовнішніх повер­хонь і на пластично-в'язку деформацію речовини.

Класифікація подрібнювачів

Усі подрібнювачі можна поділити на такі основні групи: 1) роз-колювальної і розламувальної дії, 2) роздавлювальної дії, 3) сти-рально-роздавлювальної дії, 4) ударної дії, 5) різальні машини, 6) колоїдні подрібнювачі. В основу цієї класифікації покладено го­ловний спосіб, яким подрібнюється матеріал у подрібнювачі.

У літературі часто зустрічається класифікація подрібнювачів за крупністю одержуваних частинок (дробарки крупного, серед­нього і мілкого подрібнення та млини тонкого і колоїдного по­дрібнення). Недоліком такої класифікації є відсутність вказівки на спосіб подрібнення, який є основою роботи подрібнювача, а також те, що дробарку того самого типу залежно від її розмірів можна віднести до дробарок крупного, середнього і мілкого подрібнення, тобто до різних класів.

Дробарки розколювальної і розламувальної дії. Ці дробарки виявились особливо ефективними при крупному і середньому подрібненні. До них належать щокові і конусні дробарки.

Щокові дробарки можна використовувати для подрібнення гірських порід, вугілля, вапнякового каменю, а також інших будівельних матеріалів. Схему щокової дробарки наведено на рис. 4.2. Робочими елементами щокових дробарок є дві щоки: не­рухома 1 і рухома 2, що коливається на осі 3. Щоки утворюють пащу. Матеріал потрапляє у пащу зверху.

Під час зближення щік куски матеріалу руйнуються, а під час розходження подрібнений матеріал випадає крізь нижню щілину в пащі. Приводить у дію рухому щоку шатун 5, з'єднаний з ексцент­риковим валом 6. Шатун з'єднаний шарнірно з рухомою щокою через розпірні плити 4. Тяга 9 і пружина 8 створюють натяг у ру­хомій системі і сприяють холостому ходу рухомої плити. Ширину випускної щілини регулюють взаємним переміщенням клинів 7.

Основні переваги щокових дробарок: простота і надійність конструкції, широка зона застосування, компактність і простота

обслуговування. До недоліків слід віднести: періодичний харак­тер дії на матеріал (тільки під час зближення щік) і неврівнова­женість рухомих мас, що спричинює шум і вібрацію під час

дробіння. Ступінь подрібнення зростає із збільшенням кута за­хвату . Проте для того, щоб куски матеріалу не виштовхувались з дробарки під тиском щік, кут захвату не повинен бути більшим від подвійного кута ртертя матеріалу. Звичайно = (15...22)°.

Конусні дробарки. В конусній (гіраційній) дробарці (рис. 4.3) матеріал подрібнюється безперервним розчавлюванням його між двома конусами. Зовнішній конус 4 нерухомо зв'язаний з рамою дробарки, а внутрішній З закріплений на валу 2. Вал підвишено вгорі на кульовій опорі 1, яка жорстко з'єднана з корпусом. Нижній кінець вала ексцентрично закріплено в стакані 5, який приводиться в рух через конічну зубчасту передачу. Під час обер­тання вала внутрішній конус дробарки наближається до однієї сторони нерухомого конуса, руйнуючи матеріал, а з іншого боку подрібнений матеріал випадає крізь вихідну щілину, яка в цей час розширюється. Отже, на відміну від щокових дробарок у ко­нусній процес руйнування матеріалу і видалення його із зони подрібнення відбувається безперервно.

Дробарки роздавлювальної (розчавлювальної) дії. Основним способом подрібнення в машинах цього типу є роздавлювання матеріалу між двома робочими поверхнями. При цьому одна з поверхонь або обидві повинні бути рухомими. До найпоши­реніших у промисловості дробарок роздавлювальної дії нале­жать валкові дробарки. їх використовують для середнього і тон­кого подрібнення зерна в млинах і на крупорушках, солоду на пивоварних заводах, плодів і овочів на консервних заводах і т.д. Робочою частиною валкових дробарок служать горизонтальні валки, кількість яких може бути різною. Найпростіша дробарка має один валок, який обертається навколо горизонтальної осі па­ралельно нерухомій робочій щоці. У цьому випадку дробіння відбувається між нерухомою щокою і валком, що обертається. Проте найчастіше дробарки мають пару або кілька пар валків. Парні валки обертаються назустріч один одному і подрібнення відбувається між валками. Схему валкової дробарки зображено на рис. 4.4. Дробарка складається з валків 2 і 3. Підшипники вал­ка 3 нерухомі, а валка 2 — рухомі. Останні утримуються за допо­могою пружини 1, що дає можливість валку 2 зміщуватись, коли у дробарку потрапляють надто міцні сторонні предмети. Розмір кусків продукту визначається шириною щілини між валками.

Валкові дробарки компактні і надійні в роботі. Гладенькі вал­ки для подрібнення зерна мають діаметр (250... 350) мм, швидкість

Рис. 4.4. Схема вальцьової дробарки

обертання валків (2,5...5) м/с. Для розмелювання зерна викорис­товують валки з рифленою поверхнею. Рифлі утворюють деякий кут з твірною вала. Такі валки не тільки роздавлюють, а й розко­люють матеріал. Розмір кусків матеріалу, який надходить на дробіння, має бути в (20...25) разів меншим від діаметра гладень­ких валків і в (10... 12) разів меншим від діаметра рифлених валків. Дробарки розтирально-роздавлювальної дії. У машинах цьо­го типу матеріал дробиться комбіновано під дією прямого роз­давлювання з розтиранням. Щоб мати розтиральний ефект, по­верхні, які роздавлюють матеріал, повинні у відповідних точках мати різницю лінійних швидкостей руху. Це і передбачено в усіх конструкціях дробарок розтиральної дії. До них належать: жор­на, бігуни і дискові млини. Ці дробарки використовують для дрібного і тонкого подрібнення. Розглянемо їх дію детальніше на прикладі роботи бігунів (рис. 4.5). У цій дробарці матеріал дро­биться під дією двох важких котків 2, які котяться по дну чаші 4, в яку завантажують подрібнюваний матеріал. Котки обертають­ся навколо вертикальної осі 5 зубчастою передачею. Навколо го­ризонтальних осей 3 котки обертаються завдяки тертю між Циліндричною поверхнею котків і матеріалом у чаші. Накочую-

Рис. 4.5. Схема бігунів

чись на великі куски дуже міцного матеріалу, котки можуть підніматися кривошипами 1, що запобігає поломці машини.

До появи барабанних млинів були дуже поширеними дробар­ками в багатьох галузях промисловості. Тепер роль їх дещо змен­шилась, але там, де подрібнюють в'язкі матеріали і дробіння поєднується з перемішуванням, їх ще використовують.

Дробарки ударної дії. У цих дробарках матеріал дробиться ударним навантаженням, яке може виникнути під час падіння подрібнювальними органами в польоті, зіткнення в польоті са­мих частин матеріалу одна з одною. До дробарок ударної дії відносять молоткові, барабанні, дезінтегратори.

Молоткові дробарки (рис. 4.6) застосовують для дробіння зерна, картоплі, солоду, кісток, шквари та інших матеріалів. Робочими органами дробарки служать молотки 1, вільно насаджені на стрижні 2 дисків 3, змонтованих на валу 4. Під час обертання вала молотки стають у радіальне положення і б'ють куски матеріалу, який завантажують у живильник. Матеріал вивантажують крізь сито 5, величина отворів якого визначає ступінь подрібнення ма­теріалу. Колова швидкість на кінцях молотків дробарки повинна бути достатньою, щоб забезпечити руйнування матеріалу в мо­мент удару. Під час дробіння зерна вона становить (70...90) м/с. Число обертів ротора (вала з дисками) дробарки для зерна — 2100 об/хе, дробарки для кісток — (2800...3000) об/хв. Продук­тивність молоткових дробарок визначають експериментально.

Потужність на валу молоткової дробарки можна наближено обчислити за емпіричною формулою

N=(0,1-0,15)iQ,kBm.

Барабанні млини (рис. 4.7) широко використовують для тонко­го помелу матеріалів для багатотонних виробництв вугілля, це­менту, тощо. Робочими елементами цих млинів є захищений бро­ньованими плитами барабан 2 і завантажені в нього подрібню­вальні органи 4 (кулі, стрижні, морська галька і т.д.). Під час обертання барабана тіла відцентровою силою притискаються до його стінки, піднімаються на деяку висоту, а потім падають або скочуються вниз. Якщо в барабані перебуватиме подрібнюваль­ний матеріал, то перемелювальні органи подрібнять його биттям при падінні, роздавлюванням і розтиранням під час скочування.

Подається матеріал у млин і виводиться з нього крізь порож­нисті цапфи барабана З і 1. Переміщується матеріал під дією різниці його рівнів на вході і виході, а також під дією обертання барабана. Подрібнений матеріал вивантажується крізь цапфу 1 під дією влас­ної ваги або з потоком повітря, висмоктуваного вентилятором.

Різальні машини застосовують для подрібнення полімерів, бу­ряків, моркви, картоплі, м'яса, трав. Під час різання зменшується їх сумарна поверхня, яка активно бере участь у наступних масо-обмінних процесах, змінюються властивості оброблювальної про­дукції. Робочим органом у різальних машинах є ніж. Ножам у різа-

Рис. 4.7. Схема барабанного млина

льних машинах надають обертового, поступального, поворотно-поступального, планетарного і вібруючого руху. За ступенем подрібнення різання може бути крупним, середнім, дрібним і тон­ким. У різальних машинах застосовують дискові, серпоподібні і прямокутні ножі. Якщо робоча кромка ножа має зубчасту форму, ножі називають пилками. Найбільшого поширення у промисло­вості набули дискові і відцентрові різалки, вовчки і кутери.

На рис. 4.8. зображені схеми багатодискових машин для різан­ня м'яса і м'ясопродуктів. Салорізка (рис. 4.8, а), призначена для попереднього подрібнення жиру-сирцю, складається з корпуса 7, завантажувального бункера 4 і двох паралельних валів З і 5. На першому закріплено дискові ножі 2 з проміжними шайбами 1 і за-тягувальними гайками; на другому — порожнистий барабан б з кільцевими рівчаками для лез ножів.

Рис. 4.8. Схема багатодискових різальних машин

Колова швидкість ножів у багато разів більша від колової швид­кості барабана, який служить живильником. Ця різниця швидкос­тей забезпечує перерізування сировини. Для очищення робочих по­верхонь від прилиплих шматочків сировини встановлені скребки.

Багатодискові м'ясорізки (рис. 4.8, б) використовують для розрізування кусків м'яса на смуги певної ширини. В корпусі 1 із за­вантажувальним бункером змонтовані вал З з дисковими ножами 2 і напрямний гребінець 4. Якщо багатодискові машини подрібню­ють м'ясо, яке подає транспортер 2 (рис. 4.8, в), то в них монтують штабу 1, яка не дає можливості м'ясу виноситись ножами.

Вовчки призначені для подрібнення м'яса, хліба, картоплі та інших продуктів. У більшості цих машин передбачена механізо­вана подача сировини. Конструкцію промислових вовчків запо­зичено від побутових м'ясорубок, лише збільшено геометричні розміри робочих органів. За основну характеристику вовчка бе­руть діаметр дискової сітки: для промислових типів — (80..300) мм\ число обертів черв'яка (100...200) за 1 хв для тихохідних, (200...300) для середніх і понад 300 для швидкохідних машин.

Кутери призначені для подрібнення м'яса і м'ясопродуктів, перетворення їх на однорідну масу певних структурно-ме­ханічних властивостей. М'ясо в кутерах подрібнюється серпо­подібними і прямими ножами, встановленими комплектно на од­ному, двох або чотирьох валах, причому одинарні ножі занурю­ються у продукцію, попередньо подану в резервуар (чашу, бара­бан, жолоб тощо).

Перемішування

Перемішуванням називають процес взаємопроникнення і розподілу частинок однієї речовини в іншій у результаті їх вільного і вимушеного відносного руху. Вільне переміщення мо­же відбуватися внаслідок молекулярної дифузії, різниці густин або температур у різних шарах рідини або під впливом кількох з цих факторів одночасно. Під час молекулярної дифузії речовина переміщується у тому напрямку, де концентрація її менша, і в та­кий спосіб вирівнюватиметься концентрація в усьому об'ємі. Це явище пояснюється тим, що молекули речовин перебувають у постійному русі, наштовхуються одна на одну і змінюють напрям руху. Вони намагаються рухатись туди, де менше зіткнень, тобто в той бік, де менша концентрація речовини. Молекулярна ди­фузія завжди веде до повільного перемішування.

На практиці доцільніше застосувати перемішування за раху­нок перенесення елементарних частинок однієї рідини в іншу у процесі турбулентної дифузії під час вимушеного руху компо­нентів, що перемішуються.

Перемішуванні системи можуть бути або рідинами, або сип­кими речовинами, причому перемішуватись можуть як речовини, що перебувають в однаковому агрегатному стані, наприклад, дві або більше рідин, так і в різному — рідини і тверді тіла і т.д.

Рідини поділяють на стискувані (гази) і нестискувані (крап­линні). При цьому серед власне рідин розрізняють ньютонівські (тобто такі, у яких в ламінарній течії існує пряма пропорційність між коефіцієнтом тертя і градієнтом швидкості) і не ньютонівські (пасти і тістоподібні тіла). Рух газів і ньютонівських краплинних рідин описується однаковими законами, які, проте, не застосову­ють для опису течії неньютонівських рідин. Закони ж руху твер­дих сипких мас відрізняються від обох попередніх.

В різних галузях промисловості перемішування матеріалів за­стосовують з метою: рівномірного розподілу однієї фази в іншій; підтримання дисперсної фази в завислому стані; збільшення й оновлення поверхні контакту між компонентами системи, які ре­агують, для прискорення хімічних і фізико-хімічних процесів; створення організованого потоку рідини вздовж поверхні тепло­передачі для інтенсифікації тепловіддачі; підігрівання рідкої сис­теми у випадку подачі в неї гострої пари; проведення фізико-хімічних процесів, наприклад процесів сатурації, кристалізації; проведення оксидаційних процесів при подачі в систему повітря або кисню і т.і.; одержання суспензій, емульсій, тощо; інтен­сифікації біохімічних, хімічних та інших процесів.

Перемішування здійснюється або в спеціальних апаратах, які називають змішувачами, або безпосередньо в апаратах, де відбу­ваються процеси масо- чи теплообміну, біохімічні, хімічні та ін. Такі апарати мають відповідні пристрої для перемішування — мішалки або перегрібачі. Залежно від способу перемішування і технологічних вимог до проведення процесу відповідно відрізня­ються конструктивно і мішалки.

Мішалки для перемішування газів і рідин під час транспорту­вання їх в трубах. У цьому випадку найпростішим пристроєм є Y-подібне сполучення труб, якими підводять гази або рідини в за­гальний трубопровід. Доцільність застосування перемішування в трубопроводі зумовлена дешевизною і простотою цього способу.

При достатній довжині трубопроводу і швидкості руху компо­нентів забезпечується добре перемішування. Для збільшення місцевої турбулентності в трубопровід вмонтовують вставки (пе­регородки) різного профілю, які мають обтікати газ або рідина.

Частіше для перемішування рідин у трубопроводі застосову­ють інжекторний спосіб. При цьому один компонент подають че­рез сопло по осі трубопроводу, яким тече другий компонент. Ефективність перемішування в таких пристроях можна підвищи­ти, вмонтовуючи прості гвинтові вставки. Інжектор можна вико­ристати також для подачі однієї з рідин в трубопровід.

Перемішування в посудинах здійснюють, застосовуючи відповідні перемішувальні пристрої, встановлювані всередині цих посудин. До найпростіших пристроїв такого типу належать сопла. їх застосовують для перемішування кількох газів, а також для змішування рідин з газом або пилуватих речовин. У соплі є вузьке гирло (вихід), крізь яке газ або рідина надходить у простір, заповнений іншим газом або рідиною. Сопло можна встановити також в широкій трубі, відкритій або з отворами з боку, протилежного напряму потоку газу або рідини. Крізь ці от­вори газ, який надходить у трубу через сопло, підсмоктує з на­вколишнього простору інший газ (найчастіше повітря). Най­простішим прикладом такого пристрою може бути бун-зенівський пальник. Так само, як у випадку змішування газів, можна розбризкувати рідину, яку подають у сопло під тиском (0,1...25) МПа). Для поліпшення розсіювання рідини у просторі, заповненому газом, перед гирлом сопла встановлюють спіральну насадку, яка надає рідині обертального руху.

Розбризкування рідини у повітрі (газі) найчастіше застосовують під час обробки води в сорбційних процесах. У разі потреби більш ефективного перемішування рідкої суміші застосовують простий пристрій для циркуляційного перемішування, який складається з всмоктувальної труби, розташованої біля дна посудини, насоса і нагнітальної труби, яка подає потік до поверхні рідини в апараті, наприклад через розбризкувальну головку над рівнем рідини.

У дискових, конусних і кулькових мішалках робочим органом є відповідно диск, порожнистий конус і куля, які обертаються на осі. У вібраційних мішалках робочий орган — це плоский перфоро­ваний диск, закріплений на валу, що переміщається то вгору, то вниз. Напрям потоку рідини забезпечують профільовані отвори в диску. Енергетично ці мішалки дуже економічні, придатні для пе-

ремішування рідких сумішей і суспензій. Особливо доцільно їх ви­користовувати в апаратах, які працюють під тиском, оскільки вал, що рухається у вертикальному напрямі, ущільнити значно легше, ніж обертовий. Мішалки цього типу можна використову­вати як емульгатори або збивалки. Порівняно з обертовими мішалками, дія яких визначається до деякої міри також тертям рідини об стінки посудини, їх перевага у тому, що вони створю­ють вертикальний знакозмінний рух частинок, при якому немає потреби якось спрямувати рух потоку. До того ж у випадку вібраційного перемішування не утворюється лійкоподібна загли­бина. Час, потрібний для розчинення, гомогенізації або диспергу­вання, при вібраційному перемішуванні істотно скорочується. Поверхня перемішувальної рідини, якщо мішалку встановлено правильно, навіть при значних амплітудах коливання лишається спокійною і рівною; немає ні розбризкування, ні підвищеного ви­паровування з поверхні. З конструктивного боку мішалки обме­жуються довжиною вала, яка не повинна перевищувати 2,5 м.

Рис. 4.9. Перемішувальні пристрої для сипких і пластичних тіл: а — лопатевий змішувач; б — пнековип; в — пнековип з рухомою віссю (перегрібач); г — змішувач ударного типу; д — барабанний

На рис. 4.9. наведено спеціальні типи перемішувальних прист­роїв, які використовують для перемішування сипких і пластич­них тіл. Будова і принципи дії кожного з них зрозумілі з рисунка, а призначення зумовлене конструктивними особливостями. Де­які з них, де робочим органом є шнек, одночасно перемішують матеріал і транспортують його.

Гідродинамічні процеси