Оценка геометрического масштабирования мультивихревого воздушного классификатора для линий переработки пищевых порошков

Контроль гранулометрического состава мелкодисперсных порошкообразных материалов является важной инженерной задачей для АПК и пищевых производств, поскольку влияет на устойчивость технологических режимов, качество смешения, точность дозирования и уровень запыленности. Традиционные способы разделения частиц в области размеров менее 100 мкм часто ограничены по селективности и производительности, что определяет необходимость разработки новых аппаратов сухой воздушной классификации. В работе предложен мультивихревой воздушный классификатор, обеспечивающий селективное разделение и частичное обеспыливание порошков без изменения их влажности. Целью исследования стала количественная оценка влияния геометрического масштабирования аппарата и скорости входного газа на показатели разделения частиц, характерных для материалов агропромышленного и пищевого назначения. Исследование выполнено методом вычислительной гидродинамики в программном комплексе ANSYS Fluent с лагранжевым моделированием дисперсной фазы. Рассмотрены скорости входного потока 1–15 м.с и масштабы конструкции 0,5–8 относительно базового типоразмера. Показано, что при увеличении геометрического масштаба аппарата диаметр граничного зерна смещается в область более крупных частиц, а селективность разделения снижается. Установлено, что повышение скорости входного газа до 10–15 м.с способствует формированию более резкого разделения и повышению селективности, что делает указанный диапазон скоростей предпочтительным для практического применения аппарата в режиме классификации. Потери давления в исследованном диапазоне режимов остаются умеренными и не превышают 550 Па. Полученные результаты подтверждают перспективность использования мультивихревого классификатора в линиях кормопроизводства, подготовки премиксов и сухих пищевых ингредиентов.

1. Suhag R., Kellil A., Razem M. Factors Influencing Food Powder Flowability. Powders. 2024; 3(1): 65‒76. https://doi.org/10.3390/powders3010006

2. Nunnenkamp D., Bierschenk E., Westendarp H., Wolf P. Particle Size Distribution of Organic Complete Diets for Laying Hens during Feed Offering. Agriculture. 2022; 12(2): 272. https://doi.org/10.3390/agriculture12020272

3. Lie-Piang A., Yang J., Schutyser M.A.I., Nikiforidis C.V., Boom R.M. Mild Fractionation for More Sustainable Food Ingredients. Annual Review of Food Science and Technology. 2023; 14: 473‒493. https://doi.org/10.1146/annurevfood-060721-024052

4. Holt D., Aldrich C.G. Evaluation of Mixing Efficacy of Carriers for Supplemental Nutrient Premixes in Animal Feed. Kansas Agricultural Experiment Station Research Reports. 2021; 7(10): 17. https://doi.org/10.4148/2378-5977.8155

5. Matuszek D.B., Bierczyński K., Jędrysiak A., Kraszewska A. Homogeneity of the selected food mixes. Czech Journal of Food Sciences. 2021; 39(3): 197‒207. https://doi.org/10.17221/225/2020-CJFS

6. Zhang F., O’Mahony J.A., Miao S., Cronin K. An Experimental Study on the Dilute Phase Pneumatic Conveying of Fat-Filled Milk Powders: Particle Breakage. Powders. 2023; 2(1): 124‒134. https://doi.org/10.3390/powders2010009

7. Shah D.S., Moravkar K.K., Jha D.K., Lonkar V., Amin P.D., Chalikwar S.S. A concise summary of powder processing methodologies for flow enhancement. Heliyon. 2023; 9(6): e16498. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e16498

8. Hazlett R., Schmidmeier C., O’Mahony J.A. Approaches for improving the flowability of high-protein dairy powders post spray drying — A review. Powder Technology. 2021; 388: 26‒40. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.03.021

9. Perelli S., D’Angelo D., Pellegrini L. Analysis of Dust Fires and Explosions in the Food Processing Industry. Chemical Engineering Transactions. 2023; 104: 169‒174. https://doi.org/10.3303/CET23104029

10. Jezsó K., Peciar P. Influence of the Selected Sieving Parameters on the Sieving Efficiency of Material MCC Avicel PH102. Strojnícky časopis — Journal of Mechanical Engineering. 2022; 72(1): 77‒88. https://doi.org/10.2478/scjme-2022-0008

11. Pulivarthi M.K. et al. Dry fractionation process operations in the production of protein concentrates: A review. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2023; 22(6): 4670‒4697. https://doi.org/10.1111/1541-4337.13237

12. Meenakshi Sundaram G.S., Das D., Emiola-Sadiq T., Sajeeb Khan A., Zhang L., Meda V. Developments in the Dry Fractionation of Plant Components: A Review. Separations. 2024; 11(12): 332. https://doi.org/10.3390/separations11120332

13. Cammerata A., Sestili F., Laddomada B., Aureli G. Bran-Enriched Milled Durum Wheat Fractions Obtained Using Innovative Micronization and AirClassification Pilot Plants. Foods. 2021; 10(8): 1796. https://doi.org/10.3390/foods10081796

14. Cammerata A., Marabottini R., Allevato E., Aureli G., Stazi S.R. Content of minerals and deoxynivalenol in the air-classified fractions of durum wheat. Cereal Chemistry. 2021; 98(5): 1101‒1111. https://doi.org/10.1002/cche.10458

15. Wetterauw K., Wilms P., Boom R., van der Linden E., Venema P., Schutyser M. Air classification of starch-rich pulse flours: A generic method to predict starch-protein separation. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2026; 108: 104407. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2025.104407

16. Guo M. et al. An overview of novel geometrical modifications and optimizations of gas-particle cyclone separators. Separation and Purification Technology. 2024; 329: 125136. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125136

17. Kaas A., Mütze T., Peuker U.A. Review on Zigzag Air Classifier. Processes. 2022; 10(4): 764. https://doi.org/10.3390/pr10040764

18. Stepanenko S., Kotov B., Kuzmych A., Kalinichenko R., Hryshchenko V. Research of the process of air separation of grain material in a vertical zigzag channel. Journal of Central European Agriculture. 2023; 24(1): 225‒235. https://doi.org/10.5513/JCEA01/24.1.3732

19. Исмайлова Х.Р. Моделирование процесса пневмосепарации семян подсолнечника в воздушном потоке. Аграрная наука. 2018; (11‒12): 87‒90. https://doi.org/10.32634/0869-8155-2018-320-11-87-90

20. Sun Z., Liang L., Liu C., Zhu Y., Zhang L., Yang G. CFD simulation and performance optimization of a new horizontal turbo air classifier. Advanced Powder Technology. 2021; 32(4): 977‒986. https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.01.041

21. Yu Y., Li X., Zhang Y., Jiao Z., Liu J. The influence of air inlet layout on the inner flow field for a vertical turbo air classifier. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 2023; 59(6): 175859. https://doi.org/10.37190/ppmp/175859

22. Mou X., Jia F., Fang Y., Chen C. CFD-Based Structural Optimization of Rotor Cage for High-Efficiency Rotor Classifier. Processes. 2021; 9(7): 1148. https://doi.org/10.3390/pr9071148

23. Jia F., Mou X., Fang Y., Chen C. A New Rotor-Type Dynamic Classifier: Structural Optimization and Industrial Applications. Processes. 2021; 9(6): 1033. https://doi.org/10.3390/pr9061033

24. Eckhoff R.K., Li G. Industrial Dust Explosions. A Brief Review. Applied Sciences. 2021; 11(4): 1669. https://doi.org/10.3390/app11041669

25. Sulaiman S.Z., Mohd Mokhtar K., Wan Sulaiman W.Z., Semawi N.H. Flame propagation and explosion characteristics of food-based dust as a function of dust concentration. Process Safety Progress. 2024; 43(3): 579‒586. https://doi.org/10.1002/prs.12591

26. Pahasup-anan T. et al. Dust Explosion Risk Assessment of Extruded Food Production Process by Fault Tree Analysis. ACS Chemical Health & Safety. 2022; 29(1): 91‒97. https://doi.org/10.1021/acs.chas.1c00036

27. Прец М.А., Зинуров В.Э., Дмитриев А.В., Мугинов А.М. Численное исследование влияния геометрических параметров мультивихревого классификатора на эффективность фракционирования частиц. Вестник Технологического университета. 2025; 28(4): 63–68. https://doi.org/10.55421/3034-4689_2025_28_4_63

28. Зинуров В.Э., Биккулов Р.Я., Дмитриева О.С., Мадышев И.Н., Абдуллина А.А. экспериментальное определение гидравлического сопротивления мультивихревого сепаратора. Ползуновский вестник. 2023; (1): 191–199. https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2023.01.024

29. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal. 1994; 32(8): 1598‒1605. https://doi.org/10.2514/3.12149

30. Gosman A.D., Ioannides E. Aspects of Computer Simulation of LiquidFueled Combustors. Journal of Energy. 1983; 7(6): 482‒490. https://doi.org/10.2514/3.62687