Физические основы измельчения уравнение ребиндера

Методы диспергирования. Уравнение Ребиндера для работы измельчения.

1) механическое диспергирование -основано на механических способах преодоления межмолекулярных сил, за счет производства внешней работы происходит накопление внешней энергии. ΔF>0. Диспергирование- измельчение тв или жидких тел в инертной среде. Диспергирование может идти в результате процессов: раздавливания, истирания, дробления. Для этого используются шаровые мельницы, коллоидные мельницы тд. При сухом помоле размер частим около 60мкм; при мокром- размер частиц сильно уменьшается и можно получить ультрадисперсные системы.

Уравнение Ребиндера: Wдисп=Wдеформ+Wповерх=KV+σΔS

Адсорбционное понижение прочности(эффект Ребиндера). Прочность как поверхностное свойство материалов.

Связь прочности и поверхностной энергии: в основе понижения механических свойств твердых тел под влиянием ПАВ лежит снижение поверхностной свободной энергии, и , как следствие, уменьшение работы, необходимой для образования новых поверхностей. Соотношение Гриффитса Р₀

(σЕ/l) 1/2 Е-модуль Юнга, l-размер трещины Рид

(σЕ/в) 1/2 в- размер молекулы. отношение реальной и идеальной прочности тела определяемое отношением между в и l . Ребиндер показал, что развитие

микротрещин под действием внешних сил может быть обеспечено адсорбцией

разлива веществ на поверхности тела и среды в которой проходит дисперсия.

Адсорбироваться могут ионы электролитов, молекулы ПАВ и жидкие Ме.

Адсорбционное понижение прочности получило название эффекта Ребиндера.

Конденсационное образование лиофобных дисперсных систем. Термодинамические основы гомогенного зародышеобразования. Уравнение для работы образования критического зародыша.

Конденсационное образование лиофобных дисперсных систем- образование устойчивой свободной дисперсной системы в результате ассоциации молекул, атомов или ионов в агрегаты. При этом в гомогенной сдере образовывается новая фаза. Размер образующихся частиц зависит от соотношения между скоростями идущих процессов(образования зародышей и роста зародышей) d=f(Vроста зародышей/Vобразования зародышей). Под зародышем новой фазы понимают минимальное скопление новой фазы находящейся в равновесии с окружающей средой. Размер критических зародышей: r_кр=2σV»m/|Δμ|=2σV»m/RTlnP/P₀? Δμ=μ_ст-μ_н— степень метастабильности в системе.

Работа гомогенного зародышеобразования: r_кр>размера зародышей, то химический потенциал в нем выше химического потенциала в старой фазе -зародыш растворяется, r_кр

Измельчение. Теоретические основы. Виды. Аппаратура

» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>

Измельчение. Теоретические основы. Виды и особенности измельчения в технологическом производстве. Аппаратура для измельчения различных материалов, используемых в фармацевтическом производстве, ее классификация. Валки. Бегуны.

Измельчение представляет собой процесс механического деления твердых тел на части. В результате измельчения увеличивается поверхность измельчаемых материалов, что позволяет значительно ускорить растворение, химические взаимодействие, выделение БАВ из материала, ускоряет тепловую обработку, экстрагирование.

Теоретические основы измельчения

По современным представлениям, измельчение твердых тел основывается на том, что под действием механических усилии в измельчаемом материале возникают внутренние напряжения и при достижении предела прочности материала последний разрушается. При прекращении внешнего воздействия трещины за счет молекулярных сил могут смыкаться, при этом тело подвергается лишь упругой деформации.

Процессы измельчения связаны с расходом энергии на образование новых поверхностей, на преодоление внутреннего трения частиц при их деформации и на преодоление трения между материалом и рабочими деталями машины. Затраты энергии на измельчение определяются исходя из известных двух теорий: поверхностной и объемной.

В соответствии с поверхностной гипотезой Риттингера (Берлин, 1867г.) работа, затрачиваемая на измельчение, пропорциональна величине вновь образовавшейся поверхности измельченного материала. Поверхность материала при измельчении возрастает пропорционально конечному размеру частиц d, который согласно зависимости (3.1) равен: d=D/i

Поэтому при одинаковой крупности частиц исходного материала для степеней измельчения i1 и i2 получим следующее отношение работ:

Следовательно, работа, затрачиваемая на измельчение, пропорциональна степени измельчения материала или вновь образуемой поверхности.

По объемной теории В.Н. Кирпичева (1874 г.), а позднее – Ф. Кика (1885 г.), затраты энергии на измельчение пропорциональны объему тела и, следовательно, отношение работ А1 и А2, израсходованных на измельчение двух тел, имеющих объемы V1 и V2:

Таким образом, в соответствии с объемной теорией работа измельчения пропорциональна объемам тел, а действующие усилия пропорциональны поверхностям этих тел.

Исследования показывают, что обе гипотезы не отражают в полной мере всех явлений, происходящих при измельчении, Работы Б.А, Баумана и других показали, что гипотеза Кирпичева – Кика хорошо согласуется с результатами при крупном и среднем дроблениях (раздавливание и удар), а поверхностная гипотеза Риттингера более применима к процессам мелкого дробления и тонкого измельчения.

Однако большее признание получила точка зрения, согласно которой ни одна из предложенных гипотез (и их последующие вариации), взятых порознь, неприменима ко всем видам измельчения материалов, к разным методам дробления и разным типам измельчителей.

Такой точки зрения придерживался и П.А.Ребиндер – основоположник физико-химической механики, считавший, что гипотеза, наиболее близкая к истине, находится посередине между предположениями Риттингера и Кирпичева – Кика. В соответствии с теорией П.А, Ребиндера работа, затрачиваемая на измельчение, в общем случае является суммой двух слагаемых:

A = σ∆F + r∆V
где σ – удельная энергия, отнесенная к единице поверхностности тела;
∆F – поверхность тела, образующаяся при разрушении;
r – удельная работа упругой и пластической деформаций, отнесенная к единице объема твердого тела;
V – объем тела, подвергшегося деформации.

Первый член указанного выражения представляет собой энергию, затрачиваемую на образование новых поверхностей при разрушении тела.

Второе слагаемое уравнения выражает энергию деформации. Таким образом, работа измельчения пропорциональна как вновь образованной поверхности, так и объему измельчаемого

материала. Это синтетическое решение вопроса верно, по-видимому, и потому, что разрушение тела происходит не за один прием, а за несколько приемов. Очевидно, что в начальную стадию дробления, т.е. при крупном дроблении, основная работа затрачивается на деформацию тела; новых поверхностей образуется немного и, следовательно, второе слагаемое имеет малое численное значение,

Расход энергии при измельчении возрастает с уменьшением размера частиц. В связи с этим во избежание непроизводительных затрат крайне важно, чтобы при организации процесса был заранее известен ожидаемый размер частиц после дробления. С целью уменьшения расхода энергии в ряде случаев целесообразно периодически удалять достаточно измельченные частицы из зоны помола. Фактический расход энергии на измельчение определяется экспериментальным путем с учетом свойств материала и степени измельчения.

Виды и особенности измельчения

В зависимости от размера кусков исходного материала и конечного продукта различают 2 типа измельчения: 1) размол (порошкование) и 2) дробление

Класс

D,мм

d,мм

Крупное, среднее и мелкое дробления осуществляют в дробилках сухим способом, а тонкое и коллоидное измельчение – сухим и мокрым способом. При мокром дроблении уменьшается пылеобразование и получаются частицы более однородные по размерам и облегчается выгрузка материала. Дробление материалов осуществляется раздавливанием, истиранием, ударом, раскалыванием, распиливанием, разрезанием, разламыванием. Для достижения оптимальной степени измельчения процесс осуществляют постадийно на последовательно соединенных дробильно-рамольных машинах. Изрезывающие машины применяют для измельчения растительного материала. Раздавливающие применяют при крупном и среднем измельчениях, истирание – при тонком измельчении.

Хрупкие, средней твердости

Удар, раскалывание, истирание

Вязкий, средней твердости

Истирание, истирание+удар, распиливание

Измельчение осуществляется по двум основным схемам – в открытом или замкнутом циклах.

Если измельчение проводят по первой схеме, то материал проходит через мельницу только один раз. При работе в замкнутом цикле основная часть материала проходит через мельницу многократно, т.е. материал с размерами частиц больше допустимого возвращается на повторное измельчение.

Машины для измельчения (дробления и размола) подразделяются на дробилки и мельницы. В технике мельницами называют машины для тонкого и сверхтонкого помолов, дробилками машины для крупного, среднего и мелкого измельчений.

Устройство и принцип работы измельчающих машин

Все измельчители применительно к условиям фармацевтического производства можно разделить на машины для предварительного измельчения; машины для окончательного измельчения. В новейших отечественных руководствах измельчители предпочитают классифицировать по способам измельчения. В этом случае все измельчители, применяемые в фармацевтическом производстве, можно условно разделить на следующие группы:

1. Изрезывающего и распиливающего действий (траворезки-соломорезки, корнерезки, машины с дисковыми пилами)
2. Раскалывающего и разламывающего действий (щековые дробилки).
3. Раздавливающего действия (гладковалновые дробилки – вальцовые мельницы, валковые дробилки с нарезной рифленой поверхностью).
4. Истирающе-раздавливающего действия (дисковые мельницы – эксцельсиор)
5. Ударного действия (молотковые мельницы, дезинтеграторы, дисмембраторы, струйные мельницы).
6. Ударно-истирающего действия (шаровые мельницы, вибромельницы).
7. Коллоидные измельчители (струйные, вибрационные).

Для крупного дробления применяют щековые и конусные дробилки, в которых материал с размером кусков не более 1500мм измельчается под действием на него в основном раздавливающих и раскалывающих усилий до кусков размером – (300÷100) мм.

После крупного дробления материал подвергают в случае необходимости измельчению в дробилках среднего и мелкого дроблений, в которых измельчение осуществляется приблизительно от 100 мм (размер наиболее крупных кусков исходного материала) до 10-12 мм. Для среднего и мелкого дроблении используют валковые и ударно-центробежные мельницы.

Для тонкою измельчения от кусков с размером 10÷2 мм до частиц размером 2+0,0075 мм применяют барабанные и кольцевые мельницы. В них материал измельчается под одновременным действием раздавливающих, ударных и истирающих усилий.

Для сверхтонкого измельчения применяют вибрационные, струйные и коллоидные мельницы, в которых частицы материала измельчаются приблизительно от 10÷0,1 мм до 0,00075 – 0,0001 мм.

Дробильные машины могут быть разделены на:

щековые и челюстные дробилки; конусные или гирационные дробилки; вальцовые дробилки;
молотковые дробилки; шаровые и стержневые мельницы; вибрационные мельницы;
мельницы с вращающимися частями (жернова, бегуны, дисковые мельницы);
струйные мельницы; коллоидные мельницы.

Шнековые дробилки предназначены для измельчения материалов средней твердости, а также для твердых материалов, обладающих хрупкостью или вязкостью.

– Молотковые дробилки – в них за один цикл достигается высокая степень измельчения таких материалов, как корни, стебли, сахар, соль. В дробилке материал поступает сверху и дробился на ленту за счет ударов молотков
– Дисковые дробилки – применяются для измельчения семян, плодов, корней. Материал измельчается при вращении диска.
– Дезинтергратор – представляет собой ударную мельницу, состоящую из 2 роторов, вращающихся навстречу друг другу.
– Десмембратор – в отличие от дезинтегратора имеет один вращающийся ротор, второй – неподвижен, его роль выполняет крышка мельницы.

«+» ударных мельниц: простота устройства и компактность, высокая производительность и степень измельчения, надежность в работе.
«-» ударных мельниц: повышенных износ штифтов, большое пылеобразование, большой расход энергии.

Измельчатели ударно-истирающего действия:

– барабанные мельницы – мельницы, в которых материал измельчается внутри вращающегося корпуса под воздействием мелющих тел или самоизмельченим. Мелющими телами могут быть шары, стержни, окатанная галька. В зависимости от вида этих тел различают шаровые, стержневые, галечные мельницы и мельницы самоизмельчения.
– кольцевые мельницы – измельчение материала происходит между кольцом и роликами или шарами раздавливанием или истиранием. Различают виды кольцевых мельниц: маятниковые, вальцово-пружинные, центробежно-шаровые, пружинные и вертикально вращающимся кольцом

Сверхтонкое измельчение:
– вибрационные мельницы
– струйные мельницы
– мельница с вертикальной струйной помольной камерой
– коллоидные мельницы

Изрезывающие машины:
– траворезки, соломорезки для измельчения растений и их частей
– корнерезки с гильотинными ножами для изрезывания плотных деревянистых частей
– барабанные соломорезки
– ножевая мельница предназначена для измельчения объемистых и мягких материалов, средней твердости, а также волокнистого и целлюлозосодержащего сырья.

Валки

Валковые дробилки используются для среднего и тонкого помолов фармацевтического сырья (плодов и семян) при получении масел и др. Эти дробилки состоят из спаренных параллельных валков, которые, вращаясь навстречу друг другу, измельчают материал в основном раздавливанием и истиранием (если скорость их вращения разная).

В зависимости от вида и свойств фармацевтического материала используют валки с гладкой, рифленой и зубчатой поверхностями. Валки с гладкой поверхностью используются для получения только тонкого помола, валки с рифленой – для среднего измельчения, а валки с зубьями – для измельчения плодов, ягод и семян.

Один из валков в подвижных подшипниках – с пружинами, что позволяет регулировать зазор между валками и предотвращать от поломок машины в случае попадания твердых предметов. С целью чистки поверхности валков от приставшего материала по их длине размещают ножи у гладких валков и щетки – у рифленых валков. Для втягивания материала в зону измельчения исходный размер кусков должен быть примерно в 20 раз меньше диаметра валков.

Схема взаимодействия валков

Схема бегунов
1 – вал, 2 – чаша, 3 – ось, 4 – кривошип, 5 – каток

Бегуны

Бегуны широко применяются для мелкого и тонкого измельчений. Они обычно состоят из двух (редко – трех) тяжеловесных катков 5, которые при вращении вала 1 обкатываются по днищу чаши 2, измельчая материал, как под действием массы, так и за счет истирания вследствие скольжения. Чем больше ширина катков, тем больше разность окружных скоростей различных точек катка, тем больше, следовательно, истирающая способность катка. Бегуны изготавливают с неподвижной чашей и подвижными катками или с подвижной чашей и неподвижными катками. В обоих типах бегунов катки вращаются вокруг своих осей за счет трения о материал. Соединения катков с валом при помощи кривошипов 4 позволяет каткам свободно перемешаться по вертикали при изменении толщины слоя измельчаемого материала в чаше или при попадании недробимого материала.

Бегуны могут быть непрерывного или периодического действии, для мокрого, сухого или полусухого измельчении, только для измельчения или перемешивания различных составляющих смеси. Каток состоит из ступицы и бандажа, что упрощает и удешевляет его ремонт. С увеличением массы катков увеличивается производительность бегунов, но при этом утяжеляется конструкция и увеличивается расход энергии на единицу готовой продукции. Это привело к созданию бегунов с облегченными катками (примерно в 2 раза), которые прижимаются к полу чаши при помощи гидравлического или пневматического устройств, что позволяет снижать расход энергии примерно на 50 %.

Измельчающие машины среднего и мелкого дробления. Жернова. Дисковые мельницы. Особенности измельчения лекарственного растительного сырья. Траворезки. Корнерезки.

Измельчающие машины среднего и мелкого дробления.

Для среднего и мелкого дроблении используют валковые и ударно-центробежные мельницы.

Валковые дробилки используются для среднего и тонкого помолов фармацевтического сырья (плодов и семян) при получении масел и др. Эти дробилки состоят из спаренных параллельных валков, которые, вращаясь навстречу друг другу, измельчают материал в основном раздавливанием и истиранием (если скорость их вращения разная).

В зависимости от вида и свойств фармацевтического материала используют валки с гладкой, рифленой и зубчатой поверхностями. Валки с гладкой поверхностью используются для получения только тонкого помола, валки с рифленой – для среднего измельчения, а валки с зубьями – для измельчения плодов, ягод и семян.

Один из валков в подвижных подшипниках – с пружинами, что позволяет регулировать зазор между валками и предотвращать от поломок машины в случае попадания твердых предметов. С целью чистки поверхности валков от приставшего материала по их длине размещают ножи у гладких валков и щетки – у рифленых валков. Для втягивания материала в зону измельчения исходный размер кусков должен быть примерно в 20 раз меньше диаметра валков.

– Молотковые дробилки. В этих дробилках за один цикл достигается высокая степень измельчения таких материалов, как корни и стебли растительного сырья, сахар, соль и др.

В молотковой дробилке измельчаемый материал поступает сверху и дробится на лету ударами молотков 1, шарнирно подвешенных с помощью стержней 2. к. быстро вращающемуся ротору 3. Дробление материала происходит также при уда­рах кусков материала, от­брасываемых молотками, о плиты 7, которыми футе­рован кожух 5. Для изготов­ления молотков используют износоустойчивые стали.

Диски помещены в ко­жухе 5, футерованном пли­тами 7, с внутренней рифленой поверхностью и смен­ным ситом 6.

Подлежащий измель­чению материал попадает из загрузочной воронки в камеру измельчения и измель­чается ударами молотков, вращающихся со скоростью 30+70 м/с, о рифленую поверхность плит и истиранием его между молотками. Степень измельчения регулируется размером отверстий сита (между колосниками).

Молотковые дробилки характеризуются произведением диаметра д на длину ротора I. Эти размеры указывают в обозначении марки дробилки (например, дробилка марки М-6-4 имеет ротор диаметром 600 мм и длиной I = 400 мм).

– Дисковые дробилки применяются для измельчения семян, плодов, стеблей растений и др.

Для измельчения фруктов (вишня, абрикос, алыча, слива) применяют дробилку, как на рис. 3.6, а.

Плоды поступают на диск 1 с прямоугольными шипами и отверстиями d = 10 мм размещенными по концентрическим окружностям. При вращении
диска (n=1000 об/мин) материал измельчается между диском и неподвижным контрножом 2 и отводится через отверстия в диске. В дробилке сырье поступает в приемник и измельчается между ра­бочими плоскостями двух дисков. На рабочей плоскости дисков по концентрическим окружностям размещены зубья трапециевидной фор­мы. Причем ряд зубьев одно­го диска входит между двумя рядами выступов другого диска. Один диск – неподвижный, а другой – на горизонтальном валу вращается со скоростью 7-8 м/с и может перемещаться вместе с ним для регулирования зазора между ними.

– Дезинтегратор представляет собой ударную мельницу, состоящую из двух роторов, вращающихся навстречу друг другу.

Штифты на роторах расположены по концентрическим окружностям. Каждый ряд штифтов одного ротора входит между двумя рядами штифтов другого. Роторы вращаются со скоростью около 1200 об/мин, Измельчаемый материал загружается через воронку 5 и тонко измельчается ударами штифтов и дисков. Выгрузка осуществляется через ре­шетку 6, сквозь отверстия последней могут проходить только куски опреде­ленного размера.

Концы штифтов-пальцев каждого кольцевого ряда для жесткости соедине­ны между собой кольцами 7, изготовленными из полосовой стали. Роторы заключе­ны в кожух. Для замены довольно быстро­изнашивающихся пальцев предусмот­рена специальная конструкция вала на выдвигающейся стойке. Материал, посту­пающий внутрь ротора на измельчение, по­падает на внутренний ряд пальцев, откуда

под действием силы удара и центро­бежной силы отбрасывается на следующий ряд пальцев второго ротора, вращающе­гося в противоположном направлении, который отбрасывает куски материала на последующий ряд пальцев и т.д. С продвижением материала от центра к периферии сила удара возрастает, так как увеличивается скорость вращения пальцев.

Производительность и степень измельчения таких мельниц зависит от количества рядов пальцев и от числа оборотов ротора – с увеличением числа оборотов увеличивается степень измельчения, но уменьшается производительность, так как затрудняется прохождение материала через ряды пальцев. Размеры кусков исходного материала не должны быть больше 25+35 мм и влажность не должна превышать 8+11 %. Степень измельчения I в дезинтеграторах обычно не превышает 10, производительность интеграторов – 0,5+18 т/ч,

– Дисмембратор в отличие от дезинтегратора имеет один вращающийся ротор, второй – неподвижен, его роль выполняет крышка мельницы. В фармацевтической технологии мельницы ударного действия используются для измельчения материалов невысокой прочности, а также вязких и волокнистых растительных материалов с повышенной влажностью (до 10 %).

Положительные стороны ударных мельниц: простота устройства и их компактность; высокая производительность и степень измельчения; надежность в работе.

Недостатки: повышенный износ штифтов; большое пылеобразование; большой расход энергии.

– Дисковые мельницы.

Рис. 14. Мельница «Эксцельсиор» (И.А. Муравьев, 1980)

Мельница дисковая является изделием непрерывного действия, т.е. характеристикой его производительности является количество материала, выходящего через разгрузочную воронку за единицу времени.
Основной деталью являются два вертикально установленных диска. Вращается обычно один из них. Поверхность дисков имеет режущие или ударные выступы той или иной конструкции. Исходный материал поступает в просвет между дисками, где он измельчается. Одной из наиболее простых дисковых мельниц является мельница типа «Эксцельсиор», широко применяющаяся в фармацевтическом производстве. В мельнице (рис. 14) диски установлены вертикально. Один диск неподвижный, другой вращается со скоростью 250-300 об./мин. Поверхность дисков покрыта мелкими зубцами, расположенными по окружности в таком порядке, чтобы зубцы движущегося диска попадали в промежутки между зубцами неподвижного диска. Помимо истирания, к раздавливающему эффекту присоединяется срезывающее действие от острых зубцов. Производительность при диаметре дисков 400 мм до 50 кг/ч.

Жернова.

Основной деталью являются жернова (1 и 2), выполненные из горных пород. Измельчаемый материал подается в отверстие (3) между жерновами, которые имеют насечки, уменьшающиеся от центра к периферии. Нижний диск подвижен, а верхний – неподвижен. Сырье передвигается от центра к периферии. Бегуны и жернова в фармацевтической практике применяются в настоящее время достаточно редко.

Особенности измельчения лекарственного растительного сырья

ЛРС измельчается до определенной степени по частным статьям ГФ. Как правило, листья и трава измельчаются до 7 мм. Листья толокнянки, брусники, эвкалипта – до 3 мм. Стебли, корни, корневища, коры – в основном до 7 мм. Цветки не измельчаются. Плоды и семена – до 0,5 мм.

Основное правило – измельчать без остатка. Здесь подразумевается то, что нужно брать такое количество сырья, и измельчать его, которое требуется для приготовления ЛФ, так как при последующем хранении измельченное сырье потеряет свои лечебные свойства. Теоретически измельченное сырье сначала отсеивают от пыли, а потом отвешивают. Некоторое сырье (даже кроме цветков) не измельчается – листья мяты, шалфея.

Траворезки

Траворезки-соломорезки служат для измельчения растений и их частей (трава, стебли и т.д.), В общем эти машины состоят из станины, которая содержит ленточный транспортер (передачу) и системы ножей (барабанные и дисковые).

Корнерезки

Корнерезки с гильотинными ножами. Для изрезывания плотных деревянистых частей растений (корни, корневища, кора) чаще всего применяются корне­резки с гильотинными ножами.

В этой машине массив­ный нож 6, падая вниз, своей мас­сой усиливает режущий эффект. Сырье по лотку 1 с помощью транспортера 7 продвигается к подающим валам 2, которые уплотняют сырье и направляют его к гильотинному ножу. Нож приводится в движение при помощи кривошипно-шатунного механизма 4,5. Изрезанный материал по лотку 8 поступает в приемную тару.

Барабанные соломорезки. В барабанных соломорезках изогнутые ножи с лезвиями расположены по винтовым линиям с углом подъема до 30°.

Сырье подается по лотку-транспортеру 1, в конце которого смонтированы питающие валики 2, подающие сырье к ножевому барабану 4. Изрезанное сырье выгружается по лотку 6. Установка смонтирована на станине 7 и приводится в действие от электромотора при помощи шкива 5. На одном валу со шкивом посажена зубчатка, приводящая в действие большую шестерню 8, вращающую питающие валики. С другой стороны на валу посажен маховик 3 для обеспечения плавности работы соломорезки. Число оборотов ножевого барабана 350-100 об/мин. Производительность например, при резке сухой травы ландыша – 300 кг/ч.

Ножевая мельница предназначена для измельчения объемистых и медицинской промышлен­ности для измельчения мягких материалов, средней твердости, а также волок­нистого и целлюлозосодержащего сырья. Ножевая мельница применяется в научно-исследовательских, сельскохозяйственных лабо­раториях, в лабораториях листьев, волокон, пряностей, травы (сена, хмеля, древесины, солода, кукурузы, соломы, табака, корней и ветвей, и лекарственных трав). Режущие пластинки у ножевой мельницы регули­руемые.

Четырехгранные режу­щие бруски можно перета­чивать. После износа одной режущей кромки можно поставить следующую режущую кромку, для этого следует просто повернуть режущий брусок на 90°.

Измельчающие машины мельчайшего дробления. Устройство. Принцип работы ударно-центробежных мельниц. Мельницы наимельчайшего дробления: вибрационные, струйные, коллоидные.

Для тонкого (мельчайшего) измельчения от кусков с размером 10÷2 мм до частиц размером 2+0,0075 мм применяют барабанные и кольцевые мельницы. В них материал измельчается под одновременным действием раздавливающих, ударных и истирающих усилий.

Для сверхтонкого (наимельчайшего) измельчения применяют вибрационные, струйные и коллоидные мельницы, в которых частицы материала измельчаются приблизительно от 10÷0,1 мм до 0,00075 – 0,0001 мм.

Барабанные мельницы – мельницы, в которых материал измельчается внутри вращающегося корпуса под воздействием мелющих тел или самоизмельченим. Мелющими телами могут быть шары, стержни, окатанная галька. В зависимости от вида этих тел различают шаровые, стержневые, галечные мельницы и мельницы самоизмельчения.

Шаровая мельница. Представляет собой (рис. 18) пустотелый вращающийся барабан, в который через люк с плотно прижатой к барабану специальной скобой-крышкой загружают измельчаемый материал и мелющие тела – стальные шары диаметром от 25 до 150 мм (приблизительно 40-45 % объема барабана). Наилучший эффект измельчения в шаровой мельнице достигается, когда скорость вращения (число оборотов барабана) является оптимальной и соответствует определенному режиму ее работы.

Материал в процессе соударения с шарами измельчается в основном ударом, а также истиранием и раздавливанием. При скорости вращения меньше оптимальной шары поднимаются на незначительную высоту и скатываются параллельными слоями вниз, измельчая материал лишь раздавливанием и истиранием, без участия удара. Значительное увеличение числа оборотов приводит к тому, что центробежная сила становится настолько большой, что прекращает падение шаров, которые вращаются вместе с барабаном, не производя измельчения.

Небольшие размеры мелющих тел и их большое количество обусловливают высокую эффективность измельчения, степень которого зависит от времени пребывания продукта в мельнице и регулируется изменением скорости подачи материала в цилиндр.

Стержневые мельницы. По конструкции эти мельницы близки к шаровым, но отличаются формой мелющих тел. Они имеют короткий барабан, в который вместе с материалом, подлежащим измельчению, загружают стальные стержни диаметром 40-100 мм и длиной на 25-50 мм меньше длины барабана. При не большом числе оборотов барабана (12-30 об./мин) стержни не падают, а перекатываются в нем, измельчая материал раздавливанием, ударом и истиранием. При этом стержни соприкасаются с материалом во многих точках и в первую очередь дробят крупные его частицы, защищая от переизмельчения мелкие, поэтому продукт в стержневой мельнице получается более равномерной крупности, чем в шаровой.

Кольцевые мельницы – измельчение материала происходит между кольцом и роликами или шарами раздавливанием или истиранием. Различают виды кольцевых мельниц: маятниковые, вальцово-пружинные, центробежно-шаровые, пружинные и вертикально вращающимся кольцом.

Кольцевые мельницы. Измельчение материала в коль­цевых мельницах происходит между кольцом и роликами или шарами раздавливанием и исти­ранием. Ролики (шары) прижи­маются к кольцу центро-бежной силой или пружинами. Различают следующие виды кольцевых мель­ниц: маятниковые, вальцово-пружинные, центробежно-шаро-вые, пружинные с вертикально вращающимся кольцом.

Маятниковые мельницы. При вращении вала 1 с крестовиной 2 на которой подвешены маятники с роликами 3, последние центробежной силой прижимаются к кольцу 4 и катятся по нему. Измельчаемый материал загружается в мельницу питателем 5 и поступает на кольцо, где измельчается роликами.

Измельченный материал струей воздуха (или инертных газов), поступающей из коллектора б, уносится в воздушный сепаратор, Грубая фракция из сепаратора возвращается в мельницу на доизмельчение, а тонкая (готовый продукт) – улавливается в циклонах. Очищенный газ из циклонов посредством вентилятора возвращается в мельницу.

Валково-пружинные мельницы (рис. 3.13). Измельчаемый материал поступает в центр вращающейся чаши 1 с кольцом 2 и центробежной силой отбрасывается на кольцо под ролики 3, где измельчается и пересыпается через края чаши. Снизу чаши подается поток воздуха, который уносит мелкие частицы материала

в сепаратор 8, откуда крупная фракция возвращается в мельницу для домалывания, а готовый продукт улавливается в циклонах.

Между вращающимся кольцом 8 и невращающимся кольцом 3 зажаты при помощи пружин 4 шары 7. При вращении кольца 8 шары катятся между кольцами 3 и 8, Измельчаемый материал поступает в мельницу из питателя 1 на опорную тарелку 6 и центробежной силой отбрасывается на кольцо под катящиеся шары и мелется. К рабочей дорожке шары прижимаются при помощи кольца 5 нажатием пружины 4. Пылеразделение и улавливание готового продукта осуществляются в сепараторе 2.

Кольцевые мельницы используются для тонкого измельчения материалов малой и средней твердости (мел, тальк, красители и др.), для которых вследствие налипания материала на шары и футеровку не могут быть использованы барабанные шаровые мельницы более простой конструкции. Кольцевые мельницы компактны и могут измельчать материал при изменении степени измельчения в широких пределах. Недостатками мельниц этого типа являются сложность конструкции и большие эксплуатационные расходы.

Принцип работы ударно-центробежных мельниц

Центробежно-ударная мельница по принципу работы копирует центробежно-ударную дробилку. Материал подается через загрузочное приспособление (патрубок) 1 (на рисунке) во вращающийся ускоритель мельницы 2, в котором материал раскручивается двигателем 7 и под действием центробежной силы выбрасывается из ускорителя в камеру измельчения. Разогнанные куски материала в камере измельчения сталкиваются с отбойными плитами 3 и кусками материала, отразившимися от отбойных плит ранее. Соударение кусков между собой и с отбойными плитами происходит с большой скоростью, существенно большей критической скорости разрушения материала, что приводит к разрушению кусков. Этот принцип можно назвать “свободным ударом”, при котором куски разрушаются преимущественно по плоскостям спайности минералов и границам сростания минералов, а также трещинам в породе. Камера измельчения продувается транспортным вентилятором, воздушный поток которого захватывает частицы мельче верхнего критического размера и уносит с собой в верхнюю часть мельницы, которая представляет собой классификатор. Куски крупнее верхнего критического размера под действием силы тяжести опускаются вниз 5, и выгружаются из мельницы. Они требуют повторного измельчения и элеватором подаются вместе с исходным питанием в загрузочный патрубок мельницы 1. В классификаторе лопатки 4, установленные под заданным углом, формируют закрученный восходящий поток, который попадая в камеру классификатора большого объема теряет скорость и подъемную силу, поэтому из потока выпадают частицы крупнее нижнего критического размера 6. Эти частицы собираются на конусе и по материалопроводам внутри мельницы подаются самотеком в ускоритель 2 на повторное измельчение. Из классификатора поток выносит частицы нужной крупности – готовый продукт 8. Далее пылевоздушная смесь попадает в циклоны, откуда частицы выгружаются в бункер, а воздух возвращается в мельницу. Для обеспечения очистки воздуха от тонких фракций и поддержания установки под отрицательным избыточным давлением используется система аспирации на основе рукавного фильтра.

Мельницы наимельчайшего дробления: вибрационные, струйные, коллоидные.

Его проводят в вибрационных, струйных и коллоидных мельницах, в которых частицы материала измельчаются приблизительно от 10-0,1 мм до 75*10 -5 – 1*10 -4 мм.

Вибрационные мельницы. Вибрационная мельница представляет собой цилиндрический или корытообразный корпус 1, примерно на 80 % своего объема загруженный шарами (иногда-стержнями) 2. Корпус приводится в колебательное движение валом 3, снабженным дебалансом в мельницах инерционного типа или эксцентриковым валом – в гирационных мельницах.

При вращении не­уравновешенной массы вала (вбиратора) 3 со скоростью от 1000 до3000 мин -1 корпус 1 с загруженными в него шарами и измельчаемым материалом совершает качательное движение ПО эллиптической траектории в плоскости, перпендикулярной оси вибратора. Мелющие тела при этом вращаются вокруг собственных осей, а все содержимое корпуса приводится в планетарное движение в сторону, обратную направлению вращения вибратора.

Материал интенсивно измельчается под действием частых соударении мелющих тел и истиранием. Корпус устанавливается на пружинящие опоры (рессоры или цилиндрические пружины) 4 и деревянные подкладки, предотвращающие передачу вибраций основанию мельницы.

Вибрационные мельницы используют для сухого и мокрого измельчений периодическим и непрерывным способами. Применение вибрационных мельниц наиболее эффективно для сверхтонкого измельчения материалов небольшой твердости с размерами зерен от 1-5-2 мм до 60 мкм и менее.

Измельчение в вибрационных мельницах имеет ряд существенных достоинств. Вследствие интенсивного ударно-истирающего воздействия на материал весьма быстро достигается высокая дисперсность продукта измельчения. Частицы материала в мельнице вибрируют во взвешенном состоянии, не слипаются и не спрессовываются. Этим обеспечивается большая однородность размеров частиц измельченного материала.

Струйные мельницы. В струйных мельницах энергия, необходимая для измельчения материала, сообщается струей энергоносителя (воздуха, перегретого пара, инертного газа), подаваемой из сопел со звуковыми и сверхзвуковыми скоростями.

Для сверхтонкого измельчения применяют струйные мельницы с плоской и трубчатой помольными камерами. В мельнице с плоской помольной камерой энергоноситель из распределительного коллектора 1 через сопло 2 отдельными струями постает в помольно-разделительную камеру 3.

Оси сопел расположены под некоторым углом относительно соответствующих радиусов камеры, вследствие чего струи газа пересе­каются, образуя вокруг вертикальной оси камеры вращающийся с окружной скоростью 100-150 м/с многоугольник. Материал на измельчение подается инжектором 4, увлекается струями газа, получает ускорение и измельчается под действием многократных соуда­рений и частично – истиранием частиц в точках пересечения струй. По мере уменьшения размера и массы частицы испытывают все меньшее воздействие центробежной силы инерции во вращающемся потоке и, измельчившись до определенного размера, попадают вместе с газовым потоком в кольцевую щель между трубами 5 и 6. В поле центробежных сил, возникающих в нисходящем вих­ревом потоке в трубе 6, около 80 % частиц осаждаются на внутренней поверхности трубы и удаляются в приемник 7. Наиболее мелкие частицы, составляющие примерно 20 % уносятся по трубе 5 и улавливаются в дополни­тельных циклонах и матерчатых фильтрах.

Коллоидные мельницы. Размеры частиц, получаемых при дроблении в коллоидных мельницах, приближаются к размерам коллоидных частиц и составляют доли микрометров. Во избежание слипания частиц измельчение производят в присутствии диспергирующей среды, в качестве которой применяются жидкость или реже – газ. В фармацевтической технологии коллоидные мельницы применяют в производстве линиментов (жидких мазей), мазей, паст и др. Коллоидные мельницы обеспечивают высокую дисперсность суспензии и эмульсии, содержащих нерастворимые твердые лекарственные вещества. В этом случае применяют роторно-пульсационные аппараты (РПА) и коллоидные мельницы различных конструкции.

В роторно-бильной коллоидной мельнице суспензия, подлежащая измельчению, подается через штуцер 8 в корпус 1, где проходит между билами 3, закрепленными на роторе 4, вращающемся на валу 5, и контрударниками б, закрепленными неподвижно в корпусе. Ряды бил ротора расположены между рядами контрударников корпуса. Измельченный материал выходит из штуцера 9. Если степень измельчения суспензии недостаточна, суспензия пропускается через мельницу повторно. Корпус измельчителя можно охлаждать. Предназначенная для этого жидкость поступает через штуцер 2 и выводится через штуцер 7.

Вследствие высокой скорости движения бил и частиц и их встреч с контрударниками в мельнице развивается значительный кавитационный эффект, поэтому такие мельницы иногда называют кавитационными измельчителями. Они могут также использоваться для получения и гомогенизации эмульсии.

Виброкавитационная коллоидная мельница состоит из статора 2 и ротора 3, находящихся в корпусе 1. На поверхности статора и ротора нанесены канавки 4, направленные вдоль цилиндрической поверхности. Суспензия через штуцер 5 поступает в кольцевой зазор между статором и ротором и выходит через штуцер 6. При вращении ротора на валу 8 со скоростью 18000 об/мин час­тицы суспензии, двигаясь от канавок ротора к канавкам 1 статора, совершают колебания большой частоты, близкие к ультразвуковым, и измель­чаются до размера 1 мкм, Корпус мельницы можно охлаждать жидкость проходит через штуцеры 7 и 9. Производи­тельность виброкавитационной коллоидной мельницы с диаметром ротора 500 мм составляет 500-700 кг суспензии в час.

Конусная коллоидная мельница имеет статор 5 и конусный ротор 2, заключенные в корпус 3. Ротор и статор имеют на поверхности наклонные канавки 6. Канавки ротора и статора направлены в проти­воположные стороны. Статор закреплен в корпусе при помощи гайки 4. Материал поступает в аппарат через воронку 7 в крышке 8. Он попадает в зазор между ста­тором и ротором, измельчается и выводится через штуцер 9. Зазор между статором и ротором может регулиро­ваться при помощи гайки 4. Величина зазора может доходить до 0,05мм

РПА

Роторно-пульсационный аппарат состоит из ротора 1 и статора 2, встроенных в корпус 3. Статор и ротор выполнены в вида соостных перфорированных цилиндров. Перфорация цилиндров может быть разной: в виде прорезей, отверстий круглой и овальной форм, с рифлением ни цилиндрической поверхности в виде насечки или накатки, с рифлением на стенках прорезей в виде прорезей с острыми кромками, полученных путем сверления с последующей проточкой. Промежутки между прирезями могут иметь скошенные плоские поверхности, а некоторые цилиндры могут быть выполнены без перфорации. Аппарат комплектуется сменным набором цилиндров статора, обеспечивающими радиальные зазоры между цилиндрами ротора и статора в пределах 0.25-2 мм. Комбинируя различные рабочие органы, можно получить РПА с различными зазорами и геометрией рабочих органов.

Во внутренней зоне ротора и снаружи установлены по четыре радиальные лопасти 4 и 5. Обрабатываемая среда поступает по входному патрубку 6 и удаляется из аппарата через тангенциально расположенный патрубок 7. Ротор вращается с помощью электродвигателя. Различают РПА погружного (вмонтированного) и проточного I (проходного) типов. РПА (вмонтиро­ванного) типа обычно выполняют в виде мешалок, помещаемых в емкость с обрабатываемой средой. Такие аппараты иногда называют гидродинамическими аппаратами роторного типа (ГАРТ). Для повышения эффективности перемешивания погружные РПА иногда устанавливают дополнительно к имеющимся мешалкам других типов (например, якорной). Наибольшее распространение получили РПА проточного типа, рабочие органы которых смонтированы в небольшом корпусе, имеющем патрубки входа и выхода обрабатываемой среды. В этом случае технологическая схема применения РПА будет иметь вид, как на рис 3.20. а, по этой схеме РПА выполняет диспергирование и смешивание фаз. При использовании РПА по схеме 3.20 б достигается однородное распределение фаз во всем объеме. Особенно это важно в производстве мягких лекарственных форм (МЛФ), имеющих высокую вязкость. При высоком содержании твердой фазы (при экстрагировании из сырья) устанавливается дополнительно питатель 4 в виде шнека (3.20, в).

Для исключения предварительного измельчения порошкообразных антибиотиков и других веществ, содержащих частицы повышенной прочности, следует применить аппараты роликового типа или с другими дополнительными рабочими телами (например, с зубьями вкладышами) к др.

Физические основы измельчения

Измельчение материалов производится раздавливанием, раскалыванием, ударом и истиранием.

При измельчении обычно имеют место несколько сопутствующих видов измельчения. Например, истирание сопровождается раздавливанием, раскалыванием, измельчением за счет ударов.

При истирании материалов образуется большое количество пыли и в раде случаев имеет место переизмельчение, что иногда недопустимо.

Выбор метода измельчения зависит от крупности и прочности кусков измельчаемых материалов.

Прочные и хрупкие материалы измельчаются раздавливанием и ударом, прочные и вязкие — раздавливанием, вязкие материалы средней прочности — истиранием, ударом и раскалыванием

Измельчение может проводиться в один или несколько приемов, в открытых или замкнутых циклах.

При измельчении в открытом цикле куски материала проходят через измельчающую машину один раз. Если в исходном материале имеется примесь мелочи, то ее предварительно отсеивают. В открытом цикле, как правило, проводят крупное и среднее дробление.

При измельчении в замкнутом цикле после измельчающей машины устанавливается классифицирующее устройство, с помощью которого куски, превышающие установленный конечный размер, вновь транспортируются в измельчающую машину на повторное дробление.

Процессы измельчения связаны с затратой большого количества энергии. Расход энергии на измельчение может быть определен из существующих теорий измельчения.

Поверхностная теория исходит из того, что при измельчении работа расходуется на преодоление сил молекулярного притяжения по поверхностям разрушения материала. Из этой теории следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональна вновь образующейся поверхности измельчаемого материала.

Объемная теория исходит из того, что при измельчении работа расходуется на деформации материала до достижения предельной разрушающей деформации. Отсюда следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональна уменьшению объема кусков материала перед их разрушением. Полная работа внешних сил выражается уравнением Ребиндера

где: А_Д — работа, затрачиваемая на деформацию объема разрушаемого куска, Дж; А_п -—работа, затрачиваемая на образование новой поверхности, Дж; K₁ — коэффициент пропорциональности, равный работе деформирования единицы объема тела; DV — изменение объема разрушаемого тела; К₂ — коэффициент пропорциональности, равный работе, затрачиваемой на образование единицы новой поверхности; DF — приращение вновь образованной поверхности.

На основании закона Гука работу деформации (в Н-м) материала при сжатии можно определить по соотношению

(4-3)

где А_Д — уменьшение объема кусков материала в результате перед разрушением, м 3 ; Е — модуль упругости материала, Н/м 2 ; s — разрушающее напряжение сжатия, Н/м.

Как видно из уравнения (4-3), работа, затрачиваемая на разрушение материала, зависит от разрушающего напряжения и модуля упругости материала.

С учетом (4-3) получим

В случае крупного дробления с малой степенью измельчения можно пренебречь работой, затрачиваемой на образование новой поверхности, и, учитывая, что DV

D 3 , получим

где D 3 —- характерный размер куска.

Уравнение (4-5) выражает гипотезу Кика—-Кирпичева: работа дробления пропорциональна объему дробимого куска.

Для дробления с большой степенью измельчения можно пренебречь работой, затрачиваемой на деформирование объема куска. Тогда, учитывая, DF

Это уравнение является выражением гипотезы Риттингера, согласно ко
торой работа дробления пропорциональна величине вновь образованной при
дроблении поверхности.

В случае, когда нельзя пренебречь слагаемыми в уравнении (4-2), получают уравнение

(4-7)

которое носит название уравнения Бонда: работа дробления пропорциональна среднегеометрическому из его объема и поверхности.

Работа, затрачиваемая на резание (резание состоит из двух последовательных стадий: сначала лезвие ножа сжимает материал, а затем перерезает его), может быть выражена формулой акад. В. П. Горячкина

где а _сж — работа, затрачиваемая на сжатие продукта; А_п — полезная работа резания, Дж.

Работа сжатия а _сж = Э×h_СЖ / h, где Э — условный модуль сжатия материала лезвием ножа, Дж; h_СЖ—высота сжатого слоя, м; h — первоначальная высота слоя материала, м.

Полезная работа а _п = F_РЕЗ ×(h — h_СЖ) где F_РЕЗ — усилие резания.

Обычно пользуются понятием удельное усилие резания, которое представляет собой усилие, отнесенное к 1 м длины лезвия ножа. Так, например, для моркови удельное усилие резания составляет 1400—1600 Н/м, а для картофеля — 600—700 Н/м.

Условный модуль сжатия материала лезвием ножа определяется экспериментальным путем, Его величина зависит от свойств материала, вида ножа, усилия и других факторов.

Лезвие режущего инструмента характеризуется режущей способностью, которая в процессе эксплуатации лезвия уменьшается.

В пищевой промышленности применяются режущие инструменты самых разнообразных форм: прямоугольные, дисковые, ленточные, серповидные и др. Режущие инструменты могут совершать вращательное, возвратно-поступательное, колебательное движение, но могут быть и неподвижными, в то время как изрезаемый материал находится в движении в машине.

Дата добавления: 2016-11-29 ; просмотров: 2780 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ