автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Интенсификация процессов смешивания при получении комбинированных продуктов в аппаратах центробежного типа

На правах рукописи

ии«3"* ■ -

Бакин Игорь Алексеевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ В АППАРАТАХ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты

пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 О СЕ Н 200

Кемерово - 2009

п

003476232

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (ГОУ ВПО КемТИПП) на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств.

Научный консультант: - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Иванец Виталий Николаевич

Официальные оппоненты: - член-корреспондент Россельхозакадемии

доктор технических наук, профессор Шаззо Рамазан Измаилович

- доктор технических наук, профессор Сорокопуд Александр Филиппович

- доктор технических наук, профессор Хмелев Владимир Николаевич

Ведущая организация - Государственное научное учреждение (ГНУ) Сибирский научно-исследовательский и проектно-технологический институт переработки сельскохозяйственной продукции (СибНИПТИП) Сибирского отделения Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится «23» октября 2009 г. в 10— час. на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, ауд.1217. Fax: +8(3842) 73-41-03.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности.

С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/announcements/tehn/).

Автореферат разослан «\Г) » сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Киселева Т.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из направлений государственной политики РФ в области здорового питания является создание обогащенной высококачественной пищевой продукции. При производстве сухих и увлажненных комбинированных продуктов питания одной из основных проблем является равномерное распределение различных добавок (витаминов, биологически активных веществ, ароматизаторов), вносимых в небольших количествах (0,01-Й %), по всему объему смеси.

Аналогичную проблему приходится решать в других отраслях при производстве комбикормов, премиксов, новых композиционных материалов и т.п.

Перспективными направлениями при переработке дисперсных материалов являются: интенсификация процесса смешивания за счет турбулизации и циркуляции потоков; аппаратурное оформление стадии смешивания по непрерывной схеме; разработка нового поколения центробежных смесителей, обеспечивающих смешивание в тонких, разреженных, пересекающихся слоях с организацией направленного движения опережающих и рециркулирующих мате-риалопотоков, возможность совмещения в одном аппарате процессов смешивания и диспергирования, что позволяет получать качественные смеси при больших соотношениях исходных компонентов. Последнее является одним из основных преимуществ данного типа оборудования и представляет большой практический интерес для пищевой и ряда других отраслей промышленности.

Российскими и зарубежными учеными (Макаров Ю.И., Ахмадиев Ф.Г., Зайцев А.И., Кафаров В.В., Иванец В.Н., Харитонов В.Д., Селиванов Ю.Т., СШПаго Я.в. и др.) опубликованы ряд исследований в области разработки теории и практики процессов смесеприготовления. Однако, несмотря на возрастающую роль процессов смешивания в пищевой и смежных технологиях, исследованиям смесительных агрегатов центробежного типа посвящено сравнительно небольшое количество работ.

Поэтому научно обоснованные разработки нового поколения центробежных смесителей и технологий смешивания при получении сухих и увлажненных комбинированных продуктов, реализующих принципиально новые и наиболее эффективные методы интенсификации процесса, являются актуальной научной проблемой, представляющей большой практический интерес для пищевой и ряда других отраслей народного хозяйства.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР НИИ биотехнологии и сертификации пищевых продуктов КемТИПП (темы 1.3.96 «Теоретические и прикладные аспекты разработки непрерывнодействующих смесительных агрегатов для переработки порошкообразных материалов с жидкими добавками», 1996 - 1998 г.г.; 1.3.99 «Разработать теорию непрерывного процесса смешивания в производстве порошкообразных комбинированных продуктов питания», 1999 - 2001 г.г.; грантом Министерства образования РФ Т02-06.7-1238 «Научно-практические основы разработки непрерывнодействующих смесителей центробежного типа с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов», 2003-2004 г.г.; грантом губернатора Кемеровской области «Разработка научно-практических

аспектов создания дозировочно-смесительного оборудования для производства комбинированных кормов и продуктов питания», 2007 г. (грантодержатель -Бакин И.А.); хоздоговорных НИР: «Разработка аппаратурного оформления процессов транспортировки сырья, диспергирования и гомогенизации компонентов и полуфабрикатов в производстве мороженого» с ОАО «Кемеровский хладокомбинат» (2002 - 2004 г.г.), «Теоретические и практические аспекты процессов смешивания и гомогенизации в производстве мясных комбинированных продуктов питания» с ИПМаньянов В.И. (2003 -2004 г.г.), «Теоретические и практические аспекты процессов смешивания в производстве сухих строительных смесей» с ООО «РСТ», г.Кемерово (2007 - 2009 г.).

Цель работы заключается в разработке научных основ и методов интенсификации процессов смешивания дисперсных материалов в новом поколении смесительных агрегатов центробежного типа, обеспечивающих повышение производительности, снижение удельных энергозатрат и повышение качества конечного продукта за счет организации направленного движения материальных потоков в рабочем объеме аппарата.

Задачи исследования.

- Изучить механизм смесеобразования сыпучих и увлажненных дисперсных материалов, структуру движения и взаимодействия материальных потоков в рабочем объеме центробежного смесителя.

- На основе кибернетического подхода и теории стохастических процессов разработать комплекс математических моделей, описывающих процесс смесеобразования в агрегатах центробежного типа с различной топологией материальных потоков.

- Обосновать возможность прогнозирования эффективности процесса смешивания в исследуемых аппаратах с использованием критерия качества, получаемого на основе информационной энтропии.

- Разработать методы идентификации неизвестных параметров математических моделей, выявить границы их применимости и проверить на адекватность.

- Сформулировать концепцию организации направленного движения материальных потоков в рабочем объеме аппарата, создающую основу интенсификации процесса смешивания дисперсных материалов, и разработке требований к новым конструкциям центробежных смесителей.

- Разработать новое поколение смесителей центробежного типа, в том числе совмещающих процессы смешивания и диспергирования, обеспечивающих получение качественных смесей при соотношении компонентов до 1:500; создать алгоритм расчета на ЭВМ их рациональных динамических и конструктивных параметров с учетом входных воздействий со стороны дозирующих устройств.

- Определить рациональные значения основных параметров центробежного смесеприготовительного агрегата на основе результатов анализа их аналитического и экспериментального исследований.

- Экспериментально изучить непрерывный процесс получения ряда сухих молочных смесей, исследовать их основные характеристики. Разработать и апробировать аппаратурное оформление процесса смешивания в техноло-

гических схемах получения сухих и увлажненных дисперсных композиций для пищевой, комбикормовой и ряда других отраслей промышленности с использованием новых конструкций центробежных смесителей.

Методология и методы исследования. В процессе теоретических и экспериментальных исследований автором изучены и обобщены результаты существующих научных разработок в области техники и технологии смешивания сыпучих и увлажненных дисперсных материалов. При разработке и исследовании центробежных смесителей использовался системный подход к изучению и описанию основных значимых факторов, влияющих на исследуемые параметры. С этой целью были использованы элементы теории автоматического управления и случайных процессов, методы математического и физического моделирования, математической статистики, планирования эксперимента, современные компьютерные технологии и проверка результатов с их использованием.

Исследования проводились с использованием комплекса лабораторных стендов, в условиях действующих производств, с целью проверки теоретических положений работы и определения рациональных конструктивных параметров и режимов работы смесителей.

Концептуальная направленность работы. В основу научного решения проблемы совершенствования процессов и оборудования для получения смесей комбинированных продуктов заданного качества положен системный научно-обоснованный подход, позволяющий вскрыть общие закономерности организации, строения, функционирования и развития систем смешивания дисперсных материалов в аппаратах центробежного типа.

Научная новизна работы.

Установлены общие закономерности движения и взаимодействия материальных потоков, механизм смесеобразования в аппаратах центробежного типа, что позволило сформулировать концепцию организации направленного движения материалопотоков в рабочем объеме смесителя, создающую основу для интенсификации процесса смешивания сухих и увлажненных дисперсных материалов.

На основе кибернетического подхода и теории стохастических процессов разработаны математические модели, описывающие процессы в смесеприготовительном агрегате, позволяющие проанализировать их эффективность в зависимости от структуры движения материальных потоков как в целом, так и в рабочем объеме центробежного аппарата.

Обоснована возможность прогнозирования эффективности процесса смешивания многокомпонентных композиций с использованием критерия качества, получаемого на основе информационной энтропии.

Проведено математическое обоснование использования метода последовательного разбавления при смешивании сыпучих материалов с большой разницей концентраций исходных компонентов в центробежном смесителе и предложен способ расчета его накопительной и сглаживающей способностей.

Экспериментально исследовано влияние режимных и геометрических параметров работы смесителей с направленной организацией движения материалопотоков на интенсивность и эффективность процесса смешивания.

Получены математические модели в виде уравнений регрессии, позволяющие найти рациональные конструктивные и технологические параметры центробежных смесителей.

Предложен алгоритм расчета на базе ЭВМ рациональных конструктивных и динамических параметров смесительного агрегата центробежного типа с учетом входных воздействий со стороны дозирующих устройств.

Разработаны способы и аппаратурное оформление непрерывного получения ряда сухих молочных смесей, исследованы их характеристики, микроструктура и динамика изменения этих показателей при хранении.

Практическая ценность и реализация результатов.

Развитие научных основ процессов смешивания и диспергирования сухих и увлажненных комбинированных смесей позволило разработать новые конструкции смесителей, обеспечивающих получение продуктов заданного качества, научная новизна которых защищена 13 патентами РФ на изобретение. Использование их в промышленности позволяет существенно снизить метало - и энергоемкость, время смешивания. Разработанный комплекс математических моделей дает возможность назначать оптимальные режимно -конструкционные параметры работы центробежного смесительного агрегата на стадии проектирования.

Разработанные смесители использованы в ряде производств для получения комбинированных продуктов: «сухого мороженого» на ОАО «Кемеровский хладокомбинат»; сухих посолочных композиций для мясных полуфабрикатов на ОАО «ТД ОТМАШ» и ООО «Протеин Продукт» г. Кемерово; регенерированного молока на сухой молочной основе на АО "Промышленнов-ский молочный завод"; сухих завтраков (хлебцев) на ООО «СМИТ» г. Кемерово; мучных смесей для приготовления блинов и сдобного печенья; смесей сухих специй в производстве рыбных продуктов на ООО «Астронотус» г. Кемерово. Конструкторская техдокументация переданы заказчикам для внедрения. Смеситель (патент РФ №2117525) прошел апробацию в производстве стекольной шихты на АООТ «Сибстекло» г. Анжеро-Судженск, а смеситель - диспергатор (патент РФ № 2311951) - при выработке сухих строительных смесей на ООО «РСТ» г. Кемерово.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и НИР при подготовке бакалавров и магистрантов на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств ГОУ ВПО КемТИПП.

В диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в период с 1995 по 2009 г.г. лично автором или при его непосредственном участии в качестве научного руководителя (ответственного исполнителя) госбюджетных, хоздоговорных НИР, грантов и двух диссертационных работ.

Автор защищает:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований методов интенсификации процессов смесеобразования сухих и увлажненных комбинированных продуктов. Новые конструкции смесителей центробежного типа с направленным движением материальных потоков в рабочем объеме аппарата, методику их расчета и проектирования.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на:

- 15 международных научно-технических конференциях: «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 1997, 2004); «Техника и технология пищевых производств» (Беларусь, Могилев, 1998); «Ресурсосберегающие технологии пищевых производств» (Санкт-Петербург, 1998); симпозиуме «Федеральный и региональный аспекты государственной политики в области здорового питания» (Кемерово, 2002); «Пища. Экология, человек» (Москва, 2001, 2003); «Актуальные направления экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» (Воронеж, 2003); «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2003); «Перспективы производства продуктов питания нового поколения» (Омск, 2005); «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-18, Казань, 2005; ММТТ-19, Воронеж, 2006; ММТТ-20, Ярославль, 2007); «Технология и продукты здорового питания» (Саратов, 2008); «Инновационные технологии переработки сельскохозяйственного сырья в обеспечении качества жизни: наука, образование и производство» (Воронеж, 2008).

- 13 всероссийских научно-технических конференциях: «Проблемы переработки сельскохозяйственной продукции и лекарственного сырья» (Пенза, 1998); «Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования» (Кемерово, 1997); «Интеграция науки, производства и образования: состояние и перспективы» (Кемерово, 1999); «Новые технологии в научных исследованиях и образовании» (Кемерово, 2001, 2002, 2003); «Экологическая безопасность, сохранение окружающей среды и устойчивое развитие регионов Сибири и Забайкалья» (Улан-Уде, 2002); «Развитие пищевой промышленности Сибири в ХХ-ХХ1 веках» (Кемерово, 2003); «Достижения науки и практики в деятельности образовательных учреждений» (Кемерово, 2003); «Технология и техника агропромышленного комплекса» (Улан-Уде, 2003, 2005); «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств» (Барнаул, 2006,2007).

- ряде региональных научно-практических конференциях «Интеллектуальные автоматизированные системы в управлении» (Новосибирск, 1997); «Информационные недра Кузбасса» (Кемерово, 2001, 2003, 2004, 2005); «Современные проблемы техники и технологии хранения и переработки зерна» (Барнаул, 2002); «Наука и практика. Диалоги нового века» (Татарстан, Набережные Челны, 2003); «Пищевые технологии» (Казань, 2002,2003,2005).

- ежегодных научных конференциях ГОУ ВПО КемТИПП (1996. ..2008).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 120 работах, в том числе 2 монографиях, 20 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК, 6 депонированных статьях, получено 13 патентов РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложения; включает 119 рисунков, 28 таблиц. Основное содержание изложено на 274 страницах машинописного текста, приложение - на 43 страницах, список литературы включает 248 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и направления исследований, приведена общая характеристика работы.

В первой главе выполнен анализ современного состояния аппаратурного оформления, теории и математического моделирования технологического процесса смешивания сыпучих материалов, обобщена научная информация по способам и технологическим схемам получения смесей сухих и увлажненных комбинированных продуктов с целью постановки задач исследования.

Выявлено, что комплексная оценка динамики массопереноса в отдельных узлах смесеприготовительного агрегата может быть основана на концепциях кибернетического подхода. В силу стохастической природы процессов смесеобразования для их моделирования целесообразно использовать вероятностные методы и, в частности, теорию марковских процессов. Показано, что получение теоретического описания состояния и качества многокомпонентных смесей сыпучих материалов возможно путем решения системы кинетических уравнений Колмогорова на основе энтропийно-информационных оценок, что позволяет проводить анализ конструкции и эффективности функционирования смесителя.

Приведено обоснование выбора в качестве объекта исследования смесителей центробежного типа.

Во второй главе рассматривается комплексное математическое описание непрерывных технологических процессов дозирования и смешивания сыпучих материалов, базирующееся на кибернетических концепциях. Для этого смесе-приготовительный агрегат был представлен в виде динамической системы с известной топологией, функциональная схема которой приведена на рис. 1.

Рис. 1. Функционально-структурная схема смесительного агрегата

Она включает в себя блок дозаторов сыпучих материалов (ДСХ^ , I = 1, п), количество и тип которых определяется рецептурой приготавливаемой композиции, питающий узел (ПУ), дозатор жидкости (ДЖ) и центробежные смесители непрерывного действия (СНД1 и СНД2). Блок ДСМ^, создавая входные воздействия в виде сигналов весовых расходов питающих потоков работает согласно - параллельно на питающий узел и далее на СНД1. Смеситель второй ступени СНД2 используется для получения увлажненных продуктов или сухих смесей с большой разницей концентраций исходных компонентов.

На основании законов преобразования структурных схем изображение по Лапласу импульсной переходной функции всей системы будет иметь вид:

*„(') = Щt)}^) = (Wd{s)xWпm(s)xWcí(s)+Wd;{s))xWc2(S), (1)

где: ]Уа(5), Жсф), ^¿М И^дф - передаточные функции (ПФ) СНД1,

СНД2, питающего узла, блока ДСМ и дозатора жидкости, соответственно.

Выявлено, что ПФ прямоточных каналов СНД первой и второй ступеней наиболее целесообразно представлять инерционными звеньями второго и первого порядка соответственно:

1¥с1(*) =

Т^'+Т^ + Г

КЛ*)

тл+г

(2)

где: 72с/, Г/с;, Тс2— соответственно постоянные времени СНД1 и СНД2; КС1= 1 -коэффициент передачи; 5 - переменная Лапласа.

При наличии конечного числа дозирующих устройств, известных операторов отдельных дуг графа и определенной структуры СНД с заданными характеристиками прямоточных, опережающих и рецикл - каналов, ПФ смесеприготовительной системы, описываемой сигнальным графом Мейсона (рис. 2), определяется по выражению:

<Га(«)>

вд=

Рис. 2. Сигнальный граф смесительного агрегата

Мкан) /2(кон)

(3)

где: _/](кан■) и /¡(кон) - функции-изображения, определяемые соответственно конфигурациями каналов (прямых цепей от входа к выходу) и контуров графа; Ф($) - определитель графа или блочной структурной схемы; Ф,{^) - вырожденный г'-й определитель графа.

Ф(.) = 1-£Я1Д*) + £Я24(5)-;£Яз/(5)+ ~> (4)

;=1 *=1 /=1 где: Яу(5) - ПФ у-го одиночного контура в разомкнутом состоянии, равная произведению ПФ звеньев контура; ] - номер одиночного контура, _/ = 1, г,; Г| - количество одиночных контуров; Нгк ~ ПФ пары одиночных несоприка-

сающихся контуров, равная их произведению; к - номер пары одиночных несоприкасающихся контуров, к = 1,г2; г2 - количество пар таких контуров.

С целью анализа работы смесителей первой и второй ступеней, с точки зрения их реакции на дискретные и непрерывные воздействия со стороны дозаторов, проведено исследование во временной и частотной областях, что позволило оценить их сглаживающую способность при разных уровнях входной концентрации. Для исследования динамической системы смесительного агрегата разработан программный модуль, позволяющий определить ПФ отдельных звеньев и всей системы по различным динамическим каналам и на их основе рассчитать его временные и частотные характеристики.

По результатам экспериментального исследования конструкции трехко-нусного центробежного СНД с рециркулирующим устройством, определены параметры ПФ СЦЦ1 при различной структуре движения материальных потоков в его внутреннем объеме. При сравнении амплитудно - частотных характеристик (АЧХ) СНД1, построенных при разных значениях величины рециркули-рующего потока, выявлено, что они расположены на графике тем ниже, чем больше величина рецикла, т.е. в этом случае сглаживающая способность СНД больше. В диапазоне частот до ш=1 с"1 значения АЧХ изменяются от 1 до 0,01. Это соответствует сглаживанию входных флуктуаций питающих потоков (эффект снижения выходной амплитуды) в 100 раз. С увеличением частоты входных сигналов сглаживающая способность аппарата возрастает, однако при со больше 1 с"1 она практически одинакова для всех режимов работы.

Исследование частотно-временных характеристик смесительной системы по их сигнальным графам позволило установить возможность сглаживания не-однородностей питающих потоков и определить рациональные допустимые частотные диапазоны.

В третьей главе разработана стохастическая модель смешивания дисперсных материалов в аппарате центробежного типа, позволяющая установить рациональную структуру движения материальных потоков в рабочем объеме. При построении математической модели проанализировано перемещение (блуждание) частиц материала из одного положения в рабочей зоне смесителя в другое, являющееся случайным марковским процессом, непрерывным во времени и дискретным в пространстве состояний системы С. На графе (рис. 3) >^(1:) является параметром (интенсивностью) экспоненциального закона распределения времени пребывания частицы в состоянии С;, при условии, что она перейдет в состояние С^ Зона Со - питающее устройство, из которого с интенсивностями ^0,1(ОДо,2(О,-До,п(О частица попадает на ротор исследуемого аппарата. Зона Он-, характеризует конечный пункт движения частицы (зона "готового продукта"). Дифференциальное уравнение, решением которой является - вероятности того, что частица в момент времени ^[0, +оо] находится в зоне смесителя О , имеет вид:

яр (<Л П п+1 _

-^ЕМОРкЮ-Ёмор.ю, (1=1-п)- (5)

II к=0 к=1

Учитывая, что по системе С независимо друг от друга блуждает N частиц, их среднее число М^), находящихся в момент времени I в зоне С;, равно:

М1(1)=№ (6)

Добавив к (5) зависимости для зон С0 и Сп+1 , с учетом (6), система дифференциальных уравнений, решение которой М^), 0 = 0,п + 1) - среднее число частиц материала, находящегося в момент времени I в зоне С;, будет иметь вид:

С ад.

Л

НМ " П+1 _

™=Еч-мад - ха)м;(о, (1=1,п),

V

Л Л

п+1

1Мк(1) = К

к=0

(7)

=хп,п+1(0Мп(1),

а начальные условия для нее: М0(0) = М, М;(0) = 0 (¡ = 1,п + 1).

Данная модель имеет смысл для смесителей как периодического действия, так и для непрерывнодействующих. В случае периодического процесса из нее исключается поглощающее состояние Сп+].

При работе аппарата в одном режиме рассматривались усредненные значения интенсивностей ^, ,(1), зависящие только от конструктивных особенностей, определяющих величину каждого материалопотока в смесителе, т.е. параметр Х,и характеризует долю частиц материала, поступающих из зоны С^в зону С].

... 1''»" „(0-11

(С)

„чэ

Рис. 3. Граф состояний системы С

Рис. 4. Схема ротора аппарата

с выделенными основными зонами На основе модели (7) проведен сравнительный анализ различных вариантов схем организации движения материалопотоков в центробежном смесителе с ротором в виде диска с концентрично установленными на нем тремя полыми усеченными конусами (рис. 4). Получены следующие сравнительные характеристики: накопительная способность и производительность смесителя; время пребывания в нем частиц и степень сглаживания флуктуаций входных потоков.

Смеситель, в котором отсутствуют опережающие и рециркулирующие потоки (>.,, = = Х1Л = Я,, = = 0), рассматривался как "эталонный", с характерис-

тиками равными единице; далее, варьированием Я. , (О изучалось изменение их

Рис. 5. Среднее время пребывания в выделенных зонах смесителя при Х2 2 = }.3 3 = ),4 4 = О

Рис. 6. Накопительная способность в выделенных зонах смесителя при 2 = 1, X,, 3 = О, Х-14 = 0 и 1) \22 = Х33 = =0,2) \22 = = = ОД , 3) Х22 = Я.3)3 = = 0,2

Из анализа кривых следует, что при значениях 112 =1/2,),и =Х14 =1/4,

Сл., 2 = >», 3 = = 1/з) время пребывания частиц материала на рабочем органе и

накопительная способность аппарата уменьшаются на 25% (33%) по сравнению с «эталонным» смесителем (кривая 1). Импульсное возмущение на входе в аппарат наиболее эффективно подавляется при работе по схеме с параметрами

^12 = ^1,3 = 4

Далее исследовалась зависимость между дисперсиями входного и выходного сигналов при варьировании значений ^¡,¡0). Эффективной характеристикой, в данном случае, является отношение дисперсий пульсаций материалопо-токов на входе (а|.п ) и на выходе (ахои,) аппарата - Стх^/ох.п = •

Для описания входящего потока использована функция, характерная для шнекового и спирального дозаторов - Хй(1) = А + В-8т(к-1), где к=2^,

А -среднее количество материала, подаваемое дозатором в смеситель, В характеризует максимальное отклонение от А, Т - параметр, отвечающий за период отклонения от среднего.

Из анализа результатов проведенных исследований следует что: 1) параметры А и В не влияют на УЮ1; 2) параметр Т имеет прямую связь с УШ1 (за исключением "эталонного" смесителя, в котором УШ1 остается постоянным и равен единице), т.е. при уменьшении периода отклонения от среднего пульса-

ций входного потока — величина, характеризующая дисперсию выходного потока, снижается (рис. 7); 3) УШ1 зависит от коэффициентов интенсивностей Д.,..

время

время

время

Рис. 7. Влияние Т входного потока (-) на дисперсию выходного потока (А, В=сопз1, Х2 2 = Х1г = Х4А = 0.2, 1) Т=0.2; 2) Т=0,025; 3) Т=0,01

Таким образом, результаты сравнительного анализа, полученные по модели (7), позволяют выбрать на этапе проектирования смесителя наиболее рациональную схему движения материалопотоков в его рабочем объеме, выдать рекомендации по интенсивности прямых и обратных потоков материала.

В четвертой главе обосновывается возможность прогнозирования эффективности процесса смесеобразования многокомпонентных композиций с помощью критерия качества, получаемого на основе информационной энтропии.

Критерий качества должен учитывать концентрацию каждого компонента в пробе, для этого целесообразно использовать степень идеальности смеси:

....... (8)

77 =

1--

Я„

•100%,

где Нш - энтропия идеальной в статистическом смысле смеси, Ня - статистическая оценка энтропии готовой смеси.

Энтропию На можно определить путем экспериментальных исследований, по выражению, предложенному проф. Макаровым Ю.И.:

и м

(9)

где Рр - вероятность появления конкретного у'-того значения концентрации /того компонента во всех N пробах смеси, состоящей из т компонентов, к - общее количество конкретных значений концентрации г-того компонента во всех N пробах смеси.

Энтропию Нц , необходимую для расчета, определяют согласно рецептуре по соотношению компонентов п\. п2:...: пт , входящих в состав смеси-.

м « п

(10)

где - число частиц ¿-того компонента в некотором объеме V, п = - общее

¡=1

число всех частиц смеси объемом V.

Оценка энтропии смеси может иметь вид некоторой математической зависимости от режимных и конструкционных параметров в1,в2,...,в1 вида:

(И)

где #(/,#,,02,...Д) - энтропия т-компонентной смеси как функция параметров в1,в2,...,в1 и времени I Д вероятность обнаружения частиц г'-того

компонента смеси в анализируемом объёме V, например, на выходе из смесителя, в момент времени t.

Определение вероятностей Р^) предлагается находить при помощи системы кинетических уравнений (уравнений Колмогорова) следующего общего вида:

где аДг) - функция, задающая число частиц г-того компонента в некоторый

момент времени I, в определенной у-той зоне локализации рабочего объема смесителя; - коэффициент, определяющий число вероятных переходов

частиц в единицу времени из у'-той зоны, в какую либо другую по /с-тому пути, т.е. интенсивность перехода; т]к - время, необходимое для перехода в у'-тую

зону из какой либо другой по £-тому пути.

Количество уравнений в системе определяется произведением т-п, где п - число возможных зон, переходы частиц между которыми не равновероятны. Величины У]к и т]к определяются режимными и конструкционными

параметрами исследуемого аппарата, а также физико-механическими характеристиками смешиваемых материалов.

Рассмотрено несколько частных случаев функции А, (О при у=0,

описывающей входные потоки от дозирующих устройств:

1- р,0(0 = 4^(г-г)> гДе <?(*-г) - дельта-функция Дирака, что соответствует импульсной подаче А кг /-того компонента в смеситель;

2- Ао(0 = А> 4X0 соответствует постоянной подаче г-того компонента с массовым расходом А, кг/с;

3. р.0 (?) = (Д ) + ¿^(й;,?), где (А,) - среднее по времени количество материала, подаваемого в смеситель за единицу времени, <р[со,/) - некоторая периодическая функция с циклической частотой со,, а Б, - ее амплитуда.

Для определения вероятностей Р,(г) рассматривается количество частиц, попавших в конечную зону локализации за единицу времени, т.е. .

Тогда вероятность обнаружить некоторое число частиц /-того компонента и условие нормировки можно определить как:

(12)

03)

т

т

Зависимость (11) с вероятностями (13) выражают изменение энтропии многокомпонентной смеси на выходе из смесителя в произвольный момент времени для каждого из компонентов.

Практический интерес представляет не сама зависимость энтропии Н от времени, а усредненная за период времени АТ = (/2 - )» 2я/о,- величина:

(14)

ч

Если функция энтропии имеет строго периодический характер, то интегрирование достаточно провести по интервалу ДГ, равному периоду функции Т.

При выходе из смесителя качество смеси, получаемой в различные моменты времени, главным образом будет определяться дисперсией энтропии. По аналогии с коэффициентом вариации Ус, можно ввести отношение среднего квадратичного отклонения энтропии к ее математическому ожиданию:

Показатель (15), в отличие от коэффициента Ус, позволяет оценивать качество многокомпонентных композиций по каждому из ингредиентов.

Моделирование процесса смешивания в центробежном смесителе напрямую связано с установлением кинетики процесса. Для этого нами использованы методы механики материальных точек. В рамках такого подхода сделано предположение, что линии тока материала будут повторять траектории движения отдельных частиц, для вычисления которых составлены и решены уравнения движения Ньютона. В результате в объеме смесителя выделены возможные зоны локализации сыпучего материала и возможные пути перехода между ними, на основе чего получены выражения для расчета коэффициентов интенсивно-стей переходов у}к, которые в общем случае находились как произведения частот переходов частиц из зоны/ в зону к на вероятность данного перехода р]к.

При переходе частиц сыпучего материала с конической поверхности ротора данные интенсивности можно определить следующим образом:

у^2Ул{аМаМ^ (16)

где УК - радиальная составляющая скорости частицы с поверхности ротора в момент перехода из /-той зоны локализации в /-тую (м/с), со - циклическая частота его вращения (рад/с), к, - коэффициент трения частиц /-того компонента о поверхность ротора, Я - радиус траектории частицы в момент перехода, ап - угол между осью вращения ротора и образующей и-того конуса, с длиной образующей с!п.

Интенсивности перехода частиц в зонах организации опережающих и ре-циркулирующих материалопотоков запишутся в виде:

V*Ж

х зазор 5 мм (рецикл Я max) '¿г* зазорЮмм ^ зазор15мм(рецикп R min) ^ без отражателя (нет рецикле)

Тоб

"200 ОТ «О 500 600 та шн

Рис. 8. Зависимость качества смешивания от частоты вращения ротора и величины рециркулирующего потока

где рк}(со) - вероятности переходов частиц материала за счет рециркуляции,

зависящие от режима работы и геометрических особенностей аппарата.

Для базовой модели центробежного трехконусного смесителя с рецирку-лирующим устройством проведено аналитическое исследование влияния величины рециркулирующих потоков (параметр В.) на его сглаживающую способность. Для анализа накопительной способности смесителя системы уравнений (12) решены для случая рЛ(?) = На рис. 8 показаны результаты расчета энтропийного коэффициента вариации Уц, при варьировании частоты вращения ротора и величины рециркулирующего потока. Их анализ показал, что одной из основных характеристик, влияющих на эффективность процесса смешивания в аппарате, является его способность сглаживать входные пульсации. Увеличение количества возможных обратных переходов и их интенсив-ностей приводит к росту сглаживающей и накопительной способностей аппарата и, соответственно, улучшению качества смеси.

С использованием энтропийного критерия качества, проведено математическое обоснование метода последовательного разбавления при смешивании композиций сыпучих материалов с большой разницей концентраций исходных компонентов. Расчеты показали, что при приготовлении двухкомпонентной смеси с соотношением исходных компонентов, например, 1:1000, введение уже одной стадии разбавления приводит к повышению качества готовой смеси почти на два процента, а шести стадий - на 22%.

Пятая глава посвящена разработке методов идентификации и определению эмпирических коэффициентов, входящих в комплекс математических моделей, и сравнительному анализу результатов численного моделирования и экспериментальных данных.

Экспериментальным путем, для различных дисперсных материалов, варьируя параметры работы аппарата, определены коэффициенты перераспределения материала и проведено сопоставление их с расчетными значениями интенсивностей ^ модели (7). Выявлено, что процесс перераспределения входного потока на роторе в большей степени зависит от его конструкции и в меньшей - от свойств сыпучих материалов.

Проведено сравнение экспериментальных кривых «вымывания» (отклика) СНД при импульсном возмущающем сигнале, накладываемом на стационарный поток материала поступающего в смеситель, с расчетными значениями среднего времени пребывания по модели (7). Максимальное отклонение большинства опытных точек от расчетной зависимости не превышает ±10 %.

Сопоставление результатов исследования качества смешивания бинарной смеси А:В, оценивалось с помощью энтропийного показателя качества (15) и коэффициента неоднородности Vc, при помощи двух массивов: MODEL, который содержит данные расчета; EXPER - с результатами эксперимента. Производительность дозатора ключевого компонента А - 4,5 г/с; основного В - варьировалась в диапазоне, указанном в табл. 1.

Таблица 1

Сопоставляемые расчетный и экспериментальный массивы_

частота вращения ротора со (об/мин) MODEL (VH ,%) | EXPER (Vc,%)

производительность дозатора основного компонента (г/с)

22 | 30 | 38 | 22 | 30 | 38

частота вращ. спирали дозатора осн. компонента шА (рад/с)

16,96 | 22,61 | 28,27 16,96 | 22,61 | 28,27

300 8,04 6,92 6,19 2,96 2,78 2,59 2,33 2,24 2,12 8,7 7,1 6,6 2,6 2,6 2,8 3,5 2,2 2,6

600

900

Эксперименты проводились на базовой конструкции трехконусного СНД с рециркулирующим устройством при следующих конструктивных параметрах: угол раскрытия внутреннего конуса - 50°, среднего - 35°. Коэффициенты корреляции массивов, рассчитанные поочередно по столбцам (Л22=0)97; Лзо=0,99; 7?з8=0,99), показали высокую степень зависимости между ними, что подтверждает адекватность предложенной модели.

В шестой главе проанализированы комплексные методы интенсификации процесса смешивания. Выявлено, что повышение накопительной и сглаживающей способностей аппарата за счет организации в нем внутренних рециклов (прямых и обратных) смешиваемых материалов уменьшает влияние флуктуа-ций входных потоков на качество смеси. Предложены два пути интенсификации процесса смесеобразования: конструктивное совершенствование известных аппаратов и разработка нового поколения центробежных смесителей.

Первый путь предложено реализовать за счет определения рациональных параметров работы аппаратов и усовершенствования их рабочих органов.

Влияние конструктивных и технологических параметров работы смесепри-готовительных агрегатов центробежного типа на процессы смешивания изучалось на комплексе стендовых лабораторных установок и в условиях действующих производств. В исследованиях в качестве ключевого компонента использовались: ферромагнитный порошок ПЖ1ВМ1 ГОСТ 9894, а для контрольных экспериментов - химически чистая поваренная соль (дисперсность 5+100 мкм). Для интенсификации процесса измерения концентрации в смеси ферромагнитного трассера был использован прибор, включающий первичный частотный преобразователь концентрации и вторичную измерительно-регистрирующую аппаратуру.

С целью оценки влияния конструкции ротора на качество приготавливаемых смесей проведен эксперимент, в ходе которого варьировалось наличие (отсутствие) качественных факторов: внутреннего XI, среднего Х2, внешнего ХЗ конусов, а также их совместное влияние. Результаты исследований при соотношении компонентов смеси 1:100 и различной частоте вращения ротора п показаны на

рис. 9. Корреляционный анализ данных показал, что наибольшее влияние оказывает сочетание всех трех конусов, независимо от частоты вращения ротора. Это может быть объяснено тем, что время пребывания частиц в аппарате в этом случае больше, также сказывается дополнительное перераспределение материалопотоков на поверхности конусов. Однако выявлено, что при увеличении количества конусов на роторе более трех значительного улучшения качества смеси не происходит.

В центробежных СНД при движении частиц по поверхности вращающегося гладкого ротора обеспечивается эффективное радиальное смешивание по сечению. Увеличить степень продольного смешивания можно за счет организации движения части материалопотоков вдоль оси аппарата в прямом (опережающем) или в обратном направлениях. В модернизированных конструкциях этот способ реализуется при опережающем перетоке частиц через отверстия и

перепускные окна, выполненные на поверхности конусного ротора. Движение части мате-риалопотока в обратном направлении (рецикл) осуществляется за счет установки внутри аппарата различного вида рецирку-лирующих устройств (рис. 10), выполненных, например, в виде спирали Архимеда (патент РФ № 2132725), отражателя с торо-вой поверхностью (патент РФ № 2177362), отражателей в виде колец (патенты РФ № 2177823, № 2207186,2191063,2207901).

геометрических параметров трехконусного ротора исследовано влияние на качество смешивания сухих дисперсных материалов углов конусности (а]0, а2°) и размеров окон малого (Бь мм2) и среднего (Р2, мм2) конусов. Опыты проводились по приготовлению бинарных смесей (соотношение 1 к 20 ферромагнитного трассера и сухого молока), с учетом рандомизации их во времени во избежание систематических ошибок. Регрессионная модель (коэффициент множественной корреляции II2 равен 91,3 %) имеет вид:

Ус=9.51-0,192«а2-0,303' Р,40,115« Рг+0,Ш4*а,*а2+0,0037-а1» Р,. (18)

8 »' пз9,5с-1 п= 12.5С-1 п = 15с-1

□ Х1 - внутренний конус 12,79 1Г,10 26,84

а Х2-средний конус 26.29 20.01 24 92

ыХЗ-внешний КОНУС 16,03 15,79 18.95

НХ1Х2 26.78 25.69 26,85

«Х1ХЗ 21,78 20.93 24,58

0X2X3 19,17 17.60 21,58

яхсхгхз 6,95 5,17 7.01

Рис. 9. Влияние конструктивных параметров ротора на качество смешивания

патент РФ № 2132725

Рис. 10. Центробежные смесители с рециркулирующим устройством

Для определения рациональных

После обработки результатов опытов выявлено, что отдельное воздействие каждого исследуемого параметра соответствует положительной корреляции с откликом, а угол конусности И] не оказывает значимого на него влияния.

Исследовано влияния величины рециркулирующего потока на качество

смеси в модели аппарата (патент РФ №2132725), где в качестве варьируемых параметров приняты: частота вращения ротора и положение отражателя: верхнее (минимальный рецикл); среднее; нижнее (максимальный рецикл). Результаты приведены на рис. 11. Их анализ показывает, что качество смеси улучшается при возрастании величины рециркулирующего потока и частоты вращения ротора вплоть до значения, равного 8 с"1.

е,эв

7,80 0.47

Чдегот* »г«ц«км ротора ае'

12.40

Рис. 11. Зависимость качества смешивания от

величины рециркулирующего потока

Новые конструкции смесителей разработаны на основе концепции организации направленного движения материальных потоков в рабочем объеме аппарата. Для увеличения удельной поверхности контакта фаз и уменьшения энергозатрат движение материала осуществляется в тонкослойных и разреженных потоках. Эти идеи использованы при проектировании многокаскадных конусных роторов, размещенных в горизонтальной плоскости (патенты РФ № 2132725, 2177362, 2177823,2207186,2216394).

Центробежные смесители с конусным ротором при определенных геометрических и режимных параметрах обладают хорошей диспергирующей способностью. Диспергирование частиц происходит во время их движения по поверхности конусов, в момент прохождения через отверстия в роторе, при соударении между собой, корпусом аппарата и другими препятствиями, а также за счет быстровращающихся разгрузочных лопастей. В основе создания конструкций смесителей - диспергаторов (патенты РФ № 2159147, 2117525, 2191063, 2207901) лежит идея, что совмещение нескольких способов силового воздействия на перерабатываемые материалы в одном аппарате связано с эффектом механической активации, что в итоге позволяет повысить качество смеси.

Улучшение качества смешивания и повышение диспергирующей способности достигается в случае, когда конструкция ротора обеспечивает движение частиц во встречных пересекающихся потоках. Данная идея реализована в конструкции непрерывнодействующего центробежного смесителя - диспергатора с двумя конусными роторами, вращающимися в разных направлениях (Патент РФ № 2220765). Проведены экспериментальные исследования опытно-промышленной модели СНД, на материалах, входящих в рецептурный состав крупяных завтраков. Изучалось влияние на процесс диспергирования: относительной ширины окон на внутреннем конусе <р (отношение ширины перепускных окон Ь к дисперсности частиц ё); степени рециркуляции материала с внешнего конуса на внутренний К, %; разрушающего напряжения измельчаемого материала оР, МПа. Полный факторный эксперимент З3 проводился при постоянном

значении окружной скорости внутреннего ротора, равной 30 м/с, т.к. при больших значениях наблюдается уплотнение материала на поверхности конусов, ухудшается взаимопроникновение компонентов смеси и ее качество. Окружная скорость внешнего конуса принималась равной 8 м/с. Пропускная способность перепускных окон на внутреннем конусе составляла 50 %. В качестве критерия оценки использовали долю измельченного материала Ус, %. Результаты представлены в виде регрессионной модели:

Из анализа уравнения (19) следует, что наибольшее влияние на процесс диспергирования оказывают относительная ширина окон, а также совместное воздействие степени рециркуляции и разрушающего напряжения материала. Максимальные значения У0 получены при относительной ширине перепускных окон ф от 3 до 5, степени рециркуляции К от 40 до 50 %.

В разработанных конструкциях СНД с вертикальной компоновкой ротора реализуется способ последовательного разбавления при смешивании сыпучих материалов с большой разницей концентраций исходных компонентов (рис. 12). Интенсификация процесса в этом случае достигается за счет разделения входного потока на несколько частей с последующим их пересечением и добавлением исходного компонента в смесь, полученную на верхнем роторе, а также путем создания пересекающихся потоков над конусами с помощью отражателей.

Одним из способов сглаживания флуктуаций входных потоков в СНД является создание в нем буферной накопительной зоны (патент РФ № 2117525), в которой аккумулируется определенный запас смешиваемых компонентов.

Для получения увлажненных смесей хорошего качества из компонентов, которые в процессе хранения и смешивания могут образовывать конгломераты,

Ус =95.99-3.89хф + 0.527хК-0.12х<тр-0,032хКхстр--1,88ха2+0,12хК2,%.

(19)

предложено устанавливать диспергирующие крестообразные лопасти или ножи (патенты №2117525, 2207901,2191063).

Рис. 12. Смесители - диспергаторы с вертикальной компоновкой ротора

патент РФ №2117525

патент РФ >6 2207901

ч

На модели СНД (патент РФ № 2117525) изучены закономерности процесса смешивания сыпучих материалов с малыми количествами жидких добавок. Исследовалось влияние на качество смеси частоты вращения ротора (XI), производительности смесителя (Х2), соотношения сыпучей композиции и жидкости (ХЗ). Опыты проводились на компонентах, входящих в состав стекольной шихты, при введении жидкой добавки (воды) в количестве от 5 до 15%.

Качество смеси оценивалось равномерностью распределения жидкости по объему. Уравнение множественной регрессии (коэффициент корреляции R2 равен 89%) в кодированном виде:

Vc=7.45 - 1.770С1 +0.816-Х2+ 1.9430C3. (20)

По результатам опытов установлены рациональные значения исследованных параметров и проведена оценка эффективности работы СНД с точки зрения энергетических затрат, максимальные значения которых, при концентрации жидкой фазы не более 15%, не превысили 300 Вт (удельные энергозатраты 0,47 кВт'ч/м3).

С целью получения смесей дисперсных порошкообразных материалов с жидкими высоковязкими добавками разработан СНД (Патент РФ № 2159147). Процесс смешивания в нем происходит под действием центробежных и сил трения при движении компонентов по поверхности вращающегося диска-распылителя, а также в момент среза смеси со стенок корпуса. Благодаря форме ножей часть смеси возвращается на диск, образуя контур рециркуляции, что уменьшает влияние флуктуаций входных потоков на качество готового продукта.

Выявлено, что при вращении ротора внутри смесителя возникают силы, приводящие к образованию пылегазовых турбулентных потоков. Это явление вызывает нарушение предусмотренных в конструкции аппарата направлений движения материалопотоков и другие нежелательные эффекты, например, сегрегацию. Поэтому нами предложено организовать направленное движение воздушных потоков во внутреннем объеме аппарата за счет введения в его конструкцию дополнительных устройств. Это позволяет интенсифицировать процесс смешивания за счет дополнительной турбулизации и выдувания частиц дисперсного материала из застойных зон, в которых он может накапливаться. Данные идеи реализованы в новых конструкциях СНД. В смесителе (рис. 13) в верхней части корпуса установлен статичный отражатель в виде колец, между которыми размещены изогнутые направляющие. Закрученный пылегазовый поток, под действием инерционных и центробежных сил, прижимается к поверхности отражателя и затем направляется к центру ротора, где осаждается на внутреннем конусе. Для дополнительной турбулизации на поверхностях среднего и внешнего конусов ротора выполнены тангенциальные отверстия. Изучено их влияние на степень циркуляции материала на роторе при изменении его частоты вращения. С помощь цифрового термоанемометра определены значения скорости воздушного потока для

ротор с тангенциальными

отверстиями материалов различной сыпучести: для хорошосы-Рис. 13. Смеситель с пучих - 1,1 1,5, м/с; плохосыпучих - 1,3 1,8, м/с;

направленным движением связносыпучих - 1,5 + 2,4, м/с. воздушных потоков

В модернизированной конструкции ротора (патент РФ № 2246343) на внутренней поверхности среднего и внешнего конусов устанавливались спиралевидные направляющие лопасти, за счет которых в объеме аппарата создавалось направленное движение пылевоздушного потока снизу вверх. Анализ полученных экспериментальным путем уравнений регрессии показал, что для получения смесей хорошего качества необходимо выдерживать расстояния между верхним основанием внешнего конуса и крышкой 4(Н50 мм, угол установки направляющих лопастей должен составлять 85 % от угла траектории движения материалопотока по поверхности конусов, частоту вращения необходимо выдержать в диапазоне 11,5+12,5 с"1. При соотношении дисперсных компонентов в диапазоне от 1 : 100 до 1 : 400 за счет рециркуляции пылевоздушных потоков на каждом конусе ротора качество смеси улучшается в среднем на 3 -г 3,5 %.

Изучено влияние на качество смешивания осевого нагнетателя, устанавливаемого на роторе (рис. 14) с целью создания движения пылевоздушных потоков сверху вниз. С этой целью на среднем конусе ротора 1 закреплены четыре лопатки рабочего колеса осевого нагнетателя 3, при вращении которых образуется разрежение в области движения опережающих потоков с поверхности внутреннего конуса 2, что способствует лучшему взаимопроникновению частиц. В ходе опытов приготавливались смеси СОМ - ферромагнитный трассер (соотношение 1 к 100), при варьировании частоты вращения ротора п, количества лопаток г, и углов их поворота (3. Получено регрессионное уравнение:

Ус= 13,054-4,058х2-0.221хр+0.084хп+0.117хг*р+

+0.091х2хп+0.009хпхр-0.005х2хпх(3. (21)

Анализ его показал, что наличие осевого нагнетателя оказывает наибольшее влияние на качество смешивания при частоте вращения ротора более 8,33 с"'. Однако если его значение превышает 9,5 с"1 , то происходит ухудшение качества смеси, вызванное переходом высокодисперсных компонентов в пылегазовый поток. Наилучшие результаты достигаются при частоте вращения ротора п=8,33н"9,5 с"1, количестве лопастей г=4 и углах их поворота (3=45 град.

Для реализации совмещенных процессов смешивания - диспергирования кромки окон на роторе и разгрузочных лопастей затачивались. Для создания направленного движения материала во внутреннем объеме аппарата на конусном роторе устанавливались направляющие лопасти (патент № 2311951, рис. 15). В результате материалопоток, толщина слоя которого превышала высоту окон направляющих лопастей, разделялся на три части: первая проходила через окна и двигалась вместе с основным потоком по поверхности ротора; вторая,

Ш

ротор с осевым нагнетателем

Рис. 14. Смеситель с осевым нагнетателем

наталкиваясь на поверхности лопастей, возвращалась к его центру, образуя контур рецикла; третья - через вырезы, выполненные в верхней части лопастей, сбрасывалась на основной поток. При вращении разгрузочной лопасти, размещенной внизу смесителя, материал отогнутыми концами забрасывался навстречу основному потоку на поверхность ротора.

-о-Коэффициент загрузи/ 15 % -о- Коэффициент загрузки 20 % -¿г- Коэффициент загрузки 25 % '

60 120 180 Время смешивания, с

Рис. 15. Смеситель - диспергатор Рис. 16. Зависимость качества смешивания от периодического действия коэффициента загрузки аппарата

При исследовании работы центробежного смесителя - диспергатора периодического действия изучено влияние частоты вращения ротора (п , с"1), времени смешивания (т, с), и коэффициента загрузки аппарата на качество смеси. Выявлено, что оптимальные условия проведения процесса смесеприготовления находятся в области и=10=20 с"1; т =100-200 с. При приготовлении композиции муки и поваренной соли (соотношение компонентов до 1 к 300) получена качественная смесь (Ус = 3=6 %). Влияние коэффициента загрузки аппарата на качество смешивания при частоте вращения п= 20 с"1 показано на рис. 16. В ходе исследования диспергирующей способности аппарата, оцениваемой степенью измельчения, установлено, что наибольшее влияние оказывают режущие кромки разгрузочных лопастей и окон конуса.

Сравнение удельных энергозатрат разработанных аппаратов и типовых конструкций показало, что первые имеют удельную металлоемкость от 0,094 до 0,125 т'ч/м3, а удельные энергозатраты от 0,31 до 0,6 кВт'ч/м3, что примерно в 4=8 раз меньше аналогичных характеристик серийного оборудования.

В заключительном разделе главы приводится алгоритм моделирования и методика оптимального проектирования центробежных смесителей с направленной организацией движения материалопотоков, основанная на теоретическом анализе взаимовлияния различных технологических параметров.

Общий алгоритм моделирования включает следующие этапы:

1) Приняв за основу проектные параметры корпуса и рабочего органа, а также основные характеристики компонентов смеси, определяются возможные траектории движения их частиц в рабочем объеме смесителя.

2) На рабочих поверхностях выделяются возможные зоны локализации и рассчитываются возможные траектории движения частиц в рабочем объеме

смесителя методами динамики материальных точек. По форме найденных траекторий составляется схема вероятных материалопотоков между указанными зонами.

3) По проектным параметрам аппарата находятся интенсивности перехода частиц материала между зонами как их функции.

4) По полученной схеме материалопотоков составляется система кинетических уравнений, описывающая движение потоков в рабочем объеме, а ее решение определяет энтропию смеси как функцию времени и параметров аппарата.

5) Рассчитывается энтропийный показатель и далее проводится анализ влияния вариаций параметров проектируемого смесителя на заданную однородность смеси.

6) Выявляются оптимальные параметры опытного образца смесителя.

В седьмой главе приводятся результаты экспериментальных исследований разработанных конструкций СНД при получении регенерированного молока - многокомпонентного ЗЦМ (смеси сухого обезжиренного молока (СОМ) (от 31,8 до 81%), жиров, белковых добавок, крахмала, витаминных и эмульгирующих премиксов). Основной технологической операцией является смешивание сыпучих дисперсных ингредиентов и последующее введение в смесь жидких добавок, в том числе жиро - фосфатидной композиции. При этом процесс смешивания осложняется ввиду образования устойчивых конгломератов, приводящих к неравномерному распределению компонентов по объему смеси.

С целью усовершенствования технологии нами предложено использовать центробежный СНД (Патент РФ №2159147). При работе аппарата (рис. 17) непрерывно подаются через патрубки 2 жидкий и 3 - сыпучий компоненты в центр вращающегося от приводного вала 5 диска-распылителя 6, где происходит процесс их смешивания. Полученная смесь-полуфабрикат сбрасывается с диска на стенки корпуса 1, оседает на них и на поверхности отражателя 8 (зона I), попадая затем под ударное воздействие режущих кромок ножей 7. В момент её среза конгломераты разрушаются и происходит интенсивное смешивание сыпучего материала, жидкости и вязкой полидисперсной системы в зоне II.

Работоспособность аппарата проверена при приготовлении композиции на основе СОМ с добавлением жидкой смеси жиров и эмульгирующих премиксов. Основной компонент (СОМ) подавался в аппарат объемным дозатором производительностью от 4,5 до 10 г/с, а жировая композиция, предварительно подогретая до температуры 40°С, поступала через дозатор жидкости. Содержание жира в смеси варьировалось от 4 до 20% и определялось в пробах готового продукта по косвенному методу Рушковского B.C. В ходе экспериментов исследовалось влияние частоты вращения ротора XI, с"1 и концентрации жировой

Рис.17. Схема центробежного смесителя порошкообразных материалов с жидкими добавками

фазы Х2, % на равномерность ее распределения по объему композиции Ус (У, %). Получено уравнение множественной регрессии (Л2 равно 0,92):

У=31-4,8-Х1-0,8X2+0,25Х12+0,05-Х1-Х2+0,02-Х22. (22)

Анализ уравнения (22) показывает, что с увеличением частоты вращения ротора качество получаемой композиции улучшается до некоторого критического значения, а затем ухудшается из-за уменьшения времени пребывания материала в активной зоне. Выявлено, что частота вращения ротора должна лежать в пределах от 6,5 до 10 с"1. Увеличение концентрации жировой фазы приводит к ухудшению качество смеси, т.к. происходит возрастание числа конгломератов. В разработанной конструкции центробежного СНД время смешивания исчисляется в секундах, а коэффициент вариации не превышает 10-15%.

Метод получения сухой многокомпонентной молочно - жировой смеси определяет структуру и свойства готового продукта. Микроструктура регенерированного молока изучалась с помощью оптического микроскопа "МЮРНОТ". Исследовались образцы смеси, полученные при различных режимах работы смесителя и с разной концентрацией жировой фазы. Из полученных микрофотографий (рис. 18) следует, что смесь состоит из примерно одинакового размера частиц округлой формы, между которыми и по их поверхности распределена жировая фаза. При увеличении содержания жира в смеси возрастает количество связанных между собой частиц, т.к. жировые оболочки способствуют слипанию дисперсных компонентов и образованию конгломератов.

Рис. 18. Микроструктура смеси регенерированного молока (1 - 8% жира; 2 - 10% жира; 3 - 18% жира)

В процессе смешивания компоненты находятся в активной зоне в течение 5 -г 10 с, поэтому в слоях продукта не возникают значительные сдвиговые напряжения и сохраняется его качество. Для оценки основных показателей выработанного регенерированного молока проведен физико-химический анализ. Выявлено, что продукт имеет хорошую растворимость (индекс не более 0.1 см3 сырого осадка). Перекисное число, являющееся основным объективным показателем прогоркания жиров, составляет 0,025 мг % 12, кислотность для свежеиз-готовленного продукта не выше 22 °Т.

Для изучения слеживаемости определялись величины начального удельного сопротивления сдвигу для смесей с содержанием жировой фазы от 3 до

30 %. Величина предварительной уплотняющей нагрузки оуш1 принималась из условий хранения продукта (9,81 Н, 39,24 Н, 58,86 Н). Исследования проводились на продукте влажностью 4,3 %, при температуре окружающей среды 20"С. Из результатов исследований (рис.19) следует, что с повышением содержания жира увеличивается число адгезионных и когезионных мостиков между частицами, что приводит к возрастанию значений начального сопротивлению сдвигу.

На рис. 20 - 22 представлена динамика изменения физико-механических показателей сухих молочных смесей в процессе хранения. Выявлено, что жировая фаза, при увеличении ее содержания в смеси, обволакивает частицы сухого молока, образуя жидкостные адсорбционные прослойки, накапливается в зазорах между ними и удерживается силами поверхностного натяжения. В результате повышается когезия частиц и напряжение сдвига (рис. 20). Снижение этого показателя во времени объясняется равномерным перераспределением жировой фазы среди сухих компонентов в процессе хранения. Повышение процентного содержания жира также приводит к увеличению степени когезии. С увеличением срока хранения наблюдается рост значений коэффициентов внутреннего трения, что объясняется дегидратацией дисперсионной среды. Изменение коэффициента внешнего трения (рис. 21) объясняется взаимным влиянием сил адгезии и сил трения. Содержание жировой фазы повышает степень адгезии продукта, которая носит молекулярный характер. Это обуславливает увеличение

я 5500

с 5000 I .4500

а

9 4000 0)

1 3500

0

8 зооо

Й 2500 ® 2000 | 1500

1 1000

<5

1 500

1 ■ — —1--

9.51 М -39.24 Н

ч.

м

30

0 5 10 15 20 25 Содержание жировой фазы, % масс

Рис. 19. Зависимость начального напряжения сдвига от величины предварительной

0 5 10 13 20 25 30

х Содержание жировой фазы. % масс

Рис. 20. Зависимость начального напряжения сдвига от сроков хранения

О 5 10 15 20 25 30 Содержание жировой фазы, % масс

Рис.21. Зависимость коэффициентов внешнего трения от сроков хранения

О 5 10 15 20 25

Содержание жировой фазы, % масс

Рис. 22. Зависимость насыпной плотности от сроков хранения

коэффициента внешнего трения. При увеличении содержания жировой фазы и срока хранения продукта плотность образца повышается (рис. 22) за счет удаления избыточного воздуха и уплотнения его структуры.

За счет минимального времени обработки и контакта ингредиентов с рабочими органами обеспечивается хорошее качество готового продукта, при этом установочная мощность привода (0.25 кВт) в 7 раз ниже, чем у горизонтальных смесителей той же производительности.

В восьмой главе рассмотрены технологии получения комбинированных продуктов на основе: композиций из сыпучих и плохосыпучих, а также склонных к образованию конгломератов материалов; компонентов с большой разницей их содержания в смеси; дисперсных и мелкозернистых материалов при одновременном вводе малых количеств жидких добавок в смешиваемую массу в которых реализованы новые конструкции смесителей центробежного типа.

С целью апробации одного из смесителей проведены опытные испытания и рассмотрены вопросы обогащения продуктов питания путем ввода микроэлемента селена в комбикорм для кур-несушек. При этом реализован способ последовательного разбавления, который показал высокую эффективность. Смеситель обеспечивает заданную однородность распределения селеносодержащей микродобавки Сел-Плекс в комбикорме.

Предложены технологические схемы и проекты аппаратурного оформления стадий смешивания в производстве многокомпонентного ЗЦМ, витаминизации сухого молока, смеси «сухого мороженого», сухих завтраков (хлебцев), сухих посолочных композиций для мясных полуфабрикатов, мучных смесей для приготовления блинов и сдобного печенья, смесей специй в производстве рыбных продуктов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлены общие закономерности движения и взаимодействия потоков и механизм смесеобразования в рабочих объемах смесителей центробежного типа, что позволило сформулировать концепцию организации направленного движения материалопотоков в них и на ее основе интенсифицировать процесс смесеобразования сыпучих и увлажненных материалов.

С использованием кибернетического подхода проведен частотно-временной анализ процессов массопереноса в узлах непрерывнодействующего смесеприготовительного агрегата. Путем варьирования режимных и конструктивных параметров блока дозаторов и смесителей центробежного типа получены характеристики сглаживания флуктуаций материалопотоков и рациональные допустимые частотные диапазоны дозирования, позволяющие подобрать требуемые параметры работы агрегата, для обеспечения заданного качества смеси. Установлено, что на частотах входных воздействий, начиная с 0.01 с"1 и выше смеситель работает как идеальный низкочастотный фильтр. В реальных условиях целесообразно работать на частотах до 1 с"1, что обеспечивает степень сглаживания флуктуаций входных сигналов от 2.5 до 100 раз и получение смеси заданного качества.

2. С использованием теории стохастических процессов разработано математическое описание механизма перераспределения потоков компонентов дисперсного материала в аппаратах центробежного типа. Получены статистические оценки параметров модели и определены вероятности перехода частиц в зонах смешивания в зависимости от конструкции и режима работы аппарата.

Выполнен теоретический анализ схем организации направленного движения потоков материала в рабочем объеме центробежного смесителя. Результаты сопоставления основных сравнительных характеристик работы аппарата позволили выбрать наиболее рациональную схему с точки зрения ее конструктивного воплощения. Из результатов численного анализа модели следует, что на однородность получаемой смеси влияет наличие в аппарате различных контуров циркуляции и период пульсаций питающих потоков.

3. Обоснована возможность прогнозирования эффективности процесса смешивания многокомпонентных композиций с использованием предложенного критерия качества, получаемого на основе информационной энтропии. Установлена, с учетом случайных возмущающих факторов, связь между функциями сглаживания и коэффициентами кинетических уравнений. Для ряда важных случаев получены их решения.

4. Установлены структура и направления движения потоков сыпучего материала в центробежном смесителе. В рабочем объеме аппарата методами динамики материальных точек рассчитаны траектории и линии тока частиц сыпучего материала, выделены возможные зоны его локализации и пути перехода между ними, получены выражения для расчета интенсивностей перехода. Разработаны методы идентификации неизвестных параметров полученных математических моделей, выявлены границы их применимости и проведена проверка на адекватность.

5. Проведено математическое обоснование метода последовательного разбавления для случая смешивания сыпучих материалов с большой разницей их концентраций.

6. Разработан общий алгоритм моделирования и методика оптимального проектирования нового класса центробежных аппаратов, позволяющие аналитическим путем выявить влияние технологических параметров и определить их рациональные значения.

7. Предложен и исследован способ смешивания компонентов регенерированного молока с использованием новых конструкций смесителей, позволяющий расширить круг сырьевых ресурсов и производить продукт с заданным составом и свойствами. Экспериментально исследованы физико-химические и физико-механические характеристики сухих молочных смесей и их изменение при хранении. Изучена микроструктура многокомпонентного заменителя цельного молока. Выявлено, что основное влияние на процесс смесеобразования оказывают концентрация жировой фазы и способ ее ввода в смесь.

8. Исследована возможность совмещения в одном аппарате процессов смешивания и диспергирования. Установлено, что центробежные смесители с конусным ротором при оптимально рассчитанных геометрических и режимных параметрах обладают хорошей диспергирующей способностью.

9. Проведены экспериментальные исследования влияния режимных и геометрических параметров работы смесителей с направленной организацией движения материалопотоков на интенсивность и эффективность процесса смешивания. Получены математические модели в виде уравнений регрессии, позволяющие найти рациональные конструктивные и технологические параметры аппаратов.

10. Разработаны рекомендации по организации процессов смешивания и диспергирования в одном аппарате. Установлено, что интенсификации процесса способствуют повышение накопительной и сглаживающей способностей аппаратов путем организации направленного движения прямых и рециркулирую-щих материалопотоков в их рабочих объемах, а также пылевоздушных потоков во внутреннем объеме аппарата за счет введения в его конструкцию дополнительных устройств.

11. Результаты исследований и новые конструкции смесителей использованы при приготовлении смесей сухих и увлажненных комбинированных продуктов в технологических схемах получения регенерированного молока на сухой молочной основе, «сухого мороженого», пшеничного зерна с дисперсными добавками в технологии производства сухих завтраков (хлебцев), мучных смесей для приготовления блинов и сдобного печенья, сухих посолочных композиций для мясных полуфабрикатов, смесей сухих специй в производстве рыбных продуктов. Ожидаемый экономический эффект от промышленного внедрения смесителя для получения сухих посолочных композиций составил в ценах 2008 г. 114340 руб./ год. Конструкторская техдокументация переданы заказчикам для внедрения. Техническая новизна новых конструкций центробежных смесителей защищена 13 патентами РФ на изобретение.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

Всего по теме диссертации опубликовано 120 работ, основными из них являются:

Монографии

1. Бакин И.А. Теоретические и практические аспекты разработки конструкций центробежных смесителей для переработки дисперсных материалов: Монография / И.А. Бакин, В.Н. Иванец - Кемерово: КемТИПП, 2007. - 156 с.

2. Бакин И.А. Математическое моделирование на основе стохастического подхода процесса смешивания дисперсных материалов: Монография / И.А. Бакин - Кемерово: КемТИПП, 2008.-164 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

3. Иванец, В.Н. Новая конструкция центробежного смесителя для порошкообразных материалов / В.Н. Иванец, И.А. Бакин // Известия вузов. Пищевая технология. - 2000. - №1, С.73-75.

4. Иванец, В.Н. Оборудование для смешивания компонентов при производстве регенерированного молока сухим способом / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, Г.Е. Иванец // Достижения науки и техники АПК. - 2000. - Ks8, С. 32-35.

5. Иванец, В.Н. Центробежный смеситель для дисперсных комбинированных продуктов / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, Г.Е. Иванец // Молочная промышленность. - 2000. - № 10, С.40-42.

6. Иванец, Г.Е. Разработка циркуляционного смесителя центробежного типа для получения сухих и увлажненных композиций / Г.Е. Иванец, С.А. Ратников, И.А. Бакин, В.П. Зверев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2002. - № 6, С.60-61.

7. Иванец, В.Н. Энтропийный подход к оценке процесса смешивания сыпучих материалов / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, Г.Н. Белоусов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2002. -№11, С. 16-18.

8. Иванец, В.Н. Критериальная оценка режимов смешивания сыпучих материалов в центробежных смесителях / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, Г.Н. Белоусов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - № 2, С. 22-23.

9. Иванец, В.Н. Разработка новых конструкций центробежных смесителей непрерывного действия для переработки дисперсных материалов / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, Д.М. Бородулин // Известия вузов. Пищевая технология. - 2003. - № 4, С. 94 - 98.

10. Иванец, В.Н. Анализ работы центробежных смесителей непрерывного действия на основе корреляционного анализа / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, Д.М. Бородулин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - №5, С. 75 - 77.

11. Иванец, В.Н. Расчет линий тока дисперсного материала в центробежном конусном смесителе / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, A.C. Волков // Хранение и переработка сельхозсырья. -2005.- №5, С. 63-64.

12. Макаров, Ю.И. Прогнозирование качества многокомпонентной смеси сыпучих материалов с использованием энтропийного показателя / Ю.И. Макаров, И.А. Бакин, Г.Н. Белоусов //Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2005. -№ 5, С.6-8.

13. Иванец, В.Н. Исследование структуры воздушных потоков в центробежном конусном смесителе / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, A.C. Волков // Хранение и переработка сельхозсырья. -2005.-№11, С. 23-24.

14. Иванец, В.Н. Интенсификация процесса смешивания за счет направленного формирования материальных и воздушных потоков / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, A.C. Волков // Химическая промышленность сегодня. - 2005. -№11, С.52-56.

15. Иванец, В.Н. Моделирование рабочего процесса в смесителях для приготовления композиций с заданными качественными характеристиками/ В.Н. Иванец, И.А. Бакин // Известия вузов. Пищевая технология. - 2006. - № 1, С. 79-83.

16. Иванец, В.Н. Определение диспергирующей способности центробежного смесителя / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, М.М. Винниченко, С.Г. Чечко, В.И. Маньянов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2006. - № 7 , С. 68-70.

17. Киселева, Т.Ф. Исследование процесса смешивания многокомпонентных систем для производства полуфабрикатов сухого кваса/ Т.Ф. Киселева, В.А. Помозова, И.А. Бакин, Е.И. Бровко // Пиво и напитки. - 2006. - № 4, С. 60-62.

18. Бакин, И.А. Смешивание компонентов регенерированного молока / И.А. Бакин // Молочная промышленность. - 2006. - № 12. - С. 58-60.

19. Бакин, И.А. Смеситель для приготовления многокомпонентного комбикорма/ И.А. Бакин, С.А. Шевченко, А.Б. Шушпанников // Достижения науки и техники АПК. - 2006. - № 12.

20. Бакин, И.А. Анализ работы смесителя - диспергатора на основе статистического моделирования процесса периодического смешивания / И.А. Бакин // Химическая промышленность сегодня. - 2007. - № 1. - С. 50-55.

21. Бакин, И.А. Введение добавки Сел-плекс в комбикормовые смеси для кур-несушек / И.А. Бакин, С.А. Шевченко, А.Б. Шушпанников // Хранение и переработка сельхозсырья. -2007.-№1,-С. 80-81.

22. Бакин, И.А. Совмещение процессов смешивания и диспергирования в конусном центробежном аппарате/ И.А. Бакин, С.Г. Чечко, A.B. Сибиль // Хранение и переработка сельхозсырья. -2009. -№ 3. - С.60-63.

Депонированные рукописи

23. Бакин И.А., Бородулин Д.М., Ратников С. А. Математическая модель движения направленных материалопотоков в конусном смесителе. // Деп. рук. Указатель ВИНИТИ «Депонированные рукописи». - М., 2001. № 2551-В2001.

24. Бакин И.А., Саблинский А.И., Белоусов Г.Н. Оценка параметров работы дозирующих устройств. // Деп.рук. Указатель ВИНИТИ «Депонированные рукописи». - М., 2002. № 16-В2002.

25. Бакин И.А., Бородулин Д. М., Саблинский А. И. Использование случайных марковских процессов при моделировании смешивания в конусных смесителях. // Деп. рук. Указатель ВИНИТИ «Депонированные рукописи». - М., 2002. №18-В2002.

26. Бакин И. А., Бородулин Д. М., Саблинский А. И. Математический анализ работы центробежного смесительного агрегата на основе кибернетического подхода. // Деп. рук. Указатель ВИНИТИ «Депонированные рукописи». - М., 2002. №17-В2002.

27. Бакин И.А., Бородулин Д. М., Волков A.C. Реализация метода направленной организации пылегазовых потоков в процессе смешивания сыпучих материалов. // Деп.рук. Указатель ВИНИТИ «Депонированные рукописи». - М., 2004. № 601-В2004.

28. Бакин И.А. Математические методы описания технологических процессов смешивания в конусных смесителях. // Деп.рук. Указатель ВИНИТИ «Депонированные рукописи». - М., 2004. № 600-В2004.

Работы, опубликованные в материалах международных и российских конференций, сборниках научных трудов

29. Бакин, И.А. Центробежный смеситель в производстве заменителей цельного молока на сухой основе / И.А. Бакин, А.Б. Шушпанников, С.И. Батурина // Комбинированные пищевые продукты: Сб. науч. работ- Кемерово: КемТИПП, 1996. - С. 60-61.

30. Иванец, В.Н. Влияние конструктивных особенностей центробежного смесителя на его динамические параметры. / В.Н. Иванец, И.А. Бакин // Матер, докл. междунар. научно-техн. конф. «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности». - Воронеж: ВГТА, 1997. - С. 86-87.

31. Федосенков, Б.А. Моделирование процессов смесеприготовления топологическими методами / Б.А. Федосенков, Д.Л. Поздняков, В.Н. Иванец, И.А. Бакин // Интеллектуальные автоматизированные системы в управлении: Матер, научн.-пракг. конф. Новосибирск, 1997. - С. 256-258.

32. Бакин, И.А. Физическое моделирование процесса смешивания в конусном смесителе / И.А. Бакин, B.C. Хорунжин, Ю.А. Матвеев // Новые технологии и продукты. Сборник научных работ - Кемерово: КемТИПП, 1998. - С. 128-131.

33. Бакин, И. А. Разработка центробежного смесителя для приготовления смесей из порошкообразных материалов. / И.А. Бакин, В.Н. Иванец, Б.А. Федосенков //Матер, докл. междунар. научно-техн. конф. «Техника и технология пищевых производств». - Беларусь, Могилев: МТИ, 1998. - С. 156-157.

34. Бакин, И.А. Моделирование динамики процесса смешивания в конусном смесителе / И.А. Бакин, B.C. Хорунжин, Ю.А. Матвеев // Матер, докл. междунар. научно-техн. конф. «Техника и технология пищевых производств». - Беларусь, Могилев: МТИ, 1998. - С. 154-155.

35. Иванец, В.Н. Разработка технологический стадий смешения при получении материалов с заданными качественными характеристиками. / В.Н. Иванец, Батурина С.И., Бакин И.А. // Сб.научн.тр. «КемТИПП 25 лет: достижения, проблемы, перспективы. - Кемерово, КемТИПП, 1998, ч. 2. - С. 13-19.

36. Бакин, И.А. Оборудование для производства заменителей цельного молока на сухой основе / Бакин И.А., Батурина С.И. // Проблемы переработки сельскохозяйственной продукции и лекарственного сырья: Матер. Всеросс. научн.-практ. конф. - Пенза, 1998. - С.17-19.

37. Бакин, И.А. Влияние режимно - конструктивных параметров усовершенствованной конструкции центробежного смесителя на качество смесей / Бакин И.А., Д.Л. Поздняков, Б.А. Федосенков // Проблемы переработки сельскохозяйственной продукции и лекарственного сырья: Матер. Всеросс. научн.-практ. конф. - Пенза, 1998. - С.20-22.

38. Федосенков, Б.А. Математическое моделирование процессов смесеприготовления в агрегатах с направленной организацией потоков / Б.А. Федосенков, Д.Л. Поздняков, А.Л. Чеботарев, И.А. Бакин // Проблемы переработки сельскохозяйственной продукции и лекарственного сырья: Матер. Всеросс. научн.-практ. конф. - Пенза, 1998. - С.33-35.

39. Бакин, И.А. Исследование статистических характеристик работы дозирующих устройств / И.А. Бакин, В.Н. Иванец, В.Б. Бочковский // Процессы, аппараты и машины пищевой технологии: Межвуз.сб.науч.тр. - СПб.: СПбГАХПТ, 1999. - С.94-99.

40. Бакин, И.А. Применение теории случайных марковских процессов при моделировании смешения в центробежных смесителях / И.А. Бакин, А.И. Саблинский, Г.Н. Белоусов // Информационные недра Кузбасса: Сб. матер. II региональной науч.-практ.конф. - Кемерово, КемГУ, 2001. - С. 258-261.

41. Бакин, И.А. Описание технологического процесса смесеприготовления в конусном смесителе / И.А. Бакин, Г.Н. Белоусов, А.И. Саблинский // Пища. Экология. Человек: 4 междунар. науч.-техн. конф.: Сб. матер. - М.: МГУПБ, 2001. - С. 262-263.

42. Бакин, И.А. Безотходная технология производства комбинированных продуктов питания / И.А. Бакин, В.П. Зверев, Г.Е. Иванец // Экологическая безопасность, сохранение окружающей среды и устойчивое развитие регионов Сибири и Забайкалья: Сб. матер. Всеросс. научно-практ. конф. - Улан-Уде: Изд-во ВСГТУ, 2002. - С.204-207.

43. Бакин, И.А. Новые виды зерновых продуктов для функционального питания / И.А. Бакин, В.Н. Иванец, В.П. Зверев // Современные проблемы техники и технологии хранения и переработки зерна. Сб. докл. шестой республ. научно-пракг. конф. - Барнаул, АГТУ, 2002. -С.132-138.

44. Бакин И.А. Критериальная оценка режимов смешивания сыпучих материалов в центробежных смесителях / И.А. Бакин, Г.Н. Белоусов //Федеральные и региональные аспекты государственной политики в области здорового питания: Сб. труд. межд. симпозиума. - Кемерово, 2002. - С. 293-294.

45. Бакин И.А. Проектирование аппарата для подготовки комбинированных смесей / И.А. Бакин, В.Н. Иванец, М.М. Винниченко, В.П. Зверев // Наука и практика. Диалоги нового века: материалы междунар.научн.-пракг. конф. - Татарстан, Наб.Челны, КамГПИ. 2002. - С. 86-88.

46. Бакин И.А. Применение методов математического моделирования при проектировании непрерывнодействующего смесителя / И.А. Бакин, А.И. Саблинский, Г.Н. Белоусов // Информационные недра Кузбасса: сб. матер. П региональной науч.-практ.конф. - Кемерово, КемГУ: 2003 г. - С.64-65

47. Бакин И.А. Комплексное моделирование процессов непрерывного смесеприготовления. / И.А. Бакин, А.И. Саблинский, Г.Н. Белоусов // Технология и техника пищевых производств: Сб.науч.работ. - Кемерово: КемТИПП, 2003. - С. 137-141.

48. Бакин, И.А. Интенсификация процессов смешивания дисперсных материалов в конусных смесителях / И.А. Бакин, В.Н. Иванец // Актуальные направления экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции: сб. матер, ме-ждунар.научн.-пракг.конф.,поев.90-летаюВГАУ -Воронеж: ВГАУ,2003.-С. 38-41.

49. Бакин, И.А. Газодинамика центробежных смесителей непрерывного действия / И.А. Бакин, А.И. Саблинский, C.B. Аверкин // Достижения науки и практики в деятельности образовательных учреждений: Материалы Всеросс. науч.-пракгач. конф. - Кемерово: КемТИПП, 2003. - С. 43 - 44.

50. Бакин, И.А. Повышение эффективности процесса смешивания дисперсных продуктов питания / И.А. Бакин, В.И. Маньянов, C.B. Аверкин // Пища. Экология. Человек: Сб. матер, пятоймеждунар.научн.-техн. конф.: Сб. матер-М.: МГУПБ. 2003.-С. 145-146.

51. Бакин, И.А. Исследование интенсификации смешивания дисперсных материалов / И.А. Бакин, A.C. Волков, В.Н. Иванец // Пища. Экология. Человек: Сб. матер, пятой между-нар.научн.-техн. конф. - М.: МГУПБ. 2003.-С. 173-175.

52. Бакин, И.А. Разработка смесителя для комбинированных дисперсных продуктов / И.А. Бакин, A.C. Волков, А.Н. Жуков // Технологические и экономические аспекты обеспечения качества продукции и услуг в торговле и общественном питании : Сб. матер. Всеросс. науч-но-практ. конф. - Кемерово: КемТИПП, 2003. - С. 69-72.

53. Бакин, И.А. Методы интенсификации получения дисперсных комбинированных продуктов питания / И.А. Бакин, А.Н. Жуков, A.C. Волков // Молодые ученые Сибири: материалы Всеросс. молодежной научн.-техн. конф. - Улан-Удэ: Изд-во ВСТУ, 2003. - С. 46-50.

54. Бакин, И.А Применение вероятностных методов для моделирования процессов смешивания / И.А. Бакин, А.И. Саблинский // Информационные недра Кузбасса: Сб. матер. III региональной науч.-практ.конф. - Кемерово, КемГУ, 2004. - С.261-263.

55. Бакин, И.А. Оборудование для приготовления смесей дисперсных комбинированных продуктов / И.А. Бакин, A.C. Волков // Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности: Матер. П межд. науч.-техн. конф. в 2 ч.:- Воронеж, ВГТА, 2004. - С. 95-97

56. Бакин, И.А. Оценка подавления пульсаций дозирующих потоков смесителем непрерывного действия / И.А. Бакин, Д.Б. Ходюш // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-18. Сб. трудов 18 Международ, науч. конф.: в 10 т. Т.5. - Казань: изд-во . Казанского гос. технол. ун-та, 2005. - С. 130-134.

57. Бакин, И.А. Динамика материала в конусном смесителе / И.А. Бакин, A.C. Волков, А.И. Саблинский // Перспективы развития технологии и техники бродильных производств: Матер. Межд. научно-практич. конф.: - Воронеж, ВГТА, 2005. - С. 16-18.

58. Бакин, И.А. Применение численных методов для описания кинетики процесса смешивания / И.А. Бакин, Д.Б. Ходюш // Образование для новой России (опыт, проблемы, перспективы): Матер. Всеросс.научно-практ. конф.. - Томск: Изд-во STT,2005. - С. 142-143.

59. Бакин, И.А. Оборудование для производства ЗЦМ из вторичного молочного сырья / И.А. Бакин, В.И. Маньянов // Технология и техника агропромышленного комплекса: Матер. Всеросс. научно-практ. конф. - Улан-Уде: Изд-во ВСГТУ, 2005. - С.254-261.

60. Бакин, И.А. Опыт разработки центробежных смесителей непрерывного действия для дисперсных материалов / И.А. Бакин, В.Н. Иванец, В.И. Маньянов //Материалы региональной выставки - ярмарки новых разработок и технологий в области пищевой и перерабатывающей промышленности. - Кемерово, КемТИПП, 2005. - С.110 - 122.

61. Бакин, И.А. Новое оборудование в производстве регенерированного молока / И.А. Бакин, В.И. Маньянов // Перспективы производства продуктов питания нового поколения: материалы 2 Межд. научно-практич. конф. - Омск, Ом. гос. аграр. ун-т., 2005. - С. 250-253.

62. Бакин, И.А. Анализ качества многокомпонентных смесей по энтропийному показателю / И.А. Бакин, Г.Н. Белоусов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-19. Сб. трудов 19 Межд. науч. конф. в 10-и т. Т.З.-Воронеж,ВГТА, 2006.-С.113 -115.

63. Бакин, И.А. Моделирование процесса периодического смешивания в центробежном конусном смесителе / И.А. Бакин, С.Г. Чечко // Техника и технология пищевых производств (выпуск 4): Сб.науч.работ. - Кемерово, КемТИПП, 2006. -С. 17-20.

64. Бакин, И.А. Исследование насыпной плотности сухих молочных смесей / И.А. Бакин, A.B. Шилов // Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: Сб. статей 9й научно-практ. конф. с междунар. участием. - Барнаул, АлГТУ, 2006. - С. 185-186.

65. Бакин, И.А. Исследование физико-механических характеристик сухих молочных смесей / И.А. Бакин, A.B. Шилов // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов (выпуск 12): Сб.науч.работ. - Кемерово, КемТИПП, 2007. - С.12-14.

66. Бакин, И.А. Вероятностная модель процесса периодического смешивания / И.А. Бакин, А.И. Саблинский // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20. Сб. трудов 20 Межд. науч. конф. в 10-и т. Т. 12. -Ярославль, ЯГТА. 2007. - С.237 - 238.

67. Бакин, И.А. Исследование диспергирующей способности конусного смесителя - дис-пергатора/ И.А. Бакин, С.Г. Чечко// Техника и технология пищевых производств (выпуск 5): Сб.науч.работ. - Кемерово, КемТИПП, 2007. - С.30-33.

68. Бакин И.А. Разработка смесителей с интенсивным механическим воздействием на перерабатываемые материалы / И.А. Бакин, A.B. Сибиль, В.Н. Иванец // Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: Сб.материалов Ю-— научно-практ. конф. с международным участием. - Барнаул, АлтГТУ, 2007. - С. 291-294.

69. Бакин, И.А. Реологические показатели сухих молочных смесей / И.А. Бакин, A.B. Сибиль, A.B. Шилов // Инновационные технологии переработки сельскохозяйственного сырья в обеспечении качества жизни: наука, образование и производство: Материалы Межд. научно-практ. конф. - Воронеж, ВГТА, 2008. - С.257-262.

70. Сибиль, A.B. Проектирование центробежных аппаратов для получения сухих смесей / A.B. Сибиль, И.А. Бакин // Технология и продукты здорового питания: Материалы 2м Международ. научно-практ. конф. - СГАУ,- Саратов: ИЦ «Наука», 2008. - С.132- 134.

Патенты РФ

70. Патент N 2117525 Россия, МПК В01 F7/26, В2В С5/16 - 96115718/25 Центробежный смеситель / Иванец В.Н., Батурина С.И., Бакин И.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП - Заявлено 29.07.96 г., опубл. Бюл. № 23.20.08.1998 г. (Россия).

71. Патент N 2132725 Россия, МПК В01 F7/26. - 97110628/25 Центробежный смеситель / Иванец В.Н., Бакин И. А., Федосенков Б.А. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП - Заявлено 24.06.97, опубл. Бюл. № 19 10.07.1999. (Россия).

72. Патент N 2159147 Россия, МПК В01 F7/26. -98120388/12 Смеситель порошкообразных материалов с жидкими добавками / Шушпанников А.Б., Иванец В.Н., Бакин И.А., Бочков-ский В.Б.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП - Заявлено 12.11.98, опубл. Бюл. № 32 20.11.2000 (Россия).

73. Патент N 2177362 Россия, МПК В01 F7/26. -2000108417/12 Центробежный смеситель / Иванец В.Н., Бакин И.А., Ратников С.А., Федосенков Б.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП - Заявлено 04.04.2000, опубл. Бюл. № 36 27.12.2001 (Россия).

74. Патент N 2177823 Россия, МПК В01 F7/26. -2000105743/12 Центробежный смеситель / Иванец В.Н., Бакин И.А., Ратников С.А., Федосенков Б.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП - Заявлено 07.03.2000, опубл. Бюл. № 1 10.01.2002 (Россия).

75. Патент N 2191063 Россия, МПК В01 F7/26. -2001102922/12 Центробежный смеситель / Ратников С.А., Бородулин Д.М., Иванец Г.Е., Белоусов Г.Н., Бакин И.А., Саблинский А.И.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП -Заявлено 31.01.2001, опубл. Бюл. № 29 20.10.2002 (Россия).

76. Патент N 2216394 Россия, МПК B0I F7/26. -2002130106/12; Центробежный смеситель / Иванец В.Н., Бакин И.А., Белоусов Г.Н., Бородулин Д.М., Волков A.C.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП - Заявлено ¡0.11.2002, опубл. Бюл. № 32 20.11.2003 (Россия).

77. Патент N 2207186 Россия, МПК В01 F7/26, В28 С5/16. -2001130371/12 Центробежный смеситель / Иванец В.Н., Бакин И.А., Бородулин Д.М., Зверев В.П.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП - Заявлено 09.11.2001, опубл. Бюл. № 18 27.06.2003 (Россия).

78. Патент N 2207901 Россия, МПК В01 F7/26, В28 С5/16. -2001120866/12 Центробежный смеситель / Иванец В.Н., Бакин И.А., Бородулин Д.М., Зверев В.П.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП - Заявлено 25.07.2001, опубл. Бюл. № ] 9 25.07.2003 (Россия).

79. Патент N 2220765 Россия, МПК В01 F7/26, В28 С5/16. -2002113777 / 12; Центробежный смеситель / Иванец В.Н, Бакин И.А., Бородулин Д.М., Винниченко М.М., Белоусов Г.Н., Аверкин C.B.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП - Заявлено 27.05.2002, опубл. Бюл. №1 10.01.2004 (Россия).

80. Патент N 2246343 Рос. Федерация: МПК7 H В01 F7/26, В28 С5/16 -2003133055/15(035398) Центробежный смеситель / Иванец В.Н., Бакин И.А., Волков A.C., Жуков А.Н., Шушпанников А.Б.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП -заявл. 11.11.2003; опубл. Бюл. № 5 20.02.2005 (Россия).

81. Патент N 2263533 Рос. Федерация: МПК7 H В 01 F 7/26 - 2004132032/15(034756) Центробежный смеситель / Иванец В.Н., Бакин И.А., Волков A.C., Сницарук М.С.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП - заявл. 02.11.2004; опубл. Бюл. № 31 10.11.2005 (Россия).

82. Патент N 2311951 Рос. Федерация: МПК В 01 F 7/26, В28 С5/16 - 2006105599/15 Центробежный смеситель - диспергатор / Иванец В.Н., Бакин И.А., Чечко С.Г., Волков A.C., Маньянов В.И.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КемТИПП - заявл. 22.02.2006; опубл. Бюл. №34 10.12.2007 (Россия).

Лицензия № 020524 от 02.06.97 г.

Подписано к печати 12.08.2009 г. Формат 60x80/16. Тираж 120 экз.

Объем 2,25 п.л. Заказ № 151. Отпечатано на ризографе.

ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности,

650056, г. Кемерово, 56, б-р Строителей, 47.

Отпечатано в лаборатории множительной техники ГОУ ВПО КемТИПП, 650010, г. Кемерово-10, ул. Красноармейская, 52

Введение

ГЛАВА 1. НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ОБРАЗОВАНИЯ СМЕСЕЙ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Общие закономерности процесса смешивания сыпучих дисперсных материалов

1.1.1. Механизм взаимодействия частиц в смесях сыпучих 15 дисперсных материалов

1.1.2. Характеристики распределения компонентов вхмеси

1.1.31Факторы, влияющие на процесс смесеобразования

1.2. Классификация'и конструктивное развитие смесительного оборудования

1.2.1. Смесители периодического действия*

1.2.2. Конструкции непрерывнодействующих смесителей

1.2.3: Пути интенсификации процесса смешивания

1.3. Современные методы моделирования процессов смешивания дисперсных материалов

Общая характеристика работы

В настоящее время во многих отраслях народного хозяйства возникает необходимость получения смесей с высокими процентными соотношениями компонентов (1:500 и более). В пищевой промышленности увеличивается ассортимент сухих пищевых концентратов (витаминизированные смеси, сухие напитки и т.п.), при этом растут требования к качеству продукта:, а именно к равномерному распределению исходных компонентов по объему смеси.

Одним из направлений государственной политики РФ в области здорового питания является создание обогащенной высококачественной пищевой продукции. При производстве сухих и увлажненных комбинированных продуктов питания одной из основных проблем является равномерное распределение различных добавок (витаминов, биологически активных веществ, ароматизаторов), вносимых в небольших количествах (0,01-К %), по всему объему смеси [110].

В настоящее время в НИИ и ведущих вузах пищевого профиля разработаны принципиально новые, энергетически выгодные технологии, обеспечивающие комплексную безотходную переработку как традиционного, так и «вторичного» сырья, производство экологически безопасных продуктов, питания, обогащенных витаминами и биологически активными добавками (БАД), с учетом различных возрастных потребностей и состояния здоровья населения.

Так, например, проблема производства сухих многокомпонентных смесей (академик Харитонов В.Д.) весьма актуальна для молочной промышленности [209]. В этой отрасли наиболее распространено смешивание компонентов в жидком виде и последующее высушивание в распылительных или пленочных сушилках. Недостатком этого способа является разрушение термолабильных витаминов в процессе сушки. Сухое смешивание исходных компонентов в механических смесителях менее распространено, т.к. основную сложность представляет получение продукта с заданными микробиологическими показателями. Однако достаточно^ простое аппаратурное оформление при данном способе делает его весьма перспективным.

ВНИИМП (академик Лисицын А.Б.) предлагает кормовые белково-минеральные добавки с комплексным использованием «вторичных» продуктов пищевых отраслей. Здесь разработаны технологии сухих многокомпонентных смесей с их использованием [180].

В МГУПБе (академик Рогов И.А.) созданы методы и технологии получения безопасных продуктов питания. Здесь же разработана трехкомпонентная белково-углеводно-жировая композиция на основе растительного сырья (проф. Титов Е.И.) [184].

В НИИ хлебопекарной промышленности предложены технологии производства новых видов хлебобулочных изделий повышенной биологической и пищевой ценности [174], разработаны рецептуры композитных смесей с подсластителями, пшеничными зародышевыми хлопьями, соевой мукой, сухим соевым молоком, витаминно-минеральными добавками.

Неблагоприятная экологическая обстановка, сложившаяся в Кузбассе, осложняется несбалансированностью рациона питания и отсутствием в нем нужного количества витаминов, микро- и макроэлементов [99]. Это вызывает необходимость обогащения продуктов питания биологически ценными компонентами. С учетом низкой платежеспособности населения производство продуктов, обогащенных витаминами, БАД и минеральными добавками, помогает решить задачу по обеспечению доступного для большинства населения уровня соотношения цена / качество.

В' молочной промышленности при производстве пищевых продуктов ставится задача комплексного использования побочного сырья пищевой и перерабатывающей промышленности с целью получения высококачественных кормов для животноводства. Рациональное использование молочно - белковых ресурсов заключается прежде всего в создании и внедрении промышленных, аплара-турно-обеспеченных технологий кормовых белковых продуктов [81], в том числе заменителей цельного молока (ЗЦМ), применение которых способствует увеличению выработки товарного молока и, следовательно, молочных продуктов для населения. Высокая экономическая эффективность применения ЗЦМ в животноводстве (1т его высвобождает при выпойке 8 т молока) ставит перед молочной промышленностью^ задачу увеличения их выпуска. Задача максимальной переработки вторичного сырья молочной промышленности (сухого обезжиренного молока (СОМ), пахты и сыворотки) возможна при выработке регенерированного молока - многокомпонентного сухого заменителя цельного молока, обладающего ценными биологическими свойствами. Опыт его использования в странах с высокоразвитым животноводством (США, Англия, Швеция и др.) показал хорошие результаты [79]. Качество регенерированного молока во многом определяется основной стадией технологического процесса - операцией смешивания сыпучих компонентов с жидкими добавками.

Аналогичную проблему приходится решать в других отраслях промышленности (химическая, электротехническая, строительная, авиакосмическая), например, при производстве новых композиционных материалов, различных шихт для получения стекла и искусственных алмазов, электронных и электротехнических изделий [100] и т.п.

Поэтому рассматриваемая проблема является межотраслевой'.

Современные тенденции развития техники ставят задачи усовершенствования безотходных технологий, интенсификации технологических процессов и снижения их энергоемкости, более эффективного использования, сырья, повышения качества конечных продуктов.

Твердые дисперсные системы находят разнообразное применение практически во всех отраслях пищевой технологии. Рассмотрению свойств дисперсных систем и закономерностей их образования посвящены многие специальные монографии и фундаментальные труды ученых: Ребиндера П.А., Урьева Н.Б., Генералова М.Б., Дерягина Б.В., Зимона А.Д., Лыкова А.В., Талейсника М.А., Харитонова В.Д., Липатова Н.Н., Горбатова А.В., Рогова И.А. и других [54, 60, 78, 86, 99, 131, 138, 177, 200, 201].

Обзор различных методов получения и переработки дисперсных систем показывает, что в большинстве случаев развитие технологии базируется на традиционных приемах и методах, которые совершенствуются в пределах каждой конкретной области в основном эмпирическим или полуэмпирическим путем, исходя из требований к свойствам готового продукта [70, 142].

Анализ публикаций, посвященных процессам получения смесей из сыпучих компонентов, показывает значительное преимущество механических смесителей [190, 202]. Однако, смесительные аппараты, используемые в настоящее время на большинстве пищевых предприятий, морально и физически устарели, металло- и энергоёмки, во многих случаях не способны обеспечить надлежащее качество смеси, особенно плохо - и связносыпучих компонентов. Поэтому для интенсификации смешивания необходимо использовать такие пути и подходы, которые позволяли бы увеличить турбулизацию и циркуляцию потоков, при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости. Для организации таких процессов целесообразно применять высокоэффективные и малогабаритные смесители центробежного типа, обеспечивающие смешивание в тонких, разреженных, пересекающихся слоях с возможностью организации направленного движения опережающих и рециркулирующих материалопотоков, что позволяет получать качественные смеси с большой разницей концентраций. Последнее является одним из основных преимуществ данного типа оборудования и представляет большой практический интерес для пищевой и ряда других отраслей промышленности.

Российскими и зарубежными учеными (Баранов Д.А., Борщев В.Я., Дол-гунин В.Н., Зайцев А.И., Иванец В.Н., Иванец Г.Е., Макаров Ю.И., Селиванов Ю.Т., Харитонов В.Д., ЧувпилоА.В., Штербечек 3., Шубин И.Н., Gibilaro L.G., Bourne I.R., Engels К. Aohema и др.) опубликованы ряд исследований в области разработки теории и практики процессов смесеприготовления [9, 62, 90, 95, 111, 118, 140, 191, 209, 214, 216, 217, 224, 228, 231]. Однако, несмотря на возрастающую роль процессов смешивания в пищевой и смежных технологиях, исследованиям смесительных агрегатов центробежного типа посвящено сравнительно небольшое количество работ.

В настоящее время возрастает роль математического описания исследуемых процессов. Это обусловлено тем, что математические модели описывают явления в целом классе аппаратов и при экспериментальной идентификации их параметров даёт возможность прогнозирования эффективности процесса, что в итоге сокращает объем экспериментальных исследований.

Процесс смешивания носит стохастический характер, как в силу его вероятностных свойств, так и самих дисперсных сыпучих материалов. В работах российских и зарубежных ученых (Александровский А.А., Ахмадиев Ф.Г., Бытев Д.О., Веригин А.Н., Джинджихадзе С.Р., Дорохов И.И., Зайцев А.И., Иванец В.Н., Иванец Г.Е., Кафаров В.В., Макаров Ю.И., Мизонов В.Е., Промтов М.А., Селиванов Ю.Т., Федосенков Б.А., Campbell C.S., Dankwerts P.V., Geynis J., Gibilaro R.G. и др.) исследуются проблемы теоретического описания процессов смешивания и его моделирования [16, 18, 53, 66, 88, 91, 94, 126, 128, 143, 148, 179, 191, 206, 225, 226, 230, 231], однако использованию стохастических методов и подходов к данному процессу посвящено сравнительно небольшое количество публикаций.

Поэтому научно обоснованные разработки нового поколения центробежных смесителей и технологий смешивания при получении сухих и увлажненных комбинированных продуктов, реализующих принципиально новые и наиболее эффективные методы интенсификации процесса, являются актуальной научной проблемой, представляющей большой практический интерес для пищевой и ряда других отраслей народного хозяйства.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР НИИ биотехнологии и сертификации пищевых продуктов КемТИПП (темы 1.3.96 «Теоретические и прикладные аспекты разработки непрерывнодействующих смесительных агрегатов для переработки порошкообразных материалов с жидкими добавками», 1996 — 1998 г.г.; 1.3.99 «Разработать теорию непрерывного процесса смешивания в производстве порошкообразных комбинированных

10 продуктов питания»-, 1999 - 2001 г.г.; грантом Министерства образования РФ Т02-06.7-1238 «Научно-практические основы разработки непрерывнодействую-щих смесителей центробежного типа с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов», 2003-2004 г.г.; грантом губернатора Кемеровской области «Разработка научно-практических аспектов создания дозировочно-смесительного оборудования для производства комбинированных кормов и продуктов питания», 2007 г. (грантодержатель -Бакин И.А.); хоздоговорных НИР: «Разработка аппаратурного оформления процессов транспортировки сырья, диспергирования и гомогенизации компонентов и полуфабрикатов в производстве мороженого» с ОАО «Кемеровский хладокомбинат» (2002 — 2004 г.г.), «Теоретические и практические аспекты процессов смешивания и гомогенизации в производстве мясных комбинированных продуктов питания» с ИПМаньянов В.И. (2003 -2004 г.г.), «Теоретические и практические аспекты процессов смешивания в производстве сухих строительных смесей» с ООО «РСТ», г.Кемерово (2007 - 2009 г.).

Цель работы заключается в разработке научных основ и методов1 интенсификации процессов смешивания дисперсных материалов в новом поколении смесительных агрегатов центробежного типа, обеспечивающих повышение производительности, снижение удельных энергозатрат и повышение качества конечного продукта за счет организации направленного движения материальных потоков в рабочем объеме аппарата.

Методология и методы исследования. В процессе теоретических и экспериментальных исследований автором изучены и обобщены результаты существующих научных разработок в области техники и технологии смешивания сыпучих и увлажненных дисперсных материалов. При разработке и исследовании центробежных смесителей использовался системный подход к изучению и описанию основных значимых факторов, влияющих на исследуемые параметры. С этой целью были использованы элементы теории автоматического управления и случайных процессов, методы математического и физического моделирования, математической статистики; планирования эксперимента, современI ные компьютерные технологии и1 проверка результатов с их использованием.

Исследования проводились с использованием комплекса лабораторных стендов, в условиях действующих производств, с целью проверки теоретических положений работы, и определения рациональных конструктивных параметров и режимов работы смесителей.

Концептуальная направленность работы. В основу научного решения проблемы совершенствования процессов и оборудования для получения смесей комбинированных продуктов заданного качества положен системный научно-обоснованный подход, позволяющий вскрыть > общие закономерности организации, строения, функционирования и развития систем смешивания дисперсных материалов в аппаратах центробежного типа.

Научная новизна работы.

Установлены общие закономерности движения и взаимодействия материальных потоков, механизм смесеобразования в аппаратах центробежного типа, что позволило сформулировать концепцию- организации направленного движения материалопотоков в рабочем объеме смесителя, создающую основу для интенсификации процесса смешивания сухих и увлажненных дисперсных материалов.

На! основе кибернетического подхода и теории* стохастических процессов разработаны математические модели, описывающие процессы в смесеприготовительном агрегате, позволяющие проанализировать их эффективность в зависимости от структуры движения материальных потоков как в целом, так и в рабочем объеме центробежного аппарата.

Обоснована возможность прогнозирования эффективности процесса смешивания многокомпонентных композиций с использованием критерия качества, получаемого на основе информационной энтропии.

Проведено математическое обоснование использования метода последовательного разбавления при смешивании сыпучих материалов с большой разницей концентраций исходных компонентов в центробежном смесителе и предложен способ расчета его накопительной и сглаживающей способностей.

Экспериментально исследовано влияние режимных и геометрических параметров работы смесителей с направленной организацией движения мате-риалопотоков на интенсивность и эффективность процесса смешивания. Получены математические модели в виде уравнений регрессии, позволяющие найти рациональные конструктивные и технологические параметры центробежных смесителей.

Предложен алгоритм расчета на базе ЭВМ рациональных конструктивных и динамических параметров смесительного агрегата центробежного типа с учетом входных воздействий со стороны дозирующих устройств.

Разработаны способ и аппаратурное оформление непрерывного получения ряда сухих молочных смесей, исследованы их характеристики, микроструктура и динамика изменения этих показателей при хранении.

Автор защищает:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований методов интенсификации процессов смесеобразования сухих и увлажненных комбинированных продуктов. Новые конструкции смесителей центробежного типа с направленным движением материальных потоков в рабочем объеме аппарата, методику их расчета и проектирования.

Практическая ценность и реализация результатов.

Развитие научных основ процессов смешивания и диспергирования сухих и увлажненных комбинированных смесей позволило разработать новые конструкции смесителей, обеспечивающих получение продуктов заданного качества, научная новизна которых защищена 13 патентами РФ на изобретение. Использование их в промышленности позволяет существенно снизить метало -и энергоемкость, время смешивания. Разработанный комплекс математических моделей дает возможность назначать оптимальные режимно -конструкционные параметры работы центробежного смесительного агрегата на стадии проектирования.

Разработанные смесители использованы в ряде производств для получения комбинированных продуктов: «сухого мороженого» на ОАО «Кемеровский хладокомбинат»; сухих посолочных композиций для мясных полуфабрикатов на ОАО «ТД ОТМАШ» и ООО «Протеин Продукт» г. Кемерово; регенерированного молока на сухой молочной основе на АО "Промышленнов-ский молочный завод"; сухих завтраков (хлебцев) на ООО' «СМИТ» г. Кемерово; мучных смесей для приготовления блинов и сдобного печенья; смесей сухих специй в производстве рыбных продуктов на ООО «Астронотус», г. Кемерово. Конструкторская техдокументация переданы заказчикам для внедрения. Смеситель (патент РФ №2117525) прошел апробацию в производстве стекольной шихты на АООТ «Сибстекло» г. Анжеро-Судженск; смеситель - диспергатор (патент РФ № 2311951) - для выработки сухих строительных смесей на ООО «РСТ» г. Кемерово.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и НИР при подготовке бакалавров и магистрантов на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств ГОУ ВПО КемТИПП.

В диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в период с 1995 по 2009 г.г. лично автором или при его непосредственном участии в качестве научного руководителя (ответственного исполнителя) госбюджетных, хоздоговорных НИР, грантов и двух диссертационных работ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлены общие закономерности движения и взаимодействия потоков и механизм смесеобразования в рабочих объемах смесителей центробежного типа, что позволило сформулировать концепцию организации направленного движения материалопотоков в них и на ее основе интенсифицировать процесс смесеобразования сыпучих и увлажненных материалов.

С использованием кибернетического подхода проведен частотно-временной анализ процессов массопереноса в узлах непрерывнодействующего смесеприготовительного агрегата. Путем варьирования режимных и конструктивных параметров блока дозаторов и смесителей центробежного типа получены характеристики сглаживания флуктуаций материалопотоков и рациональные допустимые частотные диапазоны дозирования, позволяющие подобрать требуемые параметры работы агрегата, для обеспечения заданного качества смеси. Установлено, что на частотах входных воздействий, начиная с 0,01 с"1 и выше смеситель работает как идеальный низкочастотный фильтр. В реальных условиях целесообразно работать на частотах до 1 с"1, что обеспечивает степень сглаживания флуктуаций входных сигналов от 2,5 до 100 раз и получение смеси заданного качества.

2. С использованием теории стохастических процессов разработано математическое описание механизма перераспределения потоков компонентов дисперсного материала в аппаратах центробежного типа. Получены статистические оценки параметров модели и определены вероятности перехода частиц в зонах смешивания в зависимости от конструкции и режима работы аппарата.

Выполнен теоретический анализ схем организации направленного движения потоков материала в рабочем объеме центробежного смесителя. Результаты сопоставления основных сравнительных характеристик работы аппарата позволили выбрать наиболее рациональную схему с точки зрения ее конструктивного воплощения. Из результатов численного анализа модели следует, что на однородность получаемой смеси влияет наличие в аппарате различных контуров циркуляции и период пульсаций питающих потоков.

256

3. Обоснована возможность прогнозирования эффективности процесса смешивания многокомпонентных композиций с использованием предложенного критерия качества, получаемого на основе информационной энтропии. Установлена, с учетом случайных возмущающих факторов, связь между функциями сглаживания и коэффициентами кинетических уравнений. Для ряда важных случаев получены их решения.

4. Установлены структура и направления движения потоков сыпучего материала в центробежном смесителе. В рабочем объеме аппарата методами динамики материальных точек рассчитаны, траектории и линии тока частиц сыпучего материала, выделены возможные зоны его локализации и пути перехода между ними, получены выражения для расчета интенсивностей перехода. Разработаны методы идентификации неизвестных параметров полученных математических моделей, выявлены границы их применимости и проведена проверка на адекватность.

5. Проведено математическое обоснование метода последовательного разбавления для случая смешивания сыпучих материалов с большой разницей их концентраций.

6. Разработан общий алгоритм моделирования и методика оптимального проектирования нового класса центробежных аппаратов, позволяющие аналитическим путем выявить влияние технологических параметров и определить их рациональные значения.

7. Предложен и исследован способ смешивания компонентов регенерированного молока с использованием новых конструкций смесителей, позволяющий расширить круг сырьевых ресурсов и производить продукт с заданным составом и свойствами. Экспериментально исследованы физико-химические и физико-механические характеристики сухих молочных смесей и их изменение при хранении. Изучена микроструктура многокомпонентного заменителя цельного молока. Выявлено, что основное влияние на процесс смесеобразования оказывают концентрация жировой фазы и способ ее ввода в смесь.

8. Исследована возможность совмещения в одном аппарате процессов смешивания и диспергирования. Установлено, что центробежные смесители с конусным ротором при оптимально рассчитанных геометрических и режимных параметрах обладают хорошей диспергирующей способностью.

9. Проведены экспериментальные исследования влияния режимных и геометрических параметров работы смесителей с направленной организацией движения материалопотоков на интенсивность и эффективность процесса смешивания. Получены математические модели в виде уравнений регрессии, позволяющие найти рациональные конструктивные и технологические параметры аппаратов.

10. Разработаны рекомендации по организации процессов смешивания и диспергирования в одном аппарате. Установлено, что интенсификации процесса способствуют повышение накопительной и сглаживающей способностей аппаратов путем организации направленного движения прямых и рециркулирующих материалопотоков в их рабочих объемах, а также пылевоздушных потоков во внутреннем объеме аппарата за счет введения в его конструкцию дополнительных устройств.

11. Результаты исследований и новые конструкции смесителей использованы при приготовлении смесей сухих и увлажненных комбинированных продуктов в технологических схемах получения регенерированного молока на сухой молочной основе, «сухого мороженого», пшеничного зерна с дисперсными добавками в технологии производства сухих завтраков (хлебцев), мучных смесей для приготовления блинов и сдобного печенья, сухих посолочных композиций для мясных полуфабрикатов, смесей сухих специй в производстве рыбных продуктов. Ожидаемый экономический эффект от промышленного внедрения смесителя для получения сухих посолочных композиций составил в ценах 2008 г. 114340 руб./ год. Конструкторская техдокументация переданы заказчикам для внедрения. Техническая новизна новых конструкций центробежных смесителей защищена 13 патентами РФ на изобретение.

1. А. с. 2132725 СССР, МЕСИ В01 F7/28. Центробежный смеситель порошкообразных материалов / В. И. Пындак, Г. Г. Соломатин, И. Ф. Рязанкин (СССР). - Опубл. 1988, Бюл. № 32. - 2 с.

2. А. с. 673308 СССР, МКИ В01 F11/00. Центробежный смеситель / А. А. Литвинов, Ю. Г. Гриднев, И. М. Метальников, Д. Н. Диденко (СССР). -Опубл. 1979, Бюл. № 26. 6 с.

3. А.с. 1150014 СССР, МКИ В01 F7/26. Центробежный смеситель непрерывного действия / А.П. Бурмистенков, Т.Я. Белая, В.В. Корзун (СССР). -Опубл. 1985, Бюл. № 5. 4 с.

4. А.с. 1162471 СССР. Барабанный смеситель / М. П. Макевнин, В. Ф. Пер-шин, М. М. Свиридов (СССР). Опубл. 1985, Бюл. № 23. - 3 с.

5. А.с. 1263332 СССР. Барабанный смеситель непрерывного действия / В. Н. Сидоров, А. И. Зайцев и др. (СССР). Опубл. 1986, Бюл. № 38. - 4 с.

6. А.с. 1278236 СССР, МКИ В28 С5/16 Центробежный смеситель / А.С. Ку-рочкин, В.Н. Иванец, Г.Г. Айрапетян и др. (СССР). Опубл. 1986, Бюл. № 47. - 6 с.

7. А.с. 137006 СССР, МКИВ01 F7/28. Смеситель порошкообразных материалов / В.П. Мигунов, Н.К. Карпов (СССР). Опубл. 1961, Бюл. №6.-4 с.

8. А.с. 1426629 СССР, МКИ В01 F7/16 Центробежный смеситель / И.М. Плеханов, В.Н. Гуляев, М.В. Самойлов, И.Ф. Васикевич (СССР). Опубл. 1988, Бюл. №4. -5 с.

9. А.с. 2081747 Россия, МКИ В 28 С 5/16 Центробежный смеситель / С.Ю. Гарбузова, В.Н. Иванец, А.Б. Шушпанников (Россия). Опубл. 1995, Бюл. № 17. - 8 с.

10. А.с. 2149681 Россия, МКИ В01 F7/28. Центробежный смеситель порошкообразных материалов / Г.Г. Саломатин, В.И. Пындак (Россия). Опубл. 1995, Бюл. №4. -6 с.

11. А.с. 215777 СССР, МКИ В01 F9/20 Устройство для непрерывного перемешивания сыпучих материалов с добавлением жидкости / Н.А. Сидоров, А.А. Шеховцев (СССР). Опубл. 1968, Бюл. № 13. - 8 с.

12. А.с. 586923 СССР, МКИ В01 F9/20. Центробежный смеситель / С.А. Ре-венко, С.С. Кошковский, И.И. Багринцев и др. (СССР). Опубл. 1978, Бюл. № 1.-6 с.

13. А.с. 92181 СССР, МКИ В 01 F7/26. Устройство для непрерывного смешивания мелкодисперсных материалов / A.M. Ластовцев (СССР). Опубл. 1950, Бюл. № 13.-4 с.

14. А.с. 97121607/25 Россия, B01F7/28 Центробежный смеситель порошкообразных материалов / Г.Г. Саломатин, И.Ф. Рязанкин, А.В. Дьяков (Россия). -Опубл. 20.11.1995, Бюл. №6.-8 с.

15. Аверкин С.В. Разработка непрерывнодействующего смесительного агрегата центробежного типа для получения сухих многокомпонентных композиций: дис. канд. техн. наук: 05.18.12 Кемерово, 2004. - 146 с.16