Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

импульсное диспергирование многокомпонентных пищевых систем и его аппаратурная реализация

Специальность: 05.18.12 Процессы и аппараты пищевых производств

орешина марина николаевна

Москва 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный университет прикладной биотехнологии» в НИИ пищевого белка и экологии

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: доктор технических наук, профессор Геннадий Вячеславович Семенов

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор Юрий Михайлович Плаксин

доктор технических наук, профессор Александр Александрович Буйнов

доктор технических наук, профессор Сергей Тихонович Антипов

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии)

Защита состоится «___» ___________ 2010 г. в ____ часов на заседании Диссертационного совета Д 212.149.05 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет прикладной биотехнологии» по адресу: 109316, Москва, ул. Талалихина, д.33, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета прикладной биотехнологии

Автореферат разослан «___» _____________2010 г. и размещен веб-сайте МГУПБ www.msaab.ru

Отзывы на реферат, заверенные печатью, просьба отправлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Д.А. Максимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Развитие технологий ультратонкого диспергирования открывает возможности создания новых многокомпонентных дисперсных пищевых систем с управляемыми качественными характеристиками и в ряде случаев позволяет значительно интенсифицировать тепло-массообменные процессы. Диспергирование продуктов способствует улучшению усвояемости измельченных частиц организмом человека, повышению сроков хранения продуктов из-за увеличения стойкости эмульсий и суспензий, улучшения органолептических показателей и возможности создания широкого спектра новых многокомпонентных композиций с заданными свойствами. Это приобретает большую значимость при создании новых технологий производства диспергированных пищевых продуктов.

Так как ультратонкое диспергирование способствует существенному изменению теплофизических характеристик объекта, например, кинетики процессов замораживания, вакуумного обезвоживания, то применительно к рассматриваемой ситуации необходимы дополнительные исследования динамики роста кристаллов при замораживании дисперсных систем и тепло-массообмена при их последующей сублимационной сушке. Как известно, сублимационная сушка является одним из высокоэффективных современных способов обеспечения длительных сроков хранения термолабильных материалов в нерегулируемых температурных условиях. При всех общеизвестных достоинствах этого метода недостатком его остаются высокая длительность процесса и значительные энергозатраты. По этой причине весьма перспективными являются исследования, направленные на сокращение этих факторов. Специфика изучения диспергирования, последующего замораживания и вакуумного обезвоживания пищевых систем обусловлена совокупностью действующих факторов на данные процессы, влияние которых в ряде случаев носит нелинейный характер, поэтому также приобретают значимость вопросы методологии исследования рассматриваемых процессов.

Основные теоретические и методические положения диспергирования подробно освещены в работах Н.В. Барановского, А.М. Балабышко, В.В. Вайткуса, Ю.Ф. Детякина, А.И. Зимина, В.А. Падохина, В.В. Меньшикова, С.И. Воробьева и др. Значительный вклад в развитие методов получения тонкодисперсных композиций внесли научные коллективы: мгупб, ГНУ вними, МГУИЭ, РХТУ, МИТХТ, СПбГУНиПТ и др., а также известные ученые И.А. Рогов, В.Д. Харитонов, М.Б. Генералов, В.Д. Сурков, С.В. Фролов. Предложенные на основе их исследований технические решения ориентированы на использование различных физических эффектов (дросселирование жидкости через узкий зазор седло-клапан, распыливание жидкостей, воздействие ультразвуковыми, кавитационными и ударными возмущениями давления и др.) при обработке пищевых продуктов. Ими исследованы основные закономерности кинетики химических и физических явлений как на молекулярном уровне, так и макрокинетики, которые учитывают гидродинамические, тепловые и диффузионные превращения. Наиболее значимые закономерности замораживания и вакуумного обезвоживания рассматривались А.М. Бражниковым, А.С. Гинзбургом, Э.И. Гуйго, А.В. Лыковым, А.А. Гухманом, Н.К. Журавской, Б.Ф. Камовниковым, Э.И. Каухчешвили, А.З. Волынцом и С.М. Бражниковым и др.

Исследования применяемых сегодня методов получения тонкодисперсных систем показали, что основной технической проблемой диспергирования является ограниченность возможностей существующего оборудования. Например, с использованием промышленных диспергаторов клапанного типа, частицы дробятся в основном до средних размеров 1…2 мкм. Повышение степени диспергирования влечет за собой необходимость увеличения давления и более высокой точности обработки сопрягаемых поверхностей «седло-клапан», что приводит к дополнительным энергозатратам. Большинство ультразвуковых устройств, используемых при создании тонкодисперсных систем, не обеспечивает необходимую производительность и требования по энергозатратам.

Проведенные раннее исследования процесса диспергирования показали, что наиболее перспективным направлением развития методов дробления является импульсное воздействие на обрабатываемые эмульсии и суспензии. Однако в настоящее время отсутствует систематизированная теоретическая база, описывающая процесс диспергирования, комплексный и методический подходы к созданию устройств, использующих данный вид воздействий на обрабатываемые среды. В связи с этим необходимы исследования механизмов дробления частиц в составе эмульсий и суспензий при различных видах обработки и поиск альтернативных способов воздействия на диспергируемые системы, направленные на создание нового оборудования. Необходимость данных исследований связана также с повышенным интересом к созданию и использованию нанотехнологий, которые входят в число приоритетных направлений развития науки и техники РФ. По этим причинам разработка новых способов получения тонкодисперсных систем и их аппаратурного оформления на основе исследований теоретических и практических аспектов процессов диспергирования является актуальной.

Анализ исследований диспергирования многокомпонентных систем, их последующего замораживания и сублимационной сушки привел к выводу о необходимости выявления основных факторов процессов, их аналитического описания, определения кинетических закономерностей и разработки инженерных методов расчета данных процессов. Разработка технических решений получения тонкодисперсных композиций, на базе созданных теоретических и практических положений и их внедрение в народное хозяйство является существенным вкладом в развитие методов производства тонкодисперсных систем. Совокупность обозначенных как научных, так и прикладных проблем, объективно требующих решения на современном этапе развития техники и технологии, делает данную работу актуальной и своевременной.

Автор выражает глубокую признательность академику РАСХН, д.т.н., проф. И. А. Рогову, академику РАСХН, д.т.н., проф. В.Д. Харитонову за консультации, конструктивную помощь и поддержку при выполнении данной научной работы.

Целью работы является развитие теории процесса и аналитическое описание диспергирования эмульсий и суспензий в режиме управляемых импульсных воздействий, разработка методик инженерных расчетов и основ аппаратурной реализации, исследование влияния диспергирования на замораживание и сублимационную сушку жидких дисперсных систем.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие основные задачи: диспергирование возмущение давление

– Разработка методологии комплексного подхода к исследованию импульсного диспергирования и последующего использования дисперсных систем, в том числе в процессах замораживания и сублимационной сушки.

– Систематизация способов воздействий на диспергируемые среды и оборудования для диспергирования.

– Формирование гипотез, характеризующих основные аспекты теории процесса диспергирования с целью его интенсификации и практическую аппаратурную реализацию.

– Разработка физических моделей и аналитического описания процессов диспергирования при воздействии возмущений давления, базирующихся на эффекте срыва поверхностных слоев с частиц.

– Экспериментальные исследования процессов диспергирования при различных параметрах воздействий на модельные жидкости и реальные дисперсные системы.

– Разработка инженерных методов расчета параметров процесса дробления, основных элементов конструкций устройств для диспергирования и технико-экономических показателей.

– Разработка конструкций устройств для диспергирования с различными системами генерирования импульсных воздействий и рекомендаций по их использованию в промышленном производстве.

– Исследования влияния диспергирования на процессы замораживания и сублимационной сушки пищевых эмульсий и суспензий.

– Разработка автоматизированных систем мониторинга и обработки данных на основе информационных технологий.

Достоверность и обоснованность результатов исследования базируются на адекватности их современным основополагающим представлениям о физических закономерностях процессов диспергирования, замораживания и сублимационной сушки, корреляции полученных в работе результатов с выводами предыдущих отечественных и зарубежных исследователей, корректности использования математического аппарата, соответствии данных имитационного моделирования и выводов, полученных по итогам теоретического моделирования и в эксперименте. Для обеспечения этого в работе использованы методы математической статистики, теории принятия решений, вычислительной математики, системного анализа, математического, имитационного и натурного моделирования, микрофотографирования, скоростной кино и видеосъемки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- сформулирована методология научных принципов диспергирования пищевых эмульсий и суспензий;

- предложено объяснение механизма дробления при импульсном воздействии на обрабатываемые среды, обусловленного возникновением поверхностных волн на частицах дисперсных фаз и отрывом мельчайших частиц с них набегающим потоком дисперсионной среды;

- разработаны физические модели и аналитическое описание процесса диспергирования и сопутствующего ему перемешивания при воздействии возмущений давления в виде пространственно-временных функций;

- получены аналитические зависимости, определяющие взаимосвязь режимных параметров импульсных воздействий с показателями дисперсности обработанных сред;

- предложены аналитические зависимости, связывающие гидродинамические показатели обрабатываемых сред с геометрическими характеристиками аппаратов, в которых реализован принцип импульсных воздействий на диспергируемые системы;

- предложены аналитические зависимости длительности процессов замораживания (кристаллообразования) и сублимационной сушки предварительно диспергированных систем, базирующиеся на общей теории внутреннего тепло- и массопереноса, с учетом теплофизических характеристик и режимных параметров;

- получены численные оценки влияния степени дисперсности систем на рост кристаллов при замораживании и на продолжительность сублимационной сушки;

- предложен метод и принципы построения системы мониторинга и управления процессами диспергирования, замораживания и сублимационной сушки, базирующиеся на создании автоматизированной системы с использованием технологий виртуальных приборов.

Практическая значимость исследования обоснована следующими результатами:

- разработан метод расчета процесса дробления частиц, сформулированы на этой основе требования к элементам конструкции аппаратов для диспергирования;

- разработан метод расчета основных элементов конструкции и производительности аппаратов для диспергирования, позволяющий определить рациональные соотношения гидродинамических и конструкционных характеристик;

определены режимы импульсных воздействий - амплитуда и количество импульсов в процессе обработки, позволяющие получить частицы дисперсных фаз заданного размера;

- предложены методики создания конструкций диспергаторов, реализующие принципы импульсных воздействий на диспергируемые среды;

- разработаны конструкции устройств для диспергирования, защищенные пятью патентами (№ 2179476 (2002 г.); № 2271858 (2006 г.); № 2362616 (2009 г.); № 2375111 (2009 г.); № 2393007 (2010 г.);

- предложен метод расчета процесса замораживания (кристаллообразования) и сублимационной сушки дисперсных систем, прошедших импульсную обработку, базирующийся на общей теории внутреннего тепло- и массопереноса в дисперсных средах;

- рекомендованы численные значения режимных параметров диспергирования, замораживания и сублимационной сушки исследуемых дисперсных систем, обеспечивающие более высокие показатели растворимости, содержания витаминов (акты оценки прилагаются);

- разработаны автоматизированные системы и программное обеспечение, базирующиеся на технологии виртуальных приборов, контроля и регулирования процессов диспергирования, замораживания и сублимационной сушки, обеспечивающие мониторинг, сбор, обработку и архивацию данных. Решения защищены программами (№ 2007611824 «Компьютерная система контроля и регулирования температуры в научном эксперименте с использованием среды LabVIEW»; № 2008612660 «Виртуальный тренажер для контроля знаний по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»; № 2008612751 «Компьютерная система по исследованию дисперсности частиц эмульсий и суспензий с использованием среды LabVIEW»);

- предложены алгоритмы и программное обеспечение, применяемые для исследования процессов диспергирования, замораживания и вакуумного обезвоживания.

Результаты диссертационной работы реализованы:

- в конструкциях промышленных устройств для диспергирования, защищенных патентами РФ, которые внедрены на ОАО «Компания Юнимилк» филиал «Молочный комбинат «Орловский» и др.;

в эскизных проектах, при разработке нового оборудования для диспергирования в ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии и ОАО «Агропродмаш»;

- в конструкциях испытательных стендов для исследования различных вариантов процессов диспергирования, замораживания и вакуумной сублимационной сушки;

при создании обучающих и тестирующих программ для стендов-тренажеров, используемых при подготовке инженерного персонала пищевых предприятий;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс при подготовке специалистов по направлениям: 260601 - Машины и аппараты пищевых производств, 260602 - Пищевая инженерия малых предприятий, 220401 - Мехатроника, 140504 - Холодильная и криогенная техника и кондиционирование, 190603 - Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (по отраслям); бакалавров и магистров: 150400 - Технологические машины и оборудование, 140500 - Энергомашиностоение.

На защиту выносится:

систематизация способов воздействий на диспергируемые среды и оборудования для диспергирования;

физические модели процесса диспергирования эмульсий и суспензий возмущающими импульсными воздействиями, базирующиеся на создании поверхностных волн на частицах дисперсных фаз и отрывом мельчайших частиц с их поверхности набегающим потоком дисперсионной среды;

аналитическое описание процесса ультратонкого диспергирования возмущениями давления, связывающее режимные параметры воздействий и характеристики дисперсности сред;

режимы управления размерами частиц дисперсных фаз, получаемых воздействием на них возмущений давления различной интенсивности и частоты;

результаты экспериментальных исследований закономерностей изменения характеристик дисперсных материалов, полученных различными способами импульсной обработки;

аналитическое описание процесса замораживания материалов, предварительно подвергнутых импульсному диспергированию;

модель процесса сублимационной сушки дисперсного материала в тонком слое, учитывающая изменения его теплофизических характеристик;

результаты комплексных экспериментальных исследований закономерностей, отражающих изменение параметров замораживания и сушки дисперсных материалов;

методы и принципы построения системы систем автоматизации диспергирования, замораживания и сублимационной сушки;

комплекс защищенных патентами технических решений по конструкциям и режимам работы устройств для ультратонкого диспергирования.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на Международных и Всероссийских конференциях и симпозиумах и опубликованы в материалах и трудах: I-й Международной научно-практической конференции «Проблемы здорового питания» (Орел, 1998); II-й и III-й Международных научно-практических конференциях «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания» (Орел, 1999, 2000 гг.); Международном симпозиуме «Машины ударного действия» (Орел, 2000); ежегодных научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников и аспирантов (Орел, 1997-2006 гг.); Международных конференциях «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (Москва, 20032009 гг.); Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (Орел, 2004); Международных научно-технических конференциях ВГТУ (Воронеж, 2000, 2004, 2009 гг.); III Всероссийской научно-практической интернет-конференции (Орел, 2006); Третей Международной электронной научно-технической конференции «Экономика. Управление. Стандартизация. Качество» (Тула, 2006); Международных научных конференциях студентов и молодых ученых МГУПБ (20062009 гг.); Международной научно-практической конференции «Биотехнология: вода и пищевые продукты» (Москва, 2008); V Московском Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2009); Третьей международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка) СЭТТ2008» (Москва, 2008); Международной научной конференции «Олимпиада 2014:Технологические и экологические аспекты производства продуктов здорового питания» (Краснодар, 2009); 6-й Международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ2010 (Севастополь, 2010).

Работа проводилась в рамках Государственной аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы».

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 57 работ, в том числе 11 в журналах из перечня ВАК, изданы 2 монографии, получены 5 патентов на изобретения и зарегистрированы 3 компьютерные программы.

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 297 наименований, приложений на страницах. Основной текст работы изложен на 310 страницах машинописного текста, поясняется рисунками и таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показано состояние вопроса исследований, кратко обозначены наиболее значимые достижения в этой области и связанные с этим отечественные и зарубежные исследователи, обоснована актуальность темы и сформулирована цель работы.

В первой главе предложена структура теории импульсного диспергирования многокомпонентных пищевых систем (ИДМПС) (рис.1).

Определено место теории в системе научных знаний, показано, что теория ИДМПС формируется на пересечении нескольких областей фундаментальных наук, описывающих разнообразные физические явления и изучении методов исследования этих явлений.

Определены требования к содержанию теории ИДМПС: системность, максимальная общность, простота, проверяемость и прогнозируемость результатов. Выявлены теоретические и практические аспекты решения поставленной научной проблемы, направленные на разработку теоретического аппарата процесса диспергирования при импульсном воздействии на обрабатываемые среды с целью его интенсификации и практическую реализацию созданного оборудования с позиции металло- и энергосбережения. Определена специфика методологии ИДМПС как инструмента развития знаний и аппарата ее практической реализации. Результатом первой главы явилась формулировка основных направлений работы в части теоретических и экспериментальных исследований. Обозначены задачи работы.



Во второй главе рассмотрены научные проблемы дальнейшего развития диспергирования пищевых эмульсий и суспензий. Сформулированы зависимости, отражающие связь явлений диспергирования и перемешивания, обращено внимание на важную роль задания масштабов при оценках степени диспергирования продукта.

Обобщены наиболее известные физические модели процессов диспергирования жидких дисперсных систем с использованием различных физических эффектов. Анализ физических моделей, положенных в основу известных способов диспергирования, свидетельствует о недостаточной их изученности, обусловленной разбросом показателей и характеристик связей между параметрами процесса до и после обработки.

С целью выявления перспективных направлений разработки аппаратов для диспергирования, предложена систематизация оборудования, с использованием в качестве систематизационного признака способа дробления частиц (рис. 2).

Показано, что практически все применяемые способы диспергирования исчерпали технические возможности повышения степени дисперсности конечного продукта. Перспективным направлением дальнейшего совершенствования процесса диспергирования является использование воздействий на дисперсные системы возмущений давлений различной интенсивности и частоты.

Сформированы гипотезы, отражающие теоретические аспекты диспергирования:

1) процесс диспергирования представляет собой дробление частиц дисперсной фазы до требуемых размеров и их равномерное распределение в пространстве, то есть перемешивание в среде в масштабах порядка их размеров, важная роль при этом отводится заданию масштабов при оценках степени дисперсности продукта, так как в зависимости от этого параметра один и тот же продукт может быть признан как достаточно, так и не достаточно гомогенным;

2) диспергирование с регулируемым размером раздробленных частиц возможно при организации импульсных возмущающих воздействий различной интенсивностью на обрабатываемые среды, в зависимости от данного параметра можно получить частицы с размерами в микро- и нанометровом диапазонах;

3) диспергирование частиц в составе эмульсий и суспензий при импульсном воздействии осуществляется путем срыва их поверхностных слоев, при этом конгломераты частиц, удерживаемые силами адгезионного сцепления, разрушаются на отдельные частицы;

4) дробление частиц при импульсном воздействии на обрабатываемые жидкие дисперсные системы происходит скачкообразно вследствие их перехода из одного класса размеров в определенный момент времени в другой класс размеров;

5) диспергирование рассматривается как взаимодействие возмущений давления с однородными частицами, а количественные результаты расчетов дробления уточняются экспериментально путем определения критического значения критерия Вебера;

6) создание оборудования для диспергирования нового поколения с регулированием размеров дисперсных фаз возможно на основе реализации в нем импульсных возмущающих воздействий;

7) развитие технологий ультратонкого диспергирования при импульсном воздействии на обрабатываемые жидкие среды открывает возможности создания новых многокомпонентных дисперсных пищевых систем с определенными качественными характеристиками и позволяет значительно интенсифицировать тепло- массообменные процессы при производстве порошковых композиций.

В третьей главе описываются разработанные физические модели дробления частиц в режиме ультразвуковых и импульсных воздействий и дается их аналитическое описание. Эти модели диспергирования частиц в жидких средах возмущениями давления среды базируются на следующих факторах. При создании возмущающих воздействий в жидких дисперсных системах дисперсионная среда увлекает в движение дисперсную частицу, и с учетом этого формируется разноскоростное движение среды и частицы. Среда, движущаяся относительно поверхности частицы, оказывает на нее динамическое воздействие, которое характеризуется влиянием сопротивления, обусловленного неоднородным распределением внутреннего давления в частице и гидростатическим давлением в среде, сопротивления, обусловленного силами трения и силы, действующей на частицу при прохождении возмущения давления. Векторная сумма нормальных и касательных сил, просуммированных по всей поверхности частицы, дает вектор результирующей силы (рис. 3). Под воздействием относительной скорости частица может деформироваться или разрушаться. Разрушению частицы препятствует ее поверхностное натяжение. Соотношение разрушающей силы и силы поверхностного натяжения определяется критерием Вебера (We), при превышении критического значения которого частица разрушается.

Из всех факторов разрушения частицы в составе эмульсий значимым при их диспергировании возмущениями среды является только механизм срыва микрочастиц с поверхности. Время индукции, в течение которого развивается и устанавливается вся топология поверхностных волн на частице, должно составлять малую долю от общей продолжительности дробления. Поэтому в данной модели дробления частиц этим временем можно пренебречь. Применяя сформулированные представления к расчетам разрушения частиц в составе пищевых эмульсий, необходимо иметь в виду, что они во многих случаях не являются однородными.

Например, жировые шарики молока покрыты тонкой оболочкой белков и липидно-белковой смеси. Воздействие возмущений на такие шарики включает деформацию, как наружной пленки, так и внутренней их части. В результате модель взаимодействия возмущений с жировыми шариками усложняется. Однако эти особенности не изменяют принципиально модель взаимодействия возмущений с частицами дисперсных фаз, внося в нее лишь количественные поправки.



Поэтому оболочку можно рассматривать как жидкость и применять к ней все изложенные выше представления о дроблении. Это позволяет в данном примере рассматривать диспергирование как взаимодействие возмущений с однородными частицами, а количественные результаты расчетов дробления уточнять экспериментально, определяя критическое значение критерия дробления. С учетом вышеизложенного, модель дробления частиц возмущениями среды можно представить в виде аналитических зависимостей.. Дробление частиц в составе эмульсий ультразвуковыми колебаниями можно представить в виде последовательности следующих математических выражений. Задаются возмущения давления P(t) в дисперсионной среде, в виде:

(1)

где P_a амплитудное значение возмущений; их круговая частота; =2f,

f частота возмущений; t время.

Находятся возмущения скорости U(t) в дисперсионной среде. Для акуст ических колебаний они определяются по формуле

(2)

где _с, с - плотность и скорость звука в дисперсионной среде.

Вычисляется скорость частицы V(t), увлекаемой потоком дисперсионной среды, которая находится интегрированием выражения для ускорения частицы под действием силы лобового сопротивления обтеканию. Это выражение записывается на основании второго закона Ньютона в форме



(3)

где c_x - коэффициент лобового сопротивления частицы (для сферической частицы с_x=1); r(t) зависящий от времени радиус частицы.

Уравнение (3) интегрируется при начальном условии V=V₀ при t=0.

Из выражения для критерия Вебера

(4)

где относительная скорость частицы и среды; _с плотность среды; r - радиус частицы; поверхностное натяжение, k_н коэффициент, учитывающий неоднородность состава частицы.

Задав его значение равным критическому, находят величину радиуса частицы, при превышении которой происходит дробление частицы

. (5)

Если фактический радиус частицы r(t) больше критического, то есть r(t)>r_кр(t), происходит срыв микрочастиц с поверхности капель и продолжается до тех пор, пока это неравенство перестает выполняться. При этом с частицы будет сорвана масса жидкости m(t), равная разности масс



, (6)

где плотность частицы.

В конце этого процесса текущий радиус частицы станет равным критическому, т. е. r(t)=r_кр(t).

Если фактический радиус частицы r(t) не больше критического, срыва микрочастиц не происходит, фактический радиус частицы не изменяется, масса частицы не уменьшается.

Расчет с использованием вышеописанных зависимостей (16) повторяется до тех пор, пока текущий радиус частицы не уменьшится до заданного минимального значения r_min или до прекращения дробления частицы.

Выражения для расчета несколько видоизменяются, если дробятся не частицы дисперсных фаз, а их конгломераты. В этом случае силами, удерживающими целостность конгломерата, являются не силы поверхностного натяжения, а адгезионные силы сцепления отдельных частиц друг с другом. Таким образом, вместо силы поверхностного натяжения R_п сферической частицы

(7)

где F площадь миделевого сечения шарообразной частицы,

r_конг размер конгломерата до дробления, должна использоваться сила адгезионного сцепления R_а



(8)

где А удельная сила адгезионного сцепления частиц; F₁ площадь контакта частиц, удерживаемых одна возле другой силами адгезии; r_э эквивалентный размер отдельных частиц или раздробленного конгломерата.

Выражение для критерия Вебера преобразуется к виду

(9)

С использованием данного выражения формула для расчета критического значения эквивалентного радиуса конгломерата r_кр(t) примет вид

. (10)

Аналитическое описание процесса разрушения конгломерата предполагает, что сами частицы не дробятся, в остальных же моментах оно повторяет последовательность расчета дробления частиц.

При описании дробления частиц в составе эмульсий ударными возмущающими воздействиями, для определения изменения давления в среде используется формула, справедливая при t0

, (11)



где P₀ - возмущение давления во фронте ударной волны; постоянная, для расчета изменения скорости среды применяется выражение

. (12)

Это изменяет указанным способом пункты 1 и 2 приведенной выше последовательности выражений расчета дробления частиц ультразвуковыми возмущениями давления, а в остальном ее элементы сохраняются. Предполагается, что дробление частиц в жидкой среде осуществляется одним импульсом. При создании серии импульсов с одинаковыми параметрами рассчитанное значение m(t) умножается на количество импульсов.

При дроблении конгломератов частиц ударными возмущениями давления используются зависимости (710).

Рассмотрим дробление частиц в составе суспензий. Анализ литературных источников показал, что механизм разрушения твердых частиц в составе суспензий при их разрушении практически не выявлен. Применяя теорию разрушения макротвердых тел при динамическом и импульсном нагружении к дроблению частиц в составе суспензий, предложена следующая физическая модель диспергирования.

При воздействии возмущений давлений, распространяемых в жидкой дисперсной системе в промежутки времени, измеряемые микросекуднами (ультразвуковые и ударные возмущения), в частице образуются волны напряжений различной природы, в виде волн нагрузки и отраженных волн. Ввиду скоротечности процесса, предполагаем, что волны напряжения образуются только на поверхностных слоях частицы.

Взаимодействие волн напряжений друг с другом приводит к образованию новых областей возмущений, перераспределению напряжений и деформаций и другим явлениям, характерным для динамического импульсного нагружения твердого тела. При интерференции волн напряжений их интенсивности складываются и могут достигать значений, превосходящих предел прочности материала. При этом наступает разрушение поверхностных слоев частицы.

Таким образом, разрушение частицы можно характеризовать критерием дробления (Kd), по физическому смыслу, соответствующему критерию We, используемому в описании дробления капель и жидких микрочастиц. В данном случае критерий дробления Kd показывает отношение внешних сил, действующих на частицу при прохождении возмущений давления, к пределу прочности частицы. Его можно записать в виде:

(13)

где k коэффициент пропорциональности; предел прочности частицы.

Скорости частиц и среды определяются представленными выше выражениями, в зависимости от вида возмущающих воздействий.

Так как величина усилия, необходимого для разрушения частицы, зависит от ее размера, формы, однородности и крупности задается критическое значение Кd_кр, и определяется величина радиуса частицы, при превышении которого происходит ее дробление

. (14)



При этом с частицы будет сорвана масса материала m(t), равная разности масс

, (15)

где плотность частицы.

В конце этого процесса текущий радиус частицы станет равным критическому, т. е. r(t)=r_кр(t).

Результаты расчета, выполненного по этим алгоритмам, представлены на графиках, изображенных на рис. 4…6.

Анализ данных, приведенных на рис. 4…6, показал, что для дробления основной массы частиц до размеров менее 0,3…0,7 мкм одним периодом колебаний или одним ударным импульсом, амплитуды возмущений должны быть не ниже 0,5…2 МПа. Выявлено, что размеры частиц при дроблении изменяются ступенчато по времени.

Анализ расчетных данных изменения размера частиц в составе суспензий от времени при ударных возмущениях давления, показал, что с увеличением интенсивности возмущений размер раздробленных частиц уменьшается (при возмущениях давления интенсивностью Р_а=1 МПа частицы дробятся до размера 0,8 мкм; при Р_а=1,5 МПа до 0,387 мкм; при этом время начала дробления равно 0,3 с, что соответствует времени индукции =300 мкс). Выявлено, что для дробления частиц в составе эмульсий до заданных размеров требуются возмущения меньшей интенсивности, чем при диспергировании суспензий (рис. 6).



Например, при обработке эмульсии ультразвуковыми колебаниями P_a =0,25 МПа, f=22 кГц в течение 60 с (13,3310⁵ колебаний) частица со средним размером 5 мкм дробится до размера 0,5 мкм, при этом за один период колебаний исходная частица уменьшится на 3,3810¹² м. Следовательно, при уменьшении интенсивности возмущающих воздействий требуется их большее количество для дробления частиц до заданных размеров.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ расчетных зависимостей дробления конгломерата частиц как функции интенсивности возмущающих воздействий, показал, что с увеличением интенсивности воздействий от 15 до 30 и 75 Па остаточный размер конгломератов уменьшается, при этом конгломерат дробится на отдельные составляющие его частицы. Доказано, что для разрушения крупных конгломератов на отдельные частицы требуются большие интенсивности возмущающих воздействий, чем для дробления небольшого скопления частиц, удерживаемого силами адгезионного сцепления (рис. 7).

Для расчета энергии, затрачиваемой на разрушение частиц, используются выражения, показывающие отношение между напряжениями и деформациями всех дробящихся частиц при общей кратности измельчения n нагружениями к кратности измельчения первого нагружения:



(16)

где предел прочности материала; M масса всех дробящихся частиц;

i кратность измельчения при n нагружениях; l коэффициент, значение которого определяется способами дробления; G модуль упругости материала дробящейся частицы; плотность частицы, кратность измельчения при первом нагружении.

Уравнение (16) можно представить в следующем виде:

(17)

где

Из приведенного выражения, по гипотезе Риттингера (l=2), согласно которой работа, расходуемая на измельчение всех частиц общей массой М, пропорциональна вновь образованной поверхности и определяется уравнением:

, (18)

где K_R коэффициент пропорциональности; D_c средний размер исходных частиц.

Согласно выражению (18) K_R определяется зависимостью



. (19)

Результаты расчета энергии, затрачиваемой на дробление частиц в составе эмульсий и суспензий, приведены на рис. 8, 9.

Анализ этих данных показывает, что при обработке эмульсии (коровьего молока) объемом V= 1 м³, содержащей частицы размером 1…20 мкм, возмущениями давления до образования частиц размером 0,1; 0,5; 0,7 мкм необходимо, соответственно, от (20…22,04)10³; (2,2…4,3)10³; (0,95…3,06)10³ Дж; при обработке суспензии объемом V= 1 м³, содержащей частицы с аналогичными размерами, до образования частиц размером 0,1; 0,5 и 0,7 мкм необходимо затратить, соответственно, (40,1…44,18)10³; (4,43…8,67)10³; (1,98…6,12)10³ Дж.



Представленные результаты являются наглядным доказательством того, что для диспергирования эмульсий до заданных размеров требуются меньшие энергозатраты, чем при диспергировании суспензий.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований структуры объектов диспергирования на примере коровьего молока (рис. 10, 11). Анализ распределения жировой и белковой фракций в образцах до и после обработки при воздействии на них индикаторов, вызывающих окрашивание определенных фракций, показал следующее.

Представленные фотографии иллюстрируют, что частицы и конгломераты частиц действительно являются молочным жиром, они окружены белковыми комплексами. Вследствие этого можно утверждать, что белок, окружающий жировые образования в молоке, способствует формированию липидно-белковой оболочки вновь образованных раздробленных частиц.



Экспериментальные исследования характеристик жировых частиц до и после диспергирования, результаты которых приведены на рис. 11, проводились с использованием серийного клапанного диспергатора и лабораторного ультразвукового диспергатора.

В результате определено, что жировые шарики в молоке представляют собой частицы диаметром 0,5…12 мкм, кроме того, 90 % всех жировых шариков объединяются в конгломераты по 20…50 штук. Вследствие неправильной формы конгломератов можно заключить, что силы, удерживающие сферические частицы вместе, не являются силами поверхностного натяжения и могут считаться адгезионными. Выявлено, что через 72 ч в необработанном молоке остаются только мелкие частицы (остальные всплывают), в диспергированном молоке нет разделения на фракции. В молоке, обработанном в ультразвуковом диспергаторе в течение 30 с, находятся частицы размером 0,5…2,5 мкм, и их количество соизмеримо с количеством частиц в молоке, гомогенизированном в клапанном гомогенизаторе.

В пятой главе описаны экспериментальные исследования дробления капель в водной среде возмущениями давления различного вида. С целью повышения точности измерений, их быстродействия, а также массивов статистической информации, рассмотрены методы и принципы построения автоматизированной системы контроля (АСК), измерения и регистрации параметров импульсных процессов в жидких средах, базирующейся на использовании аппаратных и программных средств информационных технологий.

Данная АСК включает первичные преобразователи сигналов (датчики давления, термопары и др.), устройства вводавывода данных (АЦП - ЦАП), ЭВМ, соответствующее программное обеспечение, регулирующие элементы оборудования, применяемого для реализации исследуемых процессов, оператора (рис. 12).



Модель данной АСК можно представить в виде упорядоченного множества

, (20)

где - множество моментов времени, в которые наблюдается АСК; X, Y - соответственно множество входных и выходных сигналов; S - множество состояний рассматриваемой АСК; - оператор переходов, отражающий механизм изменения состояния АСК под действием внутренних и внешних возмущений; - оператор выходов, описывающий механизм формирования выходного сигнала как реакцию АСК на внутренние и внешние возмущения.

Измеряемые параметры считаются наблюдаемыми в состоянии на множестве моментов времени при входном воздействии

Это означает, что всякому изменению вектора выхода при фиксированном векторе соответствует определенное изменение вектора состояния АСК:



.

Благодаря этому, выходные переменные используются в качестве признаков наблюдаемого текущего состояния АСК.

С помощью аппаратурных и программных средств определяются значения измеряемой случайной физической величины . При этом измерение представляется как специфический информационный процесс, результатом которого является получение количественной информации об измеряемых физических величинах - измерительной информации.

При определении значения наблюдаемой физической величины результат измерения представляется виртуальными приборами в виде аналитического соотношения , известного как основное уравнение метрологии, где - текущее значение измеряемой случайной величины ; - значение величины, принятой за образец; - отношение значения измеряемой величины к значению величины образца.

Приведены зависимости, полученные с использованием интервальных оценок, которые позволяют определить связь между числом наблюдений и достоверностью данных, полученных в процессе наблюдений. На основе этих зависимостей разработана методика оптимизации поверки измерительного комплекса АСК, позволяющая найти оптимальное число наблюдений, при котором минимизируются затраты на выполнение задачи по оценке технического состояния измерительного комплекса АСК, определить наилучшие оценки истинного значения абсолютной погрешности и вероятности работоспособности измерительного прибора АСК, а также их доверительные интервалы с заданными доверительными вероятностями, установить возможность применения измерительного комплекса АСК по назначению по критерию пригодности. Описаны разработанные методы регистрации кинетики дробления капель жидкости в жидких средах с использованием систем визуализации быстропеременных процессов, позволяющие с использованием теории подобия выявить способы дробления частиц в составе эмульсий и суспензий.

С использованием разработанных и созданных экспериментальных стендов и методик работы на них, проведено исследование взаимодействия ультразвуковых, ударных и малых единичных возмущений с дробящимися каплями и получены оценки параметров ударных возмущений от характеристик дробления капель. По итогам обработки экспериментального материала был выявлен эффект дробления частиц в жидкой среде путем срыва их поверхностных слоев при воздействии ударных возмущений интенсивности 0,5…2 МПа. Установлено, что дробление путем срыва поверхностных слоев реализуется при возмущениях, соответствующих значениям критерия Вебера, равным 10…20.

Получены экспериментальные данные по разрушению капель в жидкой среде при воздействии ультразвуковых колебаний. Для полного разрушения капли при этом необходимо несколько периодов или даже десятков периодов действия возмущений (рис. 13).

Анализ экспериментального материала по визуализации взаимодействия капель с возмущениями малой интенсивности (15…40 Па) показал, что при единичных воздействиях возмущений данной интенсивности капли только деформируются, но не дробятся (рис.14).

Полученные в эксперименте данные явились основанием для определения условия дробления частиц в составе эмульсий и суспензий при воздействии возмущений давления. В итоге проведенных исследований можно констатировать, что исследуемый механизм дробления капель в водной среде аналогичен известному механизму дробления капель в газовой среде, при этом основные различия заключаются в соотношениях плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды.



В шестой главе представлена методика создания оборудования, обеспечивающего качественно более высокий эффект дробления, базирующаяся на подтвержденной в эксперименте теории импульсного диспергирования многокомпонентных пищевых систем (ИДМПС). Согласно разработанной методике, на первом этапе осуществляется определение основных характерных параметров процесса диспергирования. Далее выделяются подсистемы проектируемого объекта и их целевые функции. Затем определяются взаимосвязи функций объекта, его параметров и требований к эксплуатации. В результате проведенных исследований определено, что каждое устройство для диспергирования должно включать следующие элементы: камеру диспергирования, привод, блок управления. С использованием данной методики разработаны устройства с достаточной для практики производительностью, основным рабочим элементом которых является подвижный элемент, воздействующий на обрабатываемую жидкую среду. Разработаны устройства, в которых в качестве рабочих органов используется либо поршень, либо мембрана. Технические решения данных конструкций импульсных диспергаторов, защищенные патентами, приведены на рис. 15.

Предложено устройство для ультрагомогенизации эмульсий (рис. 15, а), состоящее из цилиндра 1 с поршнем 2, приводимым в возвратно-поступательное движение через шток 3 импульсным побудителем 4. При работе устройства обрабатываемая эмульсия подается в цилиндр 1 через отверстие 5 в штоке 3, через полость поршня 6, радиальные отверстия в ней 7 и зазор между поршнем и цилиндром 8. Из полостей 9 и 10 над и под поршнем 2 эмульсия удаляется через радиальные прямоугольные отверстия 11 в стенках цилиндра. При обработке дисперсных систем в данном устройстве частицы дробятся до размеров 0,3…0,7 мкм.

Разработано устройство для диспергирования эмульсий и суспензий непрерывного действия (рис. 15, б). Оно состоит из корпуса 1, выполненного в виде неравноплечей U-образной трубы с размещенным с торца одного плеча боковым патрубком входа исходного продукта 2. В другом плече расположен патрубок выхода обработанного продукта на одном уровне с патрубком входа 3. Над патрубком выхода имеется замкнутая полость для воздуха 4. Система генерирования импульсов содержит гибкую мембрану 5 и герметичную камеру 6, в которой размещен электродный блок 7 для создания искрового разряда, соединенный посредством высоковольтного кабеля 8 с электронной катушкой зажигания 9, коммутатором 10 и генератором импульсов 11. Сверху высокого плеча U-образной трубы расположена крышка 12.

Данное устройство позволяет управлять дисперсностью частиц в широком диапазоне, при этом минимальный размер раздробленных частиц может достигать порядка 0,1 мкм, т. е. возможно в зависимости от технологических требований проводить сверхтонкое диспергирование эмульсий и суспензий, в результате чего готовый продукт в течение длительного времени не разделяется по фазам.

Рассмотрим устройство для диспергирования (рис. 15, в), отличительной особенностью которого являются при равной производительности меньшие габаритные размеры по сравнению с аналогами. Это позволяет использовать его при создании малотоннажных предприятий молочной промышленности.

Предложенное устройство для ультратонкого диспергирования эмульсий и суспензий состоит из электроимпульсного генератора 1 с электродной системой в виде центрального изолированного положительного электрода 2 и цилиндрического отрицательного 3, тонкой мембраны 4, конического корпуса 5, причем мембрана повторяет форму корпуса, верхней и нижней крышек 6, 7, на внутренних поверхностях которых имеются пазы для установки мембраны, патрубка 8 входа и патрубка 9 выхода продукта. Внутренняя поверхность мембраны ограничивает электродную камеру 10. Внешняя поверхность мембраны и корпуса образуют полость 11 диспергирования. Данный диспергатор позволяет создавать эмульсии и суспензии с одинаковым размером частиц дисперсных фаз порядка 0,1 мкм, это качество жидких дисперсных систем позволяет получать новые лекарственные композиции и пищевые многокомпонентные смеси.

Для исследования процесса импульсного диспергирования созданы экспериментальные установки с рабочим органом в виде поршня и с рабочим органом в виде мембраны (рис. 16, 17).



Д

ля определения параметров импульсного диспергирования применяется АСК, разработанная на базе современных технологий виртуальных приборов.

Для определения микро- и наноразмеров частиц, раздробленных с использованием разработанных конструкций импульсных диспергаторов, применялся атомно-силовой микроскоп. Результаты данных исследований представлены на рис. 18.

Комплексные исследования эмульсий и суспензий на примере молока и фруктовых соков, обработанных с использованием созданных импульсных диспергаторов, показали, что с увеличением интенсивности и частоты импульсных воздействий увеличивается эффективность диспергирования вплоть до получения наноструктур.

Таким образом, исследования данных диспергаторов подтвердили возможность их применения для ультратонкого диспергирования пищевых эмульсий. Сравнительный анализ характеристик импульсных диспергаторов в сопоставлении с известными конструкциями показал, что данные устройства позволяют не только получать продукты с размерами частиц дисперсной фазы менее 0,3…0,7 мкм, но и характеризуются сравнительно меньшим удельным энергопотреблением (табл. 1).

Таблица 1 Сравнительные характеристики диспергаторов

Тип диспергатора	Производительность, Q, л/ч	Диаметр частиц после диспергирования, мкм	Мощность двигателя N, кВт	Удельная мощность привода установки, рассчитанная на 1000 л/ч, кВт
Клапанный	1250	0,8…2,5	11	8, 8
Ультразвуковой (магнитострикционный)	30	менее 1 мкм	1,4	13,3
Сопловой	1000	1…1,25	4,4	4,4
Импульсный	1000	0,3…0,7 мкм	4,0	4,0

В седьмой главе решались задачи оценки влияния ультратонкого диспергирования водно-жировых эмульсий, фруктовых соков и молока на кинетические показатели замораживания и последующей сублимационной сушки.



В теоретическом исследовании этих процессов выявлялись основополагающие закономерности кристаллизации и вакуумного обезвоживания исследуемых материалов. Приведенные зависимости позволяют определить основные параметры замораживания: скорость кристаллизации и продолжительность полной кристаллизации слоя продукта. В данном случае распределение температур в твердой T₁ (x, t) и в незамороженной T₂ (x, t) фазах по нормали к стенке координат x описывается следующими уравнениями теплопередачи (уравнение Фурье Кирхгофа):

(21)

(22)

где h высота слоя.