автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.14, диссертация на тему:Разработка многоцелевого газожидкостного аппарата для интенсификации стадий перемешивания в производствах молочных комбинированных продуктов

кандидата технических наук
Альбрехт, Сергей Николаевич
город
Кемерово
год
1999
специальность ВАК РФ
05.18.14
цена
450 рублей
Диссертация по технологии продовольственных продуктов на тему «Разработка многоцелевого газожидкостного аппарата для интенсификации стадий перемешивания в производствах молочных комбинированных продуктов»

Текст работы Альбрехт, Сергей Николаевич, диссертация по теме Хранение и холодильная технология пищевых продуктов

КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПШЦЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи

АЛЬБРЕХТ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МНОГОЦЕЛЕВОГО ГАЗОЖИДКОСТНОГО АППАРАТА ДЛЯ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ СТАДИЙ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВАХ МОЛОЧНЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ

Специальности:

05.18.04 - «Технология мясных, молочных и рыбных продуктов» 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор В.Н. Иванец

Кемерово 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение и постановка задач исследования................................................ 7

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ ГАЗ - ЖИДКОСТЬ И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА.................................................... 12

1.1. Состояние вопроса взаимодействия системы газ-жидкость

и классификация газожидкостных аппаратов............................... 12

1.2. Абсорбция и влияние перемешивания на величину (размер) поверхности контакта фаз системы газ-жидкость............................. 23

1.3. Влияние перемешивания на скорость химической реакции........ 37

1.4. Современные тенденции и задачи моделирования газожид-

лл*

костных хемосорбционных процессов........................................... 38

1.5. Повышение эффективности и интенсификация газожидкостных процессов................................................................................. 42

Выводы по главе......................................................................................... 51

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МО ДЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ И ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВРЕМЯ ЕГО ЗАВЕРШЕНИЯ................... 53

2.1. Лабораторный стенд для исследования взаимодействия системы газ-жидкость...................................................................... 53

2.2. Вещества, использованные в экспериментальных исследованиях .................................................................................................. 57

2.3. Методики определения степени взаимодействия системы газ-жидкость в модельном процессе..................................................... 57

2.4. Результаты экспериментальных исследований модельного процесса на лабораторном стенде................................................... 58

2.4.1. Исследование влияния температуры на протекание

модельного процесса........................................................... 58

2.4.2. Исследование влияния количества газовой фазы, подаваемой в реактор, на время завершения процесса................... 63

2.4.3. Исследование влияния интенсивности перемешивания

и способов подачи газовой фазы в аппарат.......................... 67

2.4.4. Выбор основных параметров проведения модельного

процесса................................................................................ 72

2.5. Зависимость константы скорости реакции от температуры и

определение рацонального значения последней........................... 73

2.5.1. Математическая модель процесса абсорбции, проводимого в реакторе с механическим перемешивающим уст-^ ройством................................................................................. 79

2.5.2. Математическое описание модельного процесса в реакторе идеального смешения периодического и непрерывного действия......................................................................... 80

Выводы по главе.......................................................................................... 84

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗНЫХ ТИПОВ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ АППАРАТОВ В СОСТАВЕ ПОЛУПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ............................................................................ 86

3.1. Описание технологической схемы полупромышленной установки для исследования взаимодействия системы газ-жидкость. 89

3.2. Исследование газожидкостного аппарата эжекторного типа....... 90

3.2.1. Описание технологической схемы реакционного блока с аппаратом эжекторного типа................................................. 90

3.2.2. Проведение экспериментальных исследований процесса абсорбции в аппарате эжекторного типа.............................. 92

3.2.3. Конструкция эжектора и расчёт скоростей потока жидкости в нём.................................................................................... 96

3.2.4. Потери давления в циркуляционном контуре и затраты мощности на перекачивание рабочей среды......................... 98

3.2.5. Описание процессов изменения концентраций компонентов в реакционном блоке с эжектором................................. 100

3.2.6. Определение эффективности аппарата эжекторного типа . 105

3.3. Исследование аппарата с турбинной самовсасывающей

мешалкой........................................................................................ 107

3.3.1 Описание технологической схемы реакционного блока с

турбинной самовсасывающей мешалкой.............................. 107

3.3.2. Проведение экспериментальных исследований аппарата с турбинной самовсасывающей мешалкой.............................. 107

3.3.3. Определение затрат мощности на перемешивание исследуемой газожидкостной системы для аппарата с турбинной самовсасывающей мешалкой......................................... 111

3.3.4. Определение эффективности аппарата с турбинной самовсасывающей мешалкой........................................................ 114

3.4. Исследование роторно-пульсационного аппарата........................ 115

3.4.1. Описание технологической схемы реакционного блока

с роторно-пульсационным аппаратом.................................. 115

3.4.2. Описание конструкции и работы роторно-пульсационного аппарата................................................................................. 115

3.4.3. Проведение экспериментальных исследований роторно-пульсационного аппарата...................................................... 119

3.4.4. Определение затрат мощности при перемешивании газожидкостной системы в РПА.................................................. 122

3.4.5. Определение эффективности установки с роторно-

пульсационным аппаратом................................................... 124

3.5. Выбор наиболее эффективного типа газожидкостного аппарата. 125

Выводы по главе........................................................................................ 127

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МНОГОЦЕЛЕВОГО РО-ТОРНО - ПУЛЬСАЦИОННОГО АППАРАТА В МОЛОЧНОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ... 129

4.1. Применение роторно-пульсационного аппарата при производстве мороженого "Рыжик" с использованием облепиховой биодобавки "Полис".............................................................................................. 129

4.2. Использование роторно-пульсационного аппарата при производстве взбитого кисломолочного десерта с наполнителем из чёрной смородины......................................................................................... 141

4.3. Применение роторно-пульсационного аппарата при производстве майонеза "Провансаль"..................................................................... 146

4.4. Влияние обработки в роторно-пульсационном аппарате на микроорганизмы в сыром молоке.......................................................... 154

4.5. Практическая реализация РПА в химической промышленности. 159

ВЫВОДЫ по главе.................................................................................... 159

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.............................. 161

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................ 163

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................... 173

Приложение 1. Акт испытаний роторно-пульсационного аппарата

для производства N-нитрозодифениламина................... 174

Приложение 2. Акт испытаний роторно-пульсационного аппарата

для производства п-нитрозофенола................................. 176

Приложение 3. Акт дегустации мороженого "Рыжик"............................ 178

Приложение 4. Акт испытаний роторно-пульсационного аппарата в

качестве гомогенизатора при производстве майонеза..... 180

Приложение 5. Программа решения систем жестких дифференциальных уравнений для периодического по жидкости реактора идеального смешения............................................... 182

Приложение 6. Программа решения систем жестких дифференциальных уравнений для непрерывного по жидкости реактора идеального смешения............................................... 185

Приложение 7. Результаты регрессионного анализа................................ 188

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

В последнее десятилетие в результате интенсификации хозяйственной деятельности наблюдается рост числа и интенсивности физических , химических и иных факторов , оказывающих негативное влияние на человека и окружающую среду . Ухудшение экологической обстановки на нашей планете и связанный с этим уровень загрязнённости продуктов питания радионуклидами , токсичными химическими соединениями , биологическими агентами , микроорганизмами способствует нарастанию негативных тенденций в состоянии здоровья населения [ 70 ].

Для устранения создавшегося положения требуется оснащение предприятий современной техникой , создание принципиально новых , энергетически выгодных технологий , обеспечивающих комплексную безотходную переработку сырья , и производство экологически безопасных продуктов питания с учетом потребностей различных возрастных групп и состояния здоровья населения [ 27,51 ].

Огромна роль науки в развитии производства пищевых продуктов . Она определяется результатами фундаментальных и прикладных исследований , опытно-конструкторских работ по созданию прогрессивных технологий и аппаратов по переработке сельскохозяйственного сырья и производству биологически полноценных продуктов питания для различных групп населения.

Белково-калорийная и витаминная недостаточность - один из важнейших аспектов продовольственной проблемы.

В пищевой промышленности довольно распространён процесс абсорбции и соответствующие газожидкостные аппараты для его осуществления .

Это процессы сатурации в сахарно-свекольной промышленности , газонасыщения в пиво-безалкогольной , аэрирования мороженой смеси при производстве мороженого в молочной промышленности [ 85 ].

Одним из основных параметров , характеризующих эффективность газожидкостного аппарата , является величина поверхности контакта фаз (ПКФ) . В настоящее время поверхность контакта фаз пытаются увеличить за счёт уменьшения геометрических размеров пузырьков газовой фазы и их равномерного распределения по всему объёму жидкой фазы за счёт использования , как правило , различных барботажных и механических перемешивающих устройств . Однако газожидкостные аппараты , применяемые в настоящее время в пищевой , химической и других отраслях промышленности , имеют ряд серьёзных недостатков и зачастую не удовлетворяют современным требованиям по производительности и качеству продукции . Поэтому задача совершенствования существующих конструкций абсорберов , например , за счёт организации интенсивного перемешивания , обеспечивающего значительный рост поверхности раздела фаз , концентрацию значительного количества энергии в малых объёмах и т.д. является безусловно актуальной.

Известно , что использование акустических (20 - 2104 Гц ) упругих колебаний в большинстве случаев позволяет значительно интенсифицировать процесс гомогенизации . При этом в обрабатываемой среде , в зависимости от частоты колебаний , возникают такие явления , как кавитация , акустическое давление , пульсирующие микропотоки и др., которые способствуют повышению скорости физико-химических процессов в гетерогенных системах [12].

Для генерирования звуковых колебаний чаще применяются гидродинамические излучатели . В излучателях данного типа звуковые колебания генерируются при помощи роторно-пульсационных устройств . С учётом их больших потенциальных возможностей , можно предположить , что ис-

пользование газожидкостных роторно-пульсационных аппаратов (РПА) для проведения процесса абсорбции позволит его существенно интенсифицировать . Поэтому , на наш взгляд , целесообразно провести исследование эффективности применения традиционных газожидкостных аппаратов , эжекторного типа и с турбинной мешалкой , и РПА для проведения процесса абсорбции .

Реализация принципов безотходной технологии в молочной промышленности на основе комплексного использования всех компонентов молока [ 69 ] привела к разработке новых комбинированных продуктов питания сбалансированных по белково-витаминному составу. Одной из стадий получения таких продуктов является процесс перемешивания компонентов (гомогенизация , диспергирование ) с целью равномерного распределения различных добавок по всему объёму . В большинстве случаев необходимо получить качественную смесь при соотношении перемешиваемых компонентов 1:100 и даже 1:104 . Эта актуальная задача во многих случаях может быть решена за счёт интенсификации процесса перемешивания при использовании роторно-пульсационных аппаратов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ . разработка многоцелевого газожидкостного аппарата для интенсификации процессов абсорбции, гомогенизации и диспергирования в пищевой , химической и других отраслях промышленности .

Проверка возможности использования роторно-пульсационного аппарата для эффективного осуществления стадий гомогенизации и диспергирования при производстве различных молочных комбинированных продуктов

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИИ следующие : разработка новой конструкции многоцелевого роторно-пульсационного аппарата (РПА); разработка математического описания процесса абсорбции в исследуемых газожидкостных аппаратах ; исследование основных параметров этих аппаратов с целью нахождения наиболее эффективного из них ; исследование РПА для

определения возможности получения тонкоэмульгированных или диспергированных , не склонных к расслоению молочных смесей с равномерным распределением компонентов при их соотношении 1 ;100 и более,

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработаны математические модели эжек-торного и роторно-пульсационного аппаратов для проведения процесса абсорбции , позволяющие определить эффективность их работы в зависимости от расходов газовой и жидкой фаз ; получены результаты исследования основных параметров трёх газожидкостных аппаратов; доказана целесообразность применения многоцелевого РИА для проведения стадий гомогенизации и диспергирования при получении молочных комбинированных продуктов питания при соотношении смешиваемых компонентов 1:100 и более .

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ. Результаты экспериментальных исследований позволили разработать две новые конструкции РПА. При непосредственном участии автора разработано аппаратурное оформление :

1« непрерывных технологических процессов гомогенизации мороженой смеси "Рыжик" и её фризерования ;

2, стадии гомогенизации и взбивания при производстве взбитого кисломолочного десерта с наполнителем из чёрной смородины;

3, стадии гомогенизации майонеза "Провансаль" на ТОО "Китеж".

Кроме того, одна из предложенных конструкций испытана :

1. при производстве антиоксиданта РТИ на КОАО "Азот" г.Кемерово;

2, при производстве п-нитрозофенола на НВП "Химтех" г. Березники Пермской обл.,

Материалы диссертационной работы используются : 1. в учебном процессе на кафедре "Процессы и аппараты пищевых производств" КемТИПП в лекционном курсе и при дипломном проектировании ;

2. для составления исходных данных на проектирование "Реконструкции промышленной установки по производству антиоксиданта РТИ -"Диафена ФП".

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ : новые конструкции многоцелевого роторно-пульсационного аппарата предназначенного для проведения процессов абсорбции в газожидкостных системах , гомогенизации и диспергирования при получении комбинированных молочных продуктов; математические модели эжеьсгорного и роторно-пульсационного аппаратов при проведении модельного процесса абсорбции; результаты исследования основных параметров газожидкостных аппаратов с турбинной самовсасывающей мешалкой, эжекторного и РПА; результаты проверки целесообразности использования многоцелевого РПА для проведения стадий гомогенизации и диспергирования при получении молочных и комбинированных продуктов при соотношении смешиваемых компонентов 1:100 и выше.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ ГАЗ - ЖИДКОСТЬ И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА.

1.1 .СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ ГАЗ -ЖИДКОСТЬ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ АППАРАТОВ.

Оборудование, используемое в настоящее время для проведения газожидкостных процессов, отличается большим конструктивным разнообразием и принципами действия. При этом каждая отрасль промышленности, как правило, старается применять свои конструкции аппаратов, что с точки зрения физики процесса перемешивания не имеет обоснования. В ряде отраслей промышленности нашли широкое применение аппараты предназначенные для проведения газожидкостных процессов.

Наиболее важной особенностью процесса перемешивания в аппаратах является возможность его проведения как в ламинарном, так и в турбулентном режимах. Исследованиям процесса турбулентного смешения посвящены монографии [ 22,24,82,88,90,97,100,101,103,104,114 ] в большинстве случаев его анализ проводится методами теории подобия.

Отправной точкой сформулированных в начале 1950 гг. представлений о механизме ламинарного смешения явилось понимание роли поверхности раздела компонентов и её зависимости от деформации сдвига. В случае больших деформаций зависимость имеет вид [ 83 ]:

SK/ SH= Icos ах| у , (1-1)

где: SK и SH - конечная и начальная площади поверхности раздела;

cos ax - направляющие косинусы; у - деформация сдвига.

Из анализа приведенной зависимости следует, что увеличение поверхности раздела определяется как исходной ориентацией этой поверхности относительно �