Amestecarea Operatii unitare

8/13/2019 Amestecarea Operatii unitare

1/21

1

Operatii de amestecare


2/21

2

Operaia de amestecare este procesul de omogenizare a dou sau mai multefaze sau substane, pentru a obine un produs final omogen din punct de vederemecanic i/sau din punct de vedere termic. Amestecarea are ca scop distribuiareciproc a fazelor constituente. Amestecarea perfect a mai multor este starea ncare volume infinitezimale prelevate din amestecul final, luate din orice punct alsistemului prezint aceeai compoziie i aceeai temperatur.

Operaia de amestecare se realizeaz n dou faze: n prima faz se obine oamestecare n jurul dispozitivului de amestecare introdus n masa de material,cunoscut sub numele de amestecare local, iar n cea de-a doua faz se observantrenarea ntregii mase de material supus amestecrii, numindu-se amestecaregeneralizat. Cele dou faze ale amestecrii, faza local i faza general, suntntlnite n toate operaiile de amestecare, avnd importana lor specific nvederea obinerii produsului final.

Realizarea operaiei de amestecare

n cadrul procesul de amestecare deplasarea relativ a straturilor componentedin masa sistemului se realizeaz prin intermediul dispozitivului de amestecare, ndou etape:

- amestecare local(prima etap), care se realizeaz n apropiereadispozitivului de amestecare i care se bazeaz pe formarea unor zonemici de amestecare n care iau natere cureni turbionari cu viteze diferiteca mrime i direcie ce duc la deplasarea unor volume de faze. Metodade punere n micare a fazelor i meninerea lor n stare de micare esteinfluenat de natura fazelor i de proprietile fizice ale acestora.

Amestecarea local se realizeaz cu viteze mari;- amestecare general(a doua etap), volumele de materiale supuse

amestecrii, aflate n apropierea dispozitivelor de amestecare, antreneazalte volume vecine de materiale. Amestecarea general se realizeaz cuviteze reduse.


3/21

3

n urma experimentelor, s-a constatat c forma dispozitivului deamestecare influeneaz operaia de amestecare, forma dispozitivului alegndu-se n funcie de natura fazelor ce se amestec i de energia ce trebuie transmis noperaia respectiv.

n cazul operaiei de amestecare realizat cu dispozitive mecanice, prinrotirea dispozitivului, asupra fazelor se exercit o presiune i se creeaz o micarea fazelor dup trei direcii (fig. 1.1):

radial,cnd fazele se deplaseaz perpendicular pe peretele vasului; longitudinal,paralel cu axa de rotaie a dispozitivului de amestecare; tangenial la cercul descris de dispozitivul de amestecare n micarea de

rotaie.n cadrul amestectoarelor la care dispozitivul de amestecare este dispus

central (axa vasului de amestecare fiind coaxial cu axa dispozitivului de

amestecare), amestecarea se realizeaz datorit componentelor forei deamestecare care acioneaz n direciile radial i longitudinal. Componentatangenial dezvolt cureni de curgere a produsului dup traiectorii circulare,concentrice, pornind de la axul dispozitivului pn la peretele vasului deamestecare i invers.

n acest caz, curgerea produsului este laminar i realizeaz alunecareastraturilor de produs unele peste altele. n centrul vasului se formeaz o cavitaie,straturile de produs fiind mpinse spre peretele vasului de amestecare. Straturileperiferice superioare, mpreun cu o cantitate de aer cald sunt ncorporate n

produs prin amestecare, ceea ce duce la mrirea volumului produsului datoritaerului ncorporat.

Fig. 1.1. Direciile de deplasare ale produsului n vasul de amestecare:

R curgere radial, l - curgere longitudinal, T curgere tangenial.

R L T


4/21

4

La amestectoarele cu palet de regul axul se monteaz central i are oturaie mic. Componenta tangenial i cea radial ale deplasrii fazelor suntrelativ mari, pe cnd componenta longitudinal este redus. Se obin rezultate mai

bune n cazul montrii unui agitator cadru care reduce posibilitatea depuneriiprodusului pe pereii vasului, deoarece aceste palete se comport ca o raclet.

Pentru a analiza curgerea fazelor newtoniene n vasul de amestecare se are nvedere o geometrie simplificat a relaiei vas de amestecare dispozitiv deamestecare, considernd c dispozitivul de amestecare are o micare relativ fade vasul de amestecare staionar.

Dispozitivul de amestecare transmite micarea prin presiunea paletelorexercitat asupra fazelor aspirate pe la partea superioar a vasului de amestecare,acestea prezentnd o curgere axial (n direcia de micare a dispozitivului deamestecare).

n industria alimentar operaia de amestecare se utilizeaz pentru: realizarea omogenizrii proprietilor unui sistem eterogen, pentru obinereaunor emulsii sau suspensii; intensificarea reaciilor chimice i biochimice; intensificarea schimbrii strii fizice (dizolvarea sau cristalizarea operaii cu

transfer de mas); intensificarea aciunii de transfer a cldurii ntre sistemele cu temperaturi

diferite; separarea fazelor unui amestec (ex. obinerea untului prin separarea grsimii

din smntn);

formarea amestecurilor de particule solide (ex. formarea amestecurilor desrare n stare uscat); amestecarea n faz lichid solid (ex. formarea saramurilor simple i a celor

cu suspensie de amidon sau cu suspensie proteic);pentru realizarea emulsiilor de tip ulei/ap necesare fabricrii prospturilor

dietetice (amestecare lichid-lichid); amestecarea n faz lichid-solid cu schimbare de faz.

Factorii care influeneaz operaia de amestecare

Fazele supuse operaiei de amestecare sunt faze fluide sau faze constituitedin particule solide. n vederea realizrii operaiei de amestecare fazele fluide seimpart n newtoniene i nenewtoniene. Din categoria lichidelor newtoniene fac


5/21

5

parte gazele i lichidele, care sunt caracterizate prin: vscozitate, densitate,difuziune, solubilitate reciproc. Din a doua categorie fac parte fluidelenenewtoniene, care sunt caracterizate prin: densitate, vscozitate manifestat decele mai multe ori prin consisten i coeziune.

Operaia de amestecare presupune cunoaterea proprietilor produselorsupuse amestecrii, deoarece acestea influeneaz n mod direct eficacitatea deamestecare (exprimat prin omogenizarea concentraiei, cmpul de temperatur),ieconomic, prin energia consumat. Se impune cunoaterea acestor proprieti

pentru a putea stabili metoda de amestecare, tipul de amestector, numrul imodul de dispunere a dispozitivelor de amestecare n vasele de amestecare.

Factorii care influeneaz modul de desfurare a operaiei de amestecare,pot fi clasificai astfel :

a)Factori referitori la fazele primare supuse operaiei de amestecare: natura constituenilor; starea fizic a constituenilor;proprietile constituenilor:

densitatea; solubilitatea; vscozitatea (consistena); tensiunea superficial a fazelor; granulometria i forma constituenilor (pentru sisteme finale de tip

solidlichid, lichidsolid, solidsolid); umectabilitatea (pentru fazele solide).

b) Factori referitori la amestecul final realizat n urma operaiei deamestecare:

proprietile sistemului final: densitatea; vscozitatea; tensiunea superficial;

gradul de omogenizare.c)Factori referitori la modul de desfurare a operaiei de amestecare:

regimul de funcionare al dispozitivului de amestecare;bilanul de constitueni n amestec; durata amestecrii (pentru regimul intermitent de funcionare); temperatura de lucru; scopul urmrit; tipul amestectorului;puterea necesar pentru obinerea sistemului final;


6/21


7/21

7

Densitatea lichidelor

n cazul unui lichid eterogen densitateavariaz n diferite puncte :

( )

formndu-se un cmp de densitate. Variaia densitii, respectiv eterogenitatea

cmpului de densitate poate fi cauzat fie de impuritile coninute de lichid, fie

de diferenele de temperatur ntre diverse puncte ale lichidului.

Greutatea specific a lichidelor

n cazul unui lichid omogen, greutatea specific este greutatea unitii devolum de lichid:

(kg/m2s2)

n care:G este greutatea lichidului, kg;Vvolumul ocupat de lichid, m3; densitatea lichidului, kg/m3;gacceleraia gravitaional; m/s2

Greutatea specific variaz cu presiunea i temperatura n mod similar cudensitatea. Pentru lichide, cu o aproximaie foarte bun, se poate consideragreutatea specific constant n raport cu variaiile temperaturii i presiunii.

Compresibilitatea lichidelor

Dac un lichid este comprimat, iar apoi presiunea revine la valoarea sainiial, se constat c lichidul revine la volumul iniial. Proprietatea numit


8/21

8

elasticitatea lichidului, este caracterizat prin coeficientul de elasticitate volumic,Kv:

Proprietile mecanice ale lichidelor

Cele mai importante proprieti mecanice fac parte din grupa solicitrilormecanice, respectiv: rezistena la forfecare i rezistena la deformare.

Rezistena la solicitri mecanice

n industria alimentar, materiile prime sunt supuse procesului de prelucrarepentru obinerea produsului finit. n timpul procesului de prelucrare, materiileprime sufer modificri de form i de volum sub aciunea forelor exterioare.

Forele care acioneaz se numesc solicitri.Asupra unui corp pot aciona fore exterioare, concentrate sau repartizate saumomente volumice, fore de inerie, fore centrifugale, fore produse de un cmpmagnetic sau termic etc. Ansamblul forelor aplicate unui corp, fore ce acioneazasupra volumului sau pe suprafa, l pot solicita la forfecare, traciune,compresiune, torsiune i ncovoiere. n cazul amestecurilor nenewtoniene,forfecarea (modificarea formei, pstrarea dimensiunilor) st la baza curgerii acestor

produse.Efectele solicitrii constau din deformaii i viteze de deformare. Descrierea

cantitativ a procesului de deformare se realizeaz cu ajutorul unor ecuaii ecuaiireologicecare coreleaz solicitarea cu mrimea efectelor provocate (rezistena laforfecare, rezistena la deformare deformaia, viteza de deformare) i proprietilecorpurilor.

Rezistena la forfecare

Tensiunea creat n masa amestecului prin starea de solicitare de forfecareare o importan deosebit n procesul de amestecare influennd direct: consumulde energie, gradul de omogenizare, uzura dispozitivului de amestecare etc.

Se consider un corp de suprafa A, asupra creia acioneaz o for Funiform distribuit. RaportulF/A definete noiunea de tensiune. Pentru a cunoatestarea de tensiune n vecintatea unui punct nseamn a se cunoate tensiunile careacioneaz pe toate elementele de suprafa care trec prin acel punct.

Asupra elementului de volum de form paralelipipedic A (fig. 2.1), separatdin mediul continuu, pot aciona 18 tensiuni: 6 normale i 12 tangeniale.


9/21

9

Tensiunile normale genereaz deformaii de volum, iar cele tangeniale, deformaiide form.

Tensiunile de pe suprafeele elementului de volum, la limit, definesc stareade tensiuni sau de solicitare din punctul n jurul cruia a fost separat elementul devolum. Acestea se scriu sub forma unei matrice ptrate, care reprezint tensorultensiunilor.

zzyzx

yzyyx

xzxyx

ij

Convenional se admite c: tensiunile x, y, z sunt pozitive atunci cndproduc ntindere.

Tensiunile tangeniale sunt pozitive dac: tensiunea i normala exterioarsuprafeei pe care acioneaz tensiunea sunt ndreptate, ambele, ctre sensul pozitivsau ambele ctre sensul negativ al axelor cu caresunt paralele (acelai semn).

Tensiunile tangeniale sunt negative dac tensiunea i normala exterioarsuprafeei pe care tensiunea acioneaz sunt ndreptate una ctre semnul pozitiv icealalt ctre semnul negativ al axelor cu care sunt paralele (semne contrare).

Fig. 2.1. Solicitarea unui element de volum separat dintr-un mediu continuu.

z x

yy

x z

xz

O

zx

yz

y

z

xz

x


10/21

10

Rezistena la deformare

Deformaia, , reprezint modificarea formei sau/i a volumului unui corpsub aciunea solicitrilor mecanice externe. Prin deformare se modific poziiarelativ a elementelor constituente. Deformaia poate fi elastic i se recupereazdup ndeprtarea solicitrii sau poate fi vscoas irmne nerecuperat .

O alt categorie de corpuri care posed numai elasticitate (ntrziat) sauelasticitate i vscozitate, prezint deformaii care depind de mrimea solicitrilori de timp. Fenomenul de deformare a acestor corpuri se numete fluaj, iar cel de

recuperare a unei pri din deformaie, fluaj invers.

Viteza de deformare

Sub aciunea unor solicitri externe toate corpurile se deformeaz. Mrimeadeformaiei i a vitezei de deformare depind de mrimea solicitrii i de

proprietile reologice ale corpului.n cazul produselor agroalimentare vscoase supuse la solicitri, acestea se

deformeaz continuu n timp, deformaia este dependent de tipul de solicitare.

Viteza de deformare saugradientul de vitez mai poart denumirea i dereopantidepinde de mrimea solicitrii.Viteza de deformare pe direciaxeste:

t

uv xx

Aceasta nu reprezint o mrime obiectiv din punct de vedere al reologiei.

Gradientul de vitez sau viteza de deformare este:

x

vxxx

Tensorul gradienilor de vitez se descompune ntr-un tensor sferic i undeviator:


11/21

11

ijijij

0

mzzyzx

yzmyyx

xzxymx

m

m

m

ij

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

00

00

00

Se mai poate scrie corelaia dintre gradientul de vitez i deformaiaspecific, sub forma:

ijijdt

d 2

n cazul forfecrii simple, gradientul de vitez este:

dy

dv

dt

d xx

2.3. Proprietile reologice ale lichidelor supuse

procesului de amestecare

Reologia consider c orice produs real prezint concomitent, n anumiteproporii, proprietile reologice fundamentale de elasticitate, de vscozitate i deplasticitate. Din acest punct de vedere, corpurile se deosebesc ntre ele prinproporia n care se manifest fiecare din aceste proprieti fundamentale ncomportarea reologic a corpurilor respective. Acest lucru este schematizat prindiagrama ternar (fig. 2.2).

n diagrama ternar, n vrfurile triunghiului echilateral se prezintprodusele care au proprietile: pur elastice (E), pur vscoase (V) i pur plastice(P).

Punctele de pe fiecare latur a triunghiului echilateral, reprezint produselecare mbin n diferite proporii cte dou din proprietile reologice fundamentaleale produselor reprezentate n vrfurile triunghiului. Din acest punct de vedereexist produse vscoelastice, vscoplastice i elastoplastice. Spre exemplualuaturile glutenoase (de panificaie sau patiserie) fac parte din categoria

produselor vscoelastice iar cremele fierte pentru produse de patiserie i aluaturilezaharoase fac parte din categoria produselor elastoplastice.


12/21

12

Punctele situate n interiorul triunghiului reprezint produse ce prezintconcomitent n diferite proporii cele trei proprieti fundamentale ale materialelor,acestea purtnd denumirea de materiale vscoelastoplastice.

Fig. 2.2. Diagrama ternar a comportrii reologice a corpurilor.

2.3.1. Tensiunea superficial aparent

Forele care acioneaz n amestecurilor bifazice i polifazice pot ficonsiderate global prin efectul lor cumulativ al aciunii simultane a fazelor lantregul ansamblu acionnd ntr-un singur mediu cu proprieti aparente sauechivalente.

Tendina de reducere a ariei suprafeei libere a unui lichid se datoreaz striide tensiuni n care se gsete membrana subire de la interfaa gaz -lichid. Lichiduleste n echilibru dac energia superficial (o form de energie potenial) este

minim.Tensiunea superficial este definit prin lucrul mecanicefectuat de foreletangeniale pe o suprafa unitar. Tensiunea superficial, interfacial este oconstant fizic dependent de sistemul celor dou corpuri care vin n contact i detemperatur, dac nu apar procese de transfer de mas .

2.3.2. Elasticitatea

Elasticitatea se definete ca proprietatea unui produs deformabil de anmagazina n mod reversibil energia de deformaie. Un astfel de produs estecapabil s se deformeze sub aciunea sarcinilor exterioare, revenind la forma imrimea iniial dup ncetarea aciunii acestor sarcinii. Corpul care etaleazasemenea proprieti este solidul elastic Hooke.

Modelul matematic al legii lui Hooke pentru alungiri se exprim prin relaia:

E

P

E V


13/21

13

iar pentru torsionri se exprim prin relaia: G

n care: este tensiunea normal, Pa;Emodulul de elasticitate longitudinal, Pa; alungirea relativ; tensiunea de forfecare, Pa;Gmodul de elasticitate transversal, Pa; deformaia specific.

2.4Tipuri de amestectoare pentru produse lichide

Multe produse alimentare sunt obinute prin dispersarea fin a unei faze(solid, lichid, gazoas) n mediul de dispersie lichid, operaia putndu-se realiza

prin: amestecare mecanic, amestecare prin circulaia lichidelor, amestecare cuajutorul gazelor prin barbotare].

2.4.1. Dispozitive de amestecare mecanice

n cazul amestecrii mecanice se folosesc diferite dispozitive de amestecareaflate n micare n interiorul unui recipient, realiznd antrenarea lichidului ntr-o

micare complex, cu componente pe trei direcii: radial, longitudinal,tangenial [14].Transmiterea micrii de la dispozitivul de amestecare la lichid se realizeaz

pe baza aderenei dintre dispozitivul de amestecare i lichid, iar pe urm nvolumul de lichid, prin coeziunea molecular.

Dispozitivele de amestecare pot fi clasificate dup [14]: forma constructiv: cu palet (fig. 2.9)

a) b)Fig. 2.9. Dispozitive de amestecare cu palet [16]:


14/21

14

a - cu palet simpl; b - cu palet dubl.

cu cadru (fig. 2.10);

Fig. 2.10. Dispozitive de amestecare cu cadru [16]:

a - cu cadru simplu; b - cu cadru rigidizat.

cu brae (fig. 2.11);

a) b)

Fig. 2.11. Dispozitive de amestecare cu brae [16]:

a - cu dou brae plane netede sau nervurate;b - cu trei sau mai multe braenetede sau nervurate.

cu ancor (fig. 2.12);


15/21

15

a) b)

Fig. 2.12. Dispozitive de amestecare cu ancora [16]:

a) cu ancor simpl; b) cu ancor dubl. cu elice (fig. 2.13);

a) b)

Fig. 2.13. Dispozitive de amestecare cu elice [16]:

a - cu trei pale cu suprafa elicoidal; b - cu trei pale cu suprafa plan.


16/21

16

cu turbin (fig. 2.14);

a) b) c) d)Fig.2.14. Dispozitive de amestecare cu turbin [7]:

a) cu turbin deschis; b) cu turbin nchis; c) cu turbin sub form de disc cupalete drepte; d) cu turbin cu palete curbe.

elicoidale (fig. 2.15);

a) b)

Fig. 2.15. Dispozitive de amestecare elicoidale [16]:


17/21

17

a) cu melc; b) cu dou benzi elicoidale cu pas egal.

cu brae curbate tip IMPELLER (fig. 2.16);

Fig. 2.16. Dispozitive de amestecare cu brae curbate tip IMPELLER [16].

-turaia de lucru:

dispozitive de amestecare lente (cu turaie mic) amestectoare cupalet, cu cadru, cu brae, tip ancor, elicoidale, care realizeaz amestecare nregim de curgere tranzitoriu sau laminar; dispozitive de amestecare rapide (cu turaie mare): amestectoare cuelice, cu turbin, cu disc, care realizeaz amestecare n regim de curgere tranzitoriusau turbulent. spectrul de curgere predominant pe care l produc: dispozitive de amestecare pentru curgerea predominat tangenial (cu

palet, sau cu brae drepte); dispozitive de amestecare pentru curgerea preponderent dup direciaradial (cu turbin); dispozitive de amestecare pentru curgerea preponderent dup direcialongitudinal (cu elice, tip elicoidal).

Alegerea formei geometrice a recipientului sau a vasului de amestecare, n

cazul lichidelor se alege n funcie de tipul dispozitivului de amestecare (fig. 2.17).


18/21

18

a) b)

c) d)

Fig. 2.17. Tipuri de vase de amestecare [16]:

a) vas cu fund conic i dispozitiv de amestecare cu grilaj; b) vas cu fund conic i

dispozitiv de amestecare cu mai multe rnduri de brae cu micare planetar; c)

vas cu fund tronconic i dispozitiv de amestecare cu trei rnduri de palete i


19/21

19

rzuitori; d) vas cilindric i dispozitiv de amestecare orizontal cu trei rnduri de

palete.

Puterea necesar procesului de amestecare

La calculul puterii consumate n cazul amestecurilor finale nenewtoniene, oimportan major o reprezint vscozitatea aparent, deoarece aceste amestecurise caracterizeaz, din punct de vedere reologic, prin consisten (vscozitatea lorvariaz cu gradientul de vitez sau/i cu durata aciunii tensiunii deformatoare).

Aceast vscozitate nu este msurabil direct, una din metodele pentru

determinarea sa fiind urmtoarea: presupunndu-se c micarea nenewtonianuluipseudoplastic sau plastic Bingham, poate fi caracterizat prin gradientul mediu devitez proporional cu viteza dispozitivului de amestecare, exist posibilitatea s sedetermine acest gradient de vitez dac se cunosc turaia ni constanta ka, pe bazarelaiei de calcul a gradientului de vitez [32]:

am

kndr

dv

unde:

mdr

dv

reprezint gradientul de vitez mediu pentru determinarea vscozitii

aparente, s-1;

nturaia dispozitivului de amestecare, rot/s;

kaconstant n funcie de tipul amestectorului.

Este necesar ca dependena dintre gradientul de vitez i tensiuneatangenial s fie determinat ntr-un vscozimetru, iar de aici este posibil s sedetermine vscozitatea aparent a pentru gradientul de vitez dat.

Pentru aprecierea caracterului nenewtonian al sistemului final nenewtonian,s-a stabilit indicele de comportare la curgere, notat cuai determinat prin ecuaia:


20/21

20

a

dr

dvk

unde:reprezint tensiunea tangenial, N/m2

kcoeficientul de consisten, N sn/m2

Prin dezvoltarea expresiei pentru numrul lui ReynoldsRei introducereavscozitii aparente, s-a obinut ecuaia pentru calculul puterii consumate, nforma urmtoare [31, 32]:

321 071 dnN a (Nm/s)

n care:

a reprezint vscozitatea aparent structural, Pas;

ddiametrul amestectorului, m;

nturaia amestectorului, rot/s.

Pentru regiunea de tranziie i pentru nceputul turbulenei, ecuaiilerespective, valabile pentru sisteme nenewtoniene, sunt folosite mpreun cuvaloareaKp i panta adin figura 2.17.

Pentru amestecuri dilatanteapare o dependen ntre tensiunea tangenial iraportul diametrului amestectorului i al vasului de amestecare, aceastdependen a fost descris cantitativ prin relaia [7, 99]:

5,0

38

D

d

ndr

dv

m

n care:

dv/drreprezint gradientul de vitez, s-1;


21/21

21

mpanta, m;

nturaia dispozitivului de amestecare, rot/s;

ddiametrul descris de dispozitivul de amestecare, m;

Ddiametrul recipientului, m.

Fig. 2.18. Diagrama de variaie a criteriului Kp al puterii n funcie de criteriul lui

Reynolds pentru sisteme finale nenewtoniene [32].

Energia consumat n timpul procesului de amestecare este dat de relaia:

amtNE 1 (J)

n care:

E este energia necesar operaiei de amestecare;

N1puterea consumat;

1 2 3 5 7 10 2 753 102 Re

2

3

7

10

2

5

7

102

Ke

Curbcorespunztoare

Amestecarea Operatii unitare

Documents

Transcript of Amestecarea Operatii unitare