Смеситель-экструдер

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к получению экструдированных гранул из многокомпонентных смесей, и может быть использовано в отраслях промышленности, применяющих смешивание сыпучих компонентов с добавлением жидких ингредиентов. Смеситель-экструдер содержит корпус с тремя последовательно расположенными камерами, загрузочным патрубком, валами с лопастями, распылительными форсунками. В загрузочном патрубке установлен конусообразный нагнетающий шнек, в первой камере установлен быстроходный вал, на котором расположены две ленточные спирали разного диаметра и перемешивающие лопасти в виде изогнутых пластин, контактирующих с внутренней поверхностью первой камеры. Вторая камера представляет собой вращающийся цилиндрический барабан, снабженный насадкой для перемещения и пересыпания материала. В первой камере установлен быстроходный вал, внутри которого проходит тихоходный вал, во второй камере на тихоходном валу с определенным шагом установлены штыри для ворошения продукта. На выходе из третьей камеры установлена матрица. Технический результат состоит в снижении энергозатрат при достижении наилучшей однородности смешивания. 3 ил.

 

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к получению экструдированных гранул из многокомпонентных смесей, и может быть использовано в отраслях промышленности, применяющих смешивание сыпучих компонентов с добавлением жидких ингредиентов.

Известен смеситель [Пат. №2188064, МПК⁷ В01F 7/02, А23L 1/10. Смеситель. №2001126981/12, Заявл. 04.10.2001, Опубл. 27.08.2002, Бюл. №24], содержащий корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, расширяющийся по ходу движения компонентов, валы с лопастями, распылительную форсунку. Его отличительной особенностью является то, что он имеет три последовательно расположенных камеры, в первой из которых установлен быстроходный вал с двумя спиралями разного диаметра. Во второй и третьей камерах установлен тихоходный вал, снабженный конусообразными лопастями во второй камере и однозаходным шнеком с очищающей лопастью - в третьей. На внутренней поверхности нижней части второй камеры смонтированы вращающиеся трапецеидальные рамные лопасти, имеющие пирамидальные каналы, меньшие основания которых обращены в сторону их вращения. В верхней части второй камеры установлены форсунки для подачи жидких и вязких компонентов, при этом нижняя часть второй камеры имеет конусообразную форму.

Недостатками смесителя являются: значительные удельные энергозатраты, недостаточно равномерное распределение компонентов в получаемой смеси и значительная продолжительность процесса смешивания.

Технической задачей изобретения является снижение удельных энергозатрат при достижении наилучшей однородности смешивания за счет реализации прогрессивного метода смешивания, основанного на механическом псевдоожижении в сочетании с последующим экструдированием.

Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в смесителе-экструдере, содержащем корпус с тремя последовательно расположенными камерами, загрузочным патрубком, валами с лопастями, распылительными форсунками, новым является то, что в загрузочном патрубке установлен конусообразный нагнетающий шнек, в первой камере установлен быстроходный вал, на котором вначале под загрузочным патрубком расположены две ленточные спирали разного диаметра, а затем - перемешивающие лопасти, выполненные в виде изогнутых пластин, контактирующих с внутренней поверхностью первой камеры, а над ними в верхней части расположены распылительные форсунки для подачи жидких и вязких компонентов, вторая камера представляет собой барабан цилиндрической формы, выполненный с возможностью вращения и установленный соосно с первой и третьей камерами, на его наружной поверхности установлена венцовая шестерня, контактирующая с приводной шестерней, и два опорных бандажных кольца, опирающиеся на опорные ролики опорных станций, внутренняя поверхность барабана снабжена насадкой для перемещения и пересыпания обрабатываемого материала, тихоходный вал проходит через все камеры, только в первой камере установлен быстроходный вал, внутри которого проходит тихоходный вал, во второй камере на тихоходном валу с определенным шагом установлены штыри для ворошения продукта, на входе и выходе из первой камеры и на входе в третью камеру установлены опоры для тихоходного вала, в третьей камере, имеющей конусообразную форму, расположен тихоходный вал, на котором смонтированы витки шнека переменного шага и диаметра, а на выходе из третьей камеры установлена матрица.

На фиг.1 приведено плоскостное изображение общего вида смесителя-экструдера, на фиг.2 - поперечный разрез второй камеры смесителя-экструдера, на фиг.3 - объемное изображение общего вида смесителя-экструдера.

Смеситель-экструдер (фиг.1 и 3) содержит корпус 1 с тремя последовательно расположенными камерами 7, 8 и 9, загрузочный патрубок 2, внутри которого установлен конусообразный нагнетающий шнек 3.

Внутри первой камеры 7 смесителя-экструдера расположены соосно установленные быстроходный 4 и тихоходный 5 валы, причем внутри быстроходного вала проходит тихоходный вал. Валы 4 и 5 приводятся во вращение от привода 6 (фиг.1).

На быстроходном валу 4 вначале под загрузочным патрубком 2 расположены две ленточные спирали 10 разного диаметра, а затем - перемешивающие лопасти 11, выполненные в виде изогнутых пластин, контактирующих с внутренней поверхностью первой камеры 7. Конфигурация и форма перемешивающих лопастей 11 выбрана с учетом состояния перемешиваемой массы, ее объема, толщины слоя, производительности, соотношения смешиваемых компонентов, степени однородности, способа загрузки компонентов и выгрузки смеси и требований технологии. В верхней части первой камеры 7 над перемешивающими лопастями 11 расположены распылительные форсунки 12 для подачи жидких и вязких компонентов.

Тихоходный вал 5, проходящий через все три камеры, установлен внутри быстроходного вала 4, который расположен только в первой камере 7. На входе и выходе из первой камеры 7 и на входе в третью камеру 9 установлены опоры 20 для тихоходного вала 5. На тихоходном валу 5, расположенном во второй камере 8, с определенным шагом установлены штыри 23 для ворошения продукта.

Вторая камера 8 представляет собой барабан 13 цилиндрической формы, установленный с возможностью вращения и соосно с первой 7 и третьей 9 камерами. На наружной поверхности барабана 13 имеется венцовая шестерня 14, контактирующая с приводной шестерней 15, и два опорных бандажных кольца 16, которые опираются на опорные ролики опорных станций 18 (фиг.1 и 2). Приводная шестерня 15 приводится во вращение от привода 17. Внутренняя поверхность барабана 13 снабжена насадками 19 для перемещения и пересыпания обрабатываемого продукта.

Барабан цилиндрической формы 13 имеет резиновое уплотнение 24 для герметичности в местах контакта с первой 7 и третьей 9 камерами.

В третьей камере 9, имеющей конусообразную форму, расположен тихоходный вал 5, на котором смонтированы витки шнека 21 переменного шага и диаметра, на выходе из третьей камеры 9 установлена матрица 22 (фиг.3).

Предлагаемый смеситель-экструдер работает следующим образом:

Исходные сыпучие компоненты загружаются в смеситель-экструдер через загрузочный патрубок 2 с помощью вращающегося конусообразного нагнетающего шнека 3. Включается привод 6, и быстроходный 4 и тихоходный 5 валы приводятся во вращение. Быстроходный вал 4 при помощи двух ленточных спиралей 10 разного диаметра начинается захватывать и перемещать сыпучие компоненты получаемой смеси. Вследствие того, что в первой камере 7 на быстроходном валу 4 установлены две ленточные спирали 10 разного диаметра, они обеспечивают направление движения потоков смеси навстречу друг другу в направлении от торцевых стенок к центру смесителя. Таким образом, направление перемещений смеси в первой камере 7 смесителя-экструдера имеет вид перекрестного противотока.

Анализ показывает, что смешивание условно состоит из трех элементарных процессов:

- конвективное смешивание - это перемещение групп частиц из одного объема смеси в другой внедрением и скольжением слоев;

- диффузионное смешивание - это постепенное перемещение частиц различных компонентов через вновь образованные границы их раздела;

- сегрегация - это сосредоточение близких по форме, массе и размерам частиц в разных местах смесителя.

Если процесс смешивания разделить по времени на три интервала, то в первом преобладает конвективное смешивание, во втором - диффузионное, в третьем - сегрегация. Первые два процесса способствуют равномерному распределению частиц в смеси, последний (сегрегация) препятствует этому. Поэтому целесообразно заканчивать процесс в конце второго интервала смешивания.

Эффективность смешивания оценивают таким показателем, как однородность полученной смеси, а для количественной оценки используют коэффициент неоднородности. Практически однородной считается смесь, в которой содержание компонентов в любом ее объеме не отличается от их заданного содержания во всей смеси.

На эффективность смешивания влияют плотность исходных компонентов, гранулометрический состав (форма, размеры, дисперсионное распределение по крупности для неоднородных компонентов) частиц компонентов смеси, влажность компонентов, состояние поверхности частиц, силы трения и адгезии поверхностей частиц и т.д.

Для определения степени однородности полученной смеси используют коэффициент неоднородности смеси k_c (%), который представляет собой отношение содержания основного компонента к его средней массовой доле в смеси

,

где σ_c - среднее квадратичное отклонение содержания основного компонента, %; с_ср - средняя массовая доля основного компонента в смеси, %; с_i - массовая доля основного компонента в i-пробе, %; n - число проб.

Чем меньше k_c, тем равномернее смесь, что характеризует эффективность работы смесителей, при k_c<10% эффективность смеси считается хорошей. При большой разнице в плотности и гранулометрическом составе компонентов достижение необходимой степени смешивания затруднено и требует значительного времени.

Из распылительных форсунок 12, расположенных в верхней части первой камеры 7, подаются жидкие и вязкие компоненты. Перемешивающие лопасти 11, выполненные в виде изогнутых пластин, контактирующих с внутренней поверхностью корпуса 1 первой камеры 7, обеспечивают перемешивание сыпучих и жидких компонентов, доводя их до необходимой степени однородности в соответствии с требованиями технологии.

Затем смесь сыпучих компонентов последовательно перемещается во вторую камеру 8 смесителя-экструдера. Барабан цилиндрической формы 13 приводится во вращение с помощью венцовой шестерни 14, связанной с шестерней 15 привода 17. Для передачи давления от действия сил тяжести барабана 13 и обрабатываемого продукта барабан 13 имеет два опорных бандажных кольца 16, которые опираются на опорные ролики опорных станций 18.

Насадки 19, расположенные на внутренней поверхности цилиндра 13 вдоль его длины, захватывают смесь компонентов, поднимают ее, а затем смесь ссыпается с них вниз и перемешивается вращающимися штырями 23. Насадки 19 и штыри 23, установленные на вращающемся тихоходном валу 5, способствуют равномерному распределению продукта по сечению вращающегося барабана 13 и интенсивному его перемешиванию.

Мощность, затрачиваемая на перемешивание сыпучих материалов в барабане, зависит от формы и геометрических размеров корпуса, скорости его вращения и степени заполнения продуктом, физико-механических свойств перемешиваемой смеси. Перемещение смеси во второй камере 8 имеет еще более сложный характер. Его можно условно разделить на два вида:

- первый - ворошение и перемешивание смеси посредством вращающихся штырей 23;

- второй - подъем и последующее ссыпание смеси при помощи насадок 19 (фиг.2).

При этом возможно регулирование интенсивности перемещения материала во второй камере 8 посредством изменения частоты вращения барабана 13 и вала 5. Затем готовая смесь выходит из барабана 13 и направляется в третью камеру 9, в которой при помощи шнека 21 переменного шага и диаметра она сжимается, перемешивается и через матрицу 22 выводится из смесителя-экструдера.

В третьей камере 9 смесь компонентов подвергается уплотнению и постепенному сжатию. За счет того, что витки шнека 21 имеют переменный шаг и возрастающую толщину, межвитковое пространство постепенно уменьшается. В нем происходит постепенное увеличение давления и уплотнение исходной смеси вследствие резкого уменьшения размеров винтового канала. Здесь смесь компонентов сжимается и начинается образование вязкотекучей массы за счет возрастания давления. На выходе из третьей камеры 9 установлена матрица 23 с отверстиями заданного размера. Затем гомогенная смесь попадает в предматричную зону и продавливается через матрицу 23. После выхода сжатой гомогенной массы из третьей камеры 9 в результате резкого перепада температуры и давления происходит мгновенное испарение влаги, аккумулированная продуктом энергия высвобождается со скоростью, примерно равной скорости взрыва, что приводит к образованию пористой структуры и увеличению объема экструдата (вспучиванию). При этом в результате «взрыва» продукта (или «декомпрессионного шока») происходят глубокие преобразования его структуры: разрыв клеточных стенок, деструкция, гидролиз [Остриков А.Н. Экструзия в пищевых технологиях [Текст] / А.Н.Остриков, О.В.Абрамов, А.С.Рудометкин. - СПб.: ГИОРД, 2004. - 288 с].

Выходящие из третьей камеры 9 экструдированные гранулы направляются на упаковку.

Таким образом, использование изобретения позволит:

- оптимизировать процесс смешивания исходного сырья, различного по своему гранулометрическому составу и физико-механическим свойствам за счет рационального характера движения продукта в каждой из трех рабочих камер в зависимости от его функционального назначения;

- расширить область применения за счет достигнутой универсализации механизма перемешивания с учетом особенностей физико-механических свойств жидких и сыпучих исходных компонентов;

- получить экструдированные гранулы, состоящие из многокомпонентных продуктов, благодаря решению проблемы равномерного ввода жидких и вязких компонентов в смесь сыпучих продуктов.

Смеситель-экструдер, содержащий корпус с тремя последовательно расположенными камерами, загрузочный патрубок, валы с лопастями, распылительные форсунки, отличающийся тем, что в загрузочном патрубке установлен конусообразный нагнетающий шнек, в первой камере установлен быстроходный вал, на котором вначале под загрузочным патрубком расположены две ленточные спирали разного диаметра, а затем - перемешивающие лопасти, выполненные в виде изогнутых пластин, контактирующих с внутренней поверхностью первой камеры, а над ними в верхней части расположены распылительные форсунки для подачи жидких и вязких компонентов, вторая камера представляет собой барабан цилиндрической формы, выполненный с возможностью вращения и установленный соосно с первой и третьей камерами, на его наружной поверхности установлена венцовая шестерня, контактирующая с приводной шестерней, и два опорных бандажных кольца, опирающихся на опорные ролики опорных станций, внутренняя поверхность барабана снабжена насадкой для перемещения и пересыпания обрабатываемого материала, тихоходный вал проходит через все камеры, только в первой камере установлен быстроходный вал, внутри которого проходит тихоходный вал, во второй камере на тихоходном валу с определенным шагом установлены штыри для ворошения продукта, на входе и выходе из первой камеры и на входе в третью камеру установлены опоры для тихоходного вала, в третьей камере, имеющей конусообразную форму, расположен тихоходный вал, на котором смонтированы витки шнека переменного шага и диаметра, а на выходе из третьей камеры установлена матрица.