TEHNOLOŠKE OPERACIJE - vpps.edu.rs operacije/TO_Predavanje_04... · Sa hidrodinamičkog gledišta,...
Transcript of TEHNOLOŠKE OPERACIJE - vpps.edu.rs operacije/TO_Predavanje_04... · Sa hidrodinamičkog gledišta,...
TEHNOLOŠKE OPERACIJE
Predavanje 4
MEŠANJE
I
MEŠENJE
MEŠANJE
Mešanje je tehnološka operacija kojom se smanjuje koncentracijskiili temperaturni gradijent, ili oba istovremeno.
Medijum je savršeno pomešan ako se u beskonačno malomvolumenu smeše, komponente ravnomerno rasporede i imajujednake temperature.
Primena mešanja:
Prehrambena industrija (za izradu smeša,
suspenzija, emulzija, rastvora, itd.)
Farmaceutska industrija
Brzine strujanja tečnosti tj. od vrednosti Re-broja
Geometrijske dimenzije suda
Kod laminarnog strujanja beznačajan je učinak mešanja
Kod turbulentnog strujanja nastaju vrtlozi (jedan sloj prelazi u drugi - zavisno od stepena turbulencije) pri čemu nastaje mešanje
Tečnost prilikom mešanja može strujati laminarno i turbulentno
Sa hidrodinamičkog gledišta, mešanje
je opticanje fluida oko lopatice mešalice
Sa porastom brzine obrtaja lopatice, sile inercije rastu i poprimajuvrlo velike vrednosti
Granični sloj tečnosti se otkida sa površine lopatice,
zbog čega iza lopatice
nastaju vrtlozi
(Re < 50)
(Re > 50)
Najveća brzina strujanja tečnosti je na rubovima lopatica
Po Bernoulli-ju, pritisak na rubovima je manji nego u tečnosti koja senalazi ispred lopatice
Razlika pritiska na strani nastrujavanja tečnosti na lopaticu i pritisakna suprotnoj strani lopatice savladava se snagom koja se dovodi navratilo mešalice
Snaga P za mešanje određuje se za poznate dimenzije dm i brojobrtaja n mešalice, kao i za poznata fizička svojstva fluida
Često se u tehnici mešanja, kao kriterijum sličnosti uzima Re-broj
U Re-broj, osim poznatih fizičkih parametara, ulazi dm (prečnikmešalice, lopatice, propelera, turbine) i w (obimna brzina)
mdw'Re ndw m
ndm
2
Re
ndm
2
Re se izostavlja zbog pojednostavljenja
White je eksperimentalno ustanovio da je prilikom mešanja strujanjetečnosti laminarno za Re < 50, odnosno turbulentno za Re > 50
Snaga mešanja:
53' mdnKP
K - konstantaλ‛ - koeficijent trenja
35
2 ndKKP m W
2KK - konstantna veličina za određeni tip mešalice
Jednačina za snagu mešanja može imati sledeći oblik:
White je ogledima dokazao da se pri mešanju lopatastim mešalicamakoje su ugrađene u sud bez odbojne pregrade, može grafičkiprikazati zavisnost λ‛ od Re-broja
Zavisnost λ’ od Re-broja
1 10 102
103
104
105
106
Re
0,1
1
10
100
' Re' f
Na snagu mešanja utiču sledeći parametri:
Prečnik suda da
Visina tečnosti zt
Visina lopatice, propelera ili turbine z
Pri turbulentnom kretanju i velikom Re-broju (Re > 104) koeficijenttrenja λ‛ je:
14,0
'
Re
3,2
Pri turbulentnom kretanju koje se ređe susreće (Re < 104) koeficijenttrenja λ‛ je:
22,0
'
Re
4,4
Pri laminarnom strujanju (Re < 50) koeficijent trenja λ‛ je:
Re
70'
Optimalni broj obrtaja se postiže onda kada je radijalna komponentabrzine čestica jednaka ili veća od brzine taloženja
Optimalni broj obrtaja mešalice zavisi od:
Svrhe mešanja
Tipa mešalice
Linearnih dimenzija mešalice
Optimalan broj obrtaja za pripremu suspenzija:
n0 - optimalan broj obrtaja
dč - prečnik čestica
K4 - konstanta koja zavisi od izrade mešalice (iz tablice)
Ar - Arhimedov broj
b
m
a
m
čm
d
d
d
dArK
dn
5,0
4
2
0Re
Arhimedov broj:
da - prečnik aparature
Δ - razlika gustina čvrste i tečne faze
s, s - gustina i kinematski viskozitet dispergovanog sredstva
s
sadgAr
23
Optimalan broj obrtaja za pripremu emulzija:
We - Weber-ov broj
d - vrednosti u odgovarajućim tablicama
d
m
am
d
d
WeArK
dn
185,0
315,04
2
0 ReRe
TIPOVI MEŠALICA
Po obliku mešalice delimo na:
Lopataste
Propelerske
Turbinske
Prema broju obrtaja:
Sporohodne
Brzohodne
TANGENCIONALNO STRUJANJE TEČNOSTI(LOPATASTA MEŠALICA)
RADIJALNO STRUJANJE TEČNOSTI U SUDU (TURBINSKA MEŠALICA)
AKSIJALNO STRUJANJE TEČNOSTI(PROPELERNA MEŠALICA)
LOPATASTE MEŠALICE
Najjednostavnije su one sa ravnim lopaticama
Mešaju mali deo tečnosti u neposrednoj blizini lopatica
Koriste se u sudu manje zapremine
Imaju mali usisni učinak i neznatno aksijalno strujanje tečnosti
- Koriste se za tečnosti μ = do 1 Pa∙s- Mogu biti postavljene pod uglom (suspenzije sa talogom)
Za suspenzije koje kod grejanja ili hlađenja ostavljaju talog koriste se okvirne mešalice
Planetarne mešalice obrću se oko svoje ose, ali i zbog zupčastog prenosa i oko ose aparata, a koriste se za sudove velike zapremine
Trakaste mešalice koriste se za viskozne tečnosti. Lopatice taru o zidsuda i uklanjaju talog
TURBINSKE MEŠALICE
Sastoje se od jednog ili više rotora (turbina) postavljenih navertikalnom vratilu
Rotor obično ima 6-12 lopatica
Za tečnosti manjeg viskoziteta koriste se rotori sa ravnim lopaticama,a za ostale tečnosti koriste se turbinske mešalice koje pored rotoraimaju i usmerivač
Ovde se tečnost usisava u rotor po osi kroz središnji otvor, a velikombrzinom izlaze iz rotora po obodu, dok se centrifugalnom silompotiskuje u kanal rotora
Smer strujanja se može podešavati od aksijalnog do radijalnog
Koriste se za:
Tečnosti većeg viskoziteta
Pri maloj visini tečnosti u sudu
Za mešanje suspenzija sa čvrstim česticama većih dimenzija
Za intenzivno mešanje velike zapremine tečnosti
PROPELERSKE MEŠALICE
Propeler obično ima 3 lopatice
Broj propelera zavisi od visine tečnosti
Obično se postavljalju pod odredenim uglom u odnosu na osu uređaja (radi poboljšanja mešanja)
Vijci mogu imati stalan ili promenjiv korak
Za potpunije mešanje koristi se stalan vijak, a promenjivi za intenzivno mešanje
MEŠANJE SIPKIH MATERIJALA
Čvrste čestice se takođe podvrgavaju mešanju (mlinarstvo, konditorskaind., ind. dečje hrane, supa, drugih sušenih prehrambenih proizvoda,pri proizvodnji stočne hrane, itd.).
Vrlo je teško izmešati čvrste materije ako se nalaze u finom praškastomstanju. Problem je još veći ako je jedna komponenta u maloj količini.
Postoje diskontinuirani i kontinuirani uređaji.
PUŽNA MEŠALICA
Cilindrično konusna posuda u kojoj se nalazi pužnica i dve cevi.
Pužnica podiže sipku materijuprema gore i vrši mešanje.
LOPATASTA MEŠALICA
Radi kontinuirano.
Sastoji se od bubnja koji miruje.Unutar bubnja rotira poseban bubanj saaksijalnim lopaticama i vratilo sa radijalnim lopaticama, sa različitim brojem obrtaja.
KUPASTA MEŠALICA
Za mešanje malih količina praškastih materijala u veliku količinu praškastih materijala (vitaminizacijabrašna).
Sastoji se od kupastog suda u kome se obrće pužnica oko svoje ose i istovremeno oko ose kupastog suda.
Radi diskontinualno.
MEŠANJE TEČNOSTI I GASA
Kod fermentacije se često u kominu ubacuje vazduh
Vazduh se najčešće uvodi kroz mešalicu usled stvaranja podpritiskaiza lopatica, izazvanog obrtanjem mešalice
Snaga koja se troši za mešanje tečnosti i gasa skoro je jednaka snazikoja se troši za mešanje same tečnosti
Srednji prečnih mehurića d koji nastaje kod mešanja zavisi od:
broja obrtaja mešalice n
linearnih dimenzija mešalice
dinamičkog viskoziteta tečnosti i gasa μ
gustine
površinskog napona tečnosti
Uređaj za raspršivanje gasa
Mešanje tečnosti se može vršiti i ubacivanjem sitnih mehurića gasa(vazduha) ili pare
Takvo mešanje se zove barbotiranje, a uređaji barboteri
Aeracija
MEŠENJE
Mešenje je tehnološka operacijakojom se plastični (testasti)materijali homogeniziraju tj. dovodeu određeno fizičko stanje
Primena u: prehrambenoj ifermentativnoj industriji (ind. hleba,testa, konditorskoj ind., ind. mesa,ind. konzerviranja prehrambenihproizvoda)
Lopatice mesilice istiskuju testo idovode ga u savijanje izvesnombrzinom Šema razdelne površine među
slojevima koji se kreću različitom brzinom
OBLICI RADNIH ORGANA MESILICE
Pri tome lopatice mesilice savladavaju:
silu potiskivanja testa
silu razaranja testa
silu trenja istiskivanog volumena testa o nepokretni deo testa
silu trenja testa o bočne površine lopatice i suda u kome se mesi
Zapremina testa koja se mešanjem dovodi u kretanje, a takođe snagakoju treba dovesti na vratilo mesilice, zavisi od stanja testa
Radni element može biti:
U obliku njihajuće poluge (vertikalnog ili horizontalnog vratila salopaticama različitog oblika)
Dve lopatice u obliku slova Z koje obrću jedna u odnosu na drugu
U obliku pužnice
Vertikalno vratilo sa lopaticom koja se savija planetarno
Brzohodni
Sporohodni
UREĐAJI ZA MEŠENJE
Kontinuirani
Diskontinuirani
POLUŽNA MESILICA
Koristi se u pekarama
Radni element je u obliku poluge koja se složeno kreće
Rade na principu udaranja u testo radnim elementom čime se testo i zagreva pa jepotrebno hladiti plaštmesilice
FLUIDIZACIJA
Razlikuju se tri osnovna hidromehanička stanja fluid-čvrste čestice:
Taloženje
Fluidizacija
Transport fluidom
Taloženje
predstavlja kretanje materijala kroz sredinu koja miruje
Fluidizacija sipkavih materijala
hidromehaničko stanje fluid-čvste čestice koje se ostvaruje za vremestrujanja fluida kroz prostor između čestica materijala koji miruje
Transport fluidom
kretanje sistema fluid-čvrste čestice
Δp
wf
C D
E
F
G
B
wf1 wf2
ck = const.
ck = 0
O
A
Ψ0
H0
I
Ψ > Ψ0
H > H0
II III IV
H0
H
wf
z
Pneum
ats
ko
korito
Flu
id -
lift
Dva
kora
ka n
apre
d –
jedan k
ora
k naza
d
Lete
ći p
neum
ats
ki t
ransp
ort
H0
H
wf
z
Određivanje pada pritiska za vreme fluidizacije
H0 - visina nepokretnog sloja
Ψ0 - poroznost nepokretnog sloja
dp - prečnik kuglica
μ - dinamički viskozitet fluida
w - brzina fluida koju bi imao kada bi proticao kroz praznu kolonu, prečnika D, istim protokom :
Strujanje je laminarno kada je < 5
23
0
2
0
0
1180
pd
w
H
p
Carman-Kozeny-eva jednačinaza laminarno strujanje fluida kroz nepokretan porozan sloj
pdw
00 1
1
1
Re
V
2
4
D
Vw
Burke-Plummer-ova jednačina
za turbulentno strujanje fluida kroz nepokretan porozan sloj
Strujanje je turbulentno kada je > 2000
pd
w
H
p 2
3
0
0
0
175,1
01
Re
Ergun-ova jednačina
za preobražajni režim strujanja fluida kroz nepokretan porozan sloj
Preobražajni režim je za 5 < < 2000
pp d
w
d
w
H
p 2
3
0
0
23
0
2
0
0
175,1
1150
01
Re
Minimalna brzina fluidizacije
u trenutku dostizanja minimalne brzine fluidizacije pad pritiska se možeodrediti iz jednačine:
U zavisnosti od režima strujanja leva strana jednakosti će imatidrugačiji oblik, s tim što će u njima umesto w, figurirati
Za izračunavanje pada pritiska kroz pokretan (fluidizovan) sloj koristi se jednačina:
- poroznost, odnosno visina pokretnog sloja
mfw
001 Hgp p
mfw
Hgp p 1
H,
Poroznost pokretnog sloja:
00 11
H
H
VAŽNO !!!
Mešanje je tehnološka operacija kojom se smanjuje koncentracijski ilitemperaturni gradijent, ili oba istovremeno.
Tečnost prilikom mešanja može strujati laminarno i turbulentno
Optimalni broj obrtaja se postiže onda kada je radijalna komponentabrzine čestica jednaka ili veća od brzine taloženja.
Tečnost prilikom mešanja može strujati tangencijalno, radijalno iaksijalno
Mešanje tečnosti se može vršiti i ubacivanjem sitnih mehurića gasa(vazduha) ili pare
Takvo mešanje se zove barbotiranje, a uređaji barboteri
Mešenje je tehnološka operacija kojom se plastični (testasti) materijalihomogeniziraju tj. dovode u određeno fizičko stanje.
Fluidizacija sipkavih materijala podrazumeva hidromehaničkostanje fluid-čvste čestice koje se ostvaruje za vreme strujanja fluidakroz prostor između čestica materijala koji miruje.