Моделирование перемешивания жидких пищевых сред с малым содержанием твердой фазы
УДК 664.03, 664.08
Моделирование перемешивания жидких пищевых сред с малым содержанием твердой фазы
Аспирант П.В. Орлов
В настоящее время в пищевой технологии, общественном питании широкое применение для регулирования качества продуктов находят твердые добавки (вкусовые, ароматические, структуририрующие, биологически активные и др.). Особенность процесса суспензирования в этих случаях малое (до 0,2%) содержание твердой фазы.
Не смотря на значительное число исследований суспензирования, единая точка зрения на механизм переноса твердых частиц с днища в резервуаре с мешалкой отсутствует [1]. Наиболее распространенны две теории. Согласно первой, причина перемещения вдоль днища и вращения частиц является течение жидкости [2]. По второй теории переход частиц в суспензию вызывается турбулентным движением жидкости [3]. Исследование образования суспензии, основанные на рассмотрении механизма переноса отдельной частицы во взвешенное состояние [4], не учитывают особенности распределения частиц в объеме аппарата. Однако в промышленных аппаратах существенное влияние на процесс смешивания оказывают явления байпасирования, образования застойных зон [5,6], сепарации и седиментации [7]. Наличие этих эффектов оказывает значительное влияние на процесс, особенно в суспензиях с малым содержанием твердой фазы [8].
Принципиально важным измеряемым параметром при исследовании образования суспензии является вертикальный профиль концентрации твердой фазы [9]. В связи с этим была разработана установка, позволяющая фиксировать распределение частиц в сечении сосуда с модельной жидкостью. Во избежание оптического искажения при регистрации сосуд помещался в прямоугольную кювету с той же жидкостью. Для от отграничения исследуемого профиля концентрации твердых частиц в суспензии использовался осветитель, состоящий из лампы накаливания, линзового конденсора и щелевой диафрагмы. Световой пучок направлялся на сосуд сбоку, освещая частицы в выбранном прямоугольном сечении. Свет от частиц твердой фазы отражался и рассеивался, преимущественно в направлении перпендикулярном первоначальному распространению. Отраженный таким образом световой поток попадал в объектив цифровой камеры типа РС Vision-3 с объективом «Вега 2/20» (фокусное расстояние 20 мм). Изображения освещенных частиц фиксировались на светочувствительной площадке ПЗС – матрицы типа ICX-045AL.
Примененная матрица содержит (495х580) штук светочувствительных элементов, что позволило для сечения сосуда (90х90)·10-6 м2 регистрировать частицы характерным размером от 2·10-6 м. Камера сопрягалась с
компьютером через параллельный порт, что позволяло оперативно записывать необходимое количество кадров изображения как файлов растровой графики.
Сосуд наполнялся модельной жидкостью (вода, масло растительное, растворы сахара) на высоту равную ее диаметру
(90·10-3м). Исследовался процесс перемешивания мешалками наиболее распространенными в пищевой промышленности: лопастной. пропеллерной, рамной и якорной. Мешалка через торсионный датчик крутящего момента и коробку передач подключалась к электродвигателю. В качестве частиц твердой фазы использовались карбид кремния с характерным размером 40·106 м и частицы сахара – 120·10-6 м.
Полученные изображения профиля концентраций частиц твердой фазы при различных модельных жидкостях , частотах вращения мешалок и концентрациях твердой фазы обрабатывались по двум специально разработанным программам в среде MathCad. Согласно первой производилось пороговое отграничение изображения частиц освещенных только рассеянным светом, т.е. не входящих в исследуемое сечение. По второй программе полученное поле изображения разбивалось на (10х10) зон, в каждой из которых подсчитывалось число частиц.
Анализ кинетики процесса суспензирования позволил выявить следующие специфические особенности: на первом этапе частицы стягиваются в центре сосуда на дне, на втором – происходит постепенный переход от центра к периферии – образуется кольцо из частиц, движущихся от центра, на третьем – образуется суспензия в придонной области сосуда, на четвертом – граница суспензия – жидкая фаза перемещается вверх. Полученная физическая картина частично коррелирует с результатами полученными другими исследователями [1,5,6,10].
Выявленные закономерности образования суспензии с малым содержанием твердой фазы могут быть обобщены на основе концепции зонального моделирования с использованием математического аппарата цепей Маркова.
Список литературы
1. Bаo I., Huang X. Mexanism of off-bottom suspension of solid particles in a mechanism stirred tank // Chin. I. Ckem. Eng., vol. 10, № 4, 2002. – P. 476 – 479.
2. Shamlou A.P. Mechanism of suspension of coarse particles in liquids in stirred vessels // I. Chem. E. Sym. Ser., № 121, 1992. – P. 397- 412.
3. Mersman A.B., Werner F. Theoretical approach to minimum stirrer speld in suspensions // 8th Eur. Conf. Mixing, Cambridge, 21-23 sept., 1994. – Rugby, 1994. – P. 33- 40.
4. Зундекевич Ю.В., Вигдорчик Е.М. Расчет минимальной частоты вращения мешалки при суспендировании // Тез. тр. 2 ВНТ «Теория и практика перемешивания в жидких средах» – М., 1973. – С. 257-262.
5. Кафаров В.В., Клипиницер В.А. Математическое моделирование процессов перемешивания в аппаратах с мешалками // Тез. тр. 1 ВНТ «Теория и практика перемешивания в жидких средах» – М., 1971. – С. 2124 .
6. Bresler L., Shinbrot T., Metcalfe G., Ottino I.M. Isolated mixing regions. Origin, robustness and control. // Chem. Eng. Sci., vol. 52, № 10, 1997. – P. 1623 –1636.
7. Арет В.А., Антонов А.И., Байченко Л.А., Пеленко Ф.В., Орлов П.В. Реометрия суспензий на ротационном вискозиметре // Технология и техника пищевых производств: итоги перспективы развития на рубеже ХХ и ХХI веков. – Спб., 2003. – С. 265-270.
8. Жерновая И.М., Кoприров В.В., Кандыбей Е.А. Выбор числа оборотов мешалки при взвешивании твердых частиц // Тез. тр. 3 ВНК «Теория и практика перемешивания в жидких средах»– М., 1976. – С. 81 –82.
9. Jie W., Jongang Z., Pullum L. The effect of impeller pumpind and fluid vheology on solids suspension in a stirred vessel // Can. J. Chem. Eng., vol. 79, №2, 2001. –P. 177-186.
10.Глуз М.Д. О радиальной скорости течения перемешиваемой жидкости // Тез. тр. 3 В НТК «Теория и практика перемешивания в жидких средах». – М., 1976.– С. 5-7.
Моделирование перемешивания жидких пищевых сред с малым содержанием твердой фазы
Аспирант П.В. Орлов
В настоящее время в пищевой технологии, общественном питании широкое применение для регулирования качества продуктов находят твердые добавки (вкусовые, ароматические, структуририрующие, биологически активные и др.). Особенность процесса суспензирования в этих случаях малое (до 0,2%) содержание твердой фазы.
Не смотря на значительное число исследований суспензирования, единая точка зрения на механизм переноса твердых частиц с днища в резервуаре с мешалкой отсутствует [1]. Наиболее распространенны две теории. Согласно первой, причина перемещения вдоль днища и вращения частиц является течение жидкости [2]. По второй теории переход частиц в суспензию вызывается турбулентным движением жидкости [3]. Исследование образования суспензии, основанные на рассмотрении механизма переноса отдельной частицы во взвешенное состояние [4], не учитывают особенности распределения частиц в объеме аппарата. Однако в промышленных аппаратах существенное влияние на процесс смешивания оказывают явления байпасирования, образования застойных зон [5,6], сепарации и седиментации [7]. Наличие этих эффектов оказывает значительное влияние на процесс, особенно в суспензиях с малым содержанием твердой фазы [8].
Принципиально важным измеряемым параметром при исследовании образования суспензии является вертикальный профиль концентрации твердой фазы [9]. В связи с этим была разработана установка, позволяющая фиксировать распределение частиц в сечении сосуда с модельной жидкостью. Во избежание оптического искажения при регистрации сосуд помещался в прямоугольную кювету с той же жидкостью. Для от отграничения исследуемого профиля концентрации твердых частиц в суспензии использовался осветитель, состоящий из лампы накаливания, линзового конденсора и щелевой диафрагмы. Световой пучок направлялся на сосуд сбоку, освещая частицы в выбранном прямоугольном сечении. Свет от частиц твердой фазы отражался и рассеивался, преимущественно в направлении перпендикулярном первоначальному распространению. Отраженный таким образом световой поток попадал в объектив цифровой камеры типа РС Vision-3 с объективом «Вега 2/20» (фокусное расстояние 20 мм). Изображения освещенных частиц фиксировались на светочувствительной площадке ПЗС – матрицы типа ICX-045AL.
Примененная матрица содержит (495х580) штук светочувствительных элементов, что позволило для сечения сосуда (90х90)·10-6 м2 регистрировать частицы характерным размером от 2·10-6 м. Камера сопрягалась с
компьютером через параллельный порт, что позволяло оперативно записывать необходимое количество кадров изображения как файлов растровой графики.
Сосуд наполнялся модельной жидкостью (вода, масло растительное, растворы сахара) на высоту равную ее диаметру
(90·10-3м). Исследовался процесс перемешивания мешалками наиболее распространенными в пищевой промышленности: лопастной. пропеллерной, рамной и якорной. Мешалка через торсионный датчик крутящего момента и коробку передач подключалась к электродвигателю. В качестве частиц твердой фазы использовались карбид кремния с характерным размером 40·106 м и частицы сахара – 120·10-6 м.
Полученные изображения профиля концентраций частиц твердой фазы при различных модельных жидкостях , частотах вращения мешалок и концентрациях твердой фазы обрабатывались по двум специально разработанным программам в среде MathCad. Согласно первой производилось пороговое отграничение изображения частиц освещенных только рассеянным светом, т.е. не входящих в исследуемое сечение. По второй программе полученное поле изображения разбивалось на (10х10) зон, в каждой из которых подсчитывалось число частиц.
Анализ кинетики процесса суспензирования позволил выявить следующие специфические особенности: на первом этапе частицы стягиваются в центре сосуда на дне, на втором – происходит постепенный переход от центра к периферии – образуется кольцо из частиц, движущихся от центра, на третьем – образуется суспензия в придонной области сосуда, на четвертом – граница суспензия – жидкая фаза перемещается вверх. Полученная физическая картина частично коррелирует с результатами полученными другими исследователями [1,5,6,10].
Выявленные закономерности образования суспензии с малым содержанием твердой фазы могут быть обобщены на основе концепции зонального моделирования с использованием математического аппарата цепей Маркова.
Список литературы
1. Bаo I., Huang X. Mexanism of off-bottom suspension of solid particles in a mechanism stirred tank // Chin. I. Ckem. Eng., vol. 10, № 4, 2002. – P. 476 – 479.
2. Shamlou A.P. Mechanism of suspension of coarse particles in liquids in stirred vessels // I. Chem. E. Sym. Ser., № 121, 1992. – P. 397- 412.
3. Mersman A.B., Werner F. Theoretical approach to minimum stirrer speld in suspensions // 8th Eur. Conf. Mixing, Cambridge, 21-23 sept., 1994. – Rugby, 1994. – P. 33- 40.
4. Зундекевич Ю.В., Вигдорчик Е.М. Расчет минимальной частоты вращения мешалки при суспендировании // Тез. тр. 2 ВНТ «Теория и практика перемешивания в жидких средах» – М., 1973. – С. 257-262.
5. Кафаров В.В., Клипиницер В.А. Математическое моделирование процессов перемешивания в аппаратах с мешалками // Тез. тр. 1 ВНТ «Теория и практика перемешивания в жидких средах» – М., 1971. – С. 2124 .
6. Bresler L., Shinbrot T., Metcalfe G., Ottino I.M. Isolated mixing regions. Origin, robustness and control. // Chem. Eng. Sci., vol. 52, № 10, 1997. – P. 1623 –1636.
7. Арет В.А., Антонов А.И., Байченко Л.А., Пеленко Ф.В., Орлов П.В. Реометрия суспензий на ротационном вискозиметре // Технология и техника пищевых производств: итоги перспективы развития на рубеже ХХ и ХХI веков. – Спб., 2003. – С. 265-270.
8. Жерновая И.М., Кoприров В.В., Кандыбей Е.А. Выбор числа оборотов мешалки при взвешивании твердых частиц // Тез. тр. 3 ВНК «Теория и практика перемешивания в жидких средах»– М., 1976. – С. 81 –82.
9. Jie W., Jongang Z., Pullum L. The effect of impeller pumpind and fluid vheology on solids suspension in a stirred vessel // Can. J. Chem. Eng., vol. 79, №2, 2001. –P. 177-186.
10.Глуз М.Д. О радиальной скорости течения перемешиваемой жидкости // Тез. тр. 3 В НТК «Теория и практика перемешивания в жидких средах». – М., 1976.– С. 5-7.