Определение насыпной плотности дисперсных пищевых материалов

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Лабораторная работа «Определение истинной и насыпной плотности сыпучих материалов и определение свойств дисперсных частиц»

Цель работы: Изучение устройства и принципов работы приборов для определения характеристик сыпучих пищевых продуктов и механизмов их загрузки и выгрузки.

Задачи работы:

1. Определение формы и размеров дисперсных частиц.

2. Определение пористости.

3. Определение насыпной и истинной плотности продуктов.

Основные сведения

Неоднородные системы – это смеси, по крайней мере двух продуктов, находящихся в различных или одинаковых фазовых состояниях. Примерами неоднородных систем могут явиться: суспензии, эмульсии, пены, туманы, пыли и сыпучие смеси (рисунок 1). В них можно выделить две фазы вещества – непрерывно распределенный континуум одной фазы, называемый дисперсионной средой, и находящиеся в нем раздробленные частицы различных размеров и форм – дисперсную фазу. Неоднородные системы называют также гетерогенными или дисперсными. Дисперсионная среда неоднородных систем может находиться в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном.

Неоднородные системы могут классифицироваться также по мелкости частиц. Дисперсностью (D) называют величину, обратную поперечному размеру частиц (d), т.е. D=1/d. По этому параметру неоднородные системы могут разделяться на грубодисперсные, характеризующиеся макроскопической раздробленностью вещества (d=1…10^{-2 см, D=1…102} 1/см), и коллоидные системы, характеризующиеся предельно высокой его раздробленностью, т.е. коллоидным состоянием (d= 10^-5… 10^{-7 см, D=105}…10⁷ 1/см).

С повышением дисперсности пропорционально ей увеличивается отношение поверхности частиц дисперсной фазы к их объему. В результате все большая и большая часть молекул в частицах оказывается на их поверхности, а не внутри их. Это существенно изменяет свойства неоднородных систем. При этом для грубодисперсных систем основное влияние на их свойства оказывают объемные силы, а для коллоидных растворов основными являются уже поверхностные силы. Именно за их счет возникают внутрифазные связи, приводящие к образованию внутренних структур в виде пространственного каркаса, а системы переходят в гели.

Для разделения неоднородных систем применяется оборудование, использующее различные физические явления. Выбор оптимального состава оборудования определяется признаком, по которому дисперсионная среда и дисперсная фаза или компоненты смеси существенно различаются друг от друга. Такими признаками могут явиться: размеры частиц, их форма, плотность, прочность, магнитные и электромагнитные свойства, свойства поверхности частиц, сопротивление обтеканию сплошной средой и т.п.

Основное сырье пищевой промышленности – зерновые, семена масленичных культур, овощи, фрукты и т.д., а также большая часть готовой продукции – крупы, сухофрукты, мука, сухое молоко, сахар, чай, молотый и гранулированный кофе, творог и побочные продукты. Они представляют собой сыпучие среды, физические и механические свойства которых зависят от размеров и формы составляющих частиц, их плотности, внутреннего и внешнего трения, сцепляемости, влажности и электрического заряда. Сыпучие продукты состоят из круглых, многогранных или неправильных по форме, механически не связанных частиц, перемещающихся и взаимодействующих друг с другом и с ограждениями под действием силы тяжести. При этом между частицами могут действовать адгезионные силы, придающие среде связанность.

Такие вещества одновременно обладают свойствами и твердого и жидкого тела. Так дисперсные продукты упруги, обладают пластической деформацией и способностью сохранять форму при относительно небольших нагрузках. В тоже время они подобны жидкости и принимают форму емкости, в которой хранятся, истекают через открытое отверстие и при слабом взаимодействии растекаются по горизонтальной поверхности.

При исследовании мелкодисперсных пищевых материалов их рассматривают как комплекс большого числа мелких твердых частиц, которые могут перемещаться относительно друг друга, т.о. образовывать сыпучую массу. Основными характеристиками сыпучих продуктов являются размеры и форма частиц, их плотность и объемная плотность, внутреннее трение и угол естественного откоса.

Из-за свободного пространства вокруг частиц или пористости сыпучего материала механическая связь между частицами ослабляется, что дает возможность свободного движения отдельной частицы по отношению к соседней. А между частицами неправильной формы или смесью больших или маленьких частиц возникают силы сцепления, которые могут оказывать большое влияние на характер их истечения.

Размер частиц материала правильной формы (сфера, цилиндр…) легко установить, взяв за основу самый большой линейный размер, однако не редко частицы отличаются и по размеру и по форме. Для частиц неправильной формы вводят единый показатель - средний размер частиц. Однако опыт показывает, что частицы с одинаковым средним размером могут проявлять совершенно индивидуальные свойства при обработке и транспортировке в зависимости от формы, шероховатости поверхности и т.д. Имеется много методов определения размеров частиц – ситовой метод, метод седиментации и метод оптической микроскопии, применяемый в настоящей работе. В общем случае сыпучие дисперсные продукты, не содержащие частиц размерами менее 0,25 мм, могут рассматриваться как не связанные, легкосыпучие продукты, а поэтому характеристики истечения реальных продуктов в основном определяются содержанием в них мелких частиц.

Знание истинной и объемной плотности сыпучих продуктов существенно для проектирования систем хранения, упаковки и транспортировки сыпучих продуктов. Очевидно, что объемная плотность зависит от плотности самих частиц их формы, укладки и расположения частиц относительно друг друга (рис. 2). Со временем в результате переориентации и оседания сыпучей массы объемная плотность увеличивается. Её величина может стать на 20% больше чем начальная плотность.

Рисунок 1 – Классификация неоднородных систем

При истечении реального сыпучего продукта на ровную горизонтальную поверхность он будет накапливаться в виде конуса (рисунок 3). Угол между горизонталью и образующей конуса называют углом естественного откоса. Чем меньше связь между частицами, тем меньше угол естественного откоса, тем легче истечение продукта. По величине угла естественного откоса продукты разделяются на легко и трудно сыпучие дисперсные материалы (табл.1).

Таблица 1 Характеристика сыпучих продуктов по истечению

Продукты	Углы естественного откоса, °
Очень сыпучие продукты	25-30
Сыпучие продукты	30-38
Достаточно сыпучие продукты	38-45
Связанные сыпучие продукты	45-55
Трудносыпучие продукты	Более 55

Рисунок 2 – Схемы упаковки сферических частиц

а– ромбовидная; б– свободная

Рисунок 3 - Определение угла естественного откоса

В сыпучих продуктах различают два вида трения: внешнее - трение частиц о стенки емкости, и внутреннее трение частиц друг о друга. Продукты, обладающие плохой сыпучестью характеризуются более высоким коэффициентом внутреннего трения и более сильным сцеплением, чем продукты с хорошей сыпучестью. Точные величины коэффициентов трения о стены и внутреннего трения каждого конкретного продукта могут быть получены экспериментально при проведении специальных лабораторных работ.

Определение насыпной плотности дисперсных пищевых материалов

и плотности самих частиц.

Принцип работы основан на использовании законов Клайперона – Менделеева и Бойля - Мариотта и предполагает выполнение следующих действий

· создания повышенного давления в коллекторе и эталонной емкости при полностью открытом кране и всех закрытых кранах измерительных емкостях,

· Измерение устанавливающегося давления , в сообщающейся системе (эталонная емкость, коллектор и измерительная емкость), при открытии одного из кранов,

· определения насыпной плотности дисперсных частиц и пористости сыпучего материала по величинам давлений воздуха и .

Для системы в целом и ее составляющих при одной и той же температуре

T₀ = T_i = Т, можно записать 3 уравнения состояния

Первое уравнение относится к параметрам эталонной емкости и коллектору при абсолютном давлении при всех закрытых мерных емкостях.

Второе описывает состояние воздуха, заполняющего пустоты в измерительной емкости с исследуемым материалом при атмосферном давлении .

Третье – к системе в целом, состоящей из эталонной емкости, коллектора и одной из измерительных емкостей, когда при открытии одного из кранов на мерной емкости i в них устанавливается одинаковое абсолютное давление .

Здесь V₀и m₀ –объем и масса газа, находящегося в эталонной емкости, коллекторе и измерительных трубках при абсолютном давлении ; V_i и m_i – объем и масса газа, находящегося в измерительной емкости при атмосферном давлении Р₀.

Решая систему трех уравнений исключая из ее RT, можно получить

Оно позволяет найти V _i, если известно значение V₀ и измеренные давления , и .

Насыпная плотность образца определяется как отношение массы продукта к его объему, заполненному частицами

r_н= m/ V (1)

Определяем объем газа находящийся между частицами

V _е = V _i – V _п, (2)

где V _п = 100 мл – объем не занимаемый материалом в испытуемой емкости. Для определения объема и истинной плотности самих частиц V _ч, справедливо

V _ч = V₀ – V _е и r_ч= m/ V_ч (3)

где V ₀ = 500 мл – объем измерительной емкости.

Величина пористости сыпучего материала вычисляется, как

(4)

Дата добавления: 2022-11-11; просмотров: 53; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!