Разработка и исследование центробежного смесителя-диспергатора периодического действия для получения дисперсных комбинированных продуктов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат технических наук Чечко, Сергей Геннадьевич

• Чечко, Сергей Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чечко, Сергей Геннадьевич

Введение

ГЛАВА 1. НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ И ДИСПЕРГИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Общие закономерности процесса смешивания сыпучих дисперсных материалов

1.2. Классификация и конструктивное развитие смесительного оборудования

1.3. Общая характеристика процессов диспергирования сыпучих материалов

1.4. Обзор конструкций смесителей с эффектом диспергирования

1.5. Современные методы моделирования процессов смесеприготовления дисперсных материалов

1.6. Пути интенсификации процессов смесеприготовления дисперсных материалов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование центробежного смесителя-диспергатора периодического действия для получения дисперсных комбинированных продуктов»

Общая характеристика работы

Концепция создания нового технологического оборудования для пищевых и перерабатывающих отраслей АПК Минсельхоза России предусматривает создание нового оборудования, разработку ресурсосберегающих технологических процессов и машин, обеспечивающих комплексную безотходную переработку пищевого сырья и готовой продукции. В рамках программы обеспечения населения доступными и качественными комбинированными продуктами питания необходимо решить задачу, возникающую при расширении масштабов переработки твердых дисперсных материалов в пищевой и других отраслей промышленности, заключающуюся в приготовлении однородных по составу композиций. Внедрение высокоэффективных процессов в технологию новых продуктов питания требует создания и совершенствования смесительной аппаратуры.

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

Так, при производстве кондитерских изделий, в основе технологии мучных композитных смесей, лежит стадия получения многокомпонентного состава, включающего помимо основных рецептурных компонентов минеральные вещества, витамины, пищевые волокна, а также продукты вторичной переработки [72, 88].

В НИИ хлебопекарной промышленности предложены технологии производства новых видов хлебобулочных изделий повышенной биологической и пищевой ценности [73], разработаны рецептуры композитных смесей с подсластителями, пшеничными зародышевыми хлопьями, соевой мукой, сухим соевым молоком, витаминно-минеральными добавками.

ВНИИМП (академик Лисицын А.Б.) предлагает кормовые белково-минеральные добавки с комплексным использованием «вторичных» продуктов пищевых отраслей. Здесь разработаны технологии сухих многокомпонентных смесей с их использованием [83].

В МГУПБе (академик Рогов И.А.) созданы методы и технологии получения безопасных продуктов питания [63].

Неблагоприятная экологическая обстановка, сложившаяся в Кузбассе, осложняется несбалансированностью рациона питания и отсутствием в нем нужного количества витаминов, микро- и макроэлементов [50]. Это вызывает необходимость обогащения продуктов питания биологически ценными компонентами. С учетом низкой платежеспособности населения производство продуктов, обогащенных витаминами, БАД и минеральными добавками, помогает решить задачу по обеспечению доступного для большинства населения уровня соотношения цена / качество.

Аналогичную проблему приходится решать в других отраслях промышленности (химическая, электротехническая, строительная, авиакосмическая), например, при производстве новых композиционных материалов, различных шихт для получения стекла и искусственных алмазов, электронных и электротехнических изделий [16] и т.п.

Поэтому рассматриваемая проблема является межотраслевой.

Практически во всех отраслях пищевой технологии находят применение разнообразные дисперсные системы [101]. Рассмотрению свойств дисперсных систем и закономерностей их образования посвящены многие специальные монографии и фундаментальные труды ученых: Ребиндера П.А., Урьева Н.Б., Генералова М.Б., Дерягина Б.В., Зимона А.Д., Лыкова А.В., Талейсника М.А., Харитонова В.Д., Липатова Н.Н., Горбатова А.В., Рогова И.А., Попов A.M. и других [11, 23, 34, 31, 43, 48, 58, 64, 84,101 ].

Российскими и зарубежными учеными (Баранов Д.А., Борщев В.Я., Долгунин В.Н., Зайцев А.И., Иванец В.Н., Иванец Г.Е., Макаров Ю.И., Селиванов Ю.Т., Харитонов В.Д., ЧувпилоА.В., Штербечек 3., Шубин И.Н., Gibilaro L.G., Bourne I.R., Engels К. Aohema и др.) опубликованы ряд исследований в области разработки теории и практики процессов смесеприготов-ления [23, 24, 30, 37, 43, 47, 51, 112,117, 121, 123]. Однако, несмотря на возрастающую роль процессов смешивания в пищевой и смежных технологиях, исследованиям смесительных агрегатов центробежного типа посвящено сравнительно небольшое количество работ.

При переработке твердых дисперсных материалов с большим соотношением смешиваемых компонентов применяют один из перспективных методов интенсификации процесса — совмещение операций смешивания и диспергирования [24, 37]. Основное преимущество такого метода заключается в том, что протекание механических, гидромеханических и массотеплообмен-ных процессов происходит с большой поверхностью контакта фаз. Перспективным оборудованием для реализации совмещенных процессов являются смесители центробежного типа. В данных аппаратах можно перерабатывать большие объемы материалов при низких энергетических затратах; при этом организация направленного движения потоков материалов в объеме аппарата и перевод компонентов в разреженное состояние сравнительно просто оформляется конструктивно.

Сложность аналитического описания процессов смешения сыпучих материалов объясняется недостаточно выясненным механизмом смесеобразования. Процесс смешивания носит стохастический характер, как в силу его вероятностных свойств, так и самих дисперсных сыпучих материалов. В работах российских и зарубежных ученых (Александровский А.А., Ахмадиев Ф.Г., Бытев Д.О., Веригин А.Н., Джинджихадзе С.Р., Дорохов И.И., Зайцев А.И., Иванец В.Н., Иванец Г.Е., Кафаров В.В., Макаров Ю.И., Мизонов В.Е., Промтов М.А., Селиванов Ю.Т., Федосенков Б.А., Campbell C.S., Dankwerts P.V., Geynis J., Gibilaro R.G. и др.) исследуются проблемы теоретического описания процессов смешивания и его моделирования [8, 13, 27, 34, 44, 47, 51, 57, 67, 85, 93, 103, 111, 113, 116, 117, 119], однако использованию стохастических методов и подходов к данному процессу посвящено сравнительно небольшое количество публикаций. Это, в свою очередь, затрудняет выбор наиболее оптимального аппаратурного оформления и режимов работы смесительного оборудования.

Поэтому научное обоснование и разработка конструкции малогабаритного центробежного смесителя-диспергатора периодического действия для переработки дисперсных материалов (при соотношении смешиваемых компонентов до 1:400), создание теории и методики их расчета является актуальной научной задачей, представляющей большой практический интерес для пищевой и ряда других отраслей народного хозяйства.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с грантом Министерства образования РФ Т02-06.7-1238 «Научно-практические основы разработки непрерывнодействующих смесителей центробежного типа с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов»; грантом губернатора Кемеровской области «Разработка научно-практических аспектов создания дозировочно-смесительного оборудования для производства комбинированных кормов и продуктов питания» (2007 г., грантодержатель — Бакин И.А.); хоздоговорной НИР «Теоретические и практические аспекты процессов смешивания в производстве сухих строительных смесей» с ООО «РСТ», г. Кемерово (2007 - 2009 г.).

Цель работы. Разработка новой конструкции и методики расчета центробежного смесителя-диспергатора периодического действия для получения сухих комбинированных смесей (соотношение компонентов до 1:400) на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов смешивания и диспергирования; повышение интенсивности процесса, снижение удельных энергозатрат и повышение качества конечного продукта за счет организации направленного движения материальных потоков в рабочем объеме аппарата.

Научная новизна. На основе теории стохастических процессов разработана математическая модель, описывающая процессы в аппарате центробежного типа периодического действия с направленной организацией движения материальных потоков, позволяющая проанализировать эффективность смесеобразования в зависимости от структуры потоков в рабочем объеме.

Выявлено и обосновано эффективное влияние конструктивных параметров аппарата на процессы диспергирования возвратных отходов кондитерского производства (крошка печенья).

Исследовано влияние параметров работы центробежного смесителя-диспергатора на кинетику процесса смесеобразования дисперсных материалов.

Получены новые экспериментальные данные о закономерностях процессов смешивания и диспергирования дисперсных материалов.

Практическая ценность и реализация результатов. Разработан и изготовлен центробежный аппарат, позволяющий интенсифицировать процессы смешивания и диспергирования сухих комбинированных продуктов. Получен патент на изобретение № 2311951 «Центробежный смеситель — диспергатор». Использование аппарата в промышленности позволяет существенно снизить метало — и энергоемкость, время процесса за счет совмещения стадий измельчения компонентов и смешивания в одном аппарате.

Результаты проведенных исследований положены в основу разработанной компьютеризированной методики расчета смесителей-диспергаторов центробежного типа с конусным ротором.

Разработана аппаратурно - процессовая схема для малотоннажного производства мучных композитных смесей для кондитерских изделий — печенье сахарное «Земляничное». Технология внедрена в рамках предприятия ООО "КДВ Яшкино", п.г.т. Яшкино, Кемеровской области.

По результатам проведенных исследований разработана и утверждена техническая документация — ТИ 9131-002-00356151-2009 Технологическая инструкция по производству печенья сахарного «Земляничное» по ГОСТ 24901-89.

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

Автор защищает. Стохастическую модель процесса смесеобразования в центробежном смесителе-диспергаторе периодического действия; результаты экспериментальных исследований влияния значимых параметров на процессы, протекающие в нем; новую конструкцию центробежного смесителя-диспергатора периодического действия и методику его расчета.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (2005 -2008 г.г.); Всероссийской научно-практической конференции «Образование для новой России (опыт, проблемы, перспективы)», Юрга, 2005; V региональной конференции «Пищевые продукты и здоровое питание», Кемерово, 2005; Всероссийской конференции молодых ученых «Пищевые технологии», Казань, 2005 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ (в том числе две статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК).

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Чечко, Сергей Геннадьевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обоснована и разработана конструкция центробежного смесителя-диспергатора для получения сухих комбинированных смесей с соотношением компонентов до 1:400, реализующая метод интенсификации смесеобразования за счет совмещения процессов смешивания и диспергирования и организации направленного движения материальных потоков в рабочем объеме аппарата.

2. На основе теории стохастических процессов получено математическое описание процесса смесеобразования в центробежном смесителе-диспергаторе периодического действия, позволяющее прогнозировать его основные характеристики с учетом структуры движения материальных потоков.

3. С помощью модели структуры потоков определены оптимальные значения коэффициентов циркуляции материала в различных зонах аппарата: р34=0,4, р13 =0,1, р21=0,2. Проанализировано изменение модельных значений коэффициента неоднородности смеси Vc в различных зонах аппарата периодического действия в зависимости от структуры движения потоков и основных параметров его работы.

4. Экспериментальным путем выявлено влияние основных параметров работы центробежного аппарата на стадиях диспергирования и смешивания сыпучих материалов. Определены рациональные конструктивные и режимные параметры процессов в технологии получения мучных композитных смесей.

5. Обосновано и выявлено эффективное влияние конструктивных параметров аппарата на процессы диспергирования возвратных продуктов кондитерского производства (крошки печенья). Установлено, что с увеличением продолжительности процесса до 60 с, наблюдается рост количества средних и мелких фракций (1,6 - 0,1 мм); частоту вращения ротора рекомендуется принимать не менее 24,5 с"1, коэффициент загрузки аппарата - 0,3.

6. Исследовано влияние режимных и конструктивных параметров аппарата, а также свойств смешиваемых материалов на качество смеси. За счет создания опережающего движения материалопотоков в аппарате (выполнение окон на поверхности ротора и направляющих) значение коэффициента неоднородности уменьшается на 37 и 69 % соответственно, а сочетание движения рециркулирующих и опережающих материалопотоков позволяет повысить качество смешивания на 74%, по сравнению с базовой конструкцией.

7. Разработаны методика расчета центробежных смесителей-диспергаторов периодического действия с конусным ротором и аппаратурно - процес-совая схема для малотоннажного производства мучных композитных смесей для кондитерских изделий — печенье сахарное «Земляничное». Технология внедрена в рамках предприятия ООС'КДВ Яшкино", п.г.т. Яшкино, Кемеровской области. Годовой экономический эффект составил 34 455 руб. в ценах 2009 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чечко, Сергей Геннадьевич, 2009 год

1. А.с. 1061030 СССР, Устройство для измерения концентрации ферромагнитных веществ. / В.Н. Иванец, А.С. Курочкин и др. (СССР) — Опубл. в Б.И., 1983, №43

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

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

4. А.с. № 1345413 СССР, МКИ В01 F7/26 Смеситель сыпучих материалов. /А.С. Курочкин, В.Н. Иванец и др. (СССР) Опубл. в Б.И., 1987, №5.

5. А.с. № 1400512 СССР, МКИ В01 F7/26 Центробежный смеситель./В.Н. Иванец и др. (СССР)-Опубл. в Б.И.1988, №8.

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

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

8. Андреев С.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых / С.Е. Андреев, В А. Перов, В.В. Зверевич. 3 изд., М. - 1980. - 164 с.

9. Антипов С.Т., Кретов И.Т. Остриков А.Н. Машины и аппараты пищевых производств: В 2 кн.: Кн. 2: Учебник для вузов (под ред. Панфилова В.А.), М.: Высшая школа, 2001. 680 с.

10. Арутюнов, С.Ю. Системный анализ процессов измельчения и смешивания сыпучих материалов / С.Ю. Арутюнов, И.И. Дорохов // В сб. тез. докл. 1-ой Всесоюз. конф. "КХТП-Г. М., 1984. - С.47.

11. Ауэрман Л.Я. Технология хлебопекарного производства. — СПб.: Профессия, 2003.-416 с.

12. Ахмадиев, Ф.Г. Моделирование и реализация способов приготовления смесей / Ф.Г. Ахмадиев, А.А. Александровский // Журн. Всесоюз. хим. общества, им. Д.И. Менделеева. 1988. - т.ЗЗ, №4. - С.448.

13. Бабуха Г.Л. Механика и теплообмен потоков полидисперсной газовзвеси / Г.Л. Бабуха, М.И. Рабинович. Киев, Наукова думка, 1969.- 217 с.

14. Багринцев И.И. Смесительное оборудование для сыпучих и пастообразных материалов / И.И. Багринцев, Л.М.Лебедева, В.Я.Филин; Обзор, информ. -М., 1986. 35 с. - ЦИНТИ Химнефтемаш.

15. Бакин И.А. Анализ работы смесителя диспергатора на основе статистического моделирования процесса периодического смешивания / И.А. Бакин // Химическая промышленность сегодня. - 2007. - № 2. - С. 50-55.

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

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

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

19. Бакин И.А. Разработка смесительного агрегата для переработки сыпучих материалов с небольшими добавками жидкости: дис. канд. техн. наук: 05.18.04, 05.18.12/Бакин Игорь Алексеевич. Кемерово, 1998. - 214 с.

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

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

22. Баранцева Е.А. Исследование процессов непрерывного смешения сыпучих материалов и разработка метода их расчета на основе теории цепей Маркова: дис. канд. техн. наук: 05.17.08 / Баранцева Елена Александровна.- Иваново, 2003. 108 с.

23. Баранцева Е.А. Процессы смешивания сыпучих материалов: моделирование, оптимизация, расчет / Е.А. Баранцева, В.Е. Мизонов, Ю.В. Хохлова. Иваново, 2008. - 116 с.

24. Барский М.Д. Фракционирование порошков / М.Д.Барский. М.: Недра, 1980.-327 с.

25. Баруча-Рид А. Т. Элементы теории марковских процессов и их приложения / А.Т. Баруча-Рид. -М.: Наука. -1969. -511 с.

26. Блехман И.И. Что может вибрация? / И.И. Блехман. М.: Наука, 1988. - 208 с.

27. Борщев В.Я. Оборудование для переработки сыпучих материалов: учебное пособие/В.Я. Борщев, Ю.И. Гусев. М.: Машиностроение-1,2006. - 208 с.

28. Булинский А.В. Теория случайных процессов / А.В. Булинский, А.Н. Ширяев. М.: Физматлит, 2005. - 408с.

29. Вентцель Е.С. Теория вероятностей и ее инженерные приложения / Е.С. Вентцель, JI.A. Овчаров. М.: Высшая школа, 2000. - 480с.

30. Вентцель Е.С. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения / Е.С. Вентцель, JI.A. Овчаров. М.: Высшая школа, 2007. - 479 с.

31. Веригин А.Н. Техника смешивания дисперсных материалов / А.И. Веригин, В.Г. Джангирян, И.А. Щупляк, Ш. Рудольф // Химическая промышленность. 2004. - т. 81, №2, - С. 93-98.

32. Виниченко М.М. Разработка и исследование центробежного смесителя непрерывного действия для получения дисперсных продуктов: дис. канд. техн. наук: 05.18.12 /Виниченко Михаил Михайлович. Кемерово, 2003. - 169с.

33. Генералов М.Б. Механика твердых дисперсных сред в процессах химической технологии: учеб. пособие / М.Б. Генералов. Калуга: Изд-во Н. Боч-каревой, 2002. - 592 с.

34. Городецкий А.Я. Информационные системы. Вероятностные модели и статистические решения: учеб. пособие / А .Я. Городецкий. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. - 326 с.

35. ГОСТ 24901-89. Печенье. Общие технические условия. — М.: ИПК Издательство стандартов 1989. - 13с.

36. ГОСТ Р 52349-2005. Продукты пищевые. Продукты пищевые функциональные. Термины и определения. — Введ. 2006-07-01 — М.: Стандартинформ — 2005.-4с.

37. Грачев Ю.П. Математические методы планирования экспериментов / Ю.П. Грачев, Ю.М. Плаксин М.: ДеЛи принт, 2005. - 296 с.

38. Гусев Ю.И. Конструирование и расчет машин химических производств / Ю. И. Гусев, И. Н. Карасев, Э.Э. Кольман-Иванов. М.: Машиностроение, 1985. -408с.

39. Долгунин В.Н. Оборудование для механической переработки в пищевых производствах / В.Н. Долгунин, В.Я. Борщев. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2005. - 80 с.

40. Жуков А.Н. Разработка непрерывнодействующего смесительного агрегата и исследование процесса приготовления сухих смесей при высоких соотношениях смешиваемых компонентов: Дис. канд. техн. наук: 05.18.12 / Жуков А.Н.- Кемерово, 2004. 232 с.

41. Жуков Н.П. Определение гранулометрического состава твердых топлив ситовым методом: лабораторная работа / Н.П. Жуков и др.- Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та. 2007. - 12 с.47.48,49,5051,52,53,54