автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Процесс получения пищевых суспензий с малым содержанием твердой фазы

На правах рукописи

ОРЛОВ ПАВЕЛ ВИКТОРОВИЧ

Процесс получения пищевых суспензий с малым содержанием твердой фазы

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006 г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий»

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Арет В.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Алексеев Г.В.

кандидат технических наук, доцент Крысин А.Г.

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «Гипромясомолагропром»

Защита состоится « & » 2006 г. в /У часов на заседании

диссертационного совета Д 212.234.02 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий» по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул.Ломоносова, д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан « 3/ » 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

1. Общая характеристика работы

1.1. Актуальность темы. В современных пищевых технологиях широкое распространение нашли процессы суспензирования. Наряду с увеличением относительной доли порошкообразных, комбинированных и гранулированных пищевых продуктов, подвергаемых восстановлению перед употреблением, происходит резкое расширение ассортимента добавок, в том числе порошкообразных, применяемых с целью повышения качества и расширения ассортимента выпускаемых продуктов питания. Значительно расширилось применение биологически активных добавок (БАД) и биокорректоров в поддержании популяционного и репродуктивного здоровья, профилактической и спортивной медицине, геронтологии, медицине экстремальных состояний.

Организация процесса получения суспензий с равномерным распределением твёрдой фазы существенно усложняется при малых концентрациях (0,02 ...2,0%) вводимых порошкообразных добавок. Это связано с усилением влияния на процесс распределения дисперсных частиц по объему аппарата для перемешивания таких особенностей гидродинамической обстановки, как байпасирование, застойные зоны, седиментация, сепарация и другие. Влияние этих эффектов на равномерность распределения концентрации твёрдой фазы в продукте имеет стохастическую природу, что затрудняет использование детерминированного математического аппарата в виде систем дифференциальных уравнений в частных производных. В этом случае более адекватным процессу представляется построение на основе методов имитационного моделирования структуры потоков, учитывающих специфические особенности гидродинамики в объёме аппарата и допускающие применение детерминирован-но-вероятностного подхода, основанного на математическом аппарате цепей Маркова. Такой подход нашел применение в фундаментальных исследованиях процессов и аппаратов пищевых и химических производств, в том числе процессов перемешивания (В.В. Кафаров, А.Н. Веригин, Ю.И. Макаров и др.).

Выпуск высококачественных пищевых продуктов отечественными перерабатывающими предприятиями приобретает решающее значение в условиях жесткой конкуренции с импортными товарами, которая усилится в связи с предстоящим вступлением Российской Федерации в ВТО. В производственных условиях степень завершённости воздействия добавок во всём объёме аппарата (равномерное распределение твердой фазы, окрашивание, структурирование, приобретение вкуса и/или запаха и т.п.) определяет соответствие получаемого продукта технологическому регламенту. Между тем, механизм образования неоднородностей твердой фазы изучен недостаточно, а также недостаточно практических рекомендаций для получения однородных суспензий с малым содержанием твердой фазы на аппаратах для перемешивания. Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики процесса перемешивания пищевых суспензий с малым содержанием твёрдой фазы являются важными и актуальными научно-техническими задачами для развития АПК РФ. Актуальность темы работы подтверждена также грантом Санкт-Петербургского государственного университета, полученного

автором работы по результатам исследований за 2003 год (диплом ЛСП № 303299).

1.2. Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является совершенствование гидродинамики процессов суспензирования жидких пищевых продуктов с малым содержанием твёрдой фазы. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

— изучение особенностей образования концентрационных неоднородностей в суспензии и построение топологических циркуляционных моделей при суснензировании жидких пищевых продуктов с малым содержанием твёрдой фазы на основе исследования структуры потоков;

— разработка математической модели процесса суспензирования с использованием аппарата цепей Маркова и теории подобия;

— экспериментальное исследование параметров математической модели суспензирования жидких пищевых продуктов с малым содержанием твёрдой фазы;

— разработка методики расчета аппарата, обеспечивающего режим перемешивания, при котором происходит равномерное распределение твердой фазы.

1.3. Научная новизна работы. Для трех основных типов перемешивающих устройств выявлены особенности гидродинамики процесса перемешивания пищевых суспензий с малым содержанием твёрдой фазы. Обоснована возможность применения и использован детерминированно-вероятностный подход к моделированию процесса суспензирования на основе математического аппарата цепей Маркова. Разработана автоматическая схема учета количества твердых частиц в различных зонах аппарата. Получена математическая модель, учитывающая специфические особенности гидродинамики в аппарате с мешалкой, позволяющая определить минимальную частоту вращения мешалки и время перемешивания в зависимости от конструктивных особенностей мешалки, физико-механических свойств дисперсной среды и дисперсной фазы. Предложена методика расчёта рациональных режимных параметров процесса перемешивания пищевых суспензий с малым содержанием твёрдой фазы.

1.4. Практическая значимость и реализация результатов работы.

Развитие научных основ процесса перемешивания применительно к суспензиям с малым содержанием твёрдой фазы позволило разработать конструкцию перемешивающего устройства с учётом специфики образования суспензии. На разработанную конструкцию подана заявка на полезную модель. На основе полученных результатов исследований на ООО «Санкт-Петербургский молочный завод «Пискарёвский» были даны рекомендации для интенсификации процесса восстановления сухих молочных продуктов. Рекомендации по организации суспензирования вкусовых и ароматизирующих добавок в молочные продукты, использованные в ЗАО «Гдовский молочный завод», позволили улучшить органолептические свойства и в результате повысить качество выпускаемых продуктов. Для Санкт-Петербургской медицинской академии им. И.И.Мечникова были разработаны «исходные требования» на аппарат для по-

лучения суспензий порошкообразных биологически активных добавок в жидких пищевых продуктах.

1.5. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на ежегодных научно-технических конференциях Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий (Санкт-Петербург, 2003-2005г.), П-й Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2004), V-й Международной научно-технической конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилёв, 2005г.). Диссертационная работа обсуждалась на расширенном заседании кафедры «Техника мясной и молочной промышленности» Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий в 2006 году.

1.6. Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах.

1.7. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений; включает 28 рисунков и 10 таблиц. Основной текст изложен на 118 страницах, приложение на 15 страницах. Список литературы включает 137 наименований отечественных и зарубежных авторов.

2. Содержание работы

2.1. Математическая модель процесса суспензирования в средах с малым содержанием твердой фазы. Анализ методов исследования процесса перемешивания показал, что эффективным методом имитационного моделирования процесса суспензирования как разновидности перемешивания является разработка стохастической циркуляционной модели ячеистого типа, позволяющая учесть влияние конструктивных особенностей аппарата на гидродинамику процесса путем оценки основного фактора, вызывающего циркуляцию - насосного эффекта мешалки. Построение циркуляционной модели ячеистого типа, основанное на применении математического аппарата цепей Маркова, создает предпосылки для применения теории подобия в моделировании гидродинамики суспензирования в пищевых средах с малым содержанием твердой фазы.

Исходной предпосылкой для моделирования структуры потока послужил качественный анализ механизма переноса твердых частиц в процессе суспензирования. Предварительные исследования эволюции вертикального профиля концентрации твердой фазы позволили установить следующие характерные особенности образования суспензий в средах с малым содержанием твердой фазы:

1) при минимальных частотах вращения мешалки неподвижно лежащие на дпе сосуда частицы твердой фазы начинает двигаться и затем постепенно стягиваются в центр дна, образуя застойную зону в форме конуса, что является результатом образования зоны пониженного давления под мешалкой. При

изменении положения мешалки относительно высоты уровня жидкости (Н0) по мере ее приближения ко дну (Ь„ ^ —формируется усеченный конус;

2) по мере увеличения частоты вращения частицы начинают двигаться по кругу, затем от конуса твердой фазы отделяется кольцевая зона, которая сдвигается к стыку днища с вертикальной стенкой аппарата. Одновременно формируются последующие кольцевые зоны, и в результате, частицы от центра смещаются к периферии днища, образуя застойную зону на его стыке со стенкой;

3) последующее увеличение частоты вращения мешалки приводит к генерированию циркуляционного контура, вызывающего отрыв и вертикальный перенос частиц со дна сосуда. Образуется суспензия с границей по высоте Ьс, при этом некоторая часть суспензированных частиц твердой фазы осаждается либо пересекает границу зоны суспензии по высоте. Повышение частоты вращения мешалки создает условия для увеличения передачи энергии к вращающейся жидкости, что приводит к увеличению Ьс - зона суспензированных твердых частиц приближается к урезу жидкости в сосуде;

4) дальнейшее увеличение частоты вращения мешалки приводит к компенсации скорости осаждения частиц твердой фазы и их взвешиванию по всему объему сосуда - образуется полная суспензия, а по достижению критической частоты вращения (пкр) - гомогенная суспензия. Увеличение частоты вращения мешалки свыше критической (п>пкр) приводит к увеличению центробежных сил, действующих на частицы твердой фазы, и в итоге - к сепара-ционному эффекту.

Для моделирования структуры потока использовалась ячеистая модель, в соответствии с которой рабочий объем аппарата разбивался на область вблизи мешалки, представляющую собой зону идеального перемешивания, и отдельные зоны (представительные ячейки), в которых характер движения жидкости одинаков по всему объему и соответствует локальному режиму идеального перемешивания. При построении модели структуры потока учитывалось наличие в объеме перемешиваемой жидкости цилиндрической поверхности (с1ц), на которой градиент окружной скорости (следовательно и коэффициент турбулентной диффузии) близок к нулю. Идентификация представительных ячеек производилась в 3 этапа: отграничивалась зона идеального перемешивания вблизи мешалки; объем аппарата разграничивался на центральную (О < ё < с!ц) и периферийную (с1ц < (1 < Оап) зоны; центральная и периферийная зоны горизонтальными плоскостями разделялись на ячейки равного объема, кратного объему зоны идеального перемешивания, образуемой элементами мешалки при вращении. Последовательность построения модели структуры потока при суспензировании лопастной мешалкой приведена на рис. 1.

Исходя из стохастических особенностей процесс суспензирования при механическом перемешивании моделировался с учетом следующих исходных посылок: а) состояние перемешиваемой среды (1, 2 ..., п) фиксируются как цепочка случайных событий. Шаг между этими моментами выбирался достаточно малый, исходя из предположения, что частицы дисперсной фазы либо

- — _ —

= - — ~ - - сс

•

- - ■ -

1

а.

-1 1-

11 15

12 16

-

10 17

9 18

7 19

б 20

5 2

4 1

Л,

ср

I

-и

I

д_ гн —ф

•га

Рис. 1. Построение модели структуры потока при суспензировании лопастной мешалкой: а) - отграничение зоны идеального смешения, б) - разбивка объема аппарата на представительные ячейки, в) — схема структурной модели

переходят из предыдущей ячейки (Г) только в ближайшую последующую ячейку (]). Остальные переходы в связи с малостью Ат не происходят; б) состояние перемешиваемой среды в каждый момент времени Ат зависит только от состояния суспензии в предшествующий момент времени т„_1 и описывается вероятностями переходов или условными вероятностями (Р,д),означающими, что если перемешиваемая среда в момент времени т„_1 была в состоянии ¡, то в момент времени т„ она будет в состоянии в) разрабатываемая модель не учитывает физический износ аппарата для перемешивания, поэтому условные вероятности не меняются от шага к шагу во времени; г) изменение состояний перемешиваемой среды в итоге приводит к устойчивому состоянию - равномерному распределению твердой фазы.

Тогда уравнение материального баланса в ^ячейке по суспензируемой , „ ёС

фазе с учетом замены производной -р- разностью первого порядка точности

ат

преобразуется к виду:

Ат

•(П + 1) = СН ■(!!)■ —+ С

,(п).(1- ^1).

(1)

Исходя из п.п. «а» и «б» исходных посылок вероятность перехода частиц твердой фазы из ячейки (] - 1) в ячейку (]) за время (Ат) составит:

АтУ

Ри-^. Р)

я

а вероятность пребывания частиц твердой фазы в ячейке (])•

М .(п):т.

Рг<п)= . (3)

После преобразования выражений (1) - (3) с учетом М^ = С] -V, исход-Е1ые уравнения модели структуры потока при одноконтурной циркуляции для N ячеек имеют следующий вид:

Р, (п +1) = Р, (п) • р0, + Р, (п) • р,,, Р2 (п +1) = Р, (п) ■ р, л + Р2 (п) • р2 2,

Рк(п +1) = Ры_, (п) ■ рыч., + Р» (п) • . (4)

Система (4) соответствует марковскому однородному случайному процессу с конечным числом дискретных состояний. Тогда описание процесса суспензирования может быть представлена квадратной матрицей вероятностей перехода частиц твердой фазы из одной ячейки в другую, которая с учетом исходной посылки (п.п. «а») имеет вид:

Ри Р>.2 0...................0

Р =

.0

•0 Р^Р^О......о

Ри.. 0....................0 Р™

Система (5) с учетом начальных условий

х = 0, Р,(0)-1,Р|(0) = 0, { = 2,3,(6) определяет кинетику процесса суспензирования как перераспределение твердой фазы при перемешивании через конечное число интервалов времени Дх и позволяет установить время, за которое происходит усреднение концентрации твердой фазы по объему аппарата.

Численное решение уравнений модели структуры потока при суспензи-ровании связано с расчетом переходных вероятностей нахождения суспензируемой фазы в ячейках. Для определения этих вероятностей при известном объеме аппарата и заданных объемах ячеек необходимо было установить величину циркуляционного расхода (УД который для аппаратов с механическими мешалками определяется насосным эффектом мешалки. Для определения насосного эффекта в работе, исходя из уравнения Навье-Стокса, и полагая в соответствии с принятой ранее ячеистой моделью, что обмен суспензируемой фазой между ячейками осуществляется турбулентной диффузией, возки:— кающей вследствие циркуляционного потока в перемешиваемой жидкости, получено уравнение подобия в виде:

(5)

С „=-

Агл> (V ам

Д.,

(¿ч

а

у о хА

(7)

па3« "" V/ X

Для нахождения коэффициентов уравнения (7) были проведены экспериментальные исследования изменения концентрации твердой фазы по объему аппарата во времени для исследуемых мешалок в различных гидродинамических условиях.

2.2. Экспериментальные исследования процесса суспензирования в средах с малым содержанием твердой фазы. Исследования выполнялись с применением мешалок наиболее распространенных для суспензирования пищевых сред (лопастные, пропеллерные и якорные) и имеющих нормализиро-

ванную геометрию рабочих органов. Частота вращения мешалки варьировалась в диапазоне 0,005 ... 12,5с"1. В качестве суспензируемой фазы использовались частицы карбида кремния (<1ч=20,40'10^'м, Х=2,0; 0,2; 0,02%) и сахара (¿чНЮО-Ю^м, Х=0,2%). Модельной средой являлась вода дистиллированная, масло растительное и 70% водный раствор сахара. Для регистрации распределения частиц в процессе перемешивания была разработана фотоэлектрическая установка, схема которой приведена на рис. 2.

Установка включает стеклянный резервуар 1, осветитель 2, цифровую фотокамеру 3 и персональный компьютер 4. Резервуар с исследуемой суспензией во избежание оптических искажений помещен внутри прямоугольной кюветы 5 с прозрачными стенками, заполненный также модельной жидкостью. Осветитель содержит лампу накаливания 6, линзовый конденсор 7 и щелевую регулируемую диафрагму 8, формирующую с помощью микрометрических винтов 9 и 10 близкое к прямоугольному сечение исследуемой жидкости, которое определяет вертикальный профиль концентрации исследуемых частиц твердой фазы. Изображение отграниченного таким образом сечения жидкости 11, с находящимися в нем дисперсными частицами, фиксировалось цифровой фотокамерой 3 типа РС УЫоп-З с объективом «Вега 2/20». Отраженный от дисперсных частиц свет попадал в объектив 12 фотокамеры, с помощью которого изображения частиц попадали на светочувствительную площадку 13 матрицы прибора зарядовой связи (ПЗС-матрица) типа 1СХ-045АЬ. С помощью преобразователя 14 на выходе фотокамеры получали стандартизированный сигнал. Это позволило соединить фотокамеру с компьютером 4 через параллельный порт без специальных сопрягающих устройств, и в результате записывать не-

обходимое в эксперименте количество кадров изображения вертикального профиля концентрации суспензируемых частиц как файлы растровой графики.

Текущая концентрация частиц твердой фазы по зонам (Сз„) вертикального профиля определялась по числовой плотности частиц (п,):

С (8)

™ V

1н

Для определения числовой плотности суспензируемых частиц по зонам вертикального сечения перемешиваемой жидкости была разработана следующая методика. В заданные моменты времени от начала перемешивания производилась съемка сечения жидкости цифровой фотокамерой. Изображение сечения жидкости представляет собой точечный рисунок в формате в поле точек различной яркости. Обработка полученных фотографий производилась в среде программы МаЛсаё. На первом этапе используется оператор, с помощью которого фотоизображение становится монохромным (черно-белым), в результате чего изображения частиц представляются в виде светлых точек (фотография на рис. З.а). Затем создается массив, состоящий из

а б

Рис. 3. Монохромное изображение сечения резервуара (а, 6 — до и после пороговой обработки)

точек различной освещенности, входящих в анализируемую фотографию. Для отграничения при подсчете количества изображений частиц помех и наводок (блики, отсветы от стенок и дна стеклянного резервуара) задается пороговая величина освещенности с помощью соответствующего оператора. Таким образом, из первоначального массива исключаются точки, освещенность которых ниже пороговой, и в результате получаем новый массив, состоящий из точек, освещенность которых выше пороговой. Вторичное монохромное изображение с точками одинаковой освещенности (фотография на рис. 30), которые соответствуют только тем частицам, которые находятся в исследуемой вертикальном сечении резервуара, подвергается числовому кодированию: если освещенность элемента массива больше или равна пороговому значению, то элементу присваивается значение максимальной освещенности, в противном случае - 0. С учетом симметрии относительно оси резервуара далее рас-

сматривается половина сечения, которая разбивается на 200 зон (10 столбцов и 20 строчек), в каждой из которых подсчитывается количество частиц.

При обработке экспериментальных данных для каждой из мешалок строилась схема структурной модели (аналогично рис. 1). Было определено число ячеек для мешалок (пропеллерная - N = 40, якорная - N = 16, лопастная -N = 20), в которых определялась текущая концентрация частиц суспензируемой фазы в ходе эксперимента. Гомогенность суспензии в эксперименте оценивалась коэффициентом неоднородности:

'■•тЩ^- «

Завершенность процесса перемешивания по математической модели также оценивалась по формуле (9), причем в этом случае под Сп,,- понималась вероятность нахождения суспензируемой фазы в i-ой ячейки в n-ый момент времени.

Численное решение уравнений модели структуры потока (5), (6) при различных значениях циркуляционного расхода позволило найти такое его значение, при котором расчетное время суспензирования совпадало с экспериментальным, соответствующим конкретной гидродинамической обстановке и геометрии резервуара и мешалки. В результате обработки экспериментальных данных по модифицированной версии программы Curve Expert были найдены значения коэффициентов уравнения (7), которые приведены в табл. 1.

Таблица 1

Экспериментальные значения коэффициентов критериального уравнения (7)

№ п/п Тип мешалки А, а2 л3 А4 As As а7

1. Лопастная 0,124 -0,2 0,08 -0,4 -0,23 -0,5 -0,4

2. Пропеллерная 0,023 -0,2 0,08 -0,4 -0,23 -0,5 -0,4

3. Якорная 0,69 -0,2 0 0 -0,11 -0,3 -0,24

Полученные критериальные уравнения позволяют по заданному циркуляционному расходу (Уц) определять необходимую для получения гомогенной суспензии минимальную частоту вращения перемешивающего устройства: для лопастной мешалки

уХ,4£)«23РсП<1°-5Х0-4

„0.8 „¿^W "а Рс ач л

п> ~6'72-,3,97д „0,08 ,.0.04-; (10)

для пропеллерной мешалки

к .0,4D0,23 0,12 .0,5 ^0,4

и0-8 =36 23 Рс 4 • ill)

"пр ^^ ¿3,97 0,08 0,04 » ^

для якорной мешалки

2.3. Практическое применение результатов исследований. На основе обобщения теоретических и экспериментальных исследований была разработана методика расчета перемешивающего устройства для суспензирования, блок-схема которой приведена на рис. 4.

Разработанная методика расчета аппаратов для получения суспензии с малым содержанием твердой фазы была апробирована на ООО «Санкт-Петербургский молочный завод «Пискаревский» и ЗАО «Гдовский молочный завод».

Как показали расчеты, по разработанной в данном разделе методике для получения гомогенной суспензии сухого молока в воде за время, определяемое технологическим процессом на молочном заводе «Пискаревский», необходимо было увеличить частоту вращения мешалки. Рекомендованные изменения режима перемешивания позволили повысить качество получаемого продукта. В ЗАО «Годовский молочный завод» были произведены поверочные расчеты гидродинамических режимов при суспензировании порошка ванилина в кисломолочном напитке «Снежок» и сухих компонентов в смесь для производства конфет «Коровка». При производстве кисломолочного напитка «Снежок» на основании расчета времени перемешивания было рекомендовано уменьшить продолжительность суспензирования. Реализация предложений показала, что качество конечного продукта при этом не ухудшилось. По инициативе ГОУ ВПО «Санкт-Петербургская медицинская академия им.И.И.Мечникова» были разработаны «Исходные требования» на аппарат АО-ПС для суспензирования БАД к диетическим продуктам и пище. Предложены два варианта исполнения: с электроприводом и упрощенный - с ручным приводом. Отличительной особенностью предлагаемого устройства (рис. 5) является совмещение на одном валу шнековой и ленточной мешалок, витки которых направлены противоположно, что позволило усилить циркуляцию перемешиваемой жидкости в центральной и периферийной частях корпуса. На разработанное совместно с СПбГА им.И.И.Мечникова техническое решение подготовлены и прошли техническую экспертизу материалы на патентование.

По предложению Немецко-русского института современных технологий пищевых продуктов и дизайна (г.Санкт-Петербург) были проведены исследования по применению для суспензирования функциональных добавок фирмы «Г.К. Хан и Ко» в пищевые продукты (сметана, йогурт, творожная масса, майонез) с целью модификации их структуры и последующим тестированием качества суспензирования путем имитационного моделирования их поведения в процессе переработки на ротационном вискозиметре «Реотест-2». Полученные результаты по изучению последействия суспензирования структурирующих добавок к перечисленным продуктам нашли применение для оценки оптимального времени перемешивания по предлагаемой в работе методике.

Основные результаты и выводы

Выполненные на основе современных принципов математического моделирования исследования позволили решить задачу совершенствования гидродинамики процессов суспензирования жидких пищевых продуктов с малым

_^Начало^_

Расчет геометрических параметров аппарата

Расчет физико-химических свойств суспензии

Выбор типа перемешивающего устройства Да -

Расчет теоретического времени перемешивания

Расчет геометрических параметров мешалки

Подстановка известных параметров в критериальное уравнение

Расчет частоты вращения перемешивающего устройства

Нет

<

Рис. 4. Блок-схема расчета перемешивающего устройства

Рис. 5. Общий вид ленточно-шнековой мешалки

содержанием твердой фазы, что выражается в следующем.

1. Разработана топологическая циркуляционная ячеистая модель процесса суспензирования с использованием математического аппарата цепей Маркова на основе обобщения известных и экспериментально установленных особенностей образования суспензий в средах с мальм содержанием твердой фазы.

2. Получено численное решение модели процесса суспензирования, связывающее время перемешивания с частотой вращения мешалки.

3. Предложено уравнение подобия процесса суспензирования, связывающее гидродинамические параметры процесса, геометрические параметры аппарата, свойства перемешиваемых сред и насосный эффект мешалки.

4. Исследована эволюция изменения концентрационного профиля суспензируемой фазы на оригинальном стенде с фотоэлектрической регистрацией распределения частиц по сечению аппарата. Разработана компьютерная программа для расчета в реальном времени эксперимента числовой плотности частиц по зонам аппарата. По результатам исследований определены численные значения коэффициентов уравнения подобия процесса суспензирования.

5. На основе топологической циркуляционной ячеистой модели и уравнения подобия разработана методика и ее компьютерная реализация для инженерного расчета аппарата для суспензирования.

6. Предложена конструкция аппарата с ленточно-шнековой мешалкой, на основе которой для ГОУ ВПО «Санкт-Петербургская государственная медицинская академия им.И.И.Мечникова» разработаны «Исходные требования на аппарат АО-ПС для суспензирования БАД к диетическим продуктам и пище».

7. Методика инженерного расчета аппарата для суспензирования нашла применение:

- при определении оптимальной частоты вращения мешалки в аппарате для растворения сухих молочных компонентов (ООО «Санкт-Петербургский молочный завод «Пискаревский»);

- при расчете частоты вращения в аппарате для суспензирования ванилина в кисломолочном напитке «Снежок» и в аппарате для смешивания сухих компонентов с полуфабрикатом для конфет «Коровка» (ГМЗ г.Гдов).

- при оценке гидродинамических режимов суспензирования функциональных добавок для модифицирования структуры пищевых продуктов при выработке йогурта, сметаны, творожной массы и майонеза (Немецко-русский институт, г.Санкт-Петербург).

Проведенная апробация подтвердила адекватность полученной математической модели суспензирования пищевых сред с малым содержанием твердой фазы.

Условные обозначения: С - содержание твердой фазы в пробе, кг-м"3; D, d -диаметр, м; g - ускорение свободного падения, м-с"2; h -расстояние, м; Н

- высота, м; М, ш - масса, кг; п - число проб; число частиц; частота вращения, с'1; N — число ячеек; Р - вероятность; V - объем, м3; X - относительная доля твердой фазы в суспензии; ц - динамический коэффициент вязкости, Пас;

р - плотность, кг-м"3; т - время, с; а> - частота вращения, рад-с"1.

Ar = dl pi число Архимеда; Reu = pcn d^- центробежное число

Рейнольдса. Индексы: ап — аппарат; зн — зона; кр — критический; м - мешалка, модифицированный; н — неоднородный; о - начальный; с - суспензия; ср — средний; ц - центробежный, циркуляционный, цилиндрический; ч

- частица, я — ячейка.

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1. Арет В.А., Орлов П.В., Пеленко Ф.В. Добавки как регуляторы консистенции молочных продуктов И Пищевые ингредиенты. Сырье и добавки, 2002.

- № 2. — С. 78-79.

2. Арет В.А., Антонов А.И., Байченко Л.А., Пеленко Ф.В., Орлов П.В. Рео-метрия суспензий на ротационном вискозиметре // Сб.научн.тр. «Технология и техника пищевых производств: итоги и перспективы развития на рубеже XX и XXI веков». - СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. - С. 265 - 270.

3. Арет В.А., Орлов П.В. Моделирование перемешивания при коагуляции мо-лочно-белкового сгустка со структурообразователем Н Сб.тр. НТК молодежи, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга «Петербургские традиции

хлебопечения, пивоварения, холодильного хранения и консервирования. — СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. - С. 146 - 147.

4. Орлов IT.B. Оценка влияния структурирующих добавок на реологические свойства некоторых пищевых продуктов // Материалы II МНТК, посвященной 100-летию заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, профессора Попова Владимира Ильича «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности». - Воронеж: ВГТА, 2004. — С. 234 -235.

5. Арет В.А., Орлов П.В. Особенности перемешивания в суспензиях с малым содержанием твердой фазы // Тез.докл. V МНТК «Техника и технология пищевых производств». — Могилев: МГУП, 2005. - С. 207 - 208.

6. Орлов П.В. Моделирование перемешивания жидких пищевых сред с малым содержанием твердой фазы // Межвуз.сборн.научн.тр. «Развитие теории и практики создания оборудования для переработки пищевой продукции». - Ч. 2. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2005. - С. 36 - 39.

7. Орлов П.В. Оптимизация суспензирования как способ воспроизводства качественных параметров продуктов // Межвуз. сборн.научн.тр. «Развитие теории и практики создания оборудования для переработки пищевой продукции». - Ч. 2. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2005. - С. 54 - 55.

8. Орлов П.В., Никитин A.B. Моделирование перемешивания пищевых суспензий с использованием аппарата цепей Маркова // Сб.тр. молодых ученых. СПб.: СПбГУНиПТ, 2005. - С. 69 - 71.

9. Орлов П.В., Лымарь A.B. Аппаратурное оформление процессов диспергирования в пищевой промышленности // Межвуз.сборн.научн.тр. «Теория и практика разработки ресурсосберегающего пищевого оборудования». — СПб.: СПбГУНиПТ, 2006. - С. 32 - 37.

Ю.Вороненко Б.А., Орлов П.В. Критериальное уравнение процесса суспензирования с учетом коэффициента насосного эффекта // Межвуз.сборн.научн.тр. «Теория и практика разработки ресурсосберегающего пищевого оборудования». - СПб.: СПбГУНиПТ, 2006. - С. 43 - 46.

11 .Орлов П.В., Никитин A.B. Влияние перемешивания на массообмен // Межвуз.сборн.научн.тр. «Теория и практика разработки ресурсосберегающего пищевого оборудования». - СПб.: СПбГУНиПТ, 2006. - С. 12 - 15.

12.Орлов П.В. Применение аппарата цепей Маркова для моделирования гидродинамики процесса суспензирования пищевых жидкостей с малым содержанием твердой фазы // Хранение и переработка сельхозсырья, № 9, 2006.-С. 80-81.

Подписало £ печатной. 10.06 . Формаг 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. _ Печ.л. ) 0_Тираж 30 экз. Заказ Л» .ЗШ._

СПбГУНиПТ, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9. ИПЦ СПбГУНиПТ, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Арет В.А.

Санкт-Петербург 2006 г.

Оглавление

Основные условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Гидродинамика процесса перемешивания в жидких средах и его аппаратурные оформление в пищевой промышленности применительно к получению суспензий.

1.1. Сущность процесса перемешивания.

1.2. Моделирование процесса суспензирования.

1.3. Экспериментальные исследования процесса суспензирования.

1.4. Моделирование структуры потоков при перемешивании.

1.5. Конструктивные особенности и выбор перемешивающих устройств.

Выводы по первой главе.

Глава 2. Построение математической модели процесса суспензирования в средах с малым содержанием твердой фазы.

2.1. Исследование закономерностей гидродинамики процесса суспензирования в средах с малым содержанием твердой фазы.

2.2. Моделирование структуры потока при суспензировании в аппаратах с мешалками.

2.3. Построение модели структуры потока при суспензировании на основе математического аппарата цепей Маркова.

2.4. Уравнение подобия для процесса суспензирования с учетом насосного эффекта мешалки.

Выводы ко второй главе.

Глава 3. Экспериментальные исследования процесса суспензирования в средах с малым содержанием твердой фазы.

3.1. Разработка стенда для исследования изменения концентрации твердой фазы по объем резервуара при перемешивании.

3.2. Методика проведения экспериментов по исследованию гидродинамики перемешивания суспезий с малым содержанием ^ твердой фазы.

3.3. Методика обработки результатов эксперимента по гиродинамике перемешивания суспензий с малым содержанием твердой фазы.

3.4. Результаты экспериментальных исследований.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Практическое применение результатов исследований.

4.1. Разработка и апробация методики расчета аппаратов для получения суспензий с малым содержанием твердой фазы.

4.2. Разработка устройства для получения суспензии БАД в жидких диетических продуктах и пище.

4.3. Применение суспензирования функциональных добавок при ^ модифицировании структуры пищевых продуктов.

Актуальность темы. В современных пищевых технологиях широкое распространение нашли процессы суспензирования. Наряду с увеличением относительной доли порошкообразных, комбинированных и гранулированных пищевых продуктов [73, 88], подвергаемых восстановлению перед употреблением, происходит резкое расширение ассортимента добавок (в России допущено к использованию более 250), в том числе порошкообразных, применяемых с целью повышения качества и расширения ассортимента выпускаемых продуктов питания [6, 39]. К таким добавкам относятся:

- порошковые эмульгаторы - стабилизаторы [12, 65, 75] (производство майонезов, соусов, соков, напитков);

- улучшители консистенции [9, 35] (производство десертов, кисломолочных продуктов);

- красящие, вкусоароматические ингредиенты и пряности [22, 39].

Значительно расширилось применение биологически активных добавок

БАД) и биокорректоров (порошок сои, сухие компоненты молока, пищевые волокна, сухие дрожжи, лецитин, измельченные орехи, семечки, их оболочки и т.п.) в поддержании популяционного и репродуктивного здоровья, профилактической и спортивной медицине, геронтологии, медицине экстремальных состояний [54].

Суспензирование порошкообразных добавок решает задачу равномерного распределения дисперсной фазы (БАДы, сухие молочные закваски и т.п.) по объему аппарата, которая часто является подготовкой для последующих массообменных процессов растворения (сахар, соль, кофе, какао, сухие ванильные ароматизаторы и др.), кристаллизации (массовая кристаллизация лактозы при охлаждении сгущенного молока с сахаром) и т.п.

Отличительной особенностью применяемых добавок является их малое относительное содержание в суспензии. Так, широко применяемые в Российской Федерации пищевые натуральные ароматизаторы фирмы Butter-Buds (США) [22] добавляются в продукты в количестве 0,2 . 1,5 % (табл. 1).

Организация процесса получения суспензий с равномерным распределением твердой фазы существенно усложняется при малых концентрациях целевого компонента [32, 33, 70, 100, 116], что связано с усилением влияния на процесс распределения дисперсных частиц по объему аппарата для перемешивания таких особенностей гидродинамической обстановки, как байпасирование, застойные зоны, седиментация, сепарация и другие [5, 18, 62].

Таблица 1

Добавки-ароматизаторы фирмы Butter-Buds п/п Наименование добавки Количество порошка, вводимого в продукт Результат смешивания с продуктом

1. Dried cream extract 0, 25 .0,5% Вкус и запах сливочного масла

2. Cream Plus 0,25 . 0,6% Вкус и запах сливок

3. Cocoa buds 0,5 . 1,5% Вкус и запах какао

4. Suor cream buds concentrate 0,25 . 0,5% Вкус и запах сметаны

5. Cheese Buds Cheddor 0,25 - 1,5% Вкус и запах сыра «Чеддер»

Влияние этих эффектов на равномерность распределения концентрации твёрдой фазы в продукте имеет стохастическую природу, что затрудняет использование традиционного математического описания в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных для практических расчётов из-за трудности получения решения, напрямую связанного с эффективностью работы конкретного аппарата. В этом случае более целесообразным представляется построение на основе методов имитационного моделирования моделей структуры потоков, учитывающих специфические особенности гидродинамики в объёме аппарата и допускающие применение детерминированно-вероятностного подхода, основанного на математическом аппарате цепей Маркова. Такой подход нашел применение в фундаментальных исследованиях процессов и аппаратов пищевых и химических производств (В.В. Кафаров [41, 42, 43], А.Н. Веригин [18,19], Ю.И. Макаров [50] и др.).

Выпуск высококачественных пищевых продуктов отечественными перерабатывающими предприятиями приобретает решающее значение в условиях жесткой конкуренции с импортными товарами, которая усилится в связи с предстоящим вступлением Российской Федерации в ВТО. В производственных условиях степень завершённости воздействия добавок во всём объёме аппарата (равномерное распределение твердой фазы, окрашивание, структурирование, приобретение вкуса и/или запаха и т.п.) определяет соответствие получаемого продукта технологическому регламенту. Процесс суспензирования кристаллов «затравки» лактозы при охлаждении сгущенного молока с сахаром определяет соответствие получаемого продукта стандарту [72]. Неравномерное распределение микронутриентов в суспензии может стать причиной превышения предельного безопасного уровня содержания отдельных компонентов, что приводит к риску нежелательных и неблагоприятных эффектов в функционировании организма человека [54].

Между тем, механизм суспензирования, сопровождаемый образованием концентрационных неоднородностей, изучен недостаточно, а практические рекомендации для получения суспензий с малым содержанием твердой фазы отсутствуют.

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики процесса перемешивания пищевых суспензий с малым содержанием твёрдой фазы являются важными и актуальными научно-техническими задачами для развития АПК РФ. Актуальность темы работы подтверждена также грантом Санкт-Петербургского государственного университета, полученного автором работы по результатам исследований за 2003 год (диплом АСП № 303299).

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является совершенствование гидродинамики процессов суспензирования жидких пищевых продуктов с малым содержанием твёрдой фазы.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучение особенностей образования концентрационных неоднородностей в суспензии и построение топологических циркуляционных моделей при суспензировании жидких пищевых продуктов с малым содержанием твёрдой фазы на основе исследования структуры потоков;

- разработка математической модели процесса суспензирования с использованием аппарата цепей Маркова и теории подобия;

- экспериментальное исследование параметров математической модели суспензирования жидких пищевых продуктов с малым содержанием твёрдой фазы;

- разработка методики расчета аппарата, обеспечивающего режим перемешивания, при котором происходит равномерное распределение твердой фазы.

Научная новизна работы. Для основных типов перемешивающих устройств выявлены особенности гидродинамики процесса перемешивания пищевых суспензий с малым (0,02.2,0%) содержанием твёрдой фазы. Обоснована возможность применения детерминированно-вероятностного подхода на основе аппарата цепей Маркова для математического описания структуры потоков для суспензирования. Для суспензирования получено уравнение подобия для процесса суспензирования, связывающие гидродинамические параметры процесса, геометрические параметры аппарата, свойства перемешиваемых средств и циркуляционный расход. Исследована эволюция изменения концентрационного профиля суспензируемой фазы на экспериментальном стенде с фотоэлектрической регистрацией распределения частиц по сечению аппарата. Разработана компьютерная программа для расчета в реальном времени эксперимента числовой плотности частиц по зонам аппарата. По результатам исследований определены численные значения коэффициентов уравнений подобия процессов суспензирования. Разработана математическая модель, позволяющая определить минимальную частоту вращения мешалки и время перемешивания. Предложена методика расчёта рациональных режимных параметров процесса перемешивания пищевых суспензий с малым содержанием твёрдой фазы.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Развитие научных основ процесса перемешивания применительно к суспензиям с малым содержанием твёрдой фазы позволило разработать конструкцию перемешивающего устройства с учётом специфики образования суспензии. На разработанную конструкцию подана заявка на полезную модель. На основе полученных результатов исследований на ООО «Санкт-Петербургский молочный завод «Пискарёвский» были даны рекомендации для интенсификации процесса восстановления сухих молочных продуктов. Предложенные конструктивные изменения перемешивающего устройства и рекомендации по оптимизации процесса позволили снизить продолжительность процесса и уменьшить количество нерастворённых молочных продуктов.

Рекомендации по оптимизации суспензирования вкусовых и ароматизирующих добавок в кисломолочных продуктах, использованные в ЗАО «Гдовский молочный завод», позволили улучшить органолептические свойства и в результате повысить качество выпускаемых продуктов.

Для Санкт-Петербургской медицинской академии им. Мечникова были разработаны «Исходные требования» на аппарат АО-ПС для получения суспензий порошкообразных биологически активных добавок в жидких пищевых продуктах и пище (Приложение 5).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на ежегодных научно-технических конференциях Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий (Санкт-Петербург, 2003-2005г.), Н-й Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2004), V-й Международной научно-технической конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилёв, 2005г.).

Диссертационная работа обсуждалась на расширенном заседании кафедры «Техника мясной и молочной промышленности» Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий в 2006 году.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений; включает 28 рисунков и 10 таблиц. Основной текст изложен на 119 страницах, приложение на 15 страницах. Список литературы включает 137 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Выводы по третьей главе

Разработанные стенд, включающий оригинальную фотоэлектрическую установку для исследовании изменения концентрации твердой фазы по объему резервуара при перемешивании, и методика проведения экспериментов по исследованию гидродинамики процесса суспензирования позволили определить параметры математической модели, полученной во второй главе. В результате преобразования критериального уравнения определены расчетные уравнения для минимальной частоты вращения лопастной, пропеллерной и якорной мешалок.

Полученные формулы позволяют из заданного технологическим регламентом времени перемешивания, выбрав тип перемешивающего устройства и определив насосный эффект мешалки по математической модели структуры потока, рассчитать минимально необходимую частоту вращения, и в итоге минимизировать мощность, потребляемую перемешивающим устройством.

ГЛАВА 4.

Практическое применение результатов исследования

4.1. Разработка и апробация методики расчета аппаратов для получения суспензий с малым содержанием твердой фазы

Методику расчета аппаратов будем основывать на концепции способа ведения процесса суспензирования, которую определим как трансформацию сырья в продукт или полуфабрикат заданного качества [61]. Как отмечено в нашей работе [59], состояние суспензии в термодинамическом смысле может быть определено через интенсивные переменные состояния:

M = f,(p,T,X), (4.1.1) где М - вектор состояния суспензии, р - давление,

X - содержание твердой фазы.

Качество получаемой суспензии определяется целью ее применения, и независимо от общей массы получаемого продукта выражается как функция состояния [101]: k = f2(M), (4.1.2) где к - интегральный параметр качества суспензии.

Для суспензии интегральный параметр качества может быть представлен как где V„ - коэффициент неоднородности распределения твердой фазы.

Тогда исходя из уравнений (4.1.1) - (4.1.3), расчет суспензирования для аппаратов с заданными геометрическими параметрами может быть сведен к определению минимальной частоты вращения мешалки (с позиции минимизации потребляемой мощности), позволяющей достичь равномерного распределения твердой фазы (VH < 5%) за время, заданное технологическим регламентом. Прекращение перемешивания приводит к релаксации однородности смеси под действием гравитационных сил [87]. Поэтому если суспензирование является необходимым условием для последующей кристаллизации, растворения и других процессов, связанных с необходимостью уменьшения толщины диффузионного слоя у поверхности твердых частиц посредством увеличения скорости движения жидкой фазы [63], то при оценке продолжительности технологическогого цикла необходимо учесть время организации массообмена, определяемого расчетным путем по известным формулам [40, 70, 90] или экспериментально. Также необходим учет времени структурообразования при суспензировании функциональных добавок с целью модификации структуры продукта [6, 25].

С учетом полученных в настоящей работе результатов теоретических и экспериментальных исследований расчет аппарата с малым содержанием твердой фазы необходимо производить в следующей последовательности:

1) определение геометрических размеров аппарата, исходя из объема жидкой фазы W

Da=H0=^; (4.1.4)

2) исходя из физических свойств жидкой и твердой фаз, рассчитывается вязкость суспензии по формуле (3.1.2) и выбирается тип перемешиваемого устройства согласно рекомендациям [28, 64, 77]: лопастное(т] = 0,001 . 5,0 Н-с-м"), якорное (т] = 15 . 40 Н-с-м"2), пропеллерное (т] = 0,001 . 0,1 Н-с-м");

3) выбираем, основанную по вероятно-статистической модели процесса, программу расчета циркуляционного расхода (VJ для конкретного перемешивающего устройства;

4) по выбранной программе расчета находим значение циркуляционного расхода соответствующего времени перемешивания, заданному технологическим регламентом процесса;

5) с учетом расчетного диаметра аппарата (Da), полученного по формуле (4.14), находим геометрические параметры мешалки;

6) по справочным данным определяем физико-химические свойства перемешиваемых компонентов;

7) рассчитываем величины критериев и симплексов, входящих в критериальное уравнение процесса суспензирования;

8) по критериальному уравнению процесса суспензирования для выбранной мешалки находим потребную частоту вращения мешалки.

Блок-схема расчета перемешивающего устройства, соответствующая предлагаемой методике, приведена на рис. 4.1.1.

Программа расчета перемешивающего устройства имеет следующий вид.

Исходные данные:

- объем перемешиваемой жидкой фазы (рабочий объем аппарата) - Va;

- потребное время суспенсизрования - тс;

- физико-химические свойства фаз (рж, jj^, рч, гч, X). Порядок расчета:

- вязкость суспензии

Цс = Цж(1+2,5Х),

- выбор типа мешалки: пропеллерная (0,001 < ц < 0,5), лопастная (0,001 . 3,0), якорная (0,001 . 4,0);

- по типу мешалки задаем

• количество циркуляционных контуров: пропеллерная, якорная - 1 лопастная - 2

• полное количество ячеек:

98 Начало

Рис. 4.1.1. Блок-схема расчета перемешивающего устройства пропеллерная - N = 40 якорная -N=16 лопастная - N = 20

- по типу мешалки выбираем программу расчета теоретического времени перемешивания суспензии (программа приведена в разделе 3.3);

- задаем ряд значений циркуляционного расхода

Vu: = Vui, УЦ2, Уц/;

- рассчитываем теоретическое время завершения процесса т^ для ряда значений Уц;

- Уц/ выбираем из условия = V,

- рассчитываем геометрические параметры выбранной мешалки: лопастная dM = (0,6 . 0,7) Dan b = 0,1 dM hM = (0,l .0,3)dM пропеллерная dM = (0,3. 0,33)Da„ b = (0,23 .0,32) dM hM = (0,5. 1,0) dM якорная dM = (0,84. 0,9)Da„ b, = 0,07 dM S = (0,1 . 0,25) dM hM = (0,l . 0,25) dM

- выбираем коэффициенты критериального уравнения в зависимости от типа мешалки лопастная

Aj =1,24, А2 =-2, А3 =0,8 А4 =0,4 А5 =2,3 А6 =0,5 А7 =0,4 пропеллерная

А, =0,23, А2 =-2, А3 =0,8 А4 =0,4 А5 =2,3 А6 =0,5 А7 =0,4 якорная

А, =0,69-10'6 А2=-2, Аз =0 А4 =0 А5 =1,1 А6 =0,3 А7 =0,24 определяем плотность суспензии рс = рчХ + рж(1 -X)

- определяем кинематическую вязкость суспензии

- подставляем значения Vu, dM, vc, hM, Dan, X, Ai . A7 в критериальное уравнение и решаем его относительно п.

Вывод на печать Dan, Н0, dM, b, hM, п.

Разработанная методика расчета аппаратов для получения суспензии с малым содержанием твердой фазы была апробирована на ООО «Санкт-Петербургский молочный завод «Пискаревский» и ГМЗ г.Гдов.

Как показали расчеты, по разработанной в данном разделе методике для получения гомогенной суспензии сухого молока в воде за время, определяемое технологическим процессом на молочном заводе «Пискаревский», необходимо было увеличить частоту вращения мешалки. Рекомендованные изменения режима перемешивания позволили повысить качество получаемого продукта (справка об использовании в Приложении 2).

В ЗАО «Гдовский молочный завод» были произведены поверочные расчеты гидродинамических режимов при суспензировании порошка ванилина в кисломолочном напитке «Снежок» и сухих компонентов в смесь для производства конфет «Коровка». При производстве кисломолочного напитка «Снежок» на основании расчета времени перемешивания было рекомендовано уменьшить продолжительность суспензирования. Реализация предложений показала, что качество конечного продукта при этом не ухудшилось (справка об использовании в Приложении 3).

4.2. Разработка устройства для получения суспензии БАД в жидких диетических продуктах и пище

По инициативе ГОУ ВПО «Санкт-Петербургская медицинская академия им.И.И.Мечникова» нами были разработаны «Исходные требования» на аппарат АО-ПС для суспензирования БАД к диетическим продуктам и пище (Приложение 4).

В настоящее время в клинической больнице им.Петра Великого СПбГА им.И.И.Мечникова для диетического и лечебно-профилактического питания больных с различными нарушениями обмена веществ, иммунитета и функций различных органов и систем находят применение суспензии, включающие жидкую фазу (вода питьевая, молоко, соки, кисломолочные продукты и т.п.) и твердую фазу (БАД с добавлением при необходимости сухих молочных компонентов, сахарного песка и/или его заменителей). Причем получение суспензий производится вручную, что не гарантирует равномерного распределения малых количеств сухих лечебных компонентов по порциям, получаемым больными и выздоравливающими.

Нами предложено два варианта исполнения аппарата для суспензирования: с электроприводом и упрощенный вариант - с ручным приводом. При изготовлении с электроприводом (рис. 4.2.1) аппарат включает корпус 1 со шнековой 2 и ленточной 3 мешалками, которые жестко закреплены на валу 4. Вал через редуктор 5 соединяется с электродвигателем 6.

Витки шнека и ленточной мешалки направлены противоположно, по ходу естественной циркуляции жидкости в центральной и периферийной частях корпуса. Шнек и ленточная мешалка имеют переменный шаг, причем каждый последующий отличается от предыдущего на величину 8, определяемую по формуле:

А = 0,01 • S, (4.2.1) где S - шаг шнека (ленты), м.

Рис. 4.2.1. Схема аппарата для суспензирования с электроприводом

Если плотность твердой фазы больше плотности жидкости, то увеличение шага шнека и ленточной мешалки направлено снизу вверх, и если плотность твердой фазы меньше плотности жидкости, то увеличение шага витков шнека и ленточной мешалки направлено сверху вниз.

В работе [11] установлено, что при перемешивании ленточными мешалками диаметр центральной зоны определяется по формуле: du = 0,56da, (4.2.2) где dj, - диаметр ленточной мешалки, м.

Так как течение жидкости в центральной зоне осевое и по своему характеру аналогично течению жидкости внутри направляющей трубы, то для исключения нарушения потока естественной циркуляции в аппарате диаметр шнека (dm) выбирается из условия: dm < 0,56 dM. (4.2.3)

Работает аппарат следующим образом. На дне аппарата размещают необходимое количество твердой фазы. Затем аппарат 1 заполняют жидкой фазой и включают электродвигатель. В установленный на валу 4 шнек 2 направляют поток жидкости вниз. У центра днища в поток вовлекаются частицы твердой фазы. Поток жидкости в частицами твердой фазы перемещается к периферии днища, где подхватывается восходящим потоком, организуемым ленточной мешалкой 3. Поднявшийся поток захватывается верхней частью шнека, его направление с восходящего меняется на нисходящее, и процесс циркуляции повторяется.

При необходимости получения малого количества суспензии БАД в пищевом продукте (0,5 . 3 литра) перемешивающее устройство изготавливается с ручным приводом и монтируется на стандартной полиэтиленовой крышке, устанавливаемой на горлышке бытовой стеклянной банки необходимой емкости. Для этого в стандартной полиэтиленовой крышке 7 (рис. 4.2.2) прорезается отверстие для подпятника 8 и вставляется вал 4 с

Рис. 4.2.2. Схема установки мешалки на крышке банки: а - установка мешалки на горловине банки, б - фиксирование вала на крышке

Рис. 4.2.3. Общий вид ленточно-шнековой мешалки закрепленными на нем мешалками 2 и 3 (рис. 4.2.1). Сверху на валу мешалки устанавливается шайба из пищевого фторопласта 9. Вал с мешалкой фиксируется в подпятнике с помощью гайки 10, навинчиваемой на хвостовик вала 4. Рычаг 11 с вращающейся бобышкой 12 закрепляется на верхнем торце вала 4. Крышка 7 устанавливается на горловине банки 13.

В банку потребной емкости засыпается необходимое количество БАД и заливается пищевой продукт. Вал с мешалкой закрепляется на крышке, которая устанавливается на горловине банки. Вал вручную приводится во вращение. После получения гомогенной суспензии продукт разливается на порции.

На разработанную совместно с СПбГА им.И.И.Мечникова мешалку (общий вид рис. 4.2.3) подготовлены и прошли техническую экспертизу материалы на патентование.

4.3. Применение суспензирования функциональных добавок при модифицировании структуры пищевых продуктов

Применение современных поточных способов производства пищевых продуктов обычно связано с воздействиями на них рабочими органами оборудования при значительных градиентах скорости сдвига (у) 20с"1). Это приводит к необратимому (полностью или частично) разрушению структуры обрабатываемого сырья, и, как следствие, к получению пищевых продуктов, отличающихся по консистенции от традиционных, что снижает их товарную привлекательность. Одним из перспективных путей получения пищевых продуктов традиционной консистенции является применение регулирующих структуру добавок [6, 60].

По предложению Немецко-русского института современных технологий пищевых продуктов и дизайна (г.Санкт-Петербург) нами были проведены исследования по применению для суспензирования функциональных добавок фирмы «Г.К. Хан и Ко» в пищевые продукты (сметана, йогурт, творожная масса, майонез) с целью модификации их структуры и последующим тестированием качества суспензирования путем имитационного моделирования их поведения в процессе переработки.

В качестве суспензируемых, регулирующих структуру добавок использовались:

- для йогурта (жирность 3,2%) хамульсион RABB,

- для сметаны (жирность 15%) хамульсион SM,

- для майонеза (жирность 67%) хамульсионы ЕМД-40, ЕМД-43, ЕМД-44, ЕМД-45, ЕМД-48 и яичный порошок.

Суспензирование добавок производилось с помощью якорной мешалки на разработанной ранее экспериментальной установке (раздел 3.1).

Время перемешивания было принято 300 с, частота вращения мешалки рассчитывалась по методике, приведенной в разделе 4.1. Затем отбирались пробы в верхней (проба 1), средней (проба 2) и нижней (проба 3) частях резервуара.

Пробы помещались в измерительную ячейку ротационного вискозиметра «Реотест-2», в соответствии с методикой, приведенной в работе [56], получали кривые кинетики деформации образцов продукта в режиме постоянной скорости сдвига. Для этого измерительный блок вискозиметра через согласующее устройство подключался к электронному самопишущему потенциометру типа КСП-4. В начальный момент времени проба подвергалась скачкообразному изменению деформации, после чего деформация продолжалась в режиме до у = const до получения установившегося режима течения. Затем принудительная деформация прекращалась, и запись велась до установления статического равновесия. Типичная реограмма кинетики деформации приведена на рис. 4.3.1.

Для полученных кривых характерны следующие участки:

- нарастание касательного напряжения от нуля до предела сдвиговой прочности Ts,

- снижение касательного напряжения от предела сдвиговой прочности до касательного напряжения, соответствующего установившемуся режиму течения ту, происходящее в результате структурной релаксации;

Рис. 4.3.1. Реограмма кинетики деформации в режиме у > 20с 1 , is - предел сдвиговой прочности, ту - касательное напряжение в установившемся режиме течения, т0 - остаточное напряжение

- снижение касательного напряжения от ту до значения остаточного напряжения 80 вследствие прекращения принудительной деформации.

Для оценки степени восстановления структуры через 5 минут реограмма кинетики деформации снималась повторно.

Степень разрушения структуры (Lp) рассчитывается по формуле где Tsi, Ts2 - предел сдвиговой прочности при первом измерении и при повторном измерении через 5 мин., Па; ту - касательное напряжение при установившемся режиме, Па.

Структурные характеристики исследовались в диапазоне изменения градиента скорости, характерном для современного транспортирующего и фасовочного оборудования 1,5 . 437,4 с"1 и температуре 20° С. Различия в степени разрушения и степени восстановления структуры для образцов, взятых из различных частей резервуара (проба 1, 2,3), не превысили 1,6%, что свидетельствует о равномерном распределении функциональной добавки при перемешивании.

Полученные результаты (значения Lp и LB усреднены) для исследованных продуктов и характерных значений скоростей сдвига сведены в табл. 4.3.1. Анализ полученных структурных характеристик показал следующее:

1. Степень разрушения структуры для сметаны не превышает 7,6%, для йогурта - 12%, для майонезов - 6,5% (контрольный образец - традиционный майонез с яичным порошком 8,7%).

4.3.1) степень восстановления (LB) - по формуле

4.3.2)

2. Степень восстановления структуры для сметаны не менее 93%, для йогурта - 91%, для майонезов - 95% (контрольный образец - 91%).

3. Степень восстановления структуры майонезов с добавками хамульсионов фирмы «Г.К. Хан и Ко» выше, чем у майонеза, изготовленного с традиционным эмульгатором.

4. Имитационное моделирование деформационного воздействия на исследованные пищевые продукты с градиентом скорости у < 437,4 с"1 позволило установить, что аналогичное воздействие рабочими органами технологического оборудования разрушает структуру не более, чем на +2%, а восстановление структуры через 5 минут после первичной деформации составляет не менее 91%.

Заключение

1. Выполненные на основе современных принципов математического моделирования исследования позволили решить задачу совершенствования гидродинамики процессов суспензирования жидких пищевых продуктов с малым содержанием твердой фазы.

2. Разработана топологическая циркуляционная ячеистая модель процесса суспензирования с использованием математического аппарата цепей Маркова на основе обобщения известных и экспериментально установленных особенностей образования суспензий в средах с малым содержанием твердой фазы.

3. Получено численное решение модели процесса суспензирования, связывающее время перемешивания с частотой вращения мешалки.

4. Предложено уравнение подобия процесса суспензирования, связывающее гидродинамические параметры процесса, геометрические параметры аппарата, свойства перемешиваемых сред и насосный эффект мешалки.

5. Исследована эволюция изменения концентрационного профиля суспензируемой фазы на оригинальном стенде с фотоэлектрической регистрацией распределения частиц по сечению аппарата. Разработана компьютерная программа для расчета в реальном времени эксперимента числовой плотности частиц по зонам аппарата. По результатам исследований определены численные значения коэффициентов уравнения подобия процесса суспензирования.

6. На основе топологической циркуляционной ячеистой модели и уравнения подобия разработана методика и ее компьютерная реализация для инженерного расчета аппарата для суспензирования.

7. Предложена конструкция аппарата с ленточно-шнековой мешалкой, на основе которой для ГОУ ВПО «Санкт-Петербургская государственная медицинская академия им.И.И.Мечникова» разработаны «Исходные требования на аппарат для суспензирования БАД к диетическим продуктам и пище».

8. Методика инженерного расчета аппарата для суспензирования апробирована

- при определении оптимальных гидродинамических режимов в аппарате для растворения сухих молочных компонентов (ООО «Санкт-Петербургский молочный завод «Пискаревский»);

- в аппарате для суспензирования ванилина в кисломолочном напитке «Снежок» и в аппарате для смешивания сухих компонентов с полуфабрикатом для конфет «Коровка» (ГМЗ г.Гдов). при оценке гидродинамических режимов суспензирования функциональных добавок для модифицирования структуры пищевых продуктов при выработке йогурта, сметаны, творожной массы и майонеза (Немецко-русский институт, г.Санкт-Петербург).

Проведенная апробация подтвердила адекватность полученной математической модели суспензирования пищевых сред с малым содержанием твердой фазы.

1. Аггарвол Р. Устройство «Соликвид» для смешивания сухих и жидких веществ // Молочная промышленность. 2003. - № 5. - С. 51.

2. Александров Л.В., Шепелев Н.П. Системный анализ при создании и освоении объектов техники М.: НПО «Поиск», 1992 - 188 с.

3. Арет В.А., Орлов П.В. Особенности перемешивания в суспензиях с малым содержанием твердой фазы // Тез.докл. V МНТК «Техника и технология пищевых производств». Могилев: МГУП, 2005. - С. 207 - 208.

4. Арет В.А., Орлов П.В., Пеленко Ф.В. Добавки как регуляторы консистенции молочных продуктов // Пищевые ингредиенты . Сырье и добавки, 2002. № 2. - С. 78 - 79.

5. Аун М., Баранцева Е.А., Марик К. и др. Математическая модель смесителя периодического действия // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2001. - Т. 44. - Вып. 3. - С. 140 - 141.

6. Батищева JI.B., Кириллова Л.Г., Дятлов В.А. Влияние стабилизирующих добавок на структурообразование десерта «Арония» // Молочная промышленность, 2001. № 11. - С. 39 - 40.

7. Ю.Бегачев В.И. Гурвич А.Р., Брагинский Л.Н. Перемешивание в аппаратах со шнековыми мешалками // Теоретические основы химической технологии.- 1981. Т. XV. - № 4. - С. 583 - 588.

8. П.Бегачев В.И., Маньковский О.Н., Барабаш В.М., Брагинский Л.Н. О времени гомогенизации в аппаратах с ленточными мешалками при ламинарном режиме перемешивания // Теоретические основы химической технологии. 1977. - Т. XI. -№ 6. - С. 891 - 897.

9. Белов В.В., Носков А.В. Производство творожных изделий и йогуртов с использованием стабилизирующих систем // Молочная промышленность, 1994.-№2.-С. 26-27.

10. З.Брагинский Л.М., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах Л.: Химия, 1984. - 336 с.

11. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Кофман Г.З. Распределение твердых частиц при перемешивании // Теоретические основы химической технологии. 1968.-Т. ll.-№ 1.-С. 128- 132.

12. Броунштайн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах. Л.: Химия, 1987. 280 с.

13. Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред.- Л.: Машиностроение, 1979. 272 с.

14. Веригин А.Н., Малютин С.А., Шашихин Е.Н. Химико-технологические агрегаты. Системный анализ при проектировании. СПб.: Химия, 1996. -256 с.

15. Веригин А.Н., Федоров В.Н., Данильчук B.C. Химико-технологические агрегаты: Имитационное моделирование СПб.: СПбГУ, 1998.-220 с.

16. Винаров А.Ю., Кафаров В.В., Гордеев JT.C. Модель микро- и макроперемешивания в биохимическом реакторе. // Журнал прикладной химии. 1979. - т. 52. - № 4. С. 791 - 795.

17. Вороненко Б. А., Орлов П.В. Критериальное уравнение процесса суспензирования с учетом коэффициента насосного эффекта // Межвуз.сборн.научн.тр. «Теория и практика разработки ресурсосберегающего пищевого оборудования». СПб.: СПбГУНиПТ, 2006.-С. 43-46.

18. Вышемирский Ф.А., Шапошникова Н.В. производство сухих концентратов-заменителей сливочного масла: Обзорная информация. М.: АгроНИИТЭИММП, 1987. 36 с.

19. Глуз М.Д. О радиальной скорости течения перемешиваемой жидкости. // Тез. тр. 2-ой Всесоюзной конференции: «Теория и практика перемешивания в жидких средах». М., 1973. - С. 5 - 7.

20. Глущенко В.Г., Скороход И.В., Пятецкий И.В. Исследование гидродинамических процессов вихревых смесителей // Вестник Национального технического университета Украины. 2000. - Т. 38. - № 2.-С. 69-72.

21. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. СПб.: ГИОРД, 2001.-320 с.

22. Гордеев JI.C., Кафаров В.В. Влияние сегрегации на химическую реакцию псевдопервого порядка в аппарате перемешивания с одним циркуляционным контуром // Журнал прикладной химии. 1974. - т. 47. -№ 10.-С. 2250-2255.

23. Гордеев Л.С., Кафаров В.В. Влияние сегрегации на химическую реакцию псевдопервого порядка в аппарате перемешивания с двумя циркуляционными контурами // Журнал прикладной химии. 1974. - т. 47. -№11.-С. 2486-2491.

24. ГОСТ 20680-2002. Аппараты с механическими перемешивающими устройствами. Общие технические условия. Минск: ИПК издательство стандартов, 2002. - 18 с.

25. Жерновая И.М., Кафаров В.В., Кандыбей Е.А. Выбор числа оборотов мешалки при взвешивании твердых частиц. // Тез. тр. 3-ой Всесоюзной конференции: «Теория и практика перемешивания в жидких средах». -М., 1976.-С. 81,82.

26. Теория и практика перемешивания в жидких средах». М., 1973. С. 257 -262.

27. Иванец В.Н., Зайцев В.Н. Аппараты с перемешивающими устройствами. -Кемерово: КТИПП, 1993.- 135 с.

28. Исупов В.П. Пищевые добавки и пряности. История, состав и применение. СПб.: ГИОРД, 2000. - 176 с.

29. Кафаров В.В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1979. -439 с.

30. Кафаров В.В., Клипиницер В.А. Математическое моделирование аппаратов с мешалками // Тез. докл. 1-ой Всесоюзной конференции «Теория и практика перемешивания в жидких средах». М., 1971. - С. 25 -24.

31. Кафаров, Винаров А.Ю., Гордеев JI.C. Моделирование и системный анализ биохимических производств. М.: Лесная промышленность, 1985. - 344 с.

32. Коническо-цилиндрический аппарат для перемешивания суспензий: Патент РФ № 2163838 / И.В. Давыдов, В.П. Боровинский, Е.А. Беликов и др. № 99112604/12; заявл. 06.09.99; опубл. 27.11.2003. - Бюл. № 33. - 5 с.

33. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984. - 832 с.

34. Королев JI.B., Гаршек М.Ю. Спектральный критерий однородности смеси и его применение для характеристики процессов смешивания // Химия и химическая технология. 2002. - Т. 45. - Вып. 7. - С. 99 - 101.

35. Крыстев Г.А., Дайкова Д.И. Эффект всплывания больших тяжелых частиц в жидких полидисперсных системах при оседании мелких // Коллоидный журнал.-1999. -Т. 61.-№5.-С. 709-710.

36. Макаров Ю.И. Аппараты для смешивания сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973.-216 с.

37. Мак-Келви Д.М. Переработка полимеров. / Пер. с англ. Ю.В.Зеленева, Б.П.Пашина, Э.И.Родина. М.: Химия, 1965. - 444 с.

38. Михалев М.Ф., Веригин А.Н., Барсук К.А. Перемешивание дисперсных систем (жидкость, твердое) в аппаратах с механическим подводом энергии // Журнал прикладной химии, 1986. № 9. - С. 1978 - 1982.

39. Мойсеенок А.Г., Гуринович В.А., Петушок Н.Э. и др. Микронутрицевтики, биокорректоры проблемы эффективности и безопасности // Тез.докл. V МНТК «Техника и технология пищевых производств». - Могилев: МГУП, 2005.-С. 16.

40. Нейков Д.К., Николайшвили Е.К., Орлов В.А., Туманов Ю.В. Структура потоков в оребренных аппаратах при работе радиально-лопастных мешалок // Тез. тр. 3-й Всесоюзной конференции «Теория и практика перемешивания в жидких средах». М., 1976. - С. 11-13.

41. Павлова В.В., Петрова С.П., Косой В.Д. Реологические методы для разработки молочно-растительных продуктов // Молочная промышленность, 2000. № 9. - С. 42-43.

42. Павлушенко И.С., Демьянова Е.М. О движении потока жидкости при перемешивании. // Журнал прикладной химии. 1966. - т. 39. № 7. С. 1492 - 1499.

43. Павлушенко И.С., Костин Н.М., Ячкула Б.Н. в кн.: Изучение процесса перемешивания. Определение интенсивности работы мешалок при перемешивании взвесей. ЛТИ им.Ленсовета, т. XLI. Л., 1957. - С. 118 — 130.

44. Павский В.А., Лобасенко Б.А., Иванова С.А. Математическое описание непрерывного процесса мембранного концентрирования на основе марковских цепей // Хранение и переработка сельхозсырья. 2001. - № 4. -С. 39-40.

45. Павский В.А., Лобасенко Б.А., Иванова С.А. Разработка математической модели мембранного концентрирования на основе непрерывных цепей Маркова // Хранение и переработка сельхозсырья. 2000. - № 8. -С. 54-55.

46. Перри Дж. Справочник инженера-химика. Т.2. Пер. с англ. под ред. акад. Жаворонкова Н.М. и чл.-корр. АН СССР Романкова П.Г. М.: Химия, 1968.-504 с.

47. Полетаева Е.В. Математическое моделирование технологических систем. Тверь: ТГТУ, 1999.-100 с.

48. Полянский К.К., Черных В.Н., Шестов А.Г. Аппараты для кристаллизации лактозы в производстве молочных продуктов // Хранение и переработка сельхозсырья. 1998.-№ 11.-С. 13-15.

49. Попов A.M. Физико-химические основы технологий полидисперсных гранулированных продуктов питания. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2002.-324 с.

50. Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г. Гидромеханические основы процессов химической технологии. Л.: Химия, 1987. - 360 с.

51. Рогов И.А., Нефедова Н.В., Алексахина В.А. и др. Кисломолочные продукты с натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы // Молочная промышленность, 1996. -№ 8. С. 21 - 22.

52. Романков П.Г., Курочкина М.И., Гидромеханические процессы химической технологии. Л.: Химия, 1982. - 503 с.

53. Руководящий нормативный документ. Механические перемешивающие устройства. Метод расчета. РД 26-01-90-85. JL: РТП ЛенНИИхиммаша, 1985.-257 с.

54. Селиванов Ю.Т., Першин В.Ф. Методика расчета параметров процесса приготовления многокомпонентных смесей в циркуляционных смесителях непрерывного действия // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2004. № 2. - С. 7 - 10.

55. Сиренек В.А., Сидоров В.А., Суханов М.Б. и др. Вероятностный подход к исследованию волновой модели продольного перемешивания // Теоретические основы химической технологии. 1999. - Т. 33. - № 5. -С. 539-546.

56. Скворцов В.Г. Теоретические аспекты гидродинамических эффектов в аппаратах с механическим перемешиванием. Автореф.дис. канд.техн.наук. М.: НИОПиК, 1980.-21 с.

57. Соловьев А.В., Борисов А.В. Увеличение эффективности перемешивания в аппаратах с мешалками с использованием комбинированного вихря Рэнкина. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2002. - № 10. С. 8-9.

58. Справочник технолога-оптика. И.Я. Бубис, В.А. Вейденбах, И.И. Духонин и др. Под общ.ред. М.С. Кузнецова и М.А.Окатова. Л.: Машиностроение, 1983.-414 с.

59. Стабников В.Н., Лысянский Б.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. М.: Агропромиздат, 1985. - 503 с.

60. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. / Пер. с польского под ред. И.А. Щупляка. Л.: Химия, 1975. - 384 с.

61. Тишин О.А. Дорохов И.Н. Определение условий предварительной смешанности в аппаратах с мешалками // Журнал прикладной химии. -2002. Т. 75. - Вып. 11. - С. 1877 - 1880.

62. Тишин О.А. Определение условий, обеспечивающих в аппаратах с мешалками распределение времени пребывания, соответствующее модели идеального перемешивания // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2002. - Т. 45. - Вып. 5. - С. 70 - 72.

63. Федоренко И.Я., Кулинич А.Н., Александров И.Я. Теория смешения гетерогенных систем // Хранение и переработка сельхозсырья. 2000. -№10.-С. 16-18.

64. Харитонов В.Д., Павлова В.В., Писменская В.Н. Влияние сухих многокомпонентных смесей на консистенцию комбинированных пастообразных продуктов // Молочная промышленность, 1998. №7-8.-С. 44-45.

65. Шрайбер А.А., Милютин В.Н., Яценко В.П. Гидродинамика двухкомпонентных потоков с твердым полидисперсным веществом. -Киев: Наукова думка, 1980. 258 с.

66. Штербачек 3., Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. Пер. с чеш. под ред. И.С.Павлушенко. Л.: ГСНТХ, 1963. - 416 с.

67. Яблонский В.О. Гидродинамика течения ньютоновской жидкости в гидроциклоне // Журнал прикладной химии. 2000. - Т. 73. - Вып. 1. -С. 95-99.

68. A well -shaped mixer yields a better product // Chem. Eng. (USA). 1998. -Vol.105.-№13.-P.21-23.

69. Adomeit P.R., Renz U. Correlations for the particle clesposition rate accounting for lift forces and hudrodynamic mobility reduction // Can. I. Chem. Eng. -2000. Vol. 78. - № 1. - P. 32 - 39.

70. Bao Y., Huand X., Shi L., Wang Y. Mechanism of off-botton suspension of solid particles in a mechanical stirred tank // Chinese J. Chem. Eng., 2002. Vol 10.-№4.-P. 476-479.

71. Brucato A., Brucato V. Unsuspended mass of solid particles in stirred tanks // Can. J. Chem. Eng. 1998. - Vol. 76. № 3. - P. 420 - 427.

72. Buchmann M., Mewes D. Impuls und Stoffransport wahrend der laminaren Makround Micromischuhg in Ruhrgefaben // Chem. - Ing. - Techn. - 1999. -Bd 71. - №9. - S. 1040-1041.

73. Bulk scale power in tiny mixers // Chem. Eng. (USA). - 1999. - Vol.106. -№12. -P.415.

74. Chimmili S., Dorai Wamy D., Gupta R.K. Shear induced agfo meration of particulate suspensions. // I no. and Eng. Chem. Res. - 1998. - Vol. 37. -P. 2073-2077.

75. Dietsche W. Mix or match: Choose the best mixers every time // Chem. Eng. (USA). 1998. - Vol. 105. - №8. - P.70-75.

76. Geisler R.K., Buurman C., Mersmann A.B. Scal-up of the necessary power input in stirred vessels with suspensions // Chem. Eng. J. 1993. - Vol. 51. - № l.-P. 29-39.

77. Gullies R.G., Sshaan I., Summer R.I. Denosition velocities for new tonian slurries in turbulent flow // Can. I. Chem. Eng. 2000. - Vol. 78. - № 4. - P. 704-708.

78. Harvey A.D., Woud S.P., Leng D.E. Experimental and computational study of multiple impeller flows // Chem. Eng. Sci. - 1997. - Vol.52. - P. 14791491.

79. Hicks M.T., Myers K.I., Bakker A. Cloud height in solids suspension agitation // Chem. Eng. Commun. 1997. - Vol. 160. - P. 13 7-155.

80. Isolated mixing regions, origin, robustness and control / L. Bresler, T. Shinbrot, G. Metcalfe, J.M. Ottino // Chem. Eng. Sci. -1997. Vol. 52. - № 10. -P. 1623- 1636.

81. Kamaguchi Y. The me^suremeut of mixing state and analyses of mixing process using djuble blade bateh kneader mixer // 8 th Eur. Conf. Mixing. -Rugby, 1994. P.587-602.

82. Kneule F. Zur mabstabsubertragung beim suspendieren in riihrgefab // Chem. Eng. Techn 1983. - Bd. 55. - № 4. - S. 275 - 281.

83. Karoui A., Makenholz F., V le Sauze e.a. Determination of the mixing performance of sulzer SMV, static mixers by laser induced fluorescence // С. I. Chem. Ehg. 1998. - Vol.76. №3. p.522-526.

84. Kohhnen C., Bohnet M. Messung und simulation der fluiolstromung in geriihrten fest / flessig suspensionen // Chem. Eng. Teshn. - 1999. - Bd. 54. -№ 9 - S. 959.

85. Kohnen C., Bohnet M. Messung und simulation der fluidstromung in geriihrten Fest / Flussig Suspensionen // Chem. - Ihg- Techn. - 2000. - Bd. 72. - № 6. - S. 609-613.

86. Koiranen Т., Kraslawscki., Uystroem L. Spreadsheet version of knowledgebased sistem for mixing tanks selection // Chem. Eng. Commun. -1997.-Vol.161.-P. 185-204.

87. Kusters K.A., Weiers I., Thoenes D. Aggregation kinetics of small particles in agitated vessels // Chem. Eng. Sci. 1997. - Vol. 52. № i. p. 107 - 121.

88. Kuzmanic N., Rusic D. Solids concentration measurements of floating particles suspended in a stirred vessel using sample withdrawal techniques // Ind. and Eng. Chem. Res. 1999. - Vol. 38. - № 7. - P. 2794 - 2802.

89. Langer G., Depre A. Zum Verstandris der hudrodynamischen Beanspruchuhd von Partrkeln in turbulenten Ruhrerstromungen // Chem. Ing.- Tech 2000. - Bd.72.-№ 1-2. - S. 31-44.

90. Liu S. Particle dispersion for suspension flow // Chem. Eng. Sci. 1999. -Vol. 54, №7. P. 873-891.

91. Maggioris D., Goulas A., Alehopoulos A.H. Use of CFD in prediction of particle size distribution in suspensions polymer reactors // Comput. Chem. Eng.- 1988 22 SUPP - P. 5315 - 5322.

92. Mauros P., Xuereb C., Bertrand J. Determination of 3-Dflow fields in agitated vessels by laser-doppler velocimetry: Use and interpretation of RMS velocities // Chem. Eng. Res. a. Des A. 1998. - Vol. 76. - № 2. - P. 223 -233.

93. Mersmann A.B., Werner F. Theoretical approach to minimum stirrer speed in suspensions. //1. Chem. E. Sym. 1994. - № 136. - P. 33 - 40.

94. Misehen ohne bewegliche Teile // Chem. Ing. - Techn. - 2000. - Bd.72. №11.- S.25.

95. Nicnow A.W. On impeller circulation and mixing effectiveness in the turbulent flow regime // Chem. Eng. Sci. - 1997. - Vol.52. №15. - P.2557-2565.

96. Iontante I., Lee K.C., Brucato A., Yianneskism M. An experimental study of double to - single - loop transition in stirred wessels // Can. I. Chem. Eng. -1999. - Vol.77. - №4. - P.649-659.

97. Rieber R., Sehofer M., Lauschke G., Schierholz Stromungssimulation in wendel uhd dispersionsrtihwerken // Chem. - Ing. - Techn. - 1999. - Bd.71 -№10.-S.l 159-1163.

98. Rama R.N.V. Baird M.H.I. Axial mixing and gas holdup with reciprocating doughnut plates // Can. I. Chem. Eng. 2000. - Vol.78. №1. P.261-264.

99. Ratwardhan A.W., Joshi J.B. Relation between flow pattern and blending in stirred tanks // &nd g. Eng. Chem. Res. 1999. - Vol. 38. - № 8. - P. 3131 -3143.

100. Ruberg S. Zukunftsweisender hygi^r Apparatebau // Chem. Ing. - Techn. -2000.-Bd.72, №4.-P.40.

101. Sahy A.K., Kumar P., Patwardhan P.W., Joshi J.B. CFD modeling and stirred tanks // Chem. Eng. Sci 1999. - Vol. 54. - № 13 - 14. - P. 2285 -2293.

102. Serpa C.J., Garcia-Gonzalez M., Serna C.I., Tartoy P. Relationship between the colloidal and properties of mineral suspensions. // Can. I. Chem. Eng. -2001. Vol. 79. - № 4. - P. 608 - 611.

103. Shamlou A.P. Mechanism of suspension of coarse particles in liquids in stirred vessels //1. Chem. E. Sym. Ser. 1992. -№121. - P. 397-412.

104. Smith F.G. A model of transient mixing in a stirred tank // Chem. Eng. Sci. -1997. 22 Vol. 52. - № 9. - P. 1459 - 1478.

105. Subbanna M., Kokil S., Kapur P.C., Malghan S.G. An aggregation index for monitoring the state of the suspensions. // Langmuir. 1998. - Vol. 14. - № 26. -P. 7364-7370.

106. Tanguy P., Thibault F., Tecante A. Mixing performance induced by coaxial flat blade helical ribbon impellers rotating at different speeds // Chem. Eng. Sci. - 1997. - Vol.52. - № 11. - P. 1733-1741.

107. Wei C., Weigno I.,Sinfu W. Characterization axial and radial liguid mixing in a liguid-solid cirulating fluidized bed // Ind. A Eng. Chem. Res/ 2001. - Vol 40.-№23.-P. 5431 -5435.

108. Wei 1. Multiscale structure of infirmity in mixtures // lnd a. Eng. Chem. Res.- 1999. Vol. 38. № 3. - P. 576 - 589.

109. Wernersson E., Tragardh C. Seale up of Rushton turbine-aditatea tanks // Chem. Eng. Sci. 1999. - Vol. 54. № 19. - P. 4245 - 4256.

110. Wille M., Lander G., Werner U. Einflub makroskopischer dhnstromungen auf dispergiervorgange in riihrbehalten // Chem. Ihg - Techn. - 1999. - Bd. 71. -№ 9.-S. 1039-1040.

111. Wu J., Zhu Y. Impeller geometry effect on velocity and solids suspension // Chem. Eng. Res. a. Des. A. 2001. - Vol. 79. - № 8. - P. 989 - 997.

112. Wu J., Zhu Y., Pallum L. The effect of impeller pumping and fluid reology on solids suspension in a stirred vessel. // Can.J. Chem. Eng. 2001. - Vol 79.- № 2. P. 177- 186.

113. Yianneskis M. Observations on the distribution of energy dissipation in stirred vessels. Pap. Fluid Mixing 6 Conference, Bradford, July, 1999. // Chem. Eng. Res. and Dies. A. Trahsactions of the Institution of Chemical Engineers.