Селективная дезинтеграция растительного сырья виброразрушением

 Под дезинтеграцией (дроблением, измельчением, резанием) твердых тел понимают изменение их размеров, разрушение тел путем механического воздействия на них, при этом преодолеваются внутренние силы сцепления и образуется новая поверхность.

Процессы измельчения пищевого сырья и полуфабрикатов растительного происхождения являются одним из важнейших в технологии производства продуктов питания и часто определяют их качество. В связи с этим возникает необходимость совершенствования технологии измельчения путем осуществления селективной дезинтеграции, создания оборудования и оптимизации режимов его работы, что позволит не только обеспечить рациональную организацию процесса разрушения с достаточным раскрытием компонентов без их переизмельчения, сохраняя по возможности их природные размеры, но и управлять качеством получаемых в результате помола сыпучих материалов.

На практике процесс дезинтеграции осуществляют для достижения одной из следующих целей:

1.    Заданного технологическим процессом среднего размера частиц сыпучего материала.
2.    Увеличение поверхности контакта измельчаемого материала для осуществления химических, физических, физико-химических процессов, если именно поверхность межфазного контакта определяет интенсивность процесса.
3.    Выделение целевого компонента из многокомпонентной массы.

Для достижения вышеперечисленных целей применяются различные методы в зависимости от свойств измельчаемого материала.

Твердый материал можно разрушить и измельчить до частиц желаемого размера раздавливанием,раскалыванием,    разламыванием резанием, распиливанием, истиранием, ударом и различными комбинациями этих способов. Различают разрушение тела стесненным и свободным ударом. При стесненном ударе тело разрушается между двумя рабочими органами измельчителя. Эффект такого разрушения зависит от кинетической энергии ударяющего тела. При свободном ударе разрушение тела наступает в результате столкновения его с рабочим органом измельчителя или другими телами в полете. Эффект такого разрушения определяется скоростью их столкновения, независимо от того, движется разрушаемое тело или рабочий орган измельчителя. Происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию деформации и поверхностную энергию прибавленной площади поверхности материала.
Для промышленной дезинтеграции пригодными являются раскалывание, разламывание, раздавливание, истирание и удар. Раскалывание применяют для получения кусковых материалов, разламывание обычно сопутствует другим способам при крупном, среднем и мелком измельчении, а резание и распиливание применяют в тех случаях, когда нужно получить куски материала определенного размера и заданной формы. В то же время скользящим резанием достижимо тонкое измельчение и даже коллоидное измельчение вплоть до образования новой дисперсной системы в измельчаемой среде. Истирание применяют для тонкого измельчения мягких и вязких материалов. При этом его всегда комбинируют с раздавливанием или ударом.
Технические приемы реализации разупрочнения межкомпонентных связей различных структур делают организацию процесса селективного разрушения принципиально отличной от традиционных способов:

1)    частицы материала должны подвергаться всестороннему сжатию в объемном слое материала в отличие от однослойного сжатия или удара тел при традиционных способах;
2)    одновременно для возникновения напряжений на границах взаимодействия различных морфологических структур частицы материала должны подвергаться комбинированному нагружению, включающему деформации сдвига, изгиба, кручения и, если это механически удается осуществить, растяжения;
3)    единичная частица материала должна подвергаться многократному воздействию малыми импульсами энергии, вызывающими накопление дефектов в виде микротрещин на границах межкомпонентных связей, но не в объеме самих структурных компонентов;
4)    количество таких воздействий и скорость нагружения также имеют большое значение, скорость нагружения должна быть достаточно высокой, чтобы снизить потери энергии на пластическую деформацию.

Процесс непосредственного разрушения предварительно разупрочнен-ных частиц полиморфного растительного сырья также должен осуществляться с соблюдением ряда принципов:

1) в промежутках между циклами нагружения частицы материала должны приобретать относительную подвижность, обеспечивающую их взаимную переориентацию, вывод измельченных частиц, а также возможностями управления плотностью слоя;

2) уровень силовых воздействий, которые требуются для создания минимальных напряжений, вызывающих развитие микротрещин и переход в макротрещину, должен быть естественно выше энергетических импульсов в процессе разупрочнения. Однако они должны превышать предел, при котором происходит разрушение структурных компонентов.

Прочностные свойства материалов, связывающих различные структурные компоненты частиц растительного сырья, будут всегда изменяться в определенном диапазоне. Поэтому, когда необходима особо высокая селективность раскрытия, процесс измельчения должен быть организован таким образом, чтобы материал подвергался постепенному возрастающему уровню силового воздействия выводом из рабочего пространства раскрытых частиц. В этом случае гарантируется максимально полное раскрытие при минимальном переизмельчении. Скорость и частота нагружения должны выбираться в зависимости от структурно-механических свойств материала и поставленных технологических требований. Такая возможность плавного регулирования (дозирования) нагрузки должна быть заложена в конструкцию измельчителя.

Совокупное использование всех изложенных выше принципов обеспечит селективную дезинтеграцию полиморфного сырья растительного происхождения с максимально возможным выходом продуктов измельчения заданного качества с требуемыми потребительскими свойствами при минимальной энергоемкости.
Особое место в селективной дезинтеграции занимает виброинерционное разрушение растительного сырья, когда при заданных, регулируемых по величине и комбинаторности нагрузках, исходный материал разрушается преимущественно по границам поверхностного взаимодействия компонентов, а продукт измельчения представляет собой полидисперсный сыпучий материал, легко разделяющийся как на фракции, так и по компонентному составу.

Интенсивное вибрационное воздействие на слой материала способствует постоянной интенсивной переориентации его частиц относительно друг друга в рабочей зоне, что повышает вероятность разрушения всех ослабленных зон в объеме каждой частицы. Одновременно активно удаляется между частицами мелочь, которая в остальных случаях приводит к излишним потерям энергии и переизмельчению.

Замена кинематических связей динамическими дает возможность легко менять дробящую силу. Можно настроить работу машины на ту или иную прочность, например на прочность межкомпонентных связей (если она ниже прочности самих компонентов).

Наиболее эффективно процесс селективного разрушения осуществляется в вибрационных измельчителях. Вибрационно-импульсное воздействие достигается за счет удара со скольжением дробящего тела по измельчаемому материалу либо вследствие удара с некоторым поворотом рабочего органа относительно какой-либо оси. Вибрационное воздействие на измельчаемый материал существенно увеличивает ударно-истирающий эффект, что повышает вероятность разрушения частиц. Особенностью вибрационного измельчения является также возможность широкого и раздельного варьирования ударного (регулирование параметров вибрации) и истирающего факторов (изменение формы колебаний, конструктивного исполнения рабочей камеры и т.д.).

В связи с вышеизложенным можно сделать вывод, что развитие селективной дезинтеграции наиболее перспективно в совершенствовании конструкций виброинерционных машин.