CC BY
7
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Разработка оборудования
для диспергирования с использованием системного анализа
Г.В. Семенов, М.Н. Орешина
Московский государственный университет прикладной биотехнологии
В последнее время диспергированные продукты приобрели широкую популярность благодаря улучшению усвояемости измельченных частиц организмом человека, повышению сроков хранения таких продуктов из-за увеличения стойкости эмульсий и суспензий, улучшения органолептических показателей и возможности создания широкого спектра новых дисперсных композиций с заданными свойствами. В настоящее время разработчики оборудования для диспергирования эмульсий и суспензий стремятся создавать конструкции, позволяющие с меньшими энергетическими затратами достигать заданного качества продуктов.
Однако общий подход к разработке аппаратов для диспергирования пока не сформулирован. Общая тенденция в совершенствовании оборудования для диспергирования - изменение параметров конструктивных элементов, обеспечивающее уменьшение разме-
Структурная схема количественного этапа общих подходов к созданию диспергаторов
ров частиц дисперсной фазы. Однако технические и технологические решения по совершенствованию диспергаторов традиционных известных конструкций практически исчерпаны. Выполненный нами анализ процессов диспергирования показывает, что существенное улучшение уровня дисперсности может быть достигнуто на основе применения управляемых импульсных и волновых воздействий.
Необходимо решить задачу создания оборудования с использованием этих воздействий на диспергируемую среду с параметрами, обеспечивающими качественно более высокий эффект дробления. Для разработки методологии создания оборудования нами применен принцип системного подхода в изучении рассматриваемого процесса.
Первый этап системного подхода -качественный анализ объекта, цель которого - определение основных характерных параметров. Далее выделяются подсистемы объекта и их целевые функции. Затем определяются взаимосвязь функций объекта, его параметры и требования, обусловливающие необходимость соответствующих исследований, направленных на решение задачи. Выполненный качественный анализ позволяет предположить структурную схему, с помощью которой можно установить основные параметры процесса диспергирования, а также инженерные характеристики технических устройств.
На основе классификационного анализа всех известных конструкций дис-пергаторов, анализа патентных и литературных источников по этому вопросу установлено, что каждый из них включает камеру диспергирования, привод, блок управления. С позиции системного анализа эти элементы конструкции являются подсистемами рассматриваемого объекта.
Выделенные подсистемы выполняют основные целевые функции: в камере диспергирования создаются условия для дробления частиц дисперсных фаз эмульсий и суспензий; привод обеспечивает необходимые силовые воздействия на обрабатываемую среду; блок управления необходим для выполне-
ния технологического процесса в заданной последовательности и с требуемой точностью.
Выполнение целевых функций подсистемами объекта должно обеспечивать диспергирование с заданными размерами частиц дисперсных фаз. Анализ целевых функций элементов оборудования для диспергирования позволяет предложить систему параметров. Основные из них для камеры диспергирования - давление жидкости, расход жидкости, геометрические размеры камеры; для привода - тип устройства и мощность; для блока управления - контроль и регулирование температуры продукта, перепадов давлений в рабочих камерах аппаратов, массовых расходов и размеров частиц ингредиентов.
Проведенный выше качественный анализ позволяет разработать структурную схему количественного этапа общих подходов к созданию дисперга-торов, которая представлена на рисунке. Для полноты картины отметим, что в ходе реализации каждого из этапов согласно структурной схеме эффективны использование метода микрофотографирования дисперсных сред с помощью микроскопа, применение методов скоростной киносъемки и видеосъемки. При этом диспергирование частиц эмульсий и суспензий, имеющих размеры порядка нескольких микрометров, удобно моделировать дроблением капель минерального масла. Для выбора принципов конструкций диспергатора и определения режимных параметров работы устройства нами проведены предворительные эксперименты, в ходе которых была определена взаимосвязь уровня диспергирования с амплитудой и частотой импульсных воздействий.
При обработке результатов наиболее эффективно использование критериев подобия. При этом в теоретических исследованиях рационально применять метод численного моделирования явления и статистической обработки результатов измерений.
Использование рассмотренного выше подхода на основе системного анализа применительно к разработке
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
устройств с регулируемыми импульсными воздействиями позволяет сделать вывод о том, что усиленное дробление частиц дисперсной фазы эмульсий возможно при действии на них серии одиночных возмущений большой интенсивности. Такие возмущения могут быть созданы, в частности, гидравлическими или пневматическими импульсными побудителями, соединенными с поршнем, воздействующим на эмульсию, медленно протекающую через цилиндр с этим поршнем.
Технические решения разработанных с применением данной методики вариантов конструкции импульсных диспергаторов защищены патентами [3, 4] и имеют промышленное внедрение. В качестве примера рассмотрим устройство для диспергирования эмульсий и суспензий с регулированием размеров частиц дисперсных фаз.
Данное устройство состоит из корпуса, выполненного в виде неравноплечей 11-образной трубы, с размещенным с торца одного плеча боковым патрубком входа исходного продукта, в другом плече расположен патрубок выхода гомогенизированного продукта на одном уровне с патрубком входа. Над патрубком выхода имеется замкнутая полость для воздуха, ограниченная с одной стороны обрабатываемым продуктом, с другой - крышкой. Система генерирования возмущений давления содержит гибкую мембрану. В герметичной камере помещен разрядник, соединенный посредствам высоковольтного кабеля с электронной катушкой зажигания, коммутатором и генератором импульсов.
Данное устройство позволяет управлять дисперсностью частиц в широком диапазоне, при этом минимальный размер раздробленных частиц может достигать порядка 0,1 мкм, т. е. в зависимости от технологических требований можно проводить сверхтонкое диспергирование эмульсий и суспензий, в результате чего готовый продукт в течение длительного времени не разделяется по фазам. При этом конструкционные размеры данного устройства в 2 раза меньше по сравнению с традиционными конструкциями диспергаторов при равнозначной их производительности. Данное устройство может использоваться для сверхтонкого диспергирования пищевых эмульсий, которыми являются продукты на основе коровьего молока, фруктового сока, многокомпонентные смеси.
Предложенная методика наиболее полно отражает алгоритм последовательных действий, направленных на создание качественно новых конструкций аппаратов для диспергирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Блауберг И.В., Юдин Э.Г. Становление и сущность системного подхода. - М.: Наука, 1973.
2. Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем. - М.: Мысль, 1978.
3. Патент РФ, МКИ В 01 F 11/00. Уст-
ройство для ультрагомогенизации эмульсий/Малахов Н.Н., Орешина М.Н., Ушаков Л.С. (РФ) - № 2179476; Заяв. 15.04.00; Опубл. 11.02.02.
4. Патент РФ, МКИ В 01 F 11/00. Устройство для ультрагомогенизации эмульсий/Орешина М.Н., Зарубо Д.М. и др. (РФ) - № 2271858; Заяв. 20.11.05; Опубл. 20.03.06.
Комплексное видение
зачастую открывает лучшее решение Инновации нельзя перевести в плоскость обычных машинных технологий. Поэтому епу1го охватывает и экологию, и экономику, и эргономику етлго за интеллектуаль ную технику, экологи ческую, надёжную экономичную и эффективную. Мы берём на себя ответственность за наш мир и человечество, которое живет в нём.
