Измельчение растительного сырья в гидродинамических мельницах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 66.021.1

М. Г. Кузнецов, В. В. Харьков, Е. Г. Хакимова ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ В ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ МЕЛЬНИЦАХ

Ключевые слова: гидродинамические мельницы, мокрое измельчение, средний диаметр, касательные напряжения.

Проведено исследование приготовления эмульсий и суспензий из растительного сырья в гидродинамических мельницах. Описаны конструкция гидродинамических мельниц и особенности их работы при измельчении. Приводится физическая модель мокрого измельчения в гидродинамических мельницах. Получены формула среднего диаметра капель дисперсной фазы и зависимости, по которым можно определить среднюю меру рассеивания кинетической энергии турбулентности и средних касательных напряжений в измельчителях.

Keywords: hydrodynamic mills, wet grinding, effective diameter, shear stresses.

The investigation deals with the producing of emulsions and suspensions from vegetable raw materials in the hydrodynamic mills. The construction of the hydrodynamic mills and grinding peculiarities are described. The authors present a physical model of wet grinding in the hydrodynamic mills. A formula for calculate the effective diameter of dispersed drops and equations for average dispersion of turbulent kinetic energy and average shear stresses in the grinders are derived.

Процессы измельчения встречаются практически в любой производственной и перерабатывающей отраслях. Они нашли широкое применение и в сельскохозяйственном производстве, например, при изготовлении комбикормов, подготовки сельскохозяйственного сырья, утилизации отходов. Однако процесс измельчения является весьма энергоемким. Так в ряде источников отмечается, что в настоящее время на измельчение затрачивается около 5-10% производимой в мире электроэнергии. Например, в комбикормовом производстве на измельчение идет до 70 % от всей используемой энергии [1, 2]. Большие энергетические затраты объясняются низким КПД технологического оборудования — измельчителей.

Перспективным направлением интенсификации процесса разрушения тел до требуемых размеров является применение мокрого измельчения [3, 4]. В этом случае жидкость служит в качестве диспергирующей среды, которая способствует рассредоточению частиц материала и противодействуют их повторному слипанию. Другая особенность мокрого измельчения — появление в жидкости касательных напряжений, которые становятся сопутствующими, наряду с основным, факторами процесса разрушения частиц и способствуют повышению степени измельчения.

Гидродинамические мельницы мокрого помола достаточно давно показали свою эффективность при измельчении твердых материалов малой и средней твердости в потоке жидкости. Однако в силу своей универсальности они могут применяться и для изготовления различных эмульсий.

Гидродинамическая мельница комбинированного измельчения, исследованная авторами, принципиально состоит из следующих основных узлов: корпуса, ротора, статора (рис. 1). Отдельно колесо 4 и диск ротора 5 изображены на рисунке 2, и диск статора 7 на рисунке 3.

Î

Рис. 1 — Схема конической мельницы мокрого помола: 1 — корпус; 2 — крышка корпуса; 3 — входной патрубок; 4 — колесо ротора; 5 — диск ротора; 6 — прокладка; 7 — диск статора; 8 — выводной патрубок

Грубая суспензия измельчаемого материала различного размера подается через входной патрубок 3 во внутреннюю полость мельницы. В дальнейшем, за счет перепада давлений на входе и выходе мельницы и частично центробежных сил, возникающих при вращении ротора, поток попадает в кольцевой зазор между диском ротора 5 и диском статора 7, а соответственно на их гарнитуру, где происходит процесс измельчения. Готовая суспензия выводится через выводной штуцер 8.

Рис. 2 — Колесо и диск ротора

Рис. 3 — Диск статора

Промышленные мельницы обычно изготовляются многодисковыми, углы наклона зубьев в которой чередуются. Наклон зубьев сделан для увеличения времени пребывания двухфазной смеси в аппарате, что приводит к увеличению монодисперсности капелек жидкой фазы.

Измельчение в мельнице осуществляется комбинированным способом: резанием гарнитурой и ударами об них, гидродинамическими эффектами в виде касательных напряжений.

Измельчение частиц дисперсной фазы резанием осуществляется при попадании его в гарнитуру дисков статора и ротора.

Частицы дисперсной фазы, продвигаясь вместе с несущей фазой, попадают в кольцевой разор между ротором и статором и затем в канавки ротора. За счет центробежного эффекта, образующегося при вращении ротора мельницы, измельчаемые частички материала отбрасываются в сторону ротора.

При переходе материала с ротора на статор частички пересекают ножевые поверхности и режутся на две частички. При дальнейшем своем продвижении частичка опять выдвигается из канавки ротора до следующего пересечения ножей ротора и статора. Получаемые частички имеют примерно равную длину, так как скорость движения суспензии имеет одинаковую скорость и момент пересечения ножей статора и ротора происходит периодически с определенной частотой, обусловленной их размерами и скоростью вращения ротора.

В конце каждого диска статора проходное сечение канавки статора уменьшается и суспензия, преодолевая центробежные силы, переходит с гарниту-

ры статора на ротор. В этот момент, измельчаемый материал опять пересекает ножевые поверхности, т.е. осуществляется процесс резания.

Таким образом, на одной ступени, т.е. на одном диске процесс измельчения происходит дважды, на входе на диск и при выходе с него. Лимитирующим фактором стадии измельчения резанием является кольцевой зазор между ротором и статором, который является неотъемлемым фактором технической конструкции мельницы.

На частички материала, размеры которого соизмеримы с толщиной зазора, перестают действовать срезающие факторы ножевых поверхностей мельницы и начинают оказывать измельчительное влияние касательные напряжения, возникающие в жидкости и ударные нагрузки о зубья гарнитуры.

Касательные напряжения, которые возникают при срыве пограничного слоя с кромок зубьев, теоретически описаны в статье [5]. В ней показано, что оторванный пограничный слой становится свободной струей. В канавке за счет эжектирующего действия этой струи возникает зона обратных токов, интенсивность и размеры которой определяются скоростью набегающего потока и геометрическими размерами канавки.

При гидродинамическом измельчении на частицу действуют поверхностные силы, возникающие при движении частиц относительно жидкости, и силы, удерживающие частицу от разъединения.

Действие гидродинамических напряжений и ударов капелек воды о гарнитуру можно сравнить с процессами, происходящими в аппаратах с мешалками. Литература, которая описывает подобные процессы, обширна. Следуя им, покажем общую формулу определения поверхностно-объемного диаметра частиц.

Устойчивость раздела фаз определяется из соотношения:

2 СТ Р и2 (1)

6 в

где ст — коэффициент поверхностного натяжения; 6в — средний поверхностно-объемный диаметр капель воды (дисперсной фазы); рм — плотность

сплошной фазы; ип — пульсационная скорость.

Среднюю величину пульсационной скорости можно определить из соотношения «двух третей» Колмогорова-Обухова:

ип ~(е о 6в)1' (2)

где е о — осредненная по объему меру рассеивания кинетической энергии турбулентности. Объединяя уравнения (1) и (2) получаем:

И ~ Л3/5 -0,4/ , \°'6

6в ~ 4 ео ' (ст /Рм)

или

6 в = К е-0,4 (ст / Рм)0

(3)

где К — коэффициент пропорциональности.

В [6] для мешалок различных типов К =0,13; в [7] для конфузорно-диффузорных аппаратов К =0,099. Мы принимаем значение осредненное значение К =0,1. Уравнение для определения по-

верхностно-объемного диаметра капель в конусном измельчителе примет вид:

d в = 0,1 EÔ0

CT

Рм

(4)

Для определения средней величины рассеивания турбулентной кинетической энергии и других необходимых величин авторами было проделано математическое моделирование течения жидкости в канале измельчителя. Для упрощения моделировалась однофазная жидкость. Согласно картине распределения меры рассеивания напряжений. наибольшие касательные напряжения возникают в местах срыва пограничного слоя на вершинах зубьев гарнитуры измельчителя. Наличие этих срывов, по мнению многих исследователей, и является одним из факторов измельчения в подобных мельницах. Авторами путем обработки большого массива численных данных были получены зависимости, по которым можно определить среднюю меру рассеивания кинетической энергии турбулентности и средних касательных напряжений. Они имеют вид:

\0,323

е+ = = 225,2651 V 2

(a Г

Re~

+

X =

То

PV2

= 0039 (|)

Re

-0,14

(5)

(6)

где а — размер зуба гарнитуры; V0 = йО/2 — линейная скорость движения ротора; ю — угловая

скорость вращения ротора; О — диаметр ротора; Д — зазор между ротором и статором;

Re = V0 О — — число Рейнольдса; цм — динамизм м

ческая вязкость.

Результаты полученных исследований позволяют описать гидродинамические особенности гидродинамических мельниц и предложить пути оптимизации рабочего пространства.

Литература

1. Ал. Н. Николаев, В. В. Харьков, Вестник Казанского технологического университета, 18, 18, 274-276 (2015).

2. А. Н. Грачев, Р. Г. Сафин, М. А. Таймаров, К. Х. Гильфанов, Д. В. Тунцев, Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 11-12, 80-83 (2009).

3. С. И. Ханин, В. С. Богданов, Вестник Белгородского технологического университета им. В. Г. Шухова, 1, 87-90 (2010).

4. М. Р. Вахитов, Е. Г. Хакимова, А. В. Толмачева, М. Г. Кузнецов, А. Н. Николаев, Вестник Казанского технологического университета, 18, 20, 57-60 (2015).

5. Н. А. Николаев, В. Ф. Харин., ТОХТ, 8, 5, 712719 (1974).

6. Л. Н. Брагинский, В. И. Бегачев, В. Ш. Барабаш. Перемешивание в жидких средах. Химия, Л., 1984. 336 с.

7. Р. Г. Тахаутдинов, Г. С. Дьяконов, В. П. Захаров, А. Г. Мухаметзянова, К. С. Минскер, Химическая промышленность, 1, 40-55 (2002).

0,6

0,956

М. Г. Кузнецов, к.т.н., доцент кафедры оборудования пищевых производств ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», opp-max@yandex.ru; В. В. Харьков, ассистент каф. ОПП КНИТУ, v.v.kharkov@gmail.com; Е. Г. Хакимова, ст. преподаватель каф. ОПП КНИТУ.

M. G. Kuznetsov, Candidate of Science, Associate Professor, Department of Food Production Equipment, Kazan National Research Technological University, opp-max@yandex.ru; V. V. Kharkov, Assistant Professor, Department of Food Production Equipment, KNRTU, v.v.kharkov@gmail.com; E. G. Khakimova, Master Teacher, Department of Food Production Equipment, KNRTU.