Адгезия и аутогезия частиц 2. Связь между адгезией и аутогезией отдельных и слоя частиц муки Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

с непосредственным отрывом свидетельствует о том, что под действием давления контакта в слое муки происходит не только увеличение площади контакта отдельных частиц, но и уплотнение массы порошка, т. е. рост числа контактов — иначе увеличение аутогезии в двух случаях было бы одинаково.

Помимо внешнего давления и времени его воздействия, существенное влияние на аутогезию муки оказывают свойства продукта, например, размеры и форма частиц, а также ряд внешних факторов, в частности вибрация.

Аналогично прямым 1—7 рис. 5 получены .зависимости усилия сдвига от нормального давления в случае адгезионного перемещения порошка (рис. 1 б); обнаружена линейная зависимость

между FI и Рк.

На основании приведенных исследований определены коэффициенты внешнего трения ц, сцепление Cad и сила адгезии Fad- Сопоставим значение сцеплений при сдвиге слоя муки Саш с величиной сцепления, когда сдвиг осуществляется по поверхности Cad• Обозначим:

Caut Цо F out ,„ч

а =тт- = "Е . (9)

С ad Ц rad

Таблица 3

Сорт муки Коэффициент а при уплотняющем давлении Ри, кПа

0 1,5 3,5 4,8 6,4 9,4 12,6

Высший 0,98* гж 1,01 7Ж 1,03 тж 1,00 ТЖ 0,99 ТЖ 0,99 тж 1,00 ТЖ

Второй 1,01 ГЖ 1,00 1,37 1,04 1,41 1,02 1,45 1,01 7Ж 0,98 1,53 0,99 ТЖ

Примечание: * в числителе — для стальной поверхности, в знаменателе — для полиэтилена ПВД.

Коэффициент а показывает соотношение между аутогезией и адгезией частиц муки. Если а=1, то адгезия и аутогезия соизмеримы и отрыв слоя

частиц будет адгезионно-аутогезионным. При а< должен наблюдаться адгезионный отрыв, а п а>1 — аутогезионный.

В табл. 3 приведены значения коэффициента для муки влажностью 12,4% при различных зна1 ниях уплотняющего давления. По отношен! к стальным поверхностям адгезия и аутогез соизмеримы (а « 1). Пониженная адгезия му к полиэтиленовым поверхностям означает относ тельное увеличение аутогезии по сравнению с ад1 зией (а>1). Для обычной полиэтиленовой повер ности это увеличение не превышает 1,5 раз, а д. токопроводящего может достигать 2 раз.

Пониженная адгезия по сравнению с аутог зией исключает образование прилипшего сл и способствует беспрепятственному движению му по поверхности технологического оборудовани Для борьбы с отрицательными последствия; адгезии муки необходимо использовать антиадг зионные материалы, +. е. такие материалы, для к торых величина коэффициента а больше 1.

Итак, давление, с которым прижимаются части: муки друг к другу и к поверхности, оказывает р шающее влияние на адгезию и аутогезию и на сос ношение между ними. По величине этого соотн шения можно проводить подбор антиадгезионнь материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зим он А. Д. Адгезия пыли и порошков. 2-ое и; доп. и перераб. М.: Химия, 1976.—431 с.

2. 3 и м о н А. Д. Адгезия пищевых масс.— М.: Агр промиздат, 1985.— 271 с.

3. Щуки и Е. Д. и др.//Коллоидный ж., 31, 1969. № 6,— С. 913—918.

4. Дерягин Б. В., Кротова Н. А., С м и л г а В. 1 Адгезия твердых тел.— М.: Наука, 1973.—279 с.

5. 3 и м о н А. Д., Андрианов Е. И. Аутогез! сыпучих материалов— М.: Металлургия, 1977.— 287

Кафедра органической, физической

и коллоидной химии Поступила 17.02.!

664.641.12.0:

АДГЕЗИЯ И АУТОГЕЗИЯ ЧАСТИЦ 2. Связь между адгезией и аутогезией отдельных и слоя частиц муки

А. Д. ЗИМОН Всесоюзный заочный институт пищевой промышленности

В ранее проводимых исследованиях [ 1 ] определялись либо силы адгезии и аутогезии отдельных частиц, либо силы адгезии и аутогезии слоя частиц муки. Соответствие между двумя циклами измерений имеет принципиальное значение, поскольку адгезия и аутогезия влияют на истечение продукта, определяют внутреннее и внешнее трение, обусловливают возникновение прилипшего слоя, комкование и сводообразование.

Методика для определения адгезии и аутогезии основаны на различных принципах и обладают ограниченным диапазоном измерений, полученные данные характеризуются погрешностью.

В связи с этим нами определены и сопоставлены силы адгезии и аутогезии для частиц муки различного размера с помощью трех методов в зависи-

мости от уплотняющего давления и числа контакте между частицами.

Силы адгезии fad и аутогезии faut отдельных ча( тиц — а, б и слоя частиц Fai и Faut — в взаимосв! заны (рис. 1). Эту связь можно представить в сл( дующем виде:

Fad—fadV\ (1) Faut — fautV*

С

где V — число контактов в расчете на единицу ш верхности слоя частиц (между частицами—в сл; чае аутогезии, между частицами и поверхностью -адгезии).

В качестве объектов исследования была испол! зована мука высшего, 1-го и 2-го сортов; медиа! ный диаметр частиц муки составляет соответственн 10,3; 15,2; 21,2 мкм.

I

*

'dMt

&)

-&/9//9/Z

а)

Рис. 1

Адгезию и аутогезию определяли методом сдвига, отдельных частиц — с помощью претицезионной тановки [2]. Кроме того, адгезию отдельных стиц определяли центрифугированием [3]; под йствием центробежной силы отрыв прилипших стиц происходит тогда, когда сила отрыва /о равна :и превышает силу адгезии частиц т. е.

fad =/o=fp*a)2, (3)

е v — объем частиц; р — плотность материала стиц, в данном случае муки, равная 1300 кг/м6\ — расстояние запыленной поверхности от оси ащения центрифуги, составляющее 70-10”3 м; а> — ловая скорость, равная яя/30;. п — частота враще-1я (число оборотов) центрифуги, мин~

На рис. 2 в полулогарифмических координатах ■иведены интегральные адгезионные прямые, ха-.ктеризующие зависимость доли удаляемых частиц частоты вращения центрифуги для трех фракций 'ки высшего сорта. Эквивалентный диаметр час-ц, мкм: 1, 1' — менее 10; 2, 2' — 10—30; 3, 3' —

■—50. Адгезия частиц на токопроводящем поли-илене П2ЭС-4—2', 3' меньше, чем на сталь-|й поверхности — 1, 2, 3. Поэтому отрыв частиц токопроводящего полиэтилена более интенсивен; ■ямые 2' и 3' лежат выше прямых I, 2 к 3. Инте-альные адгезионные прямые в отношении обычно полиэтилена ПВД лежат примерно между прями 1 и 1', 2 и 2', 3 и 3' (они не приведены во избе-ание загромождения рисунка).

5

■Рис. 2

Н

л-10* с

Подобно закономерностям, которые представлены

рис. 2, получены данные, характеризующие спределение сил адгезии в отношении частиц ки 1-го и 2-го сортов.

При помощи формулы (3) сделан пересчет :периментальных данных (рис. 2) — частоты вра-:ния центрифуги в силу отрыва (адгезии). Этот эесчет приведен в табл. 1, что позволило постро-з интегральные адгезионные прямые в вероят-:тно-логарифмических координатах (рис. 3). При

Таблица I

Эквивалентный размер частиц муки, мкм Сила отрыва (адгезии) • 109 Н при частоте вращения центрифуги, мин~'

фактический средний 2000 3000 4000 5000

Менее 10

10—30

30—50

5 0,5 1,2 3,7 13,4

20 9,0 20,0 60,0 215 0

40 72,0 162,0 440,0 1725,0

помощи прямых можно определить параметры, характеризующие разброс значений сил адгезии для частиц различного размера, а именно: минимальную, максимальную и медианную силы адгезии, а также среднее квадратическое отклонение о,

раВНОе fad — fad, Где ~fad И -- СООТВеТСТВвННО

силы адгезии для 50 и 16% частиц. Пунктирные горизонтальные линии на рис. 3 соответствуют вероятности отрыва частиц Ф, равной 50 и 16%. Для нахождения faa и необходимо определить точку пересечений горизонтальных линий с кривыми 1, 2, 3 и 2', 3' или экстраполяциями этих кривых.

Таблица 2

Эквивалентный Среднее ква- Сила отрыва ■ 109 Н

диаметр дратичное

частиц, .и/сж отклонение етт fad smax 1 ad fad fad

20 1,44 0,1 970 10,6 2480

40 1,35 0,1 2140 30,7 2630

Сведения о параметрах адгезии для частиц диаметром 20 и 40 мкм приведены в табл. 2. Кроме того, в этой таблице даны расчетные значения средней силы адгезии fid, которая определяется как математическое ожидание и выражается формулой:

к?:

fad — ^ fadty{fad)dfad-

nr

(4)

С учетом нормально-логарифмического распределения средняя сила адгезии равна:

'1«р[ и

При помощи интегральных адгезионных прямых

возникла возможность определить минимальную

Рис. 4

силу адгезии для частиц различного размера. Зависимость медианной силы адгезии от эквивалентного диаметра частиц муки высшего сорта показана на рис. ,4. Для фракций муки медианная сила адгезии составляет соответственно 0,17-10~6; 0,076-10~6; 0,062-10“6 Н на стальной 1 и полиэтиленовых ПВД-2 и П2ЭС-4—3 поверхностях. На токопроводящем полиэтилене силы адгезии минимальны. Данные рис. 4 свидетельствуют о том, что в определенном диапазоне размеров частиц (не более 20 мкм) наблюдается прямая пропорциональная зависимость между медианной силой адгезии, выраженной в Н, и эквивалентным диаметром частиц муки. Подобная закономерность отмечается для частиц муки 1-го и 2-го сортов.

... Таким образом определены значения сил адгезии отдельных частиц fad, т. е. один из сомножителей правой части равенства (2).

Методом центрифугирования определены силы адгезии отдельных частиц в отсутствии давления контакта. Силы адгезии и аутогезии с помощью прецизионной установки измерялись, когда непосредственное соприкосновение между частицами и частиц с поверхностью осуществлялось под воздействием внешнего контактного давления. Результаты этих измерений приведены в табл. 3.

Таблица 3

Контактирующие

поверхности

Сила адгезии (аутогезии) - 106 Н при величине контактного давления /К-106Я

2,7 8,1 21,6

Мука — сталь"1" 0,11 0,16 0,20

Мука — полиэтилен пвд 0,08 0,14 0,18

Мука — полиэтилен П2ЭС-4 0,04 0,06 0,08

Мука — мука 0,10 0,13 0,17

на единицу поверхности контакта определены эксп риментально ранее. Воспользуемся этими результ, тами для нахождения левых частей равенств (1 и (2). Значения Fad и Faui согласно этим равенства] позволяют определить силы адгезии и аутогезр

ОТДеЛЬНЫХ ЧаСТИЦ fad И faut, еСЛИ ИЗВеСТНО 4HCJ

контактов между частицами и поверхностью и мeж^ самими частицами, т. е. v в этих равенствах.

’ Точно измерить и рассчитать число контакте для частиц неправильной формы и различно: размера, какими являются частицы муки, не пре, ставляется возможным [4]. Примем, что кажд; частица реализует один контакт с поверхность! Фактически число контактов частиц неправильнс формы, особенно относительно крупных, МОЖ1 быть больше единицы. В то же время не исключе! возможность, что относительно мелкие частии (например, диаметром менее 10 мкм) могут бы' зажаты между крупными и в контакте с повер ностью не участвовать.

Оценим число контактов в случае адгезии. Д.; сферических и эквивалентным им монодисперснь частиц число контактов с поверхностью мож! представить в виде:

лП2

С учетом полидисперсности частиц число конта тов равно:

4ДФі 4 Дф,

гМ

■л Di

Dm,

4ДФ; г 4сіф

яО? ЦІ?

. (

где Отіпу О таж и О, — минимальное, максимальні и текущее значения диаметра частиц, для част* муки — эквивалентный диаметр;

ДФ], ДФг и АФі — плотность вероятности распр деления частиц по размерам.

В соответствии с ранее полученными сведения* можно выразить плотность вероятности распред ления частиц следующим образом:

Ф - о ]ё О+Ь-, йФ = -^ \gedD 0,435 сіО

С учетом уравнения (8) число контактов V вместо формулы (7) будет равно:

0,435 • 4a uÇâD J о3

0.435-4СТ

Oiii

D-‘2 I =

і

3,87a ( 1

чя;:

л

Dl

(

В СВЯЗИ С тем ЧТО Dmax^-D формулу (9) МОЖ1 упростить, а именно:

0,87а

1

Ж

(1

Контактное давление способствует росту сил адгезии и аутогезии. Подобный рост, однако, менее значителен, чем увеличение самого контактного давления. Так, при увеличении контактного давления с 2,7-10~6до 21,6- 10 б//, т. е. в 8 раз, силы адгезии и аутогезии вырастут только в два раза.

Итак, при помощи прецизионной методики определены силы адгезии и аутогезии отдельных частиц, т. е. множители правых частей равенств (1) и (2), но при воздействии контактного давления.

Силы адгезии Fai и аутогезии Faut в расчете

Сложнее оценить число контактов между част цами в процессе аутогезии и в плоскости сдвиг Для оценки числа контактов воспользуемся одш из предлагаемых формул [4] :

(1

где 2 — координационное число, равное обыч] 6—8;

П — пористость.

Значения чисел контактов, рассчитанных п| помощи различных формул (для муки высше

рта, медианный диаметр частиц 10,5 мкм, порис-сть 0,46, координационное число в плоскости ремещения 2), будут следующими:

Номера расчетных формул 6 10 11

Число контактов, л«~2-10-10 Л,27 6,70 1,75

С учетом полидисперсности число контактов еличивается примерно в пять-шесть раз по срав-нию с монодисперсными частицами, если сопоста-ть расчеты по формулам (10) и (6).

Таблица 4

Контактирующие

поверхности

Сила адгезии и аутоге-зии • 106 Я, определяемая

центри-

фугиро-

при контакте и отрыве

сдвигом

/ка — сталь+

/ка — полиэтилен ПВД /ка — полиэтилен П2ЭС /ка — мука

+

іимечание гШЖНЯЯ —

уплотнения 2,7-106#, в знаменателе уплотняющего давления

0,170 0,11/0,072++ 0,076

0,078 0,08/0,062 0,058

0,062 0,06/0,030 0,042

— 0,10/0,070 0,055

адгезии,

—три верхних строки — силы аутогезии; ++— в числителе — для давления

при отсутствии

В случае, когда мелкие частицы зажимаются лее крупными и в контакте не участвуют, рас-гы по формуле (10) могут дать завышенные зультаты. Расчетные данные, полученные по фордам (6) и (11), близки между собой. По этой ичине воспользуемся сведениями, которые найдены и помощи наиболее простой формулы (6). В табл. 4 едсгавлены значения сил адгезии, определенные ;мя различными методами, и аутогезии, сведе-я о которых получены при помощи двух методов

для частиц муки с медианным диаметром 10,5 мкм.

Найденные различными методами значения сил адгезии и аутогезии отдельных частиц характеризуются определенным разбросом: различие между минимальным и максимальным значениями не превышает 2,2 раза. С учетом принятых допущений и возможностью методик исследований: при определении размеров частиц неправильной формы, эктраполяции полученных данных, подсчета числа контактов и др.— такой разброс полученных значений можно считать удовлетворительным.

Итак, силы адгезии и аутогезии частиц муки, полученные непосредственным измерением (центрифугированием и отрывом отдельных частиц) и рассчитанные на основе сдвиговых испытаний, удовлетворительно совпадают. Это обстоятельство подтверждает достоверность применяемых методик и подхода к определению адгезии и аутогезии отдельных и слоя частиц, позволяет количественно оценить адгезию и аутогезию в различных условиях и подобрать на практике материалы, обладающие пониженной адгезионной способностью.

Экспериментальная часть работы выполнена

В. С. Рыбчинской.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зим он А. Д. Адгезия пищевых масс.— М.: Агро-промиздат, 1985.— 272 с.

2. Бабак В. Г., Козуб С. П., Соколов В. Н., Осипов В. И.//Изв. АН СССР. Сер. физ., 1977.— 41,—№ П.— С. 2401—2407.

3. 3 и м о н А. Д. Адгезия пыли и порошков.— М.: Химия. Изд-во 2-ое перераб. и доп.— 1976.— 431 с.

4. 3 и м о н А. Д., Андрианов Е. И. Аутогезия сыпучих материалов.— М.: Металлургия.— 1977.—287 с.

Кафедра органической, физической и коллоидной химии

Поступила 30.11.8

664.653.8

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТЕСТООБРАЗНЫХ МАСС ПРИ БРОЖЕНИИ

Г. Ф. ПШЕНИШНЮК, г. Ф. козлов

Одесский технологический институт пищевой промышленности им. М. В. Ломоносова

Экспериментальное определение кинетических за-номерностей изменения плотности тестообраз-х масс возможно далеко не для всех режимных раметров их обработки в технологическом про-ссе. В то же время знание кинетики изменения отности опар и теста имеет важное значение для основания гидродинамического режима работы одильных аппаратов, исключения смешивания сло-материала разной плотности и степени созре-ния и организации движения тестообразных масс технологическому тракту с использованием сил звитации.

Степень газонаполнения тестообразных масс в бро-льном аппарате зависит от интенсивности спир-зого брожения, структурно-механических свойств териала, давления его вышележащих слоев и дру-< факторов. При этом непрерывно изменяется гтворимость диоксида углерода и его давление порах материала. Оценить эти явления можно тько расчетным путем на основе теоретического ализа изменения плотности тестообразных масс

при брожении. Исследование данного вопроса — цель настоящей статьи.

Хлебопекарное тесто представляет собой трехфазную систему, состоящую из сухих веществ муки, а также других ограниченно набухающих в воде веществ, водного раствора различных компонентов и газа — воздуха, захваченного при замесе, и выделяющегося при брожении диоксида углерода [1]. Поскольку жидкость заполняет структурные элементы твердой фазы, то при рассмотрении объема теста можно условно принять только твердую и газообразную , фазы. При таком допущении объем массы теста Ут можно представить в виде суммы объемов сплошной (безгазовой) массы теста Vст, захваченного при замесе воздуха V в, удержанного Vгу и растворенного в тесте Vгр диоксида углерода:

У г =Усг+Ув+угу+угр. (!)

При изменении в тесте количества жидкой фазы или внешнего давления его плотность при одном и том же содержании диоксида углерода будет