Лекція 14 (1) Тема. ТЕПЛООБМІННІ АПАРАТИ

Лекція 4

Тема. ПРОЦЕСИ ОТРИМАННЯ НЕОДНОРІДНИХ СИСТЕМ

Мета. Розглянути процеси одержання неодгорідних систем, дати їх характеристики.

План.

1. Характеристика неоднорідних систем.

2. Перемішування.

3. Диспергування.

4. Піноутворення та псевдозрідження.

У гідромеханічних процесах харчових виробництв вирішуються два основні завдання неоднорідних систем: отримання та розділення.

До процесів отримання неоднорідних систем відносяться перемішування, диспергування (емульгування, гомогенізація, розпилення рідин), піноутворення, псевдозрідження.

Основними процесами розділення неоднорідних систем є осадження, фільтрування, центрифугування та зворотний осмос.

1. Характеристика неоднорідних систем

Незважаючи на виняткову різноманітність харчових продуктів, використовуваних в харчовій промисловості, в більшості випадків на різних стадіях технології їх переробки вони являють собою неоднорідні (гетерогенні) системи. Системи можуть бути вихідними, проміжними та кінцевими.

Під неоднорідною системою розуміють систему, яка складається з двох або декількох фаз, кожна з яких має свою поверхню розділу і може бути відділена механічним шляхом від іншої фази. Будь-яка неоднорідна бінарна система складається із внутрішньої, або дисперсної, фази та зовнішньої фази, або дисперсійного середовища, в якому знаходяться частини дисперсної фази.

Дисперсна фаза і дисперсійне середовище неоднорідної системи можуть перебувати в будь-якому агрегатному стані: твердому, рідкому або газоподібному.

Система, в якій зовнішня фаза є рідиною, називається рідкою неоднорідною системою, а система з газовою зовнішньою фазою - газовою неоднорідною системою.

Залежно від типу дисперсійної та дисперсної фаз розрізняють такі неоднорідні системи:

суспензія - рідина, яка містить завислі в ній тверді частинки;

емульсія - система, в якій рідке дисперсійне середовище містить завислі в ньому частинки однієї чи кількох інших рідин; при цьому всі складові системи повинні бути взаємо нерозчинні;

піни - системи, що складаються з рідкого дисперсійного середовища і завислих у ньому частинок газу;

пил або дим - газ із завислими в ньому твердими частинками;

туман - система, що складається з газу і завислих у ньому краплинок.

Перші три класи неоднорідних систем є рідкими, два останні -газові. Пил, дим і туман являють собою аеродисперсні системи і мають загальну назву - аерозолі.

На харчових виробництвах трапляються всі типи неоднорідних систем. Суспензіями є, наприклад, пивне сусло, крохмальне молоко, патока з кристалами цукру, різноманітні соки та соуси. До емульсій можна віднести молоко, суміш рослинної олії з водою тощо. Характерною особливістю емульсій є обмін фаз при підвищенні концентрації: дисперсійне середовище перетворюється в дисперсну фазу, а дисперсна фаза - в дисперсійне середовище. Такий перехід називають інверсією фаз. Цукровий та борошняний пил утворюються під час дроблення цукру-рафінаду на рафінадних заводах, подрібнювання зерна на борошномельних заводах. Пил утворюється також під час просіювання, сушіння та транспортування різних сипких матеріалів: зерна, борошна, цукрового піску та інших продуктів. Тумани утворюються під час випарювання цукрових розчинів, молока, а також під час розпилювання різноманітних рідких продуктів під час їхнього сушіння. До пін можна віднести різного роду креми та інші збиті продукти.

Більшість неоднорідних систем не стійкі, тобто мають тенденцію до укрупнення частинок. Укрупнення крапель або бульбашок шляхом їх злиття називають коалесценцією, а укрупнення твердих частинок унаслідок їх злипання - коагуляцією.

Неоднорідні системи характеризуються концентрацією дисперсної (внутрішньої) фази та розмірами її частинок. Залежно від розподілу частинок за розмірами вони поділяються на два основних типи. Монодисперсні системи містять частинки однакового розміру, полідисперсні - частинки різного розміру. У практиці трапляється майже виключно полідисперсні системи. Існують також три- і багатофазні неоднорідні системи, коли в рідкій або газовій фазі розпорошені одночасно частинки двох і більше фаз.

2. Перемішування

Перемішуванням називається процес взаємного переміщення частинок однієї речовини в іншій з метою їх рівномірного розподілу в усьому об'ємі, який перемішується. Перемішування може бути вільним або вимушеним. Вільне перемішування може відбуватися внаслідок молекулярної дифузії, різниці густин або температур у різних шарах рідини або під впливом кількох цих факторів одночасно. Під час молекулярної дифузії речовина переміщується в тому напрямку, де концентрація її менша, і в такий спосіб вирівнюватиметься концентрація в усьому об'ємі. Молекулярна дифузія - це дуже повільний процес перемішування, тому на практиці застосовують вимушене перемішування. Воно відбувається за рахунок підведення зовні механічної енергії. У харчовій промисловості перемішування матеріалів застосовується з метою:

- одержання гомогенних (однорідних) розчинів, суспензій, емульсій і т. ін.;

- рівномірного розподілу однієї фази в іншій;

- підтримання дисперсної фази в завислому стані;

- збільшення швидкості хімічних, теплових і масообмінних процесів;

- проведення фізико-хімічних процесів, наприклад процесів сатурації, кристалізації;

- підігрівання рідкої системи за випадку подавання в неї гострої пари.

Приклади перемішування в ресторанному господарстві: заміс тіста, перемішування і збивання кондитерських мас (кремів, вершків, яєць, начинок і т. ін.), фаршу, сиру, вінегрету і салату, картопляного пюре і т. ін.

Яке цільове призначення не мав би процес перемішування, загальні закономірності його здійснення однакові. Перемішування здійснюється або в спеціальних апаратах, які називаються змішувачами, або безпосередньо в апаратах, де відбуваються масообмінні, теплообмінні, біохімічні, хімічні та інші процеси. Такі апарати мають відповідні пристрої для перемішування - мішалки.

Як вже було сказано вимушене перемішування відбувається за рахунок підведення механічної енергії. Ця енергія витрачається на подолання сил тертя і сил взаємодії між молекулами й частинками перемішуваних середовищ. Механічна енергія до середовищ, які перемішуються, може підводитися різними способами, тому існує декілька способів перемішування: механічне, пневматичне, циркуляційне та перемішування в потоці за допомогою нерухомих вставок (потокове перемішування). Найважливішими характеристиками перемішувальних пристроїв є їх ефективність та інтенсивність дії, а також витрата енергії на проведення процесу. Ефективність перемішування характеризується ступенем рівномірності розподілу одного (ключового) компонента в суміші, а інтенсивність - часом досягнення заданого технологічного результату.

Механічне перемішування застосовується майже виключно для перемішування краплинних рідин. Воно здійснюється мішалками різних конструкцій, із яких найширше використовуються лопатеві, пропелерні та турбінні. У особливих випадках використовуються спеціальні типи мішалок - якірні, гвинтові, шнекові, рамні, дискові, вібраційні та ін. Вал мішалки може бути встановлений в апараті вертикально, горизонтально або з нахилом. За частотою обертання робочого органу перемішувальні пристрої поділяються на тихо- і швидкохідні.

Лопатеві мішалки (рис. 2.14, а) використовують для перемішування рідин з помірною в'язкістю. Вони мають одну або декілька плоских вертикальних пластин 1, закріплених на вертикальному валу. Такі лопаті надають рідині в основному обертальний рух. Щоб забезпечити переміщення рідини у вертикальному напрямку, установлюють також похилі лопаті під кутом до горизонту від 45° до 60°. Діаметр лопатей d = (0,6- 0,7 )D де D - діаметр корпусу апарата.

Колова швидкість на кінцях лопатей не перевищує 5 м/с. Частота обертання лопатевих мішалок зазвичай 20-30 об/хв. Оскільки на поверхні рідини під час обертання мішалки можуть утворюватися лійки (воронки), що погіршує умови перемішування контактуючих фаз, до стінок корпусу закріплюють вертикальні відбиваючі перегородки 2 шириною b = 0.1 D.

Пропелерні мішалки (рис. 2.14, б) виготовляють з двома або трьома лопатями (пропелерами). Лопаті цих мішалок зігнуто по профілю пропелера, тобто зі зміною кута нахилу по їх довжині (від 0° до 90° на кінці). Завдяки цьому частинки рідини відштовхуються гвинтом у багатьох напрямках, що забезпечує добре перемішування. Діаметр пропелера d = (0,25 - 0,3 )D, частота обертання 150-1000 об/хв. Щоб надати осьового напрямку потоку рідини, створюваному пропелером, його часто розміщують у дифузорі - короткому циліндрі з розтрубом.

Турбінні мішалки (рис. 2.14, в) забезпечують добре перемішування в'язких рідин і суспензій. Робочим органом турбінних мішалок є турбінне колесо діаметром d = (0,25 - 0,3 )D, що обертається на вертикальній осі. Принцип дії аналогічний роботі колеса відцентрового насоса. Рідина входить у колесо по осі крізь центральний отвір і, діставши прискорення від лопатей, викидається з колеса в радіальному напрямку. Іноді обертове колесо встановлюють усередині нерухомого напрямного колеса з лопатями. Цим досягають плавної зміни напрямку потоку рідині та зменшують гідравлічні витрати. Для кращого перемішування на вал мішалки насаджують дві турбінки. Частота обертання турбінних мішалок становить 200-2000 об/хв.

Якірна мішалка (рис. 2.14, г) використовується для перемішування густих і в'язких рідинних середовищ. Лопаті цієї мішалки зігнуті за формою стінки і дна апарата. Обертаючись із частотою 50-60 об/хв на відстані 5-8 мм від стінки така лопать очищує стінки апарата від маси, що на них налипла.

У дискових, рамних (подібних до якірних) і гвинтових (шнекових) мішалках робочим органом є відповідно диск, рамка і гвинт (шнек), які обертаються на осі.

У вібраційних мішалках робочий орган - це перфорований диск, закріплений на валу, що переміщується то вгору, то вниз (рис. 2.15). Напрям та силу струменів потоку рідини забезпечують профільовані отвори у диску. Енергетично ці мішалки дуже економічні, придатні для перемішування рідких сумішей і суспензій.

Мішалки цього типу зручно використовувати в герметичних апаратах, а також як емульгатори і збивалки. Час, потрібний для розчинення, гомогенізації або диспергування, при вібраційному перемішуванні значно скорочується.

Циркуляційне перемішування (рис.2.16) здійснюється багатократним перекачуванням рідини по контуру: апарат 1 - циркуляційний насос 2 - апарат 1. Трубопроводи, по яких рідина нагнітається в апарат, установлюють під деяким кутом до горизонталі та дотично до стінок апарата. Кінці трубопроводів оснащуються спеціальними насадками З, через які рідина розбризкується в об'ємі апарата. Такі устрої використовують замість механічного перемішування для одержання гомо-генних (однорідних) розчинів і неод-норідних систем - суспензій або емульсій. У якості циркуляційного насоса використовують відцентровий або струминний. Циркуляція збільшується в міру збільшення продуктивності насоса. Проте цей спосіб не завжди придатний, тому що рідина, яка проходить по трубопроводах і через насос, поступово охолоджується, що інколи може бути небажаним. Крім цього, для перекачування в'язких рідин потрібні спеціальні насоси

Потокове перемішування. Для перемішування компонентів у потоці використовують різноманітні конструкції змішувачів (рис. 2.17).

У них змішування потоків у корпусі 1 досягається за рахунок багатократного перемішування їх на діафрагмах 2 і розсікачах З (рис. 2.17, а), напівперегородках чи полицях 4 (рис. 2.17, б). Нерухомі устрої, які встановлюються в трубопроводі, сприяють багатократній зміні швидкості і напрямку руху, а також турбулізації потоку, що призводить до перемішування. Доцільність застосування перемішування в трубопроводі зумовлена дешевизною і простотою цього способу. Частіше для перемішування рідин у трубопроводі застосовують інжекторний спосіб.

В інжекторних змішувачах (рис. 2.17, в) одна із рідин (І) з великою швидкістю проходить через сопло, створюючи розрідження в навколишньому просторі. Сюди підсмоктується інша рідина (II), яка інтенсивно перемішується з першою. Ефективність перемішування в таких пристроях можна підвищити, вмонтовуючи гвинтові вставки 5.

Потоковий спосіб перемішування потребує витрат великої кількості енергії потоку рідини, тому він використовується у випадку взаємної розчинності та низької в'язкості рідинних компонентів суміші, тобто при великих швидкостях і порівняно великій довжині трубопроводу.

Пневматичне перемішування рідинних середовищ здійснюють в апаратах, які в якості перемішувальних пристроїв обладнуються газорозподільними перфорованими решітками, пористими плитками або барботерами (рис. 2.18). Газ виходить через отвори барботера у вигляді численних струмин (бульбашок) в різні боки і захоплює за собою частинки рідини. Інтенсивність перемішування збільшується із зростанням тиску газового потоку. Загальна площа отворів барботера не може перевищувати площу перерізу підвідного трубопроводу більше ніж у 1,5 раз. Зазвичай діаметр отворів - 4—6 мм, відстань між отворами - 30-40 мм. На перемішування за допомогою барботерів витрачається значно більше енергії, ніж на механічне перемішування. У ряді випадків барботери використовуються в харчовій промисловості для нагрівання й перемішування сировини водяною парою. У якості та-кого прикладу може бути процес дезодорації жирів і олій, який проводиться на маргаринових підприємствах. Через шар жиру барботує водяна пара, яка інтенсивно перемішує жир і захоплює за собою речовини, які зумовлюють його неприємний запах

Перемішування пластичних мас. Провідне місце в харчовій промисловості за об'ємом виробництва, споживанням і різноманітністю виду займають харчові дисперсні продукти, які включають тверду й рідинну фази, а часто за наявності й газової - пластичні маси. До них відносяться насамперед усі види борошняного тіста хлібопекарного, макаронного і кондитерського, шоколадні та цукеркові маси, м'ясні, овочеві та рибні фарші, сирні маси, густі креми тощо. Якість цих продуктів і напівфабрикатів значною мірою залежить від дисперсності та однорідності їх структури та рівномірності розподілення компонентів, що визначається процесом перемішування. При цьому перемішуванням вирішуються і ряд інших завдань - розминання маси, насичення її повітрям і надавання їй відповідних механічних властивостей. Інколи перемішування супроводжується процесами плавлення, твердіння, кристалізації, тощо, що веде до зміни агрегатного стану продуктів. Для перемішування пластичних мас використовують спеціальні типи змішувачів, які можуть бути розділені на дві основні групи: періодичної та безперервної дії. Вони можуть мати перемішувальні устрої з вертикальною або горизонтальною віссю.

Для періодичного перемішування пастоподібних матеріалів використовуються змішувачі з обертаючими лопатями (рис. 2.19, а). Змішувач являє собою корпус із дном у формі двох напівциліндрів, у якому назустріч один одному обертаються два горизонтальні вали з лопатями. Найбільш розповсюджена Z-подібна форма лопатей. Такі змішувачі часто мають оболонки для підігрівання.

У шнекових лопатевих змішувачах, які використовуються для перемішування високов'язких рідин (рис. 2.19, б), робочими органами є одинарні або парні вали - шнеки з Т-подібними лопатями. Вали обертаються в корпусі з циліндричним днищем з різними частотами, здійснюючи одночасно перемішування і транспортування матеріалів.

Стрічкові змішувачі (рис. 2.19, в) відрізняються лише формою лопатей, виготовлених із плоских стрічок, зігнутих по гвинтовій лінії і закріплених на валу змішувача. Частота обертання вала в лопатевому і стрічковому змішувачах невелика - 10-15 об/хв. Тому процес змішування в апаратах з лопатевими робочими органами досить тривалий. У промисловості використовують також змішувачі, робочі органи яких здійснюють складні просторові рухи. Прикладом такого змішувача є тістомісильна машина ТММ-1М, яка використовується в хлібопекарній промисловості.

Розглянуті схеми змішувачів (рис. 2.19) можуть бути використані і для перемішування сипких матеріалів.

3. Диспергування

Диспергування - це процеси подрібнювання рідких, твердих і газових речовин у рідині, а також подрібнювання рідких і твердих речовин у газі з метою утворення дисперсних систем. Дисперсійне середовище - це рідина або газ, а дисперсна фаза може бути рідиною (при цьому після диспергування одержують емульсію або туман), твердим матеріалом (після диспергування одержують суспензію або пил) чи газом (одержують піни). 42 Серед процесів диспергування виділяють три основних: емульгування, гомогенізацію та розпилення рідин

Емульгування - це процес диспергування з метою одержання емульсій, тобто систем із двох рідин, які не змішуються між собою. Прикладом таких неоднорідних систем є емульсії жирів і води. Жири та олії у воді не розчиняються і з нею не змішуються. Вони можуть утворювати з водою емульсії різних типів. Якщо краплини жиру (дисперсна фаза) розподілені в суцільній масі (дисперсійне середовище), то утворюється емульсія "жир у воді", яка ще має назву емульсії прямого типу. Типовим представником емульсій прямого типу є молоко, в якому дуже подрібнені краплини молочного жиру розподілені в масі води. Якщо подрібнені крапельки води розподілені в суцільній масі жиру, то вони утворюють емульсію "вода в жирі", яка має назву емульсії зворотного типу. За відповідних умов емульсія одного типу може переходити в емульсію іншого типу. Трапляються емульсії змішаного типу, в яких обидві речовини, які входять до емульсії (жир і вода) утворюють суцільну масу. Вони найчастіше утворюються при значній концентрації в воді жиру.

Прикладом емульсій змішаного типу може бути вершкове масло, яке вміщує в середньому 82,5% жирів і до 16% води, а також деякі види маргарину. Слід сказати, що в 1 г вершкового масла знаходиться від 9 до 25 млрд склеєних між собою жирових кульок і від 8 до 16 млрд водяних краплинок.

Емульсії типу "жир у воді" за концентрацією дисперсної фази поділяються на три види:

- розбавлені, в яких вміст жиру становить до 2% і розмір частинок сягає 10-7 м. Такі емульсії стійкі і без введення стабілізаторів;

- концентровані - з вмістом жиру до 74%;

- висококонцентровані з вмістом жиру понад 74%.

На характер емульсії, на деякі її властивості впливають розміри краплинок дисперсної фази. Розміри краплинок характеризують дисперсність емульсії: чим вони менші, тим вища її дисперсність і стійкість. Для одержання і зберігання стійких емульсій необхідно використовувати спеціальні речовини - емульгатори, які, по-перше, знижують поверхневий натяг на межі розділу між жировою краплиною й водою. По-друге, емульгатори створюють на поверхні жирових частинок тонесеньку оболонку, яка надає їм стійкості та перешкоджає розшаруванню емульсій (перешкоджає злиттю крапель емульсії між собою).

У природі й техніці існує велика кількість різних емульгаторів. Найбільш використовувані в харчовій промисловості та ресторанному господарстві емульгатори наведені на рис. 2.20. Ефективність емульгування залежить від температури проведення процесу. Для отримання емульсій на основі рослинної олії найкращі умови створюються за температури жиру 18-20°С. При використанні інших жирів їхня температура повинна бути на 15-20°С вищою за температуру плавлення.

Для проведення емульгування використовують розмішувальні та циркуляційні апарати, а також колоїдні млини, відцентрові, вихрові та ультразвукові емульсори. Диспергування в колоїдному млині здійснюється за рахунок великого градієнта швидкості в проміжку 2 між ротором 3 і нерухомим конічним статором 1. При цьому форма роторів у сучасних колоїдних млинах буває різна: конусна, циліндрична, зубчаста та ін. Величина зазору між ротором і статором регулюється і становить 0,05-0,5 мм. Відомі колоїдні млини, в яких зазор становить 0,025 мм. Частота обертання ротора в колоїдних млинах досягає 250-400 с-1, а продуктивність - 1,7 л/с. Для виготовлення паст і в'язких емульсій використовуються млини з меншою швидкістю і продуктивністю

Схема колоїдного млина з конічним ротором

Продуктивність колоїдного млина можна регулювати, змінюючи величину зазору між статором і ротором або швидкість обертання ротора.

Принцип дії відцентрових емульсорів (рис. 2.22) полягає в тому, що суміш води, жиру, емульгатора надходить до швидкообертового пристрою і під дією відцентрової сили відкидається через вузькі щілини або отвори, внаслідок чого відбувається диспергування. У кільцевому відцентровому емульсорі (рис. 2.22, а) викидання суміші через щілини здійснюється багатократно. Із вхідного патрубка вихідна суміш поступає спочатку на перше кільце 2, яке розташоване на диске З, що обертається. Через отвір у цьому кільці суміш викидається і потрапляє на друге кільце, яке розташоване на диску 3, і т.д. Після викиду емульсії через отвори четвертого кільця, розташованого на диску, вона виходить через патрубок 4 для відведення емульсії. Частота обертання диску в цьому емульсорі дорівнює 10-20 с . У дисковому емульсорі (рис. 2.22, б) диск 1 має частоту обертання до 200 с-1. Сила, що розвивається рідиною, яка емульгується в роторі відцентрового емульсора, може бути визначена за формулою

Гомогенізація використовується для подальшого диспергування емульсій (розмір жирових частинок - 8-10 мкм) з метою отримання продукту, розмір дисперсної фази якого не перевищує 1-2 мкм. Гомогенізації піддають молоко, вершки, суміші для морозива. При цьому жир не відстоюється, змінюються лише деякі фізичні властивості продуктів (наприклад збільшується в'язкість) і поліпшується смак продуктів. Гомогенізація таких продуктів, як плавлені сири і вершкове масло, поліпшує їх консистенцію, стійкість під час зберігання.

Схема гомогенізуючої головки

Процес гомогенізації здійснюють на апаратах, які називаються гомогенізаторами. Найбільше поширення набули клапанні гомогенізатори. Основною частиною гомогенізатора клапанного типу є гомогенізувальна головка, принципова схема якої показана на рис. 2.23. Вона включає патрубок для надходження продукту 1, сідло клапана 2, клапан 3 і пружину 4. Пружина 4 регулює висоту клапанної щілини.

Принцип дії клапанних гомогенізаторів зводиться до того, що молоко (або інша емульсія) під великим тиском (8-60 МПа) протискується через вузьку кругову щілину між сідлом і клапаном (висотою 80-100 мкм), де й відбувається подрібнювання жирових кульок. При вході в клапанну щілину швидкість руху емульсії різко зростає. Якщо швидкість потоку перед щілиною становить декілька метрів за одну секунду, то швидкість у клапанній щілині перевищує сотні метрів за одну секунду. У зоні різкої та великої зміни швидкості жирова частина витягується і від неї внаслідок дії сил поверхневого натягу відриваються малі частинки, величина яких залежить від величини тиску гомогенізації. Високий тиск у гомогенізаторі створюється багатоплунжерним насосом.

Розпилення рідин - це процес диспергування рідин у газове (повітряне) середовище, який використовується при сушінні рідких і в'язких продуктів, для зволоження повітря в розпилювальних камерах, для підтримання процесу горіння рідкого палива в паливних пристроях тощо.

Процес диспергування рідини в газове середовище полягає в подрібненні струменя або його плівки на велику кількість крапель і розподілі цих крапель у просторі. Основними показниками, які характеризують якість розпилювання, є тонкість і однорідність розпилювання, а також далекість струменя.

Залежно від способу підведення енергії на диспергування рідин розрізняють такі способи розпилювання: гідравлічний, механічний, пневматичний, електричний, ультразвуковий, пульсаційний.

Гідравлічне розпилювання відбувається завдяки вільному розпилюванню струменя, який витікає з великою швидкістю з отвору форсунки. Основним енергетичним фактором, який призводить до розпаду рідини на краплі, є тиск нагнітання. Форсунки для гідравлічного диспергування за принципом дії поділяються на струминні, зі співударом струменів, відцентрові.

Струминні форсунки являють собою насадку з циліндричним або будь-якої іншої форми отвором (соплом). Витікаючий із нього під дією перепаду тиску струмінь розпадається на краплі різного розміру. На рис. 2.24 в якості прикладу наведено схеми струминних форсунок з циліндричним (рис. 2.24, а) та кільцевим (рис.2.24 б) соплом.

Схеми гідравлічних форсунок

Форсунки зі співударом струменів працюють за принципом розбивання на краплі декількох струменів, які витікають із відповідних насадок і стикаються між собою. У відцентрових форсунках (рис. 2.24, в) потік рідини перед виходом із сопла набуває обертового руху, що сприяє більш інтенсивному розпаду струменя. Гідравлічне диспергування - простий і економічний за споживанням енергії спосіб диспергування (споживається 2-4 кВт на диспергування 1 т рідини), тому він найбільше поширений у техніці.

При механічному способі розпилення рідина одержує енергію внаслідок тертя об робочий елемент (найчастіше - диск), що швидко обертається (рис. 2.25). Набуваючи обертального руху, рідина під дією відцентрових сил зривається у вигляді плівок і струменів з робочого елемента і подрібнюється на краплини. Для розпилення грубих суспензій - використовують суцільні диски, для тонких суспензій і однорідних рідин - з рівчаками й лопатями. Частота обертання дисків 100-300 с-1. Диски, на відміну від форсунок, можуть розпилювати не тільки в'язкі рідини, а й кашоподібні та пасто-подібні маси. Недоліком механічного способу диспергування є складність у виготовленні та експлуатації робочих елементів та енергоємність (витрата енергії становить близько 15 кВт на диспергування 1 т 

рідини).

Схема тарілчастого диска для розпилювання

Для здійснення пневматичного розпилювання використовують пневматичні форсунки. На рис. 2.26 наведено 47 схему одного із різновидів пневматичної форсунки. Рідину, що диспергується, подають на тарілку 1, куди поступає також стиснене повітря, яке здуває з тарілки рідину й розпилює її. Внаслідок впливу стисненого повітря відбувається досить рівномірне розпилювання продукту. Розмір подрібнених частинок лежить у межах 100-200 мкм. На відцентрових дисках та механічних форсунках подібне диспергування одержати важко.

Схема пневматичної форсунки

Пневматичні форсунки ефективні при розпилюванні високов'язких продуктів у сушильних процесах. Так, вони використовуються при розпилюванні молочно-рослинних сумішей під час виробництва сухих пюре і різного роду паст.

До недоліків пневматичного способу диспергування належать велика витрата енергії (50-60 кВт на 1 т рідини), необхідність у диспергуючому агенті (звичайно стиснене повітря) і обладнанні для його стиснення та подачі.

4. Піноутворення та псевдозрідження

Піноутворення - процес створення дисперсної системи, яка складається із рідини та розподілених у ній бульбашок газу. Аналогічна сутність і процесу збивання. Явище піноутворення часто трапляється в різних технологічних процесах, пов'язаних з багатофазними (дисперсними) системами. Інколи піноутворення корисне, в інших випадках доводиться вживати спеціальні заходи для боротьби з ним. Піноутворення, яке використовується в технологічних процесах, наприклад, при виготовленні різноманітних газонаповнених коктейлів, слід віднести до категорії корисних. А піноутворення, яке має місце при аерації в дріжджовому виробництві, при розливанні деяких видів овочевих і фруктових соків, слід віднести до категорії шкідливих явищ, які ускладнюють проведення основного процесу. Утворення піни при цьому веде до зменшення коефіцієнта заповнення тари, збільшує втрати продукту і може стати причиною виходу з ладу технологічного обладнання.

Процеси піноутворення та збивання використовуються у процесі виробництва багатьох видів кулінарних виробів, виготовлення бісквітного тіста, кремів, суфле, морозива, збитих вершків, коктейлів тощо. Так, бісквітне тісто являє собою неоднорідну систему, яка складається з повітряних бульбашок (дисперсної фази), відокремленних одна від іншої плівками дисперсійного середовища, яке складається з яйцепродуктів, цукру, борошна. До речовин, які використовують у якості стабілізаторів пін, відносяться поверхнево-активні речовини (ПАР).

Одним із способів ціноутворення є барботаж (рис. 2.18). Звичайно при барботажі газ (пара) через отвори в розподілювальних устроях проходить у рідину і диспергується в ній у вигляді бульбашок. Із збільшенням витрати газу кількість бульбашок, які відриваються за одиницю часу, зростає до тих пір, поки не буде досягнута критична витрата газу. При витраті газу більше критичної, бульбашки, які послідовно відриваються від отвору, стикаються одна з одною і піднімаються в рідині у вигляді ланцюга бульбашок; відбувається їх ланцюговий рух. При цьому діаметр бульбашок збільшується із зростанням витрати газу.

Фізико-хімічні властивості піни такі, як густина, в'язкість, визначаються розмірами бульбашок газу. У свою чергу, розмір бульбашок газу залежить від складу й концентрації ПАР. Однією із основних характеристик піни є газонаповнення - частка об'єму газу в газорідинній суміші (піні).

Процес збивання на підприємствах, в кондитерських цехах хлібопекарних підприємств здійснюється в основному в апаратах періодичної дії, які являють собою відкриті бачки 1, всередині яких розміщено мішалки або збивалки 2 (рис. 2.27). Бачок 1 і збивач 2 обертаються в протилежні боки. Внаслідок захоплюється повітря, яке наповнює масу продукту. При перемішуванні повітря диспергується. Прикладом збивання є основний у виробництві морозива процес фризерування. Збивання приводить до зменшення густини продукту.

Встановлено, що для більшості продуктів досить доброго збивання можна досягнути при відношенні початкової його густини до кінцевої в межах 1,5-3. Ступінь піноутворення також збільшується в 1,5-3 рази.

У процесі збивання, який має місце під час вироблення морозива, об'єм суміші також збільшується в 1,3-2 рази до вихідного.

Псевдозрідження. Сутність псевдозрідження полягає в тому, що під час продування повітря або рідини з певною швидкістю через шар зернистого матеріалу, що розташований на решітці, він переходить у завислий стан, набуває властивості текучості та переміщується по решітці. Зовні такий шар нагадує киплячу рідину, тому його ще називають киплячим шаром.

Процеси в псевдозрідженому шарі останніми десятиріччями одержали широке розповсюдження в різних галузях харчової технології. У псевдозрідженому шарі проводяться процеси змішування, теплообміну, сушіння, адсорбції та ін. Особливо інтенсивно впроваджується псевдозрідження в процеси сушіння; у псевдозрідженому шарі висушують зерно, цукор-пісок, дріжджі, желатин та інші зернисті, а також рідинні матеріали.

Апарати для проведення процесів у псевдозрідженому шарі порівняно прості, легко механізуються і автоматизуються.

Проте псевдозрідженому шару властиві й деякі недоліки. Вирівнювання температур і концентрацій в шарі призводить до зменшення рушійної сили процесу. Негативними факторами слід вважати знос найлегших частинок, ерозію апаратури, виникнення значних зарядів статичної електрики, необхідність установлення пилоуловлювальних пристроїв.

Для встановлення гідродинамічної сутності процесу псевдозрідження спочатку розглянемо нерухомий шар зернистого матеріалу. Такий шар характеризується трьома величинами: порізністю шару є, висотою шару h і діаметром частинок d. Порізність зернистого шару - це відношення вільного об'єму між зернами до всього об'єму шару:

є = VП /V = (V-V)/V = 1 – (V/ V )

де VП - вільний об'єм; V - повний об'єм шару; V- сумарний об'єм усіх твердих частинок.

Якщо газ рухається через шар зернистого матеріалу, то, залежно від середньої швидкості його руху, можливі три варіанти взаємодії (рис.2.28): фільтрування, псевдозрідження, транспортування завислих частинок потоком. Рух газу через зернистий шар з малими швидкостями, коли частинки зернистого шару залишаються нерухомими, називається фільтрацією (є ~ 0,4) (рис. 2.28, а)

Зі збільшенням швидкості газу до такого значення, при якому підіймальна сила потоку стає рівною вазі шару частинок, шар набуває текучості та переходить у псевдозріджений стан. Швидкість потоку, що відповідає цьому моменту, називається першою критичною швидкістю, або швидкістю початку псевдозрідження (рис. 2.28, б). При цьому 1 > є > 0,4. У цьому стані шар становить систему, в якій з більшою або з меншою рівномірністю розподілені частинки продукту. Ця система може бути прийнятою за дисперсну. Ось чому псевдозрідження відносять до процесів утворення дисперсних систем. Оскільки на частинки діє сила тяжіння, то вони не залишають шар, і псевдозріджений шар має певну висоту. За більшої швидкості потоку газу підіймальна сила стає більшою за вагу шару, частинки захоплюються потоком і починають переміщатися разом із ним, тобто розпочинається процес транспортування матеріалу (рис. 2.28, в). Транспортування твердих частинок рідинним потоком називається гідротранспортом, а транспортування повітрям - пневмотранспортом. Швидкість, яка відповідає цьому моменту, називається другою критичною швидкістю, або швидкістю винесення. Пневмотранспорт сипучих та пилоподібних матеріалів, що грунтується на здатності матеріалів перемішуватися в потоці повітря в завислому стані, широко використовується на різних підприємствах харчової промисловості завдяки таким перевагам:

- можливості переміщення матеріалів у різних напрямках по складних трасах на великі відстані (до 1800 м) з найбільшою висотою підйому до 100 м;

- виключенню витрат і виділенню пилу внаслідок герметизації системи, що підвищує санітарно-технічний рівень підприємства;

- можливості повної автоматизації процесу транспортування.

У якості повітродувних машин у пневмотранспортних установках використовуються лопатеві, ротаційні та поршневі машини.

На рис. 2.29 зображено схему нагнітальної установки середнього тиску для пневмотранспорту борошна. Повітродувна машина 1 роз-міщується на початку системи і нагнітає повітря через ресивер у продуктопровід 3, в який подається матеріал з приймального бункера 2 живильником (шлюзовим затвором) 4. Суміш матеріалу з повітрям поступає в ци-клон - розвантажувальник 5, де відбувається розділення псевдозрідженого шару на матеріал та газ. Матеріал із циклона переходить у витратну ємність 6, а повітря - в атмосферу.

Питання для самоперевірки

1. Для чого створюють дисперсні системи?

2. Які системи називають неоднорідними? Зовнішня, внутрішня фази.

3. Класифікація неоднорідних систем.

4. Суспензії, їх класифікація, методи їх розділення.

5. З яких фаз складається кожна неоднорідна система та як класифікуються неоднорідні системи за агрегатним станом і розміром частинок?

6. Методи розділення неоднорідних систем. Суть цих методів.

7. Мета застосування перемішування.

8. Загальні закономірності перемішування.

9. Які типи та конструкції мішалок застосовують для перемішування в рідинному середовищі?

10. Які існують способи перемішування рідин?

11. Як відбувається вимушене перемішування?

12. Суть і класифікація процесів перемішування.

13. Способи перемішування рідкого середовища.

14. Які типи механічних мішалок ви знаєте? Основа їх роботи та будова.

15. Які існують мішалки для перемішування сипучих та в'язких матеріалів? Поточне перемішування рідин.

16. Поясніть суть і призначення механічного перемішування.

17. Для перемішування яких рідин використовують лопатеві мішалки?

18. Для перемішування яких рідин використовують якірні мішалки?

19. Для перемішування яких рідин використовують вібраційні мішалки?

20. Поясніть суть і призначення циркуляційного перемішування.

21. Поясніть суть і призначення пневматичного перемішування.

22. Як здійснюється перемішування пластичних мас?

23. Поясніть суть і значення основних процесів диспергування рідин. Назвіть емульсії, які використовуються в ресторанному господарстві.

24. Які способи та апарати для емульгування ви знаєте?

25. Суть класифікації емульгаторів.

26. Як здійснюється диспергування в колоїдному млині?

27. Принцип дії відцентрових емульсорів.

28. Призначення процесу розпилювання рідини.

29. Способи розпилювання рідин.

30. Форсунки, які використовують для гідравлічного диспергування?

31. Механічний спосіб розпилювання рідини.

32. Як здійснюється пневматичне розпилювання?

33. Які типи пневматичних форсунок ви знаєте?

34. Що становить суть ціноутворення? Якими показниками характеризуються піни?

35. Напрями використання псевдозрідженого шару в харчовій промисловості.

36. Переваги використання пневмотранспорту сипучих та пилоподібних матеріалів.

37. Призначення пневмоустановок та їх типи.

Використана література.

4. Процеси і апарати харчових виробництв / За редакцією А.М.Поперечного.- К.:Центр учбової літератури, 2007, - 301 с.

5. Стабников В.Н., Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств.-М.:Пищ.пром-сть, 1984, -349 с.

6. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. –М.: Агропромиздат, 1999, - 430 с.