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.