автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и исследование новых конструкций смесителей непрерывного действия центробежного типа для получения комбинированных продуктов

На ппавах г^коттиси

АНДРЮШКОВ АЛЕКСЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ СМЕСИТЕЛЕЙ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ

05.18.12 «Процессы и аппараты пищевых производств»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 Ш ¿013

005061249

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Дмитрий Михайлович Бородулин

Официальные оппопенты: Петрик Павел Трофимович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Энергоресурсосберегающие процессы в химической и нефтегазовой технологиях»

Ивапец Галина Евгеньевна,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кемеровский

технологический институт пищевой промышленности», профессор кафедры «Прикладная математика и информатика»

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

Сибирский научно-исследовательский институт переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии.

Новосибирская область, п. Краснообск

Защита состоится «29» июня 2013 года в 900 ч на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел./факс 8(3842)39-68-54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (http://www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан «2Ц» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Гореликова Г. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время все большей популярностью пользуются продукты, обогащенные различными минеральными и биологическими добавками, витаминами и другими компонентами. Как правило, к ним относятся многокомпонентные смеси, находящиеся в порошкообразном или мелкозернистом состоянии. Их качество во многом зависит от условий проведения процесса смешивания. Поэтому одной из главных проблем является равномерное распределение вносимых в малых количествах различных добавок, во всем объеме смеси. В настоящее время на предприятиях для достижения удовлетворительного качества конечного продукта в составе смесительного агрегата используют параллельное соединение двух и более аппаратов различного типа, что значительно увеличивает его себестоимость. В процессе смесепри-готовления рационально использовать смесители непрерывного действия (СНД) центробежного типа, позволяющие получить качественные смеси с данным соотношением компонентов.

На сегодняшней день в различных учреждениях разработано множество конструкций СНД, однако не все аппараты обеспечивают удовлетворительное качество смеси - вследствие малой сглаживающей способности; кроме того, для материалов, имеющих большую разницу в удельном весе, возможно явление сегрегации. Поэтому разработка эффективных смесительных агрегатов центробежного типа, обладающих большей сглаживающей способностью за счет организации направленного движения потоков материала, для получения витаминизированной муки и других комбинированных продуктов с большой разницей содержания смешиваемых компонентов является актуальной научной задачей, представляющей большой практический интерес для пищевой промышленности и ряда других отраслей.

Научной базой исследований в данной области явились работы Ю.И. Макарова, Ф.Г. Ахмадиева, В.Н. Иванца, Г.Е. Иванец, Б.А. Федосенкова, H.A. Ба-кина и ряда других ученых.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», на проведение исследований выделены гранты: ФГБОУ ВПО «Кемеровский институт пищевой промышленности» «Разработка и исследование смесительного агрегата центробежного типа производительностью 400 кг/час для производства витаминизированной и йодированной муки» (2012 г., грантодержатель - A.A. Андрюшков); Грант Губернатора Кемеровской области для поддержки молодых ученых — кандидатов наук в номинации паук, относящихся к аграрно-промышленному комплексу (2007 г., грантодержатель - Д.М. Бородулин).

Цель работы. Интенсификация процесса смешивания в новых конструкциях центробежных смесителей для получения сухих комбинированных продуктов с заданным соотношением смешиваемых компонентов на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие основные задачи:

- теоретическое и экспериментальное обоснование новых конструкций СНД центробежного типа для обогащения различных сыпучих композиций витаминами, минералами и микроэлементами;

- математическое описание процесса смешивания в центробежных смесительных агрегатах с применением корреляционного анализа и кибернетического подхода и элементов теории автоматического управления;

- исследование новых конструкций СНД центробежного типа с целью нахождения их рациональных конструктивных и технологических параметров работы, обеспечивающих стабильность качества готовой продукции;

- проведение частотно-временного анализа смесительного агрегата центробежного типа. Проверка на адекватность математических моделей;

- разработать инженерную методику расчета СНД центробежного типа;

- проведение опытно-промышленных испытаний новых конструкции СНД центробежного типа в составе технологических схем получения витаминизированной муки и сухих строительных смесей.

Научная новизна. Созданы математические модели непрерывно действующих смесительных агрегатов центробежного типа, дающие возможность проанализировать получение смесей требуемого качества учитывая их инерционные свойства. Проведен корреляционный анализ влияния топологии материальных потоков на однородность смеси в СНД центробежного типа; на основе программы «МаЛСАИ» предложен алгоритм расчета численных значений сглаживающей способности и передаточных функций динамических и конструктивных параметров смесителя, а также воздействие входных потоков, влияющих со стороны дозирующих устройств. Получены рациональные конструкционные и технологические параметры СНД, обеспечивающие получение смесей хорошего качества. Рассчитаны уравнения регрессии, адекватно описывающие экспериментальные данные.

Практическая значимость и реализация. В результате теоретического и экспериментального исследования процесса смешивания и дозирования материалов разработаны три новые конструкции смесителей непрерывного действия центробежного типа с организацией направленного движения в них материальных потоков, техническая новизна СНД защищена двумя патентами РФ. Разработано аппаратурное оформление технологической линии непрерывного смешивания, включающей в свой состав центробежный СНД новой конструкции. Проведены успешные опытно-промышленные испытания: на ООО «Мастер-продукт» (г. Новокузнецк) в технологии производства витаминизированной муки для хлебобулочных изделий; ЗАО «Профикс-Кузбасс» (г. Кемерово) в технологии производства сухой строительной штукатурной смеси М100. Результаты диссертационной работы используется в учебном процессе на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование».

На защиту выносятся: математическое описание процесса непрерывного смешивания в СНД центробежного типа при различной организации движения материальных потоков в них, на основе корреляционного анализа; математическая модель непрерывно действующего смесительного агрегата, разработанная с использованием кибернетического подхода и элементов теории автоматического управления, позволяющая выбрать целесообразные параметры работы смесителей центробежного типа и дозирующих устройств; результаты экспериментальных исследований процесса смешивания дисперсных материалов в новых конструкциях СНД центробежного типа и методики их инженерного расчёта и смесительного агрегата в целом.

Объектом исследования являлись новые конструкции высокоэффективных СНД центробежного типа для обогащения муки витаминами, минералами и микроэлементами.

Предметом исследования являлось установление закономерностей, описывающих работу СНД при рациональных режимных и конструктивных параметрах, влияющих на качество получаемых смесей.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены: на всероссийских и международных научных конференциях (2009-2013 гг.) (Новый этап развития пищевых производств: инновации, технологии, оборудование. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Екатеринбург, 2009; Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых производствах. Материалы Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. Кемерово, 2009; Пищевые продукты и здоровье человека. II Всероссийская конференция аспирантов и студентов. Кемерово, 2009; V Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум». Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из которых 5 в журналах, рекомендованных ВАКом, получено два патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений; включает 56 рисунков, 28 таблицы. Основной текст изложен на 148 страницах машинописного текста, приложения — на 60 страницах. Список литературы включает 103 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования и сформулированы: цель работы и ее общая характеристика, задачи, объекты и методы исследований.

В первой главе рассмотрены условия повышения эффективности процесса смешивания в аппаратах непрерывного действия и приведено обоснование выбора в качестве объекта исследования СНД центробежного типа, обладающего способностью сглаживать флуктуации входных потоков за счет направленной организации их движения. Проведен анализ состояния и перепек-

тив развития смесительного оборудования для смешивания сыпучих материалов и сформулированы требования к конструкциям центробежных СНД нового поколения.

Во второй главе рассмотрены вопросы математического моделирования процесса смешивания сыпучих материалов. Основное внимание уделяется анализу структур потоков материала внутри СНД центробежного типа с помощью теории корреляционных функций, моделей усреднения, а также методов технической кибернетики.

На первом этапе проведен корреляционный анализ различных схем организации движения материальных потоков в центробежных СНД.

На рисунке 1 представлены четыре принципиально различные схемы: с разделением входного потока на три части с последующим их двойным наложением «А»; с разделением входного потока на две части с последующей рециркуляцией одной из них «Б»; с разделением входного потока на две части с последующим их пересечением «В»; с разделением входного потока на четыре части с последующей их частичной рециркуляцией «Г». Материальный баланс для схемы «А» и система уравнений, определяющая корреляционные функции потоков, запишутся следующим образом:

где ХО и Кхо(г) - материальный поток, поступающий в СНД, и его корреляционная функция; Х1иКх/т) - материальный поток, поступающий на /-ю ступень (конус) СНД, и его корреляционная функция, 7= 1 ...и; ХВЗ и Кхм(т) - материальный поток, выходящий с 7-й ступени (конуса) смесителя, и его корреляционная функция, 3 = 1 ...п; ХВ и КХц(т) - материальный поток, выходящий из СНД, и его корреляционная функция; а - коэффициент перераспределения на первой ступени СНД; а} - коэффициент рециркуляции на 7-й ступени смесителя, J = 1 ...п; п — количество ступеней; г— интервал корреляции.

Рассмотрим влияние на величину сглаживания флуктуаций входного потока только процесса рециркуляции, т.е. допустим, что КЛ7и(т)^Кх/г). Тогда система (2) примет следующий вид:

(2)

0)

Решив систему (3) относительно КХц(т), получим:

Кхв(г) = Кхо(т) х [а2 +

(1 -а)2

1—/?2х(1—а)

х х а2 + (1 - /?)) ).

(4)

Известно, что корреляционная функция стационарного процесса при т=0 2

равна дисперсии х возможных значений его параметра в данный момент вре-2

ме1ш, т.е. Кх(0)= °х. Тогда можно записать:

а2хв = а2х0 х (а2 + ^^ х (/?2 х а2 + (1 - /?))).

Схема «А» Схема «Б»

(5)

Схема «В»

Хо

Конус

^81

Перфорированная

напрзалякнцая

г >¡82*«

Диск

X»

Схема «Г»

Ха

Víi-f

Внутренний конус

Xsi

Средний конус

Хез'Р г

■

Внешний конус

Хе-^вг'Рг

Рисунок 1 - Схемы организации движения материальных потоков в СНД центробежного типа

С помощью уравнения (5) получили коэффициенты, при которых достигается наибольшая сглаживающая способность смесителя (5). Например,

4о

при значениях коэффициентов: а= 0,3 и /?=0,1. <7хв=0,311сгхо, а S = °хв = 3,213. С увеличением степени рециркуляции дисперсия выходящего материального потока значительно уменьшается. Это говорит о наличии неплохой сглаживающей способности S у центробежного смесителя при данной схеме организации движения потоков.

Анализируя подобным образом организацию движения материальных потоков по схеме «Б», получим, в итоге, следующее выражение:

= (6)

Оптимальные значения коэффициентов равны: а = 0,2, р = 0,8. При этом 2 2 сгхв=0,222стхо, а 5=4,504.

В результате анализа схемы «В» получим следующее выражение:

а2хв = а2х0 х ((1 - а2) + а2). (7)

2

Оптимальное значение коэффициента равно: а =0,5. При этом сххв=о,5сг хо, а 5=2.

В результате анализа схемы «Г» получим следующее выражение:

агхв = а2х0 х —-—. (Ю

в 0 (i-(i-0)2)2 -J

Оппшальные значения коэффициентов равны: Р = 0,2, = 0,2. При этом 2 2 сгхв =0,12(7X0, а £=8,33.

Из сравнения результатов анализа четырех конструкций СНД видно, что большей сглаживающей способностью обладает смеситель, работающий по схеме «Г», S=8,31, а наименьшей - смеситель, работающий по схеме «В», S=2. Однако смеситель по схеме «В» проще в изготовлен™ и менее энергоемок. Смеситель по схеме «Г» больше подходит для получения качественных смесей с соотношением компонентов свыше 1:100.

На втором этапе были рассмотрены вопросы математического моделирования смесительного агрегата (СА) с использованием методов технической кибернетики. На рисунке 2 представлена функционально-структурная схема смесительного агрегата для получения многокомпонентной смеси по методу последовательного разбавления.

Из рисунка 2 видно, что двух ступенчатый СА содержит два блока дозаторов, обладающих определёнными импульсными переходными характеристиками (ИПХ) {W/1E,(S) и Wj/^fS)), формирующими сигналы различного вида, работающих параллельно на C3i и СЭ2. Основными элементами схемы являются центробежные СНД с горизонтальным расположением ротора в виде трёх полых и одного полого усеченных конусов (WCmi(S) и WCM2(S)).

Рисунок 2 - Структурно-функциональная схема исследуемого смесительного

агрегата

Воспользовавшись законами преобразования структурных схем, приведем выходной сигнал смесительного агрегата к следующему виду (1¥Сл($)У.

И'САСЯ = х ^слп (?) + ЩБ2 (5)] х ]КШ2 (5). (9)

Здесь в первый блок входят спиральный и порционный дозаторы. Его суммарный сигнал определяется в виде:

_х<|01 | ХдпПХШа! | Ар2 | ^10

(10)

Во второй блок входит спиральный дозатор, импульсные переходные характеристики которого представлены формулой:

' о

(11)

Передаточные функции представлены зависимостями (12) и (13).

^смОО = £ ^смОО =

Кхе"

ТтХБ+г" Кхе"т5

(12)

(13)

Т|х52+Т1х5+1"

Подставив ИПХ всех блоков и передаточные функции аппаратов, входящих в состав смесительного агрегата, получим:

ю

/У._. V. . У т.. Л.

WcA(S) =

(Хй01 + ^ат! х т<11

1и , №

Акх5 | Вк х со^

УБ2 + соЗ, 52 +! к=1 4 "1

]й2

х Кхе т!5 Х,1тз Х^зХюдз"! ^ Кхе~т!;

(14)

Данная модель описывает процесс смешивания сыпучих компонентов по методу последовательного разбавления смеси при соотношении её компонентов 1:1000. Она реализуется с помощью различных математических программ. Таким образом, модели СА, при использовании кибернетического подхода с применением ЭВМ, могут прогнозировать качество готовой смеси, если известны функциональные зависимости входных сигналов от времени и передаточные функции СНД.

В третьей главе рассмотрены вопросы аппаратурного и методологического обеспечения экспериментальных исследовашш. Приведено описание ла-бораторно-исследовательского стенда, который включает в свой состав блок дозаторов, СНД центробежного типа, блоки управления и измерительных приборов, отбора и анализа проб. Также дано описание новых конструкций и принципа действия трех СНД центробежного типа.

На рисунке 3 приведена принципиальная схема центробежного СНД с уг-лообразными турбулизаторами применяемого для смешивания сыпучих компонентов в диапазоне от 1:75 до 1:125. Данный СНД является основным объектом исследований. Технической новизной СНД является то, что на внутренней поверхности полого усеченного конуса в хаотичном порядке расположенны уг-лообразные турбулизаторы, угол и длина которых различны, а на внешней - закреплен рассеивающий диск. На внутренней поверхности корпуса установлены перфорированные направляющие.

Работа смесителя осуществляется следующим образом. Сыпучие компоненты подаются через патрубки 3 на основание вращающегося ротора 8. Под действием центробежной силы частицы материала ускоренно движутся от центра к периферии, распределяясь равномерно по внутренней поверхности ротора. Наряду с этим происходит уменьшение толщины слоя материала на периферии за счет возрастания площади распределения частиц. Потоки материала отражаются от хаотично установленных углообразных турбулизаторов 9, различных по длине и углам наклона. Такая конфигурация способствует появлению дополнительного эффекта смешивания, так как общий кольцевидный поток материала разделяется на несколько частей, которые впоследствии пересекаются друг с другом. Далее смесь сбрасывается через верхнее основание ротора 8 и движется по перфорированным направляющим 10, разделяясь на две части. Одна из них ссыпается к коническому основанию днища 6 через отверстия, а другая — на рассеивающий диск 11, где частицы, за счет центробежной силы, отбрасываются к стенкам корпуса. Компоненты дополнительно смешиваются при пересечении образовавшихся потоков. Готовая смесь выводится из аппарата через патрубок 7.

На рисунке 4 изображена схема центробежного СНД применяемого для смешивания сыпучих компонентов в диапазоне от 1:100 до 1:200, который работает следующим образом. Сыпучие компоненты подаются через патрубки 1 на разделяющий крест 6, где поток материала делится на части, одна отбрасывается на диск 8 вращающегося ротора 7, а другая попадает на регулируемый отражатель 9. Часть входного потока, попавшая на диск 8, под действием центробежной силы равномерно растекается по нему и движется снизу вверх по внут-

ренней поверхности ротора 7. Таким образом, обеспечивается тонкослойное движение сыпучего материала, что способствует частичному смешиванию компонентов. Этот поток сбрасывается с поверхности ротора и пересекается с яругам, сошедшим с разделяющего креста 6, что способствует дополнительному смешению материалов в кольцевом пространстве между ротором и корпусом смесителя. Общий поток, образующийся при этом, попадает на регулируемый отражатель 9, который отбрасывает часть материала к основанию ротора 7, обеспечивая при этом рециркуляцию, другая часть по внутренней поверхности корпуса ссыпается вниз и выводится из смесителя.

Ь 3 4 ? I»

Рисунок 3 - Центробежный СНД с Рисунок 4 - Центробежный

углообразными направляющими СНД с разделяющим крестом

Конструкция центробежного смесителя с разделяющим крестом разработана в результате теоретического анализа, показавшего, что разделение входящего материального потока на несколько частей с дальнейшим их пересечением значительно увеличивает сглаживающую способность, а значит и качество готового продукта.

В ходе исследования процессов смешивания и дозирования применялись разнообразные материалы, находившиеся в порошкообразном и мелкозернистом состоянии с различными физико-механическими параметрами. К ним относятся: коэффициент внутреннего трения, гранулометрический состав, степень связности частиц, коэффициент внешнего трения, насыпная плотность и т.д. Критерии выбора сыпучих материалов вызваны возможностью будущей практической реализации разработанных конструкций в промышленные условия.

В четвертой главе приведены результаты исследований новых конструкций центробежных смесителей непрерывного действия с целью определения их рациональных конструктивных и режимных параметров, практическое испытание разработанных конструкторских решений.

При исследовании центробежного СНД, изображенного на рисунке 3, проведен полный факторный эксперимент третьего порядка по определению качества смеси Ус в зависимости от количества углообразных турбулизаторов А

в диапазоне (4-й 2 шт.), частоты вращения ротора п - (750н-950 об/мин), соотношения смешиваемых компонентов С- (1:75-5-1:125).

В результате получены следующие уравнение регрессии:

— для смеси «соль - манная крупа»:

Ус=67,34+83,бЗС-0,11в-2,99Ь+0,0000607п2+0,146Ь2; (15)

— для смеси «сахар -пшено»:

Ус= 47,52-760,98С-0,31411-13,7С11+4781,4С2+0,076Ь2; (16)

— для смеси «мука - йод»:

Ус= 27,94-447,42С-0,183Ь-8,064СЬ+2811,6С2+0,044Ь2. (17)

Для примера проанализируем поверхность отклика, которая описывается расчетным регрессионным уравнением (15), за исключением мало значимого коэффициента п (т.е. зависимость влияния соотношения смешиваемых компонентов и числа углообразных на Ус), представленную на рисунке 5.

шивасмыххаяпо- Овра-шыхсгфшка-

шаггов гелей, пгг.

Рисунок 5 - Поверхность отклика для смеси «соль - манная крупа»

Анализ графической интерпретации показывает, что количество углообразных турбулизаторов И = 12 в роторе СНД оказывает значительное влияние на величину коэффициента неоднородности Ус.

Наименьшее значение Ус достигается при соотношении смешиваемых компонентов 1:75, но и при 1:100 получили смесь удовлетворительного качества, так как Ус не превышало 12%. Увеличение С ведет к ухудшению качества смеси, что объясняется малым временем пребывания частиц в роторе аппарата, так как последний состоит только из одного конуса.

Далее была определена пропускная способность разделяющего креста 6 (рисунок 4) для материалов: кукурузной и манной круп, сухого речного песка и пшена. Эксперименты проводились при разных значениях частот вращения креста. Пропускная способность разделяющего креста определялась по форму-

К = ^400%

ле: т , где тл— масса материала задержанного ловушкой, гр; т=300 - масса материала во входном потоке, гр.

Анализ полученных результатов показывает, что лучшей пропускной способностью крест обладает при частоте вращения 500 об/мин. Однако данной частоты недостаточно для того, чтобы материал начал свое движение по поверхности конуса. Худшая пропускная способность наблюдалась при 1000 об/мин, так как большинство частиц, под действием центробежной силы, отбрасывалось к периферии корпуса смесителя. Следовательно, рационально использовать частоту вращения креста 750 об/мин, что обеспечивает примерно 50% его пропускной способности.

Для определения степени рециркуляции был проведен эксперимент с использованием аналогичных материалов, в ходе которого изучалось влияние на качество получаемых смесей расстояния от основания ротора до отражателя h в диапазоне (12+14 см) и частоты вращения ротора п - (500+1000 об/мин).

Анализ полученных данных показывает, что при и равной 750+1000 об/мин и h равной 14 см получаются смеси хорошего качества, так как значения Ус находятся в пределах 4+7% во всем диапазоне исследований.

Исследование динамической системы «дозатор - смеситель» проводилось путем расчета частотных и временных характеристик смесительного агрегата с использованием известных ИПХ дозаторов и передаточных функций (ПФ) смесителя. При определенных рациональных режимах работы СА были рассчитаны: ИПХ при подаче муки спиральным дозатором, йодида калия порционным дозатором; передаточные функции СНД.

5,46 0,36X4,02

W(S) + s2+4022 ;

1,306 , 0.124XS , 4,83 0.S02XS , 0,69 , 0.013XS

W(S>=—--h —----;---1--1----1---h

v ' S S2+9,85 S2+9,85 S2+39,43 S2+39,43 S2+88,73 1,99 _ 0,265xS 1,24 _ 0.071XS 0,26___0.093XS

S2+88,73 S2+158 S2+158 Sz+246,8 S2+246,8 S2+355,32

0,2 0.053XS 0,48 _ 0.034XS 0,87 0,0017xS

S2+355,32 S2+483,S6 S2+246,8 S2+631,51 S2+631,51 S2+799,2 0,17___0,021 XS___0,44

S2+799,2 S2+987,2 S2+987,2 '

W(S)=—Щ-

3,59x 5+3,85 + 1

Для проведения частотного анализа ПФ смесителя строились амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) (рисунок 6), из которых видно, что наилучшей сглаживающей способностью обладает СНД, работающий в третьем режиме.

Для определения значения степени сглаживания действительных сигналов блоков дозаторов, выполнен временной анализ смесительного агрегата, в

(18)

(19)

(20)

результате которого были получены отклики системы на входящие сигналы блоков дозаторов, подаваемых в смеситель, на разных частотах вращения ротора. На рисунке 7 приведено отношение амплитуды входного и выходного сигналов из смесителя при частоте вращения ротора равной 10 с1. Результаты проведенного анализа показывают, что численные значения сглаживающий способности смесителя рассчитанные, по частотному и временному методам, находятся в диапазоне от 10 до 380 раз. Расхождение результатов временного и частотного анализов при получении смеси «мука высшего сорта — йодид калия» на частоте вращения ротора СНД, равной 15 с1, составило 8,1%. Таким образом, использование этих методов анализа является вполне правомерным. Также в четвертой главе приводится инженерная методика расчета центробежного СНД и агрегата в целом на основании результатов проведенных исследований.

I, сек

Рисунок 6 - АЧХ режимов работы Рисунок 7 - Амплитуды входного сиг-

центробежного СНД при нала дозаторов при дозировании смеси

10 с_/(А1(-)), 12.5 с~'(А2(-. -. -)), муки и йодида калия (—)

15 с\А3(-----)) и выходного сигнала СНД (—)

В пятой главе показано практическое использование результатов работы. Проведены опытно-промышленные испытания разработанных смесительных агрегатов центробежного типа, с целью оценки их эффективности, в двух различных производственных линиях:

1) для приготовления витаминизированной муки в ООО «Мастер-продукт» (г. Новокузнецк). Качество сухой смеси оценивали по коэффициенту неоднородности Ус. Полученные результаты свидетельствуют о том, что центробежный СНД позволяет получать витаминизированную муку хорошего качества, так как значение коэффициента неоднородности смеси составило 3,2%;

2) для производства сухой строительной штукатурной смеси М100 на ЗАО «Профикс-Кузбасс» (г. Кемерово). Полученные результаты подтверждают, что новая конструкция центробежного СНД позволяет получать строительно-штукатурную смесь с меньшими по отношению к рассматриваемым аналогам металло- и энергозатратами на производство 1 кг готовой смеси. При этом среднее значение удельных энергозатрат на производство 1кг смеси составило 1,34 Вт/кг.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Для получения смесей дисперсных материалов с большим соотношением смешиваемых компонентов рационально применять СНД центробежного типа, совмещающие в себе процессы смешения дисперсных материалов в тонкослойных разреженных потоках и их диспергирования.

2. Выполнен теоретический анализ СНД центробежного типа с различными схемами организации движения материальных потоков, базирующийся на корреляционном подходе. Установлено, что на снижение флуктуаций входного сигнала сильное влияние оказывает наличие в СНД опережающих потоков, контуров внешней и внутренней рециркуляции. При этом сглаживающая способность смесителя S увеличивается фактически в два раза.

3. На основе кибернетического подхода разработаны математические модели двух центробежных CA для переработки сыпучих материалов, одна из которых описывает процесс смешивания сыпучих компонентов по методу последовательного разбавления смеси. Их частотно-временной анализ показал, что два последовательно установленных СНД обеспечивают в 2,3 раза большее сглаживание флуктуаций входных сигналов (S=376,22) по сравнению с одним.

4. Разработаны три оригинальные конструкции смесителей непрерывного действия центробежного типа с организацией направленного движения потоков материала. СНД с углообразными турбулизаторами целесообразно применять для смешивания сыпучих компонентов с соотношением 1:75, а смеситель с разделяющим крестом в диапазоне от 1:100 до 1:200. Центробежный смеситель диспергатор рационально использовать для смешивания частиц склонных к образованию конгломератов. Техническая новизна их защищена двумя патентами РФ № 2455058 и № 2464078.

5. Определены рациональные конструктивные и технологические параметры работы центробежного СНД с углообразными турбулизаторами, а именно: количество углообразных направляющих в роторе СНД -12 шт.; частота вращения рабочего органа — 850 об/мин; при соотношении смешиваемых компонентов 1:100. Для СНД с разделяющим крестом целесообразно установить на крышку СНД отражатель на высоте h = 14 см, что позволит организовать рециркуляцию смеси в аппарате и получать смеси хорошего качества (Vc = 5,5%) при частоте вращения ротора п = 750 об/мин.

Экспериментальная проверка математических моделей СНД и агрегата в целом подтвердила их адекватность реальному процессу смешивания.

6. Центробежные смесители нашей конструкции прошли успешные опытно — промышленные испытания и рекомендованы для использования при аппаратурном оформлении стадии смешивания в технологических схемах получения: витаминизированной муки на ООО «Мастер Продукт» (г. Новокузнецк) и сухой строительной штукатурной смеси М100 на ЗАО «Профикс-Кузбасс» (г. Кемерово). Произведенный экономический расчет показал, что эффективность от производства витаминизированной муки составила 11222016 руб./год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Бородулин, Д. М. Прогнозирование сглаживающей способности центробежного смесителя на основе корреляционного анализа / Д. М. Бородулин, А. А. Андрюшков // Техника и технология пищевых производств. - 2009. - № 4. - С. 39-42.

2. Иванец, В. К Тенденции развития смесительного оборудования непрерывного действия центробежного типа / В. Н. Иванец, Д. М. Бородулин, А. А. Андрюшков // Техника и технология пищевых производств. - 2011. - № 1. - С. 6771.

3. Иванец, В. Н. Анализ работы смесителей непрерывного действия центробежного типа на основе корреляционного подхода / В. Н. Иванец, Д. М. Бородулин, А. А. Авдрюшков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - № 8. -С. 23-26.

4. Бородулин, Д. М. Применение смесителя непрерывного действия для витаминизации муки / Д. М. Бородулин, О. В. Салшцева, А. А. Андрюшков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - № 9 — С. 58-61.

5. Бородулин, Д. М. Исследование работы смесительного агрегата, состоящего из двух последовательно установленных центробежных СНД, для получения смеси с соотношением смешиваемых компонентов 1:1000 методом последовательного разбавления / Д. М. Бородулин, А. И Саблинский, Д. В. Сухоруков, А- А. Андрюшков // Вестник КрасГАУ. - 2013. - № 6. - С. 178-185.

Тезисы

1. Бородулин, Д. М. Определение качества смешивания и сглаживающей способности в смесителе непрерывного действия с использованием косвенного метода и корреляционного анализа / Д. М. Бородулин, А. А. Андрюшков // Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых производствах: материалы Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи.-2009. - С. 68-73.

2. Бородулин, Д. М. Зависимость качества смеси от конструктивных особенностей смесителей непрерывного действия / Д. М. Бородулин, А. Л. Андрюшков // Новый этап развития пищевых производств: инновации, технологии, оборудование. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Екатеринбург, 2009. - С. 10-11.

3. Бородулин, Д. М. Модернизация смесителя центробежного типа с целью уменьшения удельных энергозатрат / Д. М. Бородулин, А. Л. Андрюшков // Пищевые продукты и здоровье человека. П Всероссийская конференция аспиршггов и студентов. - 2009. - С. 25-26.

4. Бородулин, Д. М. Разработка высокоэффективного смесителя непрерывного действия центробежного типа / Д. М. Бородулин, А- А. Андрюшков // Пищевые продукты и здоровье человека. Материалы международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - 2012. - С. 304-305.

5. Алдрюшков, А. А. Аппаратурное оформление производства сухой строительной штукатурной смеси М100 [Электронный ресурс] / А. А. Андрюш-ков // V Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум». - 2013. - Режим доступа: http://scienceforum.ru/2013/185/4458.

6. Андрюшков, А. А. Моделирование смесительного агрегата для получения смесей с соотношением сыпучих компонентов 1:1000 [Электронный ресурс] / А. А. Апдрюшков // V Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум». — 2013. - Режим доступа: http://sciencefonirn.ru/2013/185/2372.

7. Андрюшков, А. А. Разработка и исследование новых конструкций смесителей непрерывного действия центробежного типа для получения комбинированных продуктов / А. А. Андрюшков // Международный форум «Пищевые инновации и биотехнологии». Сборник материалов конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - 2013. — С. 666-674.

Патенты

1. Пат. 2455058 РФ, МПК В01 F7/26 / Центробежный смеситель / В. Н. Иванец, Д. М. Бородулин, А. А. Андрюшков; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (Ru). - № 2010150753/05; заявл. 10.122010; опубл. 10.07.2012, Бюл.№ 19.

2. Пат. 2464078 РФ, МПК В01 F7/26 / Центробежный смеситель диспергатор / В. Н. Иванец, Д. М. Бородулин, А. А. Андрюшков; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (Ru). - № 2011119845/05; заявл. 17.05.2011; опубл. 20.10.2012, Бюл. № 29.

Список сокращепий

СНД — Смеситель непрерывного действия;

СА—Смесительный агрегат;

ИГТХ - Импульсные переходные характеристики;

ПФ — Передаточные функции;

АЧХ — Амплитудно-частотные характеристики.

Подписано к печати_13 г. Формат 60x90/16

Объём 1 пл. Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано на ризографе Кемеровский технологический институт

пищевой промышленности 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47 отпечатано в лаборатории множительной техники КемТИППа 650010, г. Кемерово, ул. Красноармейская, 52

Министерство образования Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой

промышленности»

АНДРЮШКОВ АЛЕКСЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ СМЕСИТЕЛЕЙ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ

05.18.12 «Процессы и аппараты пищевых производств»

На правах рукописи

0420135^<'47

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент Бородулин Дмитрий Михайлович

Кемерово - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................... 6

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ И ЕГО АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)..................................................................... 11

1.1 Основные направления в исследованиях процесса непрерывного смесеприготовления......................................................................... 11

1.2. Состояние и перспективы развития смесительного оборудования для переработки сыпучих материалов......................................................... 16

1.3. Методы интенсификации процесса смешения дисперсных материалов в непрерывнодействующем агрегате центробежного типа.............................. 34

1.4. Методы моделирования процесса смешения сыпучих материалов............ 43

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩЕМ АГРЕГАТЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА С РАЗЛИЧНОЙ ТОПОЛОГИЕЙ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ............................................................ 49

2.1. Моделирование смесительного агрегата на основе корреляционного подхода.......................................................................................... 50

2.2. Моделирование смесительных агрегатов на основе кибернетического анализа.......................................................................................... 60

2.2.1. Моделирование смесительного агрегата для получения смесей с соотношением сыпучих компонентов 1:100............................................ 60

2.2.2. Моделирование смесительного агрегата для получения смесей с соотношением сыпучих компонентов 1:1000.......................................... 71

2.2.3. Моделирование смесительного агрегата состоящего из двух

последовательно соединённых СНД..................................................... 72

ГЛАВА 3. АППАРАТУРНОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................... 75

3.1. Описание экспериментальной смесительно - дозирующей установки...... 75

3.2. Дозировочное оборудование стенда............................................... 77

3.2.1. Шнековый дозатор.................................................................. 77

3.2.2. Спиральный дозатор................................................................. 79

3.2.3. Порционный дозатор................................................................ 79

3.3. Обоснование новых конструкций СНД.............................................. 82

3.3.1. Центробежный СНД с рециркулирующими материальными потоками...... 82

3.3.2. Центробежный СНД с диспергирующими ножами........................... 85

3.3.3. Центробежный СНД с разделяющим крестом................................. 87

3.3.4. Центробежный СНД с углообразными турбулизаторами.................... 89

3.4. Сыпучие материалы, использованные в экспериментальных исследованиях................................................................................ 90

3.5. Методика определения качества смеси............................................ 35

3.6 методика проведения ситового анализа............................................. 92

3.7. Методика определения содержания иодида калия в пробах................... 93

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ

СМЕСИТЕЛЕЙ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ..................................... 95

4.1. Исследование одноконусных центробежных смесителей непрерывного действия........................................................................................ 95

4.1.1. Экспериментальное обоснование установки волнообразной кромки ротора........................................................................................... 95

4.1.2. Исследование функционирования центробежного смесителя с углообразными

турбулизаторами.............................................................................. 99

4.1.3. Исследование функционирования центробежного смесителя с разделяющим крестом и регулируемым отражателем................................ 110

4.1.3.1. Определение пропускной способности разделяющего креста............ 110

4.1.3.2. Определение степени рециркуляции при использовании регулируемого отражателя................................................................. 113

4.4. Реализация математической модели................................................ 116

4.4.1 математическое описание сигналов создаваемых дозаторами объёмного типа............................................................................................. 116

4.4.1.1. Математическое описание дозирующего сигнала спирального дозатора........................................................................................ 116

4.4.1.2. Математическое описание дозирующего сигнала порционного дозатора........................................................................................ 120

4.4.2. Экспериментальное определение передаточных функций центробежных СНД.......................................................................... 123

4.4.3. Анализ частотно-временных характеристик смесительного агрегата центробежного типа при смешивании сыпучих компонентов с соотношением 1:100............................................................................................. 126

4.4.4. Проверка на адекватность полученных теоретических и экспериментальных данных............................................................... 135

4.4.5. Методика расчета СНД центробежного типа................................... 136

ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ....................................... 144

5.1. Аппаратурное оформление производства витаминизированной муки для хлебобулочных изделий..................................................................... 144

5.2. Аппаратурное оформление производства сухой строительной штукатурной смеси М100.................................................................................... 151

5.3. Расчёт экономической эффективности при организации собственного

производства витаминизированной муки............................................... 154

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.............................. 158

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................. 160

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................. 168

Приложение 1. Экспериментальные данные зависимости коэффициента

неоднородности от геометрических и режимных параметров..................... 169

Приложение 2. Графики эксперимента ПФЭ 3J....................................... 178

Приложение 3. Общая частотная характеристика (годографы) СНД

центробежного типа......................................................................... 187

Приложение 4. Расчет параметров математической модели для смеси «сахар

-пшено»....................................................................................... 191

Приложение 5. Акты внедрения СНД................................................... 222

ВВЕДЕНИЕ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время все большей популярностью пользуются продукты, обогащенные различными минеральными и биологическими добавками, витаминами и другими компонентами. Как правило, к ним относятся многокомпонентные смеси, находящиеся в порошкообразном или мелкозернистом состоянии. Их качество во многом зависит от условий проведения процесса смешивания. Поэтому одной из главных проблем является равномерное распределение вносимых в малых количествах различных добавок, во всем объеме смеси. В настоящее время на предприятиях для достижения удовлетворительного качества конечного продукта в составе смесительного агрегата используют параллельное соединение двух и более аппаратов различного типа, что значительно увеличивает его себестоимость. В процессе смесеприготовления рационально использовать смесители непрерывного действия (СНД) центробежного типа, позволяющие получить качественные смеси с данным соотношением компонентов.

На сегодняшней день в различных учреждениях разработано множество конструкций СНД, однако не все аппараты обеспечивают удовлетворительное качество смеси - вследствие малой сглаживающей способности; кроме того, для материалов, имеющих большую разницу в удельном весе, возможно явление сегрегации. Поэтому разработка эффективных смесительных агрегатов центробежного типа, обладающих большей сглаживающей способностью за счет организации направленного движения потоков материала, для получения витаминизированной муки и других комбинированных продуктов с большой разницей содержания смешиваемых компонентов является актуальной научной задачей, представляющей большой практический интерес для пищевой промышленности и ряда других отраслей.

Научной базой исследований в данной области явились работы Ю.И. Макарова, Ф.Г. Ахмадиева, В.Н. Иванца, Г.Е. Иванец, Б.А. Федосенкова, И.А. Бакина и ряда других ученых.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», на проведение исследований выделены гранты: ФГБОУ ВПО «Кемеровский институт пищевой промышленности» «Разработка и исследование смесительного агрегата центробежного типа производительностью 400 кг/час для производства витаминизированной и йодированной муки» (2012 г., грантодержатель - A.A. Андрюшков); Грант Губернатора Кемеровской области для поддержки молодых ученых - кандидатов наук в номинации наук, относящихся к аграрно-промышленному комплексу (2007 г., грантодержатель -Д.М. Бородулин).

Цель работы. Интенсификация процесса смешивания в новых конструкциях центробежных смесителей для получения сухих комбинированных продуктов с заданным соотношением смешиваемых компонентов на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие основные задачи:

- теоретическое и экспериментальное обоснование новых конструкций СНД центробежного типа для обогащения различных сыпучих композиций витаминами, минералами и микроэлементами;

- математическое описание процесса смешивания в центробежных смесительных агрегатах с применением корреляционного анализа и кибернетического подхода и элементов теории автоматического управления;

- исследование новых конструкций СНД центробежного типа с целью нахождения их рациональных конструктивных и технологических параметров работы, обеспечивающих стабильность качества готовой продукции;

- проведение частотно-временного анализа смесительного агрегата центробежного типа. Проверка на адекватность математических моделей;

- разработать инженерную методику расчета СНД центробежного типа;

- проведение опытно-промышленных испытаний новых конструкции СНД центробежного типа в составе технологических схем получения витаминизированной муки и сухих строительных смесей.

Научная новизна. Созданы математические модели непрерывно действующих смесительных агрегатов центробежного типа, дающие возможность проанализировать получение смесей требуемого качества учитывая их инерционные свойства. Проведен корреляционный анализ влияния топологии материальных потоков на однородность смеси в СНД центробежного типа; на основе программы «МшИСАй» предложен алгоритм расчета численных значений сглаживающей способности и передаточных функций динамических и конструктивных параметров смесителя, а также воздействие входных потоков, влияющих со стороны дозирующих устройств. Получены рациональные конструкционные и технологические параметры СНД, обеспечивающие получение смесей хорошего качества. Рассчитаны уравнения регрессии, адекватно описывающие экспериментальные данные.

Практическая значимость и реализация. В результате теоретического и экспериментального исследования процесса смешивания и дозирования материалов разработаны три новые конструкции смесителей непрерывного действия центробежного типа с организацией направленного движения в них материальных потоков, техническая новизна СНД защищена двумя патентами РФ. Разработано аппаратурное оформление технологической линии непрерывного смешивания, включающей в свой состав центробежный СНД новой конструкции. Проведены успешные опытно-промышленные испытания: на ООО «Мастер-продукт» (г. Новокузнецк) в технологии производства витаминизированной муки для хлебобулочных изделий; ЗАО «Профикс-Кузбасс» (г. Кемерово) в технологии производства сухой строительной штукатурной смеси М100. Результаты

диссертационной работы используется в учебном процессе на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование».

На защиту выносятся: математическое описание процесса непрерывного смешивания в СНД центробежного типа при различной организации движения материальных потоков в них, на основе корреляционного анализа; математическая модель непрерывно действующего смесительного агрегата, разработанная с использованием кибернетического подхода и элементов теории автоматического управления, позволяющая выбрать целесообразные параметры работы смесителей центробежного типа и дозирующих устройств; результаты экспериментальных исследований процесса смешивания дисперсных материалов в новых конструкциях СНД центробежного типа и методики их инженерного расчёта и смесительного агрегата в целом.

Объектом исследования являлись новые конструкции высокоэффективных СНД центробежного типа для обогащения муки витаминами, минералами и микроэлементами.

Предметом исследования являлось установление закономерностей, описывающих работу СНД при рациональных режимных и конструктивных параметрах, влияющих на качество получаемых смесей.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены: на всероссийских и международных научных конференциях (2009-2013 гг.) (Новый этап развития пищевых производств: инновации, технологии, оборудование. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Екатеринбург, 2009; Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых производствах. Материалы Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. Кемерово, 2009; Пищевые продукты и здоровье человека. II Всероссийская конференция аспирантов и студентов. Кемерово, 2009; V Международная

студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум». Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из которых 5 в журналах, рекомендованных ВАКом, получено два патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений; включает 56 рисунков, 28 таблицы. Основной текст изложен на 148 страницах машинописного текста, приложения - на 60 страницах. Список литературы включает 103 наименования.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ И ЕГО АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ (ОБЗОР

ЛИТЕРАТУРЫ)

В первой главе проанализирована технология процесса смесеприготовления сыпучих материалов и рассмотрено оборудование для производства многокомпонентных смесей.

1.1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ

Процесс смешивания можно характеризовать как пространственное распределение двух и более компонентов с целью получения однородной по составу, физико-механическим и другим свойствам среды, называемой смесью. Этот процесс носит случайный характер [74]. Смешивание мелкодисперсных материалов имеет ряд особенностей, отличающих подобные процессы, протекающие в жидкостях и газах.

Для успешного протекания процесса смешивания в дисперсной среде необходимо создать значительное внешнее силовое воздействие, позволяющее частицам смешиваемой массы перемещаться относительно друг друга. При этом данные частицы могут иметь различный гранулометрический состав, насыпную плотность и т.д. Существуют два способа, обеспечивающие смешивание материалов - случайный и упорядоченный [16]. Первый заключается в том, что сыпучие материалы, занимающие определенный объем, смешиваются под влиянием внешнего силового воздействия, которое вызывает хаотичное перемешивание макрообъемов и отдельных частиц. Второй способ предполагает, что устройство для смешивания упорядоченно размещает

исходные компоненты в некотором объеме. Оба этих способа имеют свои преимущества и недостатки. Случайный способ предполагает произвольную подачу сыпучих материалов, но при этом требует значительных затрат энергии и времени. Упорядоченный способ предусматривает непрерывную, согласованную и равномерную подачу двух или нескольких компонентов в одно и тоже место, чего трудно достичь, если их соотношение составляет 1:50 и более. Поэтому, в реальных условиях, исходя из требуемой степени равномерности распределения исходных компонентов по объему получаемой смеси, обычно совмещают оба метода с преобладанием одного из них.

На практике процесс смешивания осуществляют для достижения одной из следующих целей [80, 95]:

- получения многокомпонентных композиций с заданными свойствами;

- уменьшения вариации свойств сырья и готовой продукции (усре