Перемешивание сыпучих продуктов

Для перемешивания сыпучих продуктов применяют в основном два способа – гравитационный и принудительный (механический). Первый осуществляется под действием сил тяжести в барабанных, лотковых и бункерных смесителях, второй в шнековых и лопастных.

Вибрационное воздействие на перемешиваемые материалы и рабочие органы смесителя значительно увеличивает производительность процесса, снижает энергоемкость и улучшает качество смеси. При этом вибрация в одних случаях может лишь интенсифицировать основной процесс (например, вибрирование шнека в шнековом смесителе), в других – вызывать специфические вибрационные эффекты, которые используются для перемешивания (например, циркуляционное вибротранспортирование смеси внутри цилиндрического или торообразного сосуда). Процесс перемешивания с наложением вибраций сопровождается, кроме того, дополнительными эффектами разрушения зерен, обнажением дополнительных поверхностей, разрушением когуляционных структур, увеличением диспергирования твердых частиц и газа, т. е. активизацией смеси.

Процесс перемешивания органически присущ сыпучему материалу, подвергаемому вибрации. Вибрационные импульсы вызывают хаотические столкновения частичек материала, разделение их по форме, плотности и размерам, разрушение сложившихся конгломератов, уменьшения трения между частицами. Перемешивание происходит практически в любом процессе, где используется вибрация, однако качественное перемешивание получается только в специальных устройствах с целенаправленной вибрацией.

Степень интенсивности зависит от параметров вибрации, размера и плотности частиц, воздухопроницаемости слоя, высоты слоя, влажности коэффициента трения, размеров и формы рабочей камеры. Процесс перемешивания обусловливается главным образом пульсирующим движением газа внутри вибрирующего слоя, которое возникает в результате образования под ним вакуума и фильтрования газа через слой материала. Возникающие при этом потоки и пузыри газа увлекают частицы сыпучего материала и создают интенсивное перемещение слоев. В аппаратах небольших размеров материал у стенок, где вследствие трения частицы движутся медленнее, перемещается вниз, а в центре – вверх. В сосудах больших размеров возникает много центров циркуляции, материал у стенок также движется вниз вместе с засасыванием под слой газом.

Для перемешивания в вакууме используют установки, в которых процесс происходит в результате вибротранспортирования (например, по лотку со ступеньками).

Схема движения компонентов смеси при объемном способе перемешивания в тороидальных камерах, которые помимо колебаний в горизонтальной плоскости совершают угловые колебания в вертикальной плоскости, представлена на рис. 1. Смесь в таких аппаратах движется по спиралеобразным траекториям вдоль внутренних стенок, при этом перемешивание в горизонтальном сечении потока смеси пропорционально расстоянию частицы от центра аппарата, а перемещения в вертикальном сечении постоянны для всего объема. В отличии от плоскопараллельного движения смеси в вертикальной плоскости такое пространственное винтообразное перемещение материала обеспечивает лучшее взаимопроникновение частиц между слоями смеси.

Перемешивающий эффект можно увеличить, если в цилиндрическую камеру поместить вращающийся шнек или лопастной вал. При таком способе в интенсивном режиме вибрации камеры вращение лопастей играет второстепенную роль. Изменяя направление вращения лопастей, можно усиливать движение смеси или препятствовать ему и существенно влиять на процесс перемешивания. Для интенсивного режима вибрации общее движение смеси в камере и частичное между компонентами создается в результате вращения лопастного вала. Вибрация используется как второстепенное, дополнительное средство, приводящее к разрушению внутренних связей между частицами, уменьшению трения между ними, снижению структурной вязкости, в результате чего каждая частица смеси получает возможность диффундировать в другие компоненты. Виброперемещение в таких аппаратах, также как и в устройствах со свободным объемом камеры, сопровождается дополнительной активизацией смеси.

Смесители для перемещения сухих сыпучих пищевых продуктов подразделяются на вращающие и транспортирующие. К вращающимся смесителям относятся барабанные смесители различных типов, конические, смесители с вращающимися кубами и т.д. К транспортирующим смесителям для сухих сыпучих продуктов относятся ленточные, лопастные и шнековые смесители, V-обазные, типа "пьяная бочка", плугообразные. Рабочими органами транспортирующих смесителей могут быть шнеки, в том числе ленточные, или лопасти, закрепленные на валу.

В настоящее время в пищевой промышленности применяются следующие виды смесителей.

1. Конические смесители. Состоят из двух усеченных конусов, соединенных цилиндрической обечайкой. В конических смесителях эффективность смешивания достигается благодаря перемещения продукта вдоль вертикальной оси, с изменением (расширением, сужением) площади смешивания.

2. Смесители Y-образной формы с двойным сосудом, с углом при вершине 90°. В этом смесителе перемешивание сыпучего продукта путем его пересыпания дополняется разделением массы продукта на две части и обратного совмещения в один объем (который может быть отсоединяющимся).

3. Смесители типа "пьяная бочка". При каждом обороте барабана такого смесителя продукт дважды пересыпается в вертикальной плоскости, смещаясь при этом в осевом направлении и тем самым обеспечивая быстрое, качественное и бережное смешивание.

4. Барабанные смесители. Смешиваемый материал перемещается по внутренней поверхности барабана смесителя. При перемещении внутри барабана материал встречает на своем пути лопасти, укрепленные внутри бункера смесителя, поднимаясь на определенную высоту, продукт пересыпается сверху вниз барабана. Таким образом, в аппарате создается интенсивная циркуляция сыпучего материала, способствующая его быстрому и тщательному смешиванию. Смесь выгружается через загрузочный люк смесителя.

5. Кубические смесители. Применение кубической формы сосуда вместо цилиндрической объясняется тем, что в длинных цилиндрических барабанах труднее обеспечить равномерное смешивание и быструю разгрузку. Смешивание во вращающихся кубах весьма эффективной его можно еще более интенсифицировать с помощью установки лопастей, вращающихся в направлении, противоположном вращению куба.

6. Смесители универсальные в транспортной цилиндрической таре. Состоят из опоры-вращателя, вращающейся рамы с держателем, и собственно транспортной тары. Вращающаяся рама закрепляется на вертикально установленную транспортную тару. Затем рама опрокидывается и закатывается на опору-вращатель. Ролики опоры состоят из ведущего и ведомого. Ведущий ролик приводится в движение прикрепленным к опоре мотор-редуктором. Частота вращения вала мотор-редуктора может регулироваться частотным преобразователем. Ролики приводят во вращение раму с закрепленной на ней транспортной тарой. Продукт находящийся внутри тары приходит в хаотическое движение, способствующее эффективному смещиванию. Преимущества: помогает избежать перетаривания .

7. Смесители сыпучих материалов центробежного действия. Смешиваемый материал перемещается по внутренней поверхности конуса смесителя снизу по радиальной образующей под действием центробежных сил инерции. При перемещении внутри конуса материал встречает на своем пути лопасти, укрепленные внутри бункера смесителя. Таким образом, в аппарате создается интенсивная циркуляция сыпучего материала, способствующая его быстрому и тщательному смешиванию.

8. Ленточные смесители. Смешивание производится ленточными спиралями, которые не только перемешивают, но и передвигают смешиваемый материал. В смесителях непрерывного действия лопасти закрепляются на валу по винтовой линии, что обеспечивает одновременное перемешивание и перемещение продукта вдоль вала. Смесители могут быть как одинарными, так и двойными и более, а также равнонаправленными.

9. Шнековые смесители. Могут быть периодического и непрерывного действия. Рабочий орган – шнек. Основным преимуществом является бережное перемещение продукта без нарушения целостности структуры кусочков. Транспортеры такой конструкции отличаются достаточно высокой производительностью. Продукт загружается через загрузочное отверстие, подхватывается лопастями шнека и перемешается к выгрузочному отверстию. Перемещение может производится как горизонтально, так и под углом к поверхности .

10. Двухроторные смесители непрерывного действия.

Предназначены для смешивания сыпучих материалов в потоке. В корпусе специальной формы установлены два вала с лопатками (роторами), придающими продукту одновременно вращательное и поступательное движение от входного к выходному патрубку. Смешивание происходит благодаря вращению валов навстречу друг другу.