Amestecarea materialelor

AMESTECAREA MATERIALELOR

Generalitati

Prin amestecare se intelege operatia in urma careia materiale lichide plastice si solide pulverulente sau in granule sunt puse in contact direct urmarindu-se raspandirea lor uniforma in intreaga masa a amestecului.

În functie de operatiei, in desfasurarea unui proces, amestecarea poate fi : independenta (30%), auxiliara (70%).

Ca operatie independenta, amestecarea se aplica in scopul : omogenizarii amestecurilor, sau la formarea emulsiilor si a dispersiilor.

Ca operatie auxiliara este utilizata pentru :

accelerarea proceselor chimice si biochimice

schimbarea starii fizice (floculare, dizolvare)

intensificarea adsorbtiei (la decolorarea uleiurilor vegetale)

spalarea unor solide si inlaturarea impuritatilor in industria zaharului si a amidonului; spalarea cerealelor

accelerarea operatiilor de transfer de caldura

În industria alimentara operatia are multe aplicatii ca :

amestecari in faza lichida (omogenizarea vinului)

amestecari in faza gaz-lichid (hidrogenarea uleiului)

amestecari in faza gaz-solid (inmuierea orzului)

amestecari in faza lichid solid (baterea untului, industria carnii si moraritului pentru obtinerea produselor pastoase)

Posibilitati de realizare (procedee)

amestecarea pneumatica cu : aer comprimat, abur sub presiune

amestecare prin curgerea lichidelor

amestecare mecanica (cu palete de diferite forme)

Termenii folositi : - amestecare la produse solide

- agitare pentru amestecarea fluidelor

- malaxare sau framantare pentru produsele consistente

2. Factorii care influenteaza si caracterizeaza procesul

Starea materialului

newtoniene - gaze, lichide - proprietati : densitate, vascozitate - consistenta, coeziune

nenewtoniene - unele lichide, pastele

solide - unele au consistenta si coeziune slabe (faina pulverulenta)

Proprietatile si comportarea corpurilor la solicitari

Corpurile ideale

Corpurile din natura sub aspectul comportarii lor la actiunea solicitarilor, pot sa posede trei proprietati : elasticitate, plasticitate si vascozitate.

Corpurile cu comportare ideala sunt :

solidul lui Hooke - perfect elastic

lichidul lui Newton - perfect vascos

plasticul St. Venant - perfect plastic

Solidul lui Hooke sau corpul perfect elastic poseda numai elasticitate; sub actiunea unei forte se deformeaza, iar la incetarea actiunii fortei isi revine la forma initiala.

Lichidul lui Newton sau corpul perfect vascos, sub actiunea unei tensiuni tangentiale curge. Curgerea vascoasa depinde de marimea si durata solicitarii.

Plasticul in ipoteza St. Venant este perfect plastic, comportandu-se ca un solid pana la o anumita valoare a tensiunii denumita prag de tensiune, peste care se comporta ca un lichid.

Fluide vascoase nenewtoniene :

În practica industriala se intalnesc fluide care prezinta abateri de la comportarea newtoniana, datorita urmatoarelor cauze :

sistemele bifazice, la care faza dispersa constituie o parte importanta din volum, in timpul curgerii sufera modificari structurale. Din aceasta categorie fac parte suspensiile de polimeri, vopselele, pastele de adezivi, sangele, aluatul, pasta de carne, pasta de branza, etc.

sistemele omogene, la care unitatile de curgere sub actiunea tensiunilor tangentiale sufera orientari, din care pot fi amintite uleiurile minerale cu vascozitate mare, topiturile de polimeri, etc.

La aceste fluide vascozitatea nu este constanta.

Aparatul in care se desfasoara operatia influenteaza modul se realizare al acesteia prin forma si dimensiunile sale.

Totodata si pozitia dispozitivului de amestecare fata de axul aparatului sunt de o deosebita importanta la amestecare. Organele de amestecare trebuie sa initieze in cat ai multe puncte ale aparatului amestecari intense locale si sa mentina in suspensie starturi limita cat mai subtiri care sa produca o turbulenta pronuntata a intregului continut din vas. Curentii ce se formeaza in aparat trebuie sa atraga mereu noi cantitati de material in zona dispozitivului de agitare, astfel incat operatia sa se desfasoare cu eficienta maxima.

cantitatea de material care se prelucreaza poate sa influenteze : durata amestecarii, eficienta, etc. În cazul in care se prelucreaza cantitati mari de material, sunt necesare aparate de dimensiuni mari. De multe ori este mai rational sa se foloseasca mai multe aparate de dimensiuni mai mici, decat un aparat mare, obtinandu-se indici functionali si calitativi mai buni raportati la durata de desfasurare a operatiei.

Durata operatiei are influenta in primul rand asupra consumului de energie. Pentru ca operatia sa decurga cat mai economic este necesar ca agitatorul sa lucreze eficient, asigurand omogenizarea in cel mai scurt timp. Durata operatiei depinde, in afara de tipul agitatorului utilizat, de diametrul si turatia lui precum si de proprietatile materialelor amestecate, ca vascozitatea si densitatea acestora.

3. Eficacitatea amestecarii

Calitatea amestecarii se poate aprecia prin metode bazate pe :

masurarea concentratiei in diverse puncte

folosirea substantelor colorante

metoda gradientului de temperatura

metoda conductibilitatii electrice

masurarea caldurii de dizolvare

masurarea diferentei de densitate

metoda atomilor marcati

metoda elementului indicator

4.Amestecatoare pneumatice sau prin barbotare

Amestecarea se realizeaza facand sa treaca prin produsul de amestecat (de obicei un lichid sau o suspensie de particule solide in lichid), aer sau un gaz oarecare sau abur sub presiune. Regimul de curgere si amestecare este generat de gazul care patrunde in lichid sub forma unor bule mici, care avand densitatea mai mica decat lichidul, se ridica spre suprafata acestuia antrenand particulele lichide invecinate intr-o miscare ascensionala, silind astfel restul lichidului sa circule intr-un sens mai mult sau mai putin dirijat in interiorul vasului. Dispozitivul prin care se distribuie faza gazoasa se numeste barbotor.

Prin barbotoare, bulele de gaz in curs de dilatare transfera energia necesara amestecarii lichidului, prin presiunea cu care patrunde in masa acestuia.

Cantitatea de miscare transmisa se exprima prin relatia :

in care :

N - puterea transmisa de catre gaz, W

P₁ - presiunea gazului la suprafata lichidului, Pa

P₂ - presiunea gazului la barbotare, Pa

- debitul volumetric al gazului la suprafata libera, m³/s

Presiunea gazului sau aburului necesara operatiei de barbotare se determina dintr-un bilant energetic intocmit intre punctul de barbotare si suprafata libera a lichidului, rezultand conditia :

in care :

h - inaltimea coloanei de lichid prin care se realizeaza barbotarea, m

ρ₁ - masa specifica a lichidului, kg/m³

ρ_g - masa specifica a gazului, kg/m³

w - viteza gazului in orificiile de barbotare, m/s

ζ - coeficientul de rezistenta locala

Amestecarea prin barbotare este indicata in special an cazul cand gazul, cu ajutorul caruia se face, trebuie sa reactioneze chimic (hidrogenarea uleiurilor, carbonatarea zemurilor in industria zaharului cu bioxid de carbon, etc), cand favorizeaza o anumita actiune biologica (aerul-oxigenul pentru inmultirea drojdiilor). Amestecarea cu abur este intrebuintata in cazurile cand pe langa operatia de amestecare este necesar sa se faca si o incalzire.

Barbotarea, de obicei, se realizeaza cu dispozitive construite din tevi prevazute cu orificii amplasate in apropierea fundului vasului. De obicei diametrul orificiilor variaza intre 3 si 6 mm.

Pentru ca traseul bulelor de gaz sa fie cat mai lung, orificiile se dispun de obicei in partea inferioara a tevii orientate in jos. Viteza gazului la iesirea din orificiul barbotorului trebuie sa asigure energia cinetica necesara invingerii rezistentei lichidului, pentru evitarea inundarii barbotorului cu lichid.

Tevile cu orificii trebuie montate perfect orizontal pentru ca gazul la iesirea prin orificii sa aiba de invins aceeasi rezistenta asigurandu-se astfel o repartitie cat mai uniforma a gazului.

Aparate de amestecare

dupa operatiile pe care le realizeaza luand in considerare starea materialelor :

amestecatoare pentru materiale in stare fluida

amestecatoare (malaxoare) pentru materiale pastoase

amestecatoare pentru materiale pulverulente

D.p.d.v constructiv : 1)fara elemente mobile, 2)mecanice

- pneumatice prin barbotare

- cu injectoare si duze

- amestecatoare prin curgerea fluidelor

- mixte (barbotare + curgerea fluidelor)

- cu brate drepte si brate in forma de

ancora

- cu elice si spirala

- de constructii diverse

BARBOTOARE

Fig.1 Tipuri de barbotoare

Amestecatoare cu injector sau duza

1- injector cu duza; 2- realizarea amestecului

3 -pompa

se utilizeaza in special in cupajarea vinului si in industria

cazeinei

Fig.2 Amestecator cu injector si duza

Amestecarea prin curgerea fluidelor

Fig.3 Amestecator de ulei

Amestecatoare mecanice

Aceste utilaje realizeaza amestecarea cu diferite elemente mobile numite : palete, brate, elice, etc.

Fig.4. Amestecatoare mecanice

Amestecatoare cu brate drepte si brate in forma de ancora

Se utilizeaza de regula la amestecarea sau agitarea lichidelor si a suspensiilor purtand denumirea de agitatoare.

În functie de modul de transmitere al miscarii catre lichid :

prin tensiune tangentiala - transmiterea miscarii are loc in unghi drept fata de directia de miscare a agitatoarelor

prin presiunea palatelor exercitata asupra lichidului adica in directia de miscare a agitatorului (cel mai des intalnit) - toate agitatoarele cu paleta. În spatele paletei apare o cadere de presiune care antreneaza lichidul din mediul inconjurator.

Fig. Amestecatoare elicoidale

Fig.6. Amesecatoare tip "turbina"

În functie de directiile principale ale liniilor de curent avem curgere : tangentiala, radiala, axiala.

Aplicatii :

la lichidele miscibile cu vascozitate mica

agitarea lichidelor cu suspensii (emulsionarea drojdiilor, agitarea laptelui pentru omogenizare, a vinului, pamanturi decolorante in ulei)

pentru mentinerea in suspensie a substantelor fibroase (fibre de azbest in suspensie)

pentru dizolvari rapide si dispersii fine

la agitarea lichidelor cu solide cand cele doua medii au densitati foarte diferite

Fig.7. Amestecatoare cu elice

Elemente de calcul - agitatoare simple cu palete

Fig.8. Amestecator cu palete - dimensionare

stabilirea dimensiunilor vasului

determinarea consumului de energie

lichidul tinde sa urce pe pereti sub forma unui paraboloid

Volumul unei sarje V₁ :

D - diametrul vasului

h_V - inaltimea vasului

h₁ - inaltimea coloanei de lichid in repaus

h_m - inaltimea minima de lichid deasupra paletei in timpul functionarii

h_m = h_x + h_y + h_z

h_p - inaltimea paraboloidului

a - adaos de siguranta (a=0,1m)

Volumul de lichid din jurul paraboloidului de rotatie este :

Acelasi volum in miscare de rotatie este :

in care V_p - volumul paraboloidului ; Deci de unde h_p = 2(h₁ - h_m)

Înaltimea totala a vasului se determina cu relatia :

h_V = h_m + h_p + a = 2(h₁ - h_m) + h_m + a sau : h_V = 2h₁ - h_m + a

Daca se ia in considerare coeficientul de umplere ρ recomandat cu valori cuprinse intre 0,6 si 0,9, inaltimea vasului poate fi exprimata astfel :

Calculul consumului de energie :

Necesarul de energie P se exprima prin relatia :

P = P₁ + P₂ + P₃, kW in care :

P - puterea necesara la arborele motorului electric, kW

P₁ - puterea necesara la axul agitatorului, kW

P₂ - puterea pierduta prin frecari in lagare, kW

P₃ - puterea suplimentara pentru impingerea diferitelor obstacole, [P₃ = (0,08 -0,25)P₁];

η - randamentul motorului electric

Calculul consumului de energie

, kW

P - puterea necesara la arborele motorului electric, kW

P₁ - puterea necesara la axul agitatorului, kW

P₂ - puterea pierduta prin frecari in lagare, kW

P₃ - puterea suplimentara pentru impingerea diferitelor obstacole, [P₃ = (0,080,25)P₁];

η - randamentul motorului electric

P₂ = f · G · W_a

f - 0,07 - 0,1 coeficient frecare in lagare

G - greutatea elementului in miscare; N;

W_a - viteza periferica a axului, m/s

d - diametrul cerc descris de bratul agitator

n - turatia agitatorului

ρ - densitatea fluidului

η_v - vascozitatea lichidului (suspensiei)

- constante specifice diferitelor forme de agitare (indicate in tabele)

Amestecatoare cu brat tip ancora

Pentru vase cu fund semisferic sau elipsoidal cand este necesara o amestecare in apropierea peretilor vasului.

Amestecarea este determinata de :

elementele geometrice ale amestecatorului : d, h₁, D, H, h₂

asperitatile vasului

proprietatile lichidului

caracteristica hidrodinamica n (rot/min)

acceleratia gravitationala g

Fig.9 Amestecator cu brat tip ancora

Amestecatoare cu elice si spirala

Avantaj - pot lucra la turatii mari prin antrenarea directa de la motoare electrice

- realizeaza amestecare rapida

Amestecatoare cu spirala montata liber

Pentru amestecul fluidelor nenewtoniene cu vascozitate foarte mare.

Utilizari :

malaxoare - cristalizatoare in industria zaharului

amestecatoare cu spirala in difuzor sau vase cilindrice verticale pentru amestecarea diferitelor lichide;

Aparate pentru amestecarea substantelor pulverulente

cu snec

cu palete

cu tambur (toba rotativa)

cu toba cilindrica

cu conuri

- toba V sau Y

- elipsoidal oblica

- prismatica

Fig.10 Amestecator cu snec

Alegerea aparatelor de amestecare

Pentru alegerea aparatelor de amestecare este necesar sa se tina cont de urmatoarele elemente :

organul de amestecare sa initieze forte de forfecare mai mari si in cat mai multe puncte din masa materialului supus operatiei si sa mentina in suspensie straturi limita cat mai subtiri pe care sa le rupa;

sa fie stras in mod continuu material in punctele active ale dispozitivului de amestecare si sa se asigure o suprafata de contact cat mai buna;

amestecarea sa fie cat mai uniforma si sa se realizeze in timp cat mai scurt pentru a se reduce la minim cheltuielile de energie.

Se recomanda pentru alegerea amestecatoarelor, incercarea pe modele pentru a stabili conditiile de similitudine : geometrica (forma vasului si rapoartele geometrice optime dintre forma vasului si a dimensiunilor respectiv formei agitatoarelor) pozitia agitatoarelor si a vasului si similitudinea hidrodinamica (valoare optima a turatie agitatoarelor).