Curs 10: 1. Cernerea 2. Mărunțirea Materialelor 3. Amestecarea Materialelor

CURS 10 1. Cernerea 2. Mărunțirea materialelor 3. Amestecarea materialelor

1.CERNEREA Operație de separare pe clase granulometrice a materialelor pulverulente Este o operație mecanică, se realizează industrial pe site Separarea se face pe o suită de site cu ochiuri descrescătoare ca diametru. Cele mai mari particule (diametrul mai mare decât ochiurile sitei) vor rămane pe prima sită, celelate vor cădea pe a două sită… Raportul diametrelor ochiurilor sitei curente față de cea anterioară și următoarea sită poate varia de la un standard la altul. Uzual se alege un raport de

2 :1

Masele de particule de pe fiecare sită se cântăresc, iar masa obținută raportată la masa totală, reprezintă fracția de masă din materialul pulverulent cu dimensiuni cuprinse între dimensiunea ochiurilor sitei pe care au rămas și dimensiunea ochiurilor sitei prin care au trecut.

Reprezentari grafice Curba cumulativă

(vezi lucrare laborator)

Curba derivată (diferențială) Mărimi caracteristice: Diametrul median al produsului granular

d50 Reprezintă diametrul până la care se încadrează jumatate din masa totală (diametrul ce corespunde valorii 50 % a curbei cumulative) În figura alăturată d50 = 360mm

Sisteme de site industriale Sitele industriale pot fi: site rotative care sunt cilindri orizontali perforați în care se introduce materialul. Materialul cu dimensiuni mai mici decât ochiurile trece prin sită atunci cand aceasta se rotește. Tamburul este împărțit în câteva secțiuni cu perforații din ce în ce mai mari pentru sortarea pe fracțiuni. sitele vibratoare, vibrate printr-un excentric

Exemple de site

Sită vibratoare

Sită rotativă

2. MĂRUNȚIREA MATERIILOR PRIME Mărunțirea materialelor, divizarea lor prin acțiunea forțelor mecanice, de la unități de volum mai mari la unități de volum mai mici (granule, picături, bule de gaz) se face prin: - pentru solide: măcinare și dezintegrare

- pentru lichide: pulverizare, emulsionare - pentru gaze: dispersare

Măcinarea Scopul măcinarii: a) accelerarea operațiilor fizice (dizolvare, uscare) b) omogenizarea mai ușoară a amestecurilor c) obținerea fineții produselor necesară pentru comercializarea lor În industria alimentară măcinarea este utilizată extensiv în fabricarea făinii. Se utilizează însă și la mărunțirea zahărului, a fructelor și legumelor uscate etc.

Măcinarea reduce dimensiunile materialelor prin fracționarea sub acțiune mecanică a unor părți mobile ale utilajelor de măcinat (mori). Operația de mărunțire necesită energie ridicată. Energia depinde în special de natura materialului: duritate și friabilitate.

Factori care influențeaza măcinarea  Mărunțirea se realizează prin lovire sau comprimare  Energia introdusă se va consuma pentru crearea unor noi suprafețe (suprafața crescută a particulelor mai mici), dar o bună parte se va disipa sub formă de căldură  Bucățile mari rezultate la început provin din mici fisuri în material, aceasta etapă necesită energie mai mică  Între granulele mici există o mărime frecventă care depinde de natura materialului

 Este necesar ca forța aplicată să acționeze o durată mai lungă, timpul de măcinare este un factor important  Umiditatea micșorează eficiența mărunțirii În dimensionarea morilor trebuie să se cunoască proprietățile materialului inițial: (mărimea, forma, densitatea, duritatea, friabilitatea, umiditatea) și proprietățile materialului mărunțit (granulometria produsului, suprafața specifică, forma și structura particulelor)

Estimarea energiei necesare la măcinare Calculul energiei se realizează prin relații simple, neexistând o teorie completă a mărunțirii. În principiu, energia pentru a modifica cu dL dimensiunea L a unor particule este dată de o relație de tip putere:

dE  k Ln dL

(1)

E este energia, L mărimea caracteristică a particulei ce se mărunțește, k și n sunt parametri ce depind de metoda de maruntire si de material.

Formule de estimare a energiei Kick a considerat că energia necesară mărunțirii este direct proporțională cu dL/L (adica n = -1), de aici rezultând că relația de estimare a energiei depinde de logaritmul gradului de măruntire, Li/Lf. E  k  ln

Li Lf

Această lege arată că energia necesară mărunțirii unui material de la o dimensiune Li = 10 cm la Lf = 5 cm este aceeași cu cea a mărunțirii unor particule de 5 mm la 2,5 mm. Rittinger a considerat că energia depinde de raportul noilor suprafețe libere formate, de unde rezultă că “n” în relația 1 este -2 (suprafața depinde de L2)  1 1 E  k'      Lf Li  Această relație arată că pentru mărunțirea particuleleor mici, la același consum de energie ca la mărunțirea particulelor mari, se obține o reducere mai puțin importantă în dimensiune.

Echipamente de mărunțire Mori cu ciocane sau plăci Acţionează prin lovire. Ciocanele fixate pe un rotor ce se învârtește cu viteză mare lovesc materialul de carcasă. Aceste mori pot mărunţi material fibros sau compact. În moara cu plăci materialul este introdus intre doua plăci (una fixă, alta rotitoare) cu spaţiu mic între ele. Materialul este mărunţit prin forfecare și sfărâmare. Plăcile pot fi orizontale sau verticale.

a) Moara cu ciocane, b) Moara cu plăci

Moara cu bile Este utilizată mult la măcinarea fină Este constituită dintr-un tambur rotitor în care se găsesc bile de diferite dimensiuni. Mărunțirea grosieră se realizează prin lovirea bilelor de material, iar mărunțirea fină prin frecarea între material și bile. Se poate măcina uscat sau umed.

Poziția bilelor în tambur la diferite turații

Moara cu bile cu tambur orizontal

3. AMESTECAREA MATERIALELOR Termenul de “amestecare” este aplicat acelor operații care conduc la: – omogenizarea materialului (când există faze dispersate); – reducerea variațiilor în spațiu ale concentrației sau temperaturii

Scop - obținerea unui produs finit cât mai omogen (sosuri, îngheţate etc.) -intensificarea altor procese fizice, chimice sau biochimice -intensificarea transferului de căldură şi/sau de masă în diverse procese -(încălzire/răcire, dizolvare, extracţie, absorbţie etc.)

Cazuri particulare (termeni utilizați în practică) 1. agitare – amestecarea lichidelor sau lichide şi solide atunci când amestecul are vâscozitate mică sau medie 2. malaxare – amestecarea lichidelor cu solide, când amestecul obţinut are vâscozitate mare (paste, aluaturi etc.). 3. omogenizare – reducerea dimensiunilor particulelor fazei disperse la obţinerea emulsiilor. 4. amestecarea (în sens restrâns pentru solide pulverulente).

Utilaje specifice – – – –

Vase cu agitator (agitatoare) Malaxoare Omogenizatoare Amestecătoare

AMESTECAREA LICHIDELOR MISCIBILE Exemple: cupajarea vinurilor şi a băuturilor distilate, diluarea unor soluţii etc. Caracteristici: – de regulă nu implică nici procese de transfer de căldură şi nici reacţii chimice. – procesul poate fi întâlnit şi în cazul în care o singură fază lichidă este agitată în vederea îmbunătăţirii transferului de căldură între lichid şi peretele vasului sau între lichid şi o serpentină imersată în vas – amestecarea poate pune probleme în cazul în care se amestecă lichide cu vâscozităţi mult diferite, precum şi în cazul amestecării unor lichide newtoniene extrem de vâscoase, sau a unor fluide cu comportare nenewtoniană

AMESTECAREA LICHIDELOR NEMISCIBILE Faza discontinuă se dispersează, sub formă de picături mici în faza continuă Aplicații: – prepararea emulsiilor stabile (maioneze, sosuri, dresinguri, paste etc.) Caracteristici: dacă picăturile fazei disperse sunt de dimensiuni foarte reduse, emulsia formată este stabilă un timp considerabil.

AMESTECAREA LICHID-GAZ Aplicații: fermentarea aerobă în vinificație

Scopul procesului este de a produce o suprafaţă mare de contact între faze, prin dispersarea fazei gazoase sub formă de bule în faza lichidă continuă. Caracteristici: dispersiile de G în L sunt instabile şi se separă rapid la încetarea agitării; aceasta în cazurile în care nu se formează spume.

AMESTECAREA SOLIDELOR GRANULARE SAU PULVERULENTE Aplicaţii: în industria alimentară, farmaceutica Factori de care depinde: – proprietăţile particulelor (densitate, mărime, distribuţie granulometrică, formă, proprietăţi superficiale), – diferenţele existente între proprietăţile particulelor componenţilor implicaţi în amestecare.

AMESTECAREA GAZ – SOLID – LICHID Aplicații: hidrogenarea uleiurilor vegetale, cristalizarea prin evaporarea solventului (industria zahărului)

Agitarea lichidelor - Tipuri de agitatoar Agitatoare cu brațe pentru lichide Agitatoarele cu brațe au viteze mici de rotație, opereaza la un raport D/d = 1,5- 2 D este diametrul vasului, iar d este diametrul agitatorului.

Agitator cu elice Se utilizează pentru lichide de vâscozitate joasă, destinat omogenizării suspensiilor solid în lichid.

Agitatoare turbină Agitatorul turbină este singurul agitator de viteză ridicată care induce fluidului o mișcare radială sau, la vâscozități mari, o mișcare tangențială) Este indicat pentru fluide cu vâscozitate mică

Este indicat pentru dispersarea particulelor solide în lichid sau a picăturilor în două faze lichide nemiscibile

Turbină Rushton – 6 lame pe un disc

Tipuri de curgere în agitarea lichidelor Componenta axială vx Vx >> agitatoare cu elice

Componenta radială vr Vr >> agitatoare turbină Componenta tangențială vt Vt >> agitatoare cu brațe Componentele vitezei în câmp centrifugal

curgere axială

Curgere radială

Curgere tangențială

Formarea vârtejului central - În amestecătoarele cu agitator rotativ, cu mărirea turaţiei agitatorului creşte şi forţa centrifugă - Lichidul refulat provoacă ridicarea nivelului la peretele recipientului şi, corespunzător, scăderea nivelului lichidului în jurul arborelui agitatorului (vârtej) și scade eficienţa amestecării - Dacă vârtejul se extinde până la amestecător, acesta începe să vibreze ca urmare a şocurilor produse prin pomparea amestecului lichid – aer având concentraţie, respectiv densitate, variabilă.

Evitarea formării vârtejului - adăugare de şicane Plasarea excentrică a agitatorului

Sisteme de amestecare lichid-gaz

Calculul puterii agitatoarelor Din punct de vedre practic, consumul de putere la amestecare este unul dintre cei mai importanţi parametrii în proiectarea şi alegerea amestecătoarelor. Energia specifică necesară amestecării este raportul între puterea necesară amestecării şi volumul de lichid amestecat și reprezintă un element important pentru ridicarea la scara a procesului de amestecare

P W V P, puterea agitatorului, J/s (Watt) V, volumul de lichid, m3

Calculul puterii agitatoarelor pentru fluide newtoniene Utilizarea relațiilor criteriale

P Eu  5 3 D n 

Eu  k  Ren  Fr m

D2  n   Re   D  n2 Fr  g

Eu (Euler) numit și criteriul puterii, reflectă raportul dintre forțele de frecare și cele inerțiale. Fr (Froude) exprimă raportul între forțele inerțiale și gravitaționale P este puterea necesară D este diametrul agitatorului n este turația agitatorului , densitatea și vâscozitatea fluidului ce se amestecă

Utilizarea diagramelor

Diagrama pentru calculul puterii agitatorului turbină Rushton Diagrama experimentală Eu = f(Re)

Calculul puterii agitatoarelor cu brațe prin considerarea forţelor care acţionează în sistemul amestecător – fluidul de amestecat. P  c  d52m  n3m  1m  m

d = diametrul agitatorului D = diametul vasului H = înălțimea lichidului în vas n = turația agitatorului

H h

d D

h1

 = densitatea fluidului de amestecat  = vâscozitatea fluidului

Coeficienții “c” și “m” din relație se găsesc în tabele funcție de tipul de agitator și rapoartele constructive D/d, H/d, h1/d

Ridicarea la scară Ridicarea completă la scară presupune păstrarea rapoartelor adimensionale reflectate de criteriile: Eum = Eup

Rem = Rep

Frm = Frp

(pentru același fluid)

Acest lucru nu este posibil Uzual se acceptă păstrarea consumului specific de putere constant modifică la: Pentru a păstra același raport între putere Pm / dm3  Pp / d p3 și volum, aplicat la emulsii

nm  d m  np  d p

Pentru omogenizări

Indicii: “m” și “p” corespund celor două scări (model și prototip)

Aprecierea calității amestecării La amestecarea unor cantități mult diferite de substanțe este foarte greu de realizat omogenizarea (de exemplu la adăugarea drojdiei în aluat) În acest caz amestecarea se realizează în etape: se amestecă întâi cantități mai apropiate și apoi se mărește cantitatea din materia dominantă Calitatea amestecarii se apreciază prin probe preluate la diverse momente de timp din câteva puncte ale masei și se măsoară concentrația fazei dispersate

Timpul necesar amestecării corespunde unei variaţii foarte mici a valorilor masurate şi care nu se mai modifică în timp