Лекция 2 - Процессы и аппараты пищевых производств

# Процессы и аппараты пищевых производств

5B007280 - Технология перерабатывающих производств __ст.преводаватель__ Саидов А.М.

## Лекция 2

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Цель: сформировать представление о механических процессах

План

1 Измельчение

2 Сортирование

3 Прессование

1 Измельчение

Процессы, связанные с механическим воздействием на материалы, приводящие к изменению их формы без изменения физикохимических характеристик, называются механическими процессами.

К механическим процессам относят измельчение, сортирование, прессование.

Измельчение — процесс разрушения кусков твердого материала до требуемой крупности.

Процесс измельчения широко применяется для увеличения поверхности твердых материалов в целях удобства дальнейшей обработки и хранения материала, получения однородной массы из тел с неоднородным распределением по объему свойств материала, интенсификации последующих тепло- и массообменных процессов и отделения друг от друга частей с различными свойствами.

Измельчение широко используют в мукомольном, хлебопекарном, кондитерском, пивоваренном и других производствах.

При уменьшении размера кусков материала измельчение подразделяется на процессы:

- без придания формы — дробление;

- с приданием формы — резание и измельчение в терках.

Теоретические основы измельчения. Эффективность измельчения оценивается многими характеристиками: степенью измельчения, удельным расходом энергии и удельной нагрузкой на рабочий орган измельчающей машины и др.

Степень измельчения /' выражается как отношение среднего размера куска материала до измельчения dH к среднему размеру куска после измельчения dK:

В зависимости от степени измельчения кусков различают классы измельчения (табл. 2.1).

Для характеристики измельченного материала используют так называемый предел крупности: верхний (+d\), нижний (—d2). Это означает: не меньше dx и не крупнее d2.

Зависимость класса измельчения от размера кусков

Класс измельчения | Размер куска, мм
до измельчения dH | после измельчения dK
Дробление: |  |
крупное | 1 500... 200 | 250...25
среднее | 200... 25 | 25...5
мелкое | 25 ...5 | 5... 1
Помол: |  |
тонкий | 5... 1 | 1... 0,075
коллоидный | 0,2...0,1 | До 1... 10

Степень измельчения зависит от прочности материала (чем прочнее материал, тем меньше должно быть /), его твердости и хрупкости.

Прочность при сжатии и изломе оценивается для разных категорий материалов по напряжению, 10 s Па: материалы с низкой механической прочностью — менее 100; особо мягкие — 100...500; мягкие — 500... 1 000; средней прочности — 1 000 ... 1 500; прочные — 1 500... 1 800; особо прочные — более 1 800.

Твердость материалов влияет не только на степень измельчения, но и на износ измельчающих машин. Твердость оценивается по 10- балльной минералогической шкале твердости Мооса. Начало шкалы соответствует тальку (1 балл), конец шкалы — алмазу (10 баллов).

Хрупкость материалов оценивается по способности разрушаться при механическом воздействии без явной пластической деформации. Хрупкость некоторых материалов зависит от температуры. Измельчаемые материалы обычно обладают значительной неоднородностью. Чем мельче размер куска, тем больше его прочность. При измельчении единичных кусков расходуется энергии примерно в 20 раз меньше, чем при коллективном измельчении материала с различной крупностью.

Способы измельчения выбирают в зависимости от размеров и физико-механических свойств измельчаемых материалов, а также от вида применяемых усилий (рис. 2.1).

Теории измельчения. Для разрушения материала внешние силы должны преодолевать силы взаимного сцепления частиц материала. Данный процесс связан с затратой большого количества энергии, определение величины которой основывается на следующих теориях измельчения: поверхностной теории Риттингера и объемной теории В.Л.Кирпичева.

Теория Риттингера. При измельчении работа расходуется на преодоление сил молекулярного притяжения по поверхности разрушения материала.

Работа, необходимая для измельчения, пропорциональна величине вновь образующейся поверхности измельчаемого материала:

AAF=KtAF, (2.2)

где Aaf — работа, затраченная на образование новой поверхности, Дж; Кх — коэффициент пропорциональности, равный работе, затраченной на образование единицы новой поверхности; AF — величина вновь образовавшейся поверхности, м2.

Теория В.Л.Кирпичева. При измельчении работа расходуется на деформацию материала до достижения предельной разрушающей деформации.

Работа, необходимая для измельчения, пропорциональна уменьшению объема кусков материала перед их разрушением:

Aav=K2 AV, (2.3)

где АйУ — работа, затраченная на деформацию объема разрушаемого куска, Дж; К2 — коэффициент пропорциональности, равный работе деформирования единицы объема тела; AV — изменение объема разрушаемого материала, м3.

2 Сортирование

Во многих производствах пищевой отрасли используемое основное и вспомогательное сырье, а также готовый продукт подвергаются сортированию и очистке по различным параметрам, например зерно в мукомольном, спиртовом, пивоваренном производствах, мука — в хлебопекарном и макаронном, сахар — в сахарном и др.

Процесс разделения сыпучей смеси на фракции, отличающиеся по форме и размеру частиц, скорости осаждения их в жидкой и газовой среде и магнитным свойствам, называется сортированием или классификацией.

Основными целями сортирования являются:

- получение фракции определенной крупности или плотности;

- выделение из материала загрязнений и металлических примесей.

Процесс разделения частиц зависит:

- от механического движения по ситам — механическая классификация (просеивание);

- скорости осаждения частиц в жидкой среде —- гидравлическая классификация;

- скорости осаждения в газовой среде — пневматическая (воздушная) сепарация;

- электромагнитных свойств примесей — магнитная сепарация.

Механическое сортирование. Наиболее распространенным видом сортирования является механическое сортирование — просеивание. Просеивание, называемое иногда грохочение, заключается в том, что сыпучий материал разделяется на фракции просеиванием его через сита (грохоты) с определенным размером отверстий d. Частицы, размеры которых меньше d, проходят через отверстие (фракция -d называется проходом), а более крупные остаются на сите (фракция +d называется сходом).

Основной частью всех устройств, просеивающих сыпучие материалы, являются сита.

Сита изготовляются из плетеных или тканных сеток или штампованных решеток.

Сита, изготовленные штамповкой из металлических листов толщиной 8 = 2... 12 мм, называют решетами. Круглые или продолговатые отверстия размером 5... 10 мм (во избежание забивки) штампуют расширяющимися к низу.

Виды сортирования. Кроме просеивания в пищевой промышленности используют и другие виды сортирования: пневматическое, гидравлическое и магнитную сепарацию.

Пневматическое сортирование. Процесс разделения сыпучих смесей в воздушной среде называется пневматическим сортированием, или воздушной сепарацией.

Воздушная сепарация применяется при сортировании зерна и других крупяных сыпучих смесей. На проведение данного процесса влияет неодинаковая плотность и крупность разделяемых частиц. Движущими силами являются сила тяжести G и подъемная сила Р потока. При этом скорость потока выбирают такой, чтобы с транспортирующим потоком уносились частицы с размерами и плотностью меньше, чем у определенных, а в аппарате оседали частицы больших размеров и обладающие большей скоростью осаждения.

Гидравлическое сортирование. Процесс разделения смесей твердых частиц в жидкой среде осуществляется с учетом разной скорости осаждения частиц в горизонтальном или восходящем потоке воды. Скорость потока выбирается такой, чтобы на свободную поверхность жидкости выносились частицы меньше определенного размера, а осаждались частицы больших размеров.

Гидравлическое сортирование широко применяется в спиртовом, свеклосахарном и крахмалопаточном производствах для выделения песка, камней и других примесей из картофеля, свеклы и кукурузных зерен, поступающих в производство, а в консервном производстве — для сортирования зеленого горошка и зерен кукурузы, которые в зависимости от степени зрелости имеют различную плотность.

Магнитная сепарация. В сыпучих материалах, используемых на пищевых предприятиях, могут содержаться металлические примеси. Попадая в аппарат, они вызывают их преждевременный износ. Для удаления этих примесей применяют магнитные сепараторы.

Они различны по конструкциям и делятся на две группы: с постоянными магнитами и электромагнитами.

3 Обработка материалов давлением (прессование)

Прессованием называют процессы обработки материалов воздействием внешнего давления, создаваемого в прессах. При этом по целям прессования различают:

- отжатие жидкой фазы из твердых материалов;

- формование пластических материалов;

- уплотнение сыпучих материалов.

Отжатие жидкости из твердого материала. Отжатие жидкости из твердого материала применяют в двух случаях:

когда жидкость представляет большую ценность, чем остаток (виноградный сок, растительное масло);

когда жидкость, оставаясь в твердом остатке, уменьшает его ценность (жидкость в жоме).

Использование данного вида прессования в пищевых производствах достаточно велико, например в виноделии для отжатия сока из винограда, в ликерно-водочной промышленности для отжатия сока из ягод и плодов. С помощью давления отжимают растительное масло из семян, сок из сахарного тростника, воду из свекловичного жома (отхода сахарного производства), отделяют жир от шквары.

Элементы теории процесса отжатия жидкости из твердого материала давлением. В пищевых производствах твердый материал, подвергающийся прессованию, в основном имеет сложную клеточную структуру (семена, плоды, ягоды, стебли растений, животные ткани).

Чтобы уменьшить сопротивление этих структур выделению из них жидкой фазы, перед отжатием их подвергают механической, гидротермической, тепловой, ферментативной и электрической обработке. Механическая обработка заключается в дроблении клеточной ткани в целях разрушения клеточных оболочек, препятствующих выходу жидкости из клеток. При гидротермической, тепловой и электрической обработках происходят более сложные процессы.

Основной величиной, характеризующей процесс отжима жидкости из твердого материала, является выход жидкости, который зависит от следующих факторов:

давления, под которым происходит отжатие; качества поступающего на отжатие материала, т.е. характер клеточной структуры и степень ее разрушения при предварительной обработке;

содержания жидкой фазы в подвергаемой отжатию сложной структуре;

продолжительности процесса прессования и последовательности изменения давления;

термических условий, при которых происходит отжатие; толщины слоя отжимаемого материала.

Уплотнение сыпучего материала

Уплотнение сыпучего материала производят для брикетирования, гранулирования, дражирования, таблетирования. В пищевой промышленности эти процессы применяются для получения пищевых продуктов с увеличенным размером частиц, т.е. для соединения небольших частиц в более крупные массы.

Сбор таких частиц составляет гранулированную сыпучую массу, которая используется в качестве полуфабриката, готового продукта производства, вспомогательного компонента для осуществления или интенсификации процессов и обладает следующими преимуществами:

при хранении не пылит, занимает меньший объем и не налипает на поверхность рабочих органов технологических аппаратов;

при транспортировании и фасовании не пылит, что резко сокращает потери на всех этапах движения материала и улучшает санитарные условия труда, особенно в случае использования ядовитых веществ;

облегчает и повышает точность дозирования вещества в механизированных и автоматизированных поточных линиях разных производств.

Процессы гранулирования находят широкое применение в пищевой промышленности, в производстве комбикормов, в сельском хозяйстве; весьма эффективны при решении важного вопроса утилизации отходов — возвращения их в производство как полноценного сырья.

Уплотнением производятся следующие разновидности гранулированной продукции: брикеты (размер в поперечнике 100... 200 мм); окатыши (20...40 мм), собственно гранулы (1...20 мм); таблетки (масса 0,5...8 г, 12...50 мм).

Исходными материалами для брикетирования являются: сахарный песок, жом свеклосахарного производства, пищевые кон-

центраты, комбинированный корм, отходы пищевых и многих друщх производств.

В качестве компонентов для брикетирования сыпучих материалов используют декстрозу, желатин, глюкозу, сахарозу, лактозу, крахмал, пищевые камеди.

Брикетирование. Этот вид уплотнения сыпучего материала нашел особенно широкое применение в сахарорафинадном производстве. Прессованию подвергается влажная рафинадная кашка, состоящая из отдельных кристаллов и их сростков. Грани кристаллов покрыты тонкой пленкой сахарного раствора.

Гранулирование пылеобразных веществ, растворов и суспензий в дисперсных потоках. Гранулирование из растворов, суспензий и пульп наиболее эффективно в дисперсных потоках, характеризующихся большой поверхностью взаимодействующих фаз, а также в случаях, когда скорость процесса пропорциональна величине фазового контакта.

Контрольные вопросы

1 Какие процессы относят к механическим?

2 Каковы цели сортирования?

3 Способы обработки материала давлением?

4 Виды сортирования?

Пилипенко, "Процессы и аппараты" стр. 35-49