автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Массообменные и теплообменные мембранные процессы в комплексной переработке растительных масел

На правах рукописи

□ и34 ГО--'--

СХАЛЯХОВ Анзаур Адамович

МАССООБМЕННЫЕ И ТЕПЛООБМЕННЫЕ МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ В КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты

пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 о СЕН 2

Краснодар - 2009

003476226

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Майкопский государственный технологический университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Блягоз Хазрст Рамазаиович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шаззо Рамазан Измаилович

доктор технических наук, профессор Леопчнк Борис Иосифович

доктор технических наук, профессор Артемснко Иван Петрович

Ведущая организация: Северо-Кавказский филиал Всероссийского научно-исследовательского института жиров Россельхозакадемии

Защита состоится "29" сентября 2009г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.03 Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета

Автореферат диссертации разослан "28" августа 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент ( Жарко М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современным направлением совершенствования производства продуктов питания является применение новой техники и технологии, которые позволяют увеличить эффективность производств, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье, при этом сократить потери сырья, затраты энергии и материальных ресурсов.

В последние годы все большее внимание обращается на мембранную технологию, которая Решением Правительственной комиссии по научно-технической политике в 1996 году получила статус критической и до настоящего времени не утратила своей актуальности.

Проблема разработки новых энерго- и ресурсосберегающих технологий в пищевой промышленности нашей страны продолжает оставаться одной из основных, так как стоимость энергоносителей и сырья высока. Требования к качеству готовой продукции в условиях конкуренции с возрастающим объемом импортируемых продовольственных товаров ужесточаются.

Перспективным является применение мембранных технологий для совершенствования процессов переработки растительных масел. Технология переработки растительных масел является многооперационной, представляющей совокупность различных массообменных и теплообменных процессов.

Кроме возможностей мембранной технологии и процессов необходимо обратить внимание на создание эффективной аппаратуры, которая может совмещать процессы мембранного разделения с массообме-ном или с химической реакцией. Причем главным становится именно рациональное конструирование аппаратов с пористой перегородкой (мембраной). Привлекает возможность создания аппаратов со стабильной и высокой удельной на единицу объема поверхностью массообме-на. Нет ограничений на направления потоков и на ориентацию аппарата.

Цель и задачи работы. Целью работы является развитие теории массо- и теплопереноса объектов масложирового производства в по-ловолоконных и трубчатых мембранах под действием градиентов концентрации и температур, разности трансмембранного давления и

разработка практических рекомендаций по совершенствованию комплексной технологии переработки растительных масел на основе применения мембранных процессов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- развить теорию непрерывной мембранной экстракции в контакторе с половолоконными мембранами для различного взаимного направления потоков и продольного перемешивания во взаимодействующих фазах и получить зависимости концентрационных распределений по длине аппарата, на основе которых выполнить анализ эффективных режимов экстракции в мембранном экстракторе;

- провести исследования растворимости и диффузии компонентов, удаляемых при экстракционной очистке растительных масел и выполнить исследование и математическое моделирование процесса разделения смеси триацилглицеридов и жирных кислот мембранной экстракцией двуокисью углерода;

- исследовать массоперенос в массообменнике с пористой перегородкой;

- разработать практические рекомендации по созданию установки для рафинации растительных масел мембранной экстракцией с использованием двуокиси углерода;

- развить теорию переноса в мембранных контакторах под действием трансмембранного перепада давления для различных схем потоков;

- разработать методику определения проницаемости мембран и проанализировать ее влияние на процессе трансмембранного переноса;

- провести математическое моделирование кинетики и свойств реакционной смеси при производстве биодизельного топлива из растительных масел;

- построить математическую модель мембранного реактора для производства биодизеля и на этой основе провести оптимизацию процесса;

- разработать практические рекомендации по созданию установки для производства биодизеля из растительных масел с использованием мембранного реактора;

- провести исследования теплообмена с полипропиленовыми половолоконными мембранами;

- обосновать конструкцию и математическую модель конденсатора с полипропиленовыми половолоконными мембранами для парогазовых смесей экстракционного производства;

- обосновать технологическую схему переработки растительных масел с использованием разработанных процессов для мембранной экстракции, мембранного реактора и мембранного конденсатора.

Научная концепция. Основой совершенствования ряда технологических процессов переработки растительных масел является научно обоснованное применение новых нетрадиционных процессов мембранной технологии массо- и теплопереноса, в которых мембраны применяются не только как селективная перегородка. Развивается положение, что мембранные технологии должны применяться не как дополнение или замена одного из процессов существующей технологии, а становятся основой инновационной технологии.

Изложенная концепция развивает научное направление - создание новых мембранных технологий в области массообмена и теплообмена.

Методология исследований базируется на применении математического и физического моделирования для решения поставленных задач, разработке эффективных процессов для масложировой отрасли пищевой промышленности.

Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснован новый способ рафинации растительных масел с применением мембранной экстракции.

Развита теория экстракции в массообменнике с пористой перегородкой (зависимости концентрационных распределений и анализ эффективности по обеим фазам для различных направлений течения фаз и степени перемешивания фаз; решены уравнения массообмена по обеим фазам с переменным профилем концентрации на границе).

Получена, систематизирована и проанализирована комплексная информация о взаимосвязанных физико-химических процессах, учитывающих основные факторы, при экстракции двуокисью углерода

жидкофазных материалов (жирных кислот и триаципглицеринов) в массообменнике с пористой перегородкой, влияющих на фазовые равновесия и коэффициенты диффузии.

Развита теория переноса потоков в мембранных контакторах при изменении давления с обеих сторон мембраны для любой комбинации открытых или закрытых патрубков внутреннего объема мембран и внешнего объема в модуле, при этом показано, что прямоточная схема потоков в мембранном контакторе позволяет увеличить расход проникающего потока по сравнению с противоточной.

Разработана методика определения вязкости компонентов реакционной смеси в процессе переэтерификации на основе применения математической модели кинетики реакции и модели вязкости смеси, при этом температурная зависимость вязкости компонентов определяется по усовершенствованному методу Льюиса и Сквайрса.

Разработана математическая модель процесса многостадийной химической реакции переэтерификации в мембранном реакторе и определены рациональные режимы его работы.

Получены экспериментально значения коэффициентов теплоотдачи в полипропиленовых половолоконных непористых мембранах, которые включены в математическую модель конденсатора с мембранами для парогазовых смесей.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в результатах теоретических и экспериментальных исследований, которые позволили разработать научно обоснованную технологическую схему переработки растительных масел, включающую мембранные процессы на основных операциях и позволяющую увеличить выход рафинированного масла, получить высококачественные пищевые фосфолипидные концентраы, обезжиренные фосфо-липиды и биодизель, а также сократить материальные и энергетические затраты.

Обоснованы и определены методом математического моделирования рациональные значения основных параметров проведения процесса экстракции двуокисью углерода свободных жирных кислот из растительных масел в массообменнике с пористой перегородкой.

Разработаны способы инженерных расчетов массообменника с пористой перегородкой для экстракции свободных жирных кислот из растительных масел двуокисью углерода, мембранного реактора для получения биодизеля реакцией переэтерификации и мембранного конденсатора для парогазовых смесей.

Результаты разработок использованы при проектировании установки для рафинации растительных масел экстракцией двуокисью углерода, мембранного реактора и мембранного конденсатора, на которые получены патенты РФ на полезные модели.

Разработанные технологическая схема переработки растительных масел и конструкции мембранных аппаратов приняты к внедрению . в условиях Лабянского МЭЗа, а также переданы Министерству сельскохозяйственной и перерабатывающей промышленности Адыгеи для проектирования завода. Ожидаемый экономический эффект составит более 17 млн. руб.

Достоверность и надежность результатов базируются на использовании фундаментальных уравнений гидродинамики, массооб-мена и теплообмена.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на:

Северо-Кавказской региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива-98», Нальчик, 1998 г.; 11 Международной научной конференции «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания», г.Орел, 1999 г.; Международной научно-практической конференции «Индустрия продуктов здорового питания - третье тысячелетие (человек, наука, технология, экономика», г. Москва, 1999 г.; Региональной научно-практической конференции «Неделя науки МГТИ. Технология, химия и экологические проблемы Северного Кавказа», г. Майкоп, 2000 г.; Международной научно-практической конференции «Молодые ученые - пищевым и перерабатывающим отраслям АПК (технологические аспекты производства)», г. Москва, 2000 г.; Международной научной конференции «Прогрессивные пищевые технологии - третьему тысячелетию = Advanced food technologies - to the third millennium», г. Краснодар, 2000 г.; Me-

ждународной научно-практической конференции «Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения», г. Краснодар, 2000 г.; Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», С.-Петербург, 2001 г.; Международной научно-практической конференции «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств», г. Краснодар, 2002 г.; V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, докторантов и молодых ученых «Наука XXI веку» (II сессия) «IX Неделя науки МГТУ», г. Майкоп, 2004 г.; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии в создании продуктов питания нового поколения», г. Краснодар, 2005 г.; III Международной научно-технической конференции «Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2007)», г. Нальчик, 2007 г.; Десятой международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств», г. Барнаул, 2007 г.; IX Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», г. Казань, 2008 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 44 работы, из них 2 монографии, 22 научных статьи, в том числе 15 статей в журналах, рекомендуемых ВАК, 17 тезисов докладов на конференциях и получено 3 патента РФ на полезные модели.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, десяти глав, объединенных в три части, выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 316 наименований, и приложений. Работа изложена на 338 страницах, включает 92 рисунка и 26 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель, сообщаются основные направления исследований и положения, выносимые на защиту.

В литературном обзоре рассмотрено состояние и направления развития мембранных процессов. Дана общая характеристика состояния мембранных технологий по следующим направлениям: мембранные технологии как основа развития производства; мембранные операции; мембранная экстракция; мембранные контакторы и реакторы; объединенные мембранные процессы; новые мембраны. Особое внимание уделено переработке растительных масел с использованием мембранной технологии. Рассмотрены вопросы гидравлики, массооб-мена и теплообмена в мембранных процессах.

По результатам анализа научно-технической литературы и патентной информации определены цель и задачи исследования, а также обоснована структурная схема исследования (рисунок 1).

В первой части работы представлено развитие теории переноса массы и тепла в мембранных процессах.

В первой главе выполнен теоретический анализ экстракции в массообменнике с пористой перегородкой и получены концентрационные распределения по длине аппарата. Рассмотрена экстракция растворителем одного компонента из экстрагируемой смеси при идеализированных условиях массообмена в колонне через пористую перегородку (мембрану, которая практически имеет трубчатую форму, и в колонне их может быть не одна). По обеим сторонам мембраны текут: фаза экстрагируемой смеси (течет в трубах и концентрация экстрагируемого компонента х) и фаза растворителя (течет в межтрубном пространстве и концентрация экстрагируемого компонента у). При условии постоянства коэффициента массопередачи и объемных скоростей потоков фаз по высоте колоны, а также отсутствия перемешивания в обеих фазах при установившемся режиме, интегрируя уравнения материального баланса, получены зависимости: для прямотока

^--(^/^^./(".♦ОЬ"^'*-1]- (1)

для противотока

(2)

9у=_ у,-».) до^, (3)

Рисунок 1 - Структурная схема исследования 10

Выходные концентрации (рхк и щ,к для прямотока получены подстановкой ф=\ в уравнение (1):

9,. = / = [н, /(*, + - 1] (4)

Выходная концентрация для противотока <рхк получается при подстановке 1 в уравнение (2) и выходная концентрация для противотока (рук получается при подстановке 0 в уравнение (3) в результате:

(5)

(6)

Получено распределение концентраций с продольным перемешиванием по взаимодействующим фазам универсального характера (направление координаты единое для обеих фаз и для прямотока, и для противотока - от входа экстрагируемой фазы к ее выходу):

<ру = А0 + ^А,е"-' И <р, = А0- И-^Де* (7)

Параметр с^ находится решением универсального характеристического уравнения, в котором используется верхний знак для прямо-

тока, а нижнии для противотока / - \

1 -о>±

Ре,Реу

1 -±- 1

уРе,Ну РсуМч

аг +

1 _ 1 1 ,

— +-+-аг-

{Ре< Л'Л

±±± N. N.

-О (8)

Коэффициенты для прямотока находятся из матричного уравнения:

о

о

N + —

N.

а, е4 аУ' ау>

К'

N.

(9)

Коэффициенты для противотока находятся из матричного уравнения:

N.

N.

О

е*5л

(-4

а,А агРг

В полученных решениях для прямотока (9) и противотока (10) имеется общность (по три строки из четырех совпадают полностью, а верхняя строка в (9) и нижняя строка в (10) являются особенными и соответственно присущи прямотоку и противотоку).

Представленные матричные уравнения содержат универсальные параметры (верхний знак для прямотока, а нижний для противотока):

9, = 0,5(а, ±а)

1±—а, N..

Ре„

Параметры, которые не изменяют знаки при переходе от прямотока к противотоку:

г,

Ре.,

-а.

=----

Ре,

Проведен анализ эффективности массообменника е, которая выражает соотношение между фактически переданным количеством массы и тем максимально возможным количеством массы, которое может быть передано только в идеальном противоточном массооб-меннике с бесконечно большой поверхностью массообмена.

Установлено соотношение е-

<Р„ /Ы.

которое справедливо как

для противотока, так и для прямотока, и при отсутствии перемешивания по обеим фазам принимает вид:

1-ехр

- ЛМ 1

N.

Ну 1 - '-охр

■ЛГ, 1

А

N.

(И)

Анализ показал (рисунки 2 и 3), что при противотоке при одинаковых соотношениях чисел переноса по обеим фазам эффективность выше, чем при прямотоке. <

Предельные эффективности достигаются при = 4*5. Чем больше число единиц переноса по фазе X по сравнению с числом единиц по фазе У, тем выше эффективность. Эффективность при увеличении интенсивности перемешивания по фазе У мало изменяется. В случае перемешивания по фазе X предельная эффективность достигается при малом числе переноса по фазе X (при Их<0,5). Однако, пре-

дельная эффективность устанавливается на меньшем уровне по сравнению со случаем без перемешивания.

Таким образом, рекомендуется режим противотока, минимальное отношение Му/Ых и минимальное перемешивание по фазе X.

•е-■е-

т

ОД

(=1

'Г

/

1:3-1

Число сдмииц переноса N>/N»=0,15 —*— N>'/N1=0,40 ^'«х=0,65 —•— ^ЛЧх=0,90

Рисунок 2 - Зависимость эффективности при противотоке от числа единиц переноса по фазе X при отсутствии перемешивания и различном соотношении чисел переноса по обеим фазам

о? ОЯ 0,7

ае ог

<М О? 0.2 0,1 о

.—

/

0 13 3 4!

Число единиц переноса

—•- N>-/N11=0,15 —»— N>/N«=0,40

—4— N>/N1=0,65 —*— ^ЛЧх-0,90

Рисунок 3 - Зависимость эффективности при прямотоке от числа единиц переноса по фазе X при отсутствии перемешивания и различном соотношении чисел переноса по обеим фазам

Во второй главе перенос потоков в мембранах под действием трансмембранного перепада давления представлен аналитическими решениями системы обыкновенных дифференциальных уравнений для изменения давлений внутри и снаружи мембран при различных граничных условиях, соответствующих давлениям в открытых патрубках и условиях для закрытых патрубков (производная давления равна нулю).

г /

Х-х

1 + у -с/?

у +1

X ■ х + у ■ л[у ■ лЛ

'к*

, 4г,

Х-(у +1)

вг +

у-у-сИ

Г Х-х^

Я

у +1

у-Х-х-у-^у-яИ Л.(г + 1)

Х-х

л

(12)

1-сА

Л-х

77)

у + \

В,+

А-х-^у-йЬ

Я

Л-(г +1)

вг +

у+ск

у УЬ

7+1

53 +

д,

(13)

где Л = ^ЦН; вь в2, В3 и В4 - находятся из граничных условий.

Выражения для расхода потока внутри волокна и во внешнем объеме модуля имеют вид:

(И)

Проанализированы случаи, имеющие практическое значение и представленные на рисунке 4.

Противоток (вариант 1)

Прямоток (вариант 2)

Рисунок 4 - Схемы патрубков на мембранном модуле (крестиком отмечен закрытый патрубок)

Результаты расчетов по полученным зависимостям для обоих представленных случаев при изменении длины и проницаемости мембран представлены на рисунке 5. Отмечается преимущество прямотока для коротких мембран и с увеличением проницаемости мембран.

Отношение фильтратов прямотока к противотоку

Длина мембраны, мм

7.Е-13

Про ниц аем

ость» , м

Рисунок 5 - Влияние длины и проницаемости мембран на отношение расходов фильтрата по вариантам 1 и 2 на выходе из модуля

Определение проницаемости половолоконных и трубчатых мембран возможно при обработке экспериментальных данных с использованием полученных зависимостей. В общем виде зависимость расхода фильтрата по длине мембраны имеет вид:

сИ

4-Д-х)

. К 1

я/?

К

у «г

.(15)

Если давление снаружи мембраны и на выходе внутри мембраны совпадают (Рк = Рх), то полученное выражение несколько упрощается и для количества фильтрата принимает вид (16). Для «тупиковой» фильтрации (выход из внутреннего объема мембраны закрыт) выражение для количества фильтрата принимает вид (17).

Д 0 = -

гр «Г сИ / 4- «г -1

2-//-5А 4- V *

(16)

Д£ =

4- К Л'

2 ■ цсЬ 4\ к 1

(17)

Установлены значения проницаемости полипропиленовых по-ловолоконных мембран фирмы ЕЮОБ (Чехия) РР-М5 - 4,4*10"15 м; РР-М6 - 1,33*10'14м и керамических трубчатых мембран, произведенных фирмой НПО «Керамикфильтр» (Москва), - 7,43*10"13м.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования переноса тепла в теплообменнике с полипропиленовыми полово-локонными непроницаемыми мембранами (ППНМ) на экспериментальной установке (рисунок 6).

Рисунок 6 - Экспериментальная установка с ППНМ: 1 - мембранный модуль; 2 - термостат; 3 - кран; 4 - бак; 5 - коллектор; 6 - самописец (контроль температуры)

Результаты представлены на рисунке 7 и описаны критериальным уравнением:

Ии^ = 0.01Ы1е"2-Рг"3 (18)

Во второй части приведены результаты моделирования эффективных режимов мембранных процессов.

В четвертой главе представлены равновесные и диффузионные свойства в системе «триацилглицерины - жирные кислоты - двуокись углерода» при экстракционной очистке растительных масел, необходимые для определения параметров массообмена процесса экстракции в массообменнике с пористой перегородкой.

На рисунке 8 представлены результаты моделирования на основе уравнений Хрестила и Пенга-Робинсона растворимости раститель-

кого масла в двуокиси углерода в сверхкритической области (линии на диаграмме - растворимость масла в двуокиси углерода, ср, кг/м3).

Ьп(Ке)

Рисунок 7 - Зависимость между характеристиками теплоотдачи А'иЛ) и режимами течения Яе

Видно, что в исследуемом диапазоне давлений и температур растворимость существенно растет: с ростом давления растворимость увеличивается в 15-20 раз), что касается влияния температуры, то наибольшая растворимость достигается при средних температурах 309-325 К.

На рисунке 9 представлены результат^ расчетов по преобразованным уравнениям Чао- Хонг Хе и Янг-Шенг Ю коэффициентов диффузии при бесконечном разбавлении стеариновой кислоты в двуокиси углерода в сверхкритической области от давления и температуры (линии на диаграмме - коэффициенты диффузии, 02ь м2/с). На рассматриваемой поверхности выделяется гребень, ось которого проходит через критическую точку и может быть представлена линейным уравнением:

(Р-73,83) = 1,84(Г-304,2). (!9)

Температура, К

Температура, К

Рисунок 8 - Диаграмма растворимо- Рисунок 9 - Зависимость коэффициентов

Наибольшие значения коэффициентов диффузии, отмеченные на оси гребня, объясняются тем, что эта линия, называемая «квази-спинодаль», разграничивает область состояний, родственных жидкости, от области состояний, родственных газу.

Для определения коэффициента диффузии жирных кислот и триацилглицеринов в двуокиси углерода при сверхкритических условиях получено уравнение:

Среднее отклонение расчетных значений коэффициентов диффузии от экспериментальных составляет 10,8%, что сопоставимо с ошибкой эксперимента.

Коэффициенты распределения определяют среднюю разность концентраций, и она тем больше, чем больше у/хт и меньше у/ут.

В случае отсутствия третьей фазы в поровом пространстве мембраны возможны два случая - или фаза разделяемой смеси (фаза х), или фаза растворителя (фаза у) заполняет поровое пространство мембраны. Соответственно, для той фазы, которая заполняет поровое пространство мембраны, коэффициент распределения становится равным единице и минимальным из двух возможных. Следовательно, необходимо, чтобы

сти масла в двуокиси углерода в мае- диффузии жирных кислот в двуокиси ла в сверхкритической области углерода в сверхкритической области

(20)

поровое пространство мембраны заполнялось растворителем, т.е. материал мембраны не должен смачиваться экстрагируемой смесью. В этом случае у/у.т = 1, а <//„„ - коэффициент распределения растворяемого -жирных кислот - в растворителе - двуокиси углерода.

В работе, используя термодинамические определения = р ,

Ф\

показано, что коэффициент распределения выражается через отношение коэффициентов парциальной фугитивности жирных кислот в жидкой (фазе экстрагируемой смеси) и паровой фазе (фазе двуокиси углерода), а также коэффициент парциальной фугитивности и давления растворителя (двуокиси углерода). Расчет коэффициента парциальной фугитивности в паровой фазе определен по уравнению состояния Ван-дер-Ваальса.

Показано, что с ростом температуры и давления коэффициенты распределения растут. Для ненасыщенных жирных кислот коэффициенты распределения близки между собой и существенно выше, чем для насыщенных жирных кислот.

В связи с необходимостью оценить массообмен как со стороны обтекающего мембрану экстрагируемого раствора, так и растворителя был рассмотрен случай продольного обтекания стационарным потоком плоской стенки, и применены для анализа дифференциальные уравнения конвективного переноса в пограничном слое, которые в безразмерных переменных имеют вид: по фазе х:

1 д<рх I д2<рх

мх Б11х дт}2 и аналогично по фазе .у:

1 д<ру 1 д2<р

у

(21)

(22)

Му д£ дг)2 Граничные условия для уравнения (21):

^ = 0 <рх = 0; 4>0 и л = 0 Фх^фх© (23)

Граничные условия в случае противотока для уравнения (22):

§ = 1 Фу = 0; £>0 и г| = 0 Фу = Фу (4) (24)

При решении уравнений (21) и (22) использовали полученные концентрационные распределения фх (£,) и фу по длине аппарата

при противотоке без учета продольного перемешивания по обеим фазам и здесь представленные в преобразованном виде:

-ij/[i-(^ / лу-Км"-^ (25)

% = [/Л'^мк J (26)

Распределения числа Шервуда вдоль поверхности массообмена находили по соотношениям:

Для оценки чисел Шервуда Shx и Shy с использованием пакета MathCad численно решались краевые задачи (21) и (22) при граничных условиях (23) и (24). Особенностью явилась необходимость определить среднее число Шервуда вдоль продольной координаты На первом этапе получали концентрационные распределения по обеим координатам, которые затем с использованием соотношений (27) и (28) позволяли находить распределение чисел Шервуда по координате далее усредняли и проводили итерационные вычисления.

В результате регрессионной обработки данных численного эксперимента получены уравнения:

Shxcp= 0,73+2,076Nx+0,316(Ny/NxH),522Nx(N:/Nx)-0,095Nx2-0,65(NJ/Nx)2 (29) Shy cp=0,06+0,427Nx+l ,779(Ny/Nx)+ 0,833NX(N/NX)- 0,076Nx2-0,838(Ny/Nx)2 (30)

Для проведения экспериментов по экстракции жирных кислот из растительных масел двуокисью углерода в массообменнике с пористыми перегородками была создана универсальная экспериментальная установка с экстракционной колонной. Внутри колонны размещена труба с прорезями, которая закреплена в обоймах (верхней и нижней) из фторопласта и на ней закреплена пористая перегородка. Высота участка трубы, на которой закреплена перегородка, 1837 мм, диаметр трубы 36 мм, внутренний диаметр колонны 54 мм.

Опыты по экстракции двуокисью углерода в колонне с пористой перегородкой проводили с образцом нерафинированного подсолнечного масла, характеризуемым кислотным числом КЧ = 3,79 мг КОН/г. Принято два уровня термодинамических параметров процесса экс-

тракции. Первый уровень характеризуется давлением Р = 80 бар и температурой Т = 35°С, а второй - Р = 120бар и Т = 55°С. Эти уровни практически совпадают с ранее установленными режимами, описываемыми уравнением (19). Все опыты проведены с одним расходом растворителя С?у = 20 л/ч, а расход масла варьировали на трех уровнях (для Р = 80 бар и Т = 35°С (}х = 2; 2,5 и 3,0 л/ч, а для Р = 120 бар и Т = 55°С (¡)х = 14; 16 и 18 л/ч). При минимальных расходах масла получено кислотное число 0,1 мг КОН/г. По результатам экспериментов можно отметить, что физическая рафинация растительного масла от жирных кислот методом экстракции двуокисью углерода при сверхкритических условиях в экстракторе с пористой перегородкой обеспечивает требуемое удаление жирных кислот. Рост давления и связанной с ним температуры существенно повышает эффективность процесса. Расчетные и экспериментальные данные по массообмену в экстракторе с пористой перегородкой согласуются между собой.

В таблице 1 приведена сравнительная оценка качества подсолнечных масел, рафинированных по разработанной и традиционной схемам, а в таблице 2 - сравнительная оценка качества фосфолипид-ных концентратов.

Таблица 1 - Сравнительная оценка показателей качества рафинированных подсолнечных масел

Наименование показателя Значение показателя

нерафинированное подсолнечное масло рафинированное по схеме

традиционной: гидратация -нейтрализация разработанной: экстракционное удаление свободных жирных кислот-гидратация

Цветность, мг Ь 30 14 10

Кислотное число,

мг КОН/г 3,79 0,25 0,10

Перекисное число,

ммоль активного

кислорода/кг 7,85 4,75 4,00

Массовая доля, %:

неомыляемых

липидов 0,87 0,42 0,20

мыла не определяется 0,008 отсутствие

Значение показателя

Фосфолипидные концентраты,

полученные по схеме

Наименование показателя традиционной - разработанной -

из нерафиниро- из масла после

ванного масла удаления свободных

жирных кислот

Цветность, мг 12 . 10,0 5,0

Массовая доля фосфолипидов, % 53,80 58,95

Массовая доля нейтральных

липидов, % 44,30 39,15

Кислотное число масла, выделен-

ного из концентрата, мг КОН/г 8,30 0,35

Перекисное число, ммоль

активного кислорода / кг 4,83 1,25

В пятой главе рассмотрен массоперенос при реакции переэте-рификации. Проведено математическое моделирование кинетики по системе уравнений:

ш

т

ш

ш

,¡4 > ' ' ' ' '

^»-а, )[пмж*г )[£][»]-(*, )т(м]-(*, )[м][А]+(к6 )[/•][«]

где к^, к3' и к5' являются эффективными константами скорости для прямой реакции, и к2\ к4' и кв'- соответствующие величины для обратных реакций. Величины констант брались по литературным данным. В уравнениях приняты обозначения компонентов: Т - триацилг-лицерины; О - диацилглицерины; М - моноацилглицерины; А - алкоголь; Е - эфир; О - глицерин.

Для решения системы дифференциальных уравнений использовали численный метод Рунге-Кутта с фиксированным шагом четвертого порядка точности. В процессе численного моделирования было

исследовано влияние времени на состав продуктов реакции при изменении соотношения реагентов и температуры.

По экспериментальным данным вязкости реакционной смеси и ее составу определяли вязкость отдельных компонентов, что необходимо для моделирования работы мембранного реактора. Для пересчета вязкости по температурной шкале использовали метод Лыоиса и Сквайрса, который модифицировали, преобразовав предложенный ими график, в аналитическую зависимость.

В результате получена общая формула изменения вязкости компонентов смеси от температуры:

'7('|>'>'7|)== ехр['.8181 г,24,8987 •/(/,,/, 75,287] (32)

/(/,,/,Щ ) = 1п(/, - / + ехр(6,8473) - Д4763 + 0,55-1п (?;,)), где ^ - опорная температура, т][ - опорная вязкость чистого компонента.

Полученные данные по вязкости в зависимости от состава позволили определить долю фильтрационной составляющей по длине мембранного реактора и получить математическую модель процесса многостадийной химической реакции с фильтрацией продуктов через стенку мембран реактора.

Мембранный реактор позволяет реализовать процесс переэте-рификации растительных масел в процессе перемещения реакционной смеси во внутреннем объеме трубчатых мембран, при этом масло остается в капельном виде и не проходит через поры мембран, а продукты реакции отделяются, что позволяет вести процесс рециркуляцией масла в области максимальной скорости реакции.

Проведено математическое моделирование мембранного реактора для производства биодизельного топлива из масел.

В качестве исходных уравнений выбрана система дифференциальных уравнений, решения которой (12) и (13). Постоянные интегрирования зависят от давлений во внутреннем объеме мембран на входе Рнм и на выходе РКм, а также во внешнем объеме на входе Рщ- и на выходе и имеют вид:

Вг = Рш (33)

л 1 П7" -^-(^ш -^-с/Ы (24)

Г(у +1) ^

где у/ = 4 • ■

{(^./-Л/Л ^Н-^-^)} игл

яГ """Щй ' 1 "

1г+1 г

Для расчета расходов потоков внутри мембран и во внешнем объеме модуля используются зависимости (14).

Полученные зависимости позволили совместить кинетику процесса фильтрации и переэтерификации с учетом вязкости компонентов реакционной смеси. Основой является система дифференциальных уравнений формальной кинетики переэтерификации, представленная выше (31). Ключевым параметром этой системы уравнений является время пребывания реакционной смеси в мембранах.

Используя полученную модель, определяли влияние конструктивных параметров мембран (их числа и длины), а также установили целесообразность применения максимапьнрго начального давления и небольшого перепада давлений на концах мембран на выходе целевого продукта (рисунок 10).

Проведенные расчеты позволили создать многопараметрическую модель мембранного модуля для производства биодизеля. Относительный выход биодизеля, т.е. отношение выхода на моделируемом модуле к выходу на модуле такой же конфигурации, но при увеличении времени контакта фаз до бесконечности в зависимости от набора критериев:

&=6,569 • I О"4 • ф-'-2Я* ■ ■ К,,:0'"2" • К/0705, (37)

К /

где безразмерные критерии:

Ф = - степень заполнения поперечного сечения мембранами;

д. = _ удельная площадь мембран в единице объема мо-

я

дуля; к„ = ~) - относительный перепад давления по длине

10

мембраны; к ^ " , 2 2 > - относительный перепад дав-

ления поперек мембраны.

* ЛМ=4 ипМ=5*пМ-6 • nM=s7

Рисунок 10 - Выход целевого продукта в зависимости от длины и числа фильтрующих элементов

В шестой главе рассмотрен теплообмен при конденсации парогазовых смесей.

Обоснована схема конденсатора с полимерными половолокон-ными мембранами для парогазовых смесей в технологии получения обезжиренных фосфолипидов из фосфолипидных концентратов.

На рисунке 11 представлена схема такого конденсатора (внизу) и соответствующие температурные профили в конденсаторе (вверху).

Математическая модель процесса конденсации включает поперечные профили температуры и мольной доли пара от газовой смеси к хладагенту (рисунок 12), а также потоки массы и энергии в дифференциальном объеме конденсатора для смеси пара с неконденсируе-мым газом (рисунок 13).

Основным в модели явилось уравнение одновременной тепло- и массопередачи:

• • (Ущ ~ 'У-ц) _ а„ ■ си ■ з„

_(сп-в.д-с„.а,__(38)

„ 1 RU ,„ Ры - PrjiW . „ ,/q _ о 1

----Т7ТТ ---+ а!-и "«)

сРи ¡¡Lei К Ри-Ргл

которое совместно со вспомогательными соотношениями представило алгоритм в среде Excel, позволивший получить данные по температурам и удельным поверхностям разработанного конденсатора.

Рисунок 11 - Схема конденсатора, использующего внутреннее дополнительное тепло

Парогазовая смесь от входа (1) предохлаждена к более низкой температуре в (2), передавая поток тепла да, к большой части поверхности конденсации (3) к (4). От (2) смесь передается к входу в зону конденсации в (3). Охлаждающий поток ()0 заставляет пар конденсироваться и охлаждает смесь далее от (3) до (4).

В третьей части представлены технические и технологические решения переработки растительных масел с использованием мембранных процессов.

В седьмой главе обоснована система процессов получения фосфолипидных продуктов и биодизеля при переработке отходов гидратации масла.

Общая схема переработки растительных масел с получением рафинированного масла, фосфолипидных концентратов, обезжиренных фосфолипидов и биодизеля представлена на рисунке 14.

На первой стадии предлагается применять мембранную экстракцию исходного масла, которая позволяет получить при низкой температуре масло высокого качества и жирные кислоты. Жирные кислоты могут быть переработаны реакцией этерификации с метанолом и кислотным катализатором с получением биодизеля.

гшгнш ксйАенсата ППЩ шШетп.

ПармаювО* смесь

Рисунок 12 - Поперечные профили температуры и мольной доли пара от газовой смеси к хладагенту

н $

Парогазовая смесь

Парогазовая смесь

52

I I ;

лГ

н-ан

т - г.'/.'л

ФПу {¡П

Рисунок 13 - Потоки массы и энергии в дифференциальном объеме конденсатора для смеси пара с неконденсируемым газом

Вода

Рисунок 14 - Структурная схема комплексной переработки растительных масел

При гидратации низкокислотного растительного масла получают фосфолипидные. концентраты, которые могут служить исходным высококачественным сырьем для получения обезжиренных фосфоли-пидов (БАД «Витол»),

Технологическая схема представлена на рисунке 15, а в таблице 3 - физико-химические показатели качества обезжиренных фосфо-липидов.

Sxod моноглицерид

Рисунок 15 - Схема экстракционной очистки фосфолипидов.

Обозначение потоков:

I - фосфолжидная эмульсия;

II - смесь фосфолипидной эмульсии с моноацтглицеринами;

III- ацетон;

IV-мисцелла;

V-масло;

VI - пары ацетона;

VII- смесь паров ацетона с азотом

Таблица 3 - Физико-химические показатели качества обезжиренных фосфолипидов (БАД «Витол»)

Наименование показателя Значение показателя

Фосфолипиды обезжиренные, полученные по схеме

традиционной разработанной

Массовая доля фосфолипидов, % в том числе: фосфатидилхолинов Массовая доля, %: влаги и летучих веществ нейтральных липидов Массовая доля ацетона, % Кислотное число (все титруемые вещества), мг КОН/г Перекисное число, ммоль активного кислорода / кг 97,50 35,10 0,95 1,55 ОТС) 5,70 2,58 98,70 39,70 0,58 0,72 /тствие 2,37 0,72

Получаемое масло при экстракционной очистке фосфолипидов можно рассматривать как сырье для производства биодизеля переэте-рификацией триацилглицеринов масла с метанолом через щелочной катализ.

В восьмой главе представлены разработки практических предложений по результатам исследования мембранной экстракции при рафинации растительных масел.

Разработана математическая модель процесса жидкостной экстракции в массообменнике с пористой перегородкой на основе определения эффективности массообменника, чисел единиц переноса и Шервуда. Практически предложена методика инженерного проектного и поверочного расчета экстрактора.

При определении рациональных режимов для достижения требуемой эффективности е учитывались параметры массообмена, которые зависят от одних и тех же переменных ТЯХ. и Му/Ых. На первом этапе анализа в качестве целевой функции приняли удельную поверхность массообмена, приходящуюся на единицу производительности по экстрагируемой смесии соответствующий показатель имеет вид:

Sh Qx A ' (39)

Преимущество данного показателя в его универсальности и независимости от термодинамических режимов и специфики разделяемой смеси.

Получены зависимости показателя U для различной эффективности б от N/Nx с использованием зависимостей массоотдачи по фазе х (29) и по фазе у (30). По фазе х минимум U достигается при N/Nx ~>0, а по фазе у получены квадратичные зависимости, по которым нашли оптимальные значения N/Nx (0,708 при е = 0,85; 0,688 при е = 0,9; 0,627 при е = 0,95). При оптимальных значениях UonT рассмотрим влияние режимов экстракции жирных кислот, которые соответствуют зависимости (11), на показатель:

„FU

Э = 7ГГ=п— (40)

QA Dxyr„

Влияние термодинамических параметров (давление и температура) прямо сказывается на Dx и у/хт. Коэффициент диффузии жирных кислот в триацилглицеринах определяется по преобразованному уравнению Шайбеля

- з,2-ю~6 - т

* ~ (3266 V

ехрЬН

а зависимость для коэффициента распределения для ненасыщенных жирных кислот получена обработкой данных:

у/ш = 0.0224 • ехр(0.0361 • Р). (42)

Установлено, что рост давления и связанной с ним температуры позволяет снизить удельную поверхность массообменника. Однако необходимо учесть, что более высокие давления потребуют создание более сложной и дорогой аппаратуры. Предпринята упрощенная оценка влияния давления в аппарате на его металлоемкость G. Оказалось, что характер зависимости 3*G от режимов экстракции практически не изменился по сравнению с зависимостью Э = f(P,T).

Производительность массообменника (объемная пропускная способность по экстрагируемой смеси) определяется по соотношению, учитывающему коэффициент массопередачи К, площадь поверхности массообмена Р и среднюю разность концентраций АС:

Таким образом, увеличение давления и соответственно температуры, увеличивает Ох и ц/хм которые находятся в числителе уравнения (43), и производительность аппарата по массообмену растет с ростом давления. Также растет производительность с увеличением числа трубчатых элементов п и соответственно уменьшения их диаметра.

Оценка массообменных возможностей экстрактора с пористыми перегородками должна быть увязана с гидравлическими возможностями аппарата.

В работе получена зависимость относительной гидравлической и массообменной пропускной способности экстрактора с трубчатыми перегородками от режима экстракции (давления и соответствующей температуры) и диаметра трубчатых пористых перегородок. Ограничениями на применение высоких давлений являются возможные потери нейтрального жира из-за повышения растворимости (сравнение растворимости жирных кислот и триацилглице-ринов дано на рисунке 16) и из-за фильтрования через пористую перегородку при повышенных перепадах давлениях (зависимость производительности экстрактора при е = 0,95 от давления при различных рабочих объемах экстрактора с трубчатыми пористыми элементами с диаметрами, соответствующими созданию перепада давления, не допускающего фильтрования экстрагируемой смеси, приведена на рисунке 17).

Схема установки экстракционной очистки растительных масел представлена на рисунке 18, а экстрактор - на рисунке 19.

(43)

Рисунок 16 - Зависимость относительной растворимости жирных кислот по отношению к маслу при принятых режимах экстракции двуокисью углерода

£ 5,00 Е+03

I

О.

| 3,ООЕ+О3

А

5

¡.00Е+0Л 0,00Е+00

1 2 3

Режимы олеин, к-та —в— лннол. к-та стеар. к-та —а—пальмет. к-та линолен, к-та

Рабочий объем, м

Рисунок 17 - Зависимость производительности экстрактора

с трубчатыми пористыми элементами от давления при его различных рабочих объемах

Конденсатор С02

Испаритель экстракта

и-и

Исходное —«

масло

со2

Мембран- Чд-/ ный экстрактор

т

Жирные кислоты

А

Рафинированное масло

Т

Испаритель 1)афината

Жидкость

Растворитель I 6 \ (С02)

Жидкость

Рисунок 18 - Схема установки для экстракционной очистки растительных масел

Рисунок 19 - Схема экстрактора с выравниванием давления по обеим сторонам пористой перегородки

В девятой главе описан мембранный процесс производства биодизеля. Мембранный реактор - устройство, в котором мембранное разделение и химические реакции объединены (рисунок 20).

В данной установке насос циркуляции, мембранный модуль и теплообменная система составляют циркуляционный контур, в пределах которого реакция переэтерификации происходит при управляемой температуре и давлении. Насос и обратный клапан для регулирования противодавления отделяют этот контур под давлением и от атмосферных условий.

На рисунке 21 показана технологическая схема производства биодизеля. В схеме представлено следующее основное оборудование: 1 - струйный смеситель; 2 - насос обеспечивающий давление нагнетания до 1 МПа; 3 - мембранный контактор в комплекте с отстойником продуктов реакции; 4 - бак исходного масла; 5 - бак исходного метанола; 6 - баки - дозаторы для катализатора; 7 - конденсатор паров метанола; 8 - испаритель метанола из раствора с биодизелем; 9 -испаритель метанола из раствора с глицерином. Кроме этого в состав установки входит вспомогательное оборудование: пластинчатый теплообменник, фильтры, насосы, вакуум насос, ротаметры, термометры, клапана регулирующие, датчики уровня и т.п.

Кляпяи обратного

РАМЕ

Метанол

Глицерин

О

ЖИДКОСТЬ

Выходная Грубя

Рисунок 20 - Схема мембранного реактора 33

мембранного реактора

В таблице 4 приведены физико-химические показатели биодизеля, полученного с использованием мембранного реактора.

Таблица 4 - Физико-химические показатели биодизиля из растительного масла

Наименование показателя Значение показателя

биодизель, полученный по разработанной схеме требования, предъявляемые к биодизелю в

США (ASTM) Германии (DIN)

Плотность при 15°С, г / см3 0,890 не нормируется 0,875 - 0,900

Кинематическая вязкость

при 40°С, мм2 / с 5,70 1,90-6,00 3,50-5,00

Температура вспышки, °С 112 не менее 130 не менее 110

Теплотворная способность.

кДж/г 34,60 не нормируется

Кислотное число, мг КОН /г 0,43 не более 0,80 не более 0,50

В десятой главе описан мембранный конденсатор в экстракционной технологии получения обезжиренных фосфолипидов. Конструкция конденсатора представлена на рисунке 22. Особенностью ее является размещение поверхности теплообмена с ППНМ в виде намо-таных пучков на трубы подачи парогазовой смеси. Это обеспечивает высокую поверхность теплообмена и создает условие для коагуляции аэрозоля. На конструкцию конденсатора получен патент РФ на полезную модель.

Рисунок 22 - Парогазовый конденсатор. 1 - цилиндрический корпус, 2 - фланец для подвода исходной смеси, 3 - отвода газовой фазы, 4 - фланец отвода конденсата паровой фазы, 5 и 6 - крышки, 7 и 8 - фланцы для подвода исходной смеси, 9 - стержень, 10 и 11 гайки, 12 - трубный пучок, 13 и 14 - распределительные камеры, 15 и 16 - фланцы подвода и отвода хладагента в полипропиленовый непористый половолоконный мембранный пучок, 17, 18, 19, 20 -поперечные перегородки, 21, 22, 23, 24 - втулки фиксаторы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Мембранные технологии, реализующие возможности мембран в процессах тепло- и массопереноса в переработке растительных масел, позволяют повысить степень энергосбережения, безотходности и экологической безопасности что обеспечивает конкурентоспособность современного производства.

2. Мембранная экстракция позволяет осуществить отделение свободных жирных кислот при рафинации масел в массообменном аппарате с пористой перегородкой, обеспечивая высокую производительность с единицы объема при стабильной гидродинамике.

3. Полученные аналитические зависимости описывают концентрационные распределения в экстракторе с пористой перегородкой для прямотока и для противотока, при условии постоянства коэффициента массопередачи и объемных скоростей потоков фаз по высоте колоны, при установившемся режиме, а также как при отсутствии продольного перемешивания в обеих фазах, так и при перемешивании по одной из фаз или по обеим фазам.

4. Эффективность массообменника при одинаковых соотношениях чисел переноса по обеим фазам при противотоке выше. Чем больше число единиц переноса по фазе экстрагируемой смеси (Ых) и меньше продольное перемешивание по сравнению с числом единиц по фазе экстрагента, тем выше эффективность. Предельные эффективности достигаются при = 4+5. Материал мембраны не должен смачиваться экстрагируемой смесью.

5. В диапазоне давлений от 80 бар до 400 бар и температур от 293К до 373К растворимость жирного масла в двуокиси углерода существенно растет с ростом давления (растворимость увеличивается в 1520 раз), что касается влияния температур, то наибольшая растворимость достигается при средних температурах 309-325 К. С ростом температуры и давления коэффициенты распределения жирных кислот растут. Для ненасыщенных жирных кислот коэффициенты распределения близки между собой и существенно выше (практически на два порядка), чем для насыщенных жирных кислот. Относительная растворимость жирных кислот по отношению к триглицеридам в двуокиси углеродов наибольшая при 80 бар и на допустимом уровне до 160 бар.

6. В диапазоне давлений от 80 бар до 400 бар и температур от 293К до 373К наибольшие значения коэффициентов диффузии жирных кислот в двуокиси углерода лежат на оси гребня, на так называемой «квазиспинодапи», (линейной зависимости между давлением и температурой, проходящей через критическую точку), и при этом имеет место их рост с ростом температуры. Ниже этой оси коэффициенты диффузии слабо зависят от температуры и существенно снижаются с уменьшением давления. Выше оси коэффициенты диффузии увеличиваются с ростом температуры, а при постоянной температуре с ростом давлением происходит уменьшение коэффициентов диффузии.

7. Расчет коэффициентов диффузии жирных кислот и триацилг-лицеринов в двуокиси углерода при сверхкритических условиях может быть осуществлен по зависимости в обобщенных переменных.

8. Гидравлическая пропускная способность трубчатого массо-обменника накладывает ограничения на массообменные возможности. С ростом давления в аппарате диаметр трубчатых элементов требуется увеличивать. Проницаемость стенок трубчатых элементов необходимо снижать и уменьшать перепад давления, применяя предложенное техническое решение (патент РФ на полезную модель №16503).

9. Перенос потоков в мембранных контакторах при изменении давления с обеих сторон мембраны описывается решениями системы обыкновенных дифференциальных уравнений записанной через давления с граничными условиями для любой комбинации открытых или закрытых патрубков внутреннего объема мембран и внешнего объема в модуле.

10. Прямоточная схема потоков в мембранном контакторе позволяет увеличить количество проникающего потока по сравнению с противоточной, однако при достаточно длинных мембранах это различие нивелируется.

11. Зависимости для проточной и «тупиковой» фильтрации позволяют определить по результатам экспериментов проницаемости мембран, которые в исследованном диапазоне (избыточное давление до 1 атм) практически не зависели от давления и соответственно составили для полипропиленовых половолоконных мембран фирмы EI-DOS (Чехия) РР-М5 - 4,4* 10"'5 м; РР-М6 - 1,33*10"14 м и керамических трубчатых мембран произведенных фирмой НПО «Керамик-фильтр» (Москва) - 7,43*10'13м.

12. При математическом моделировании кинетики реакции пе-реэтерификации установлено, что времени 120 минут практически всегда достаточно для достижения равновесного состояния. Даже значительное увеличение концентрации метанола в исходной смеси не приводит к значительному увеличению глубины реакции. Доля не-прореагировавшего масла снижается незначительно.

13. Вязкость компонентов реакционной смеси можно определить, связав модель кинетики процесса переэтерификации с моделью вязкости системы по результатам экспериментального определения вязкости реакционной смеси. Температурная зависимость вязкости компонентов определяется по усовершенствованному методу Льюиса и Сквайрса.

14. Математическая модель процесса многостадийной химической реакции переэтерификации с фильтрацией продуктов, с вязкостью, меняющейся от состава и температуры, через стенку мембранного реактора, позволяет определить долю фильтрационной составляющей потока по длине мембранного реактора и провести оптимизацию процесса.

15. Полученные экспериментально значения коэффициентов теплоотдачи в полипропиленовых половолоконных непористых мембранах, включающих объединенное тепловое сопротивление стенки, позволяют вести расчеты теплопередачи в полимерных половолоконных мембранных теплообменниках.

16. Конденсатор с подачей дополнительного тепла от поступающей парогазовой смеси в зону конденсации и подачей хладагента через полипропиленовые половолоконные непористые мембраны позволяет осуществить конденсацию паров растворителя в присутствии неконденсирующегося инертного газа, применяя предложенное техническое решение (патент РФ на полезную модель №61401).

17. Построенная математическая модель конденсации парогазовой смеси в конденсаторе с полимерными половолоконными мембранами может быть использована для моделирования и анализа работы конденсатора.

18. Обоснована комплексная технология и система процессов переработки масел с новым процессом рафинации масел мембранной экстракцией и экстракционной очисткой фосфолипидов в схеме которой применен мембранный конденсатор парогазовой смеси, а отделенное масло перерабатывается в мембранном реакторе с получением биодизеля. Разработаны и переданы в производство филиала «Лабин-ский МЭЗ» ООО «МЭЗ Юг Руси» комплексная технология переработки растительных масел на основе мембранных процессов.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

т {УшХ-УшЪ) т ^шУ-УутУо) -

<РХ =7-9у =7-х - безразмерные концен-

УУшХь-УутУо) -ГутУ*)

трации с обеих сторон мембраны; Л', = (£/•>,,„)/(?,, л^ = (№<//„)/£>у -числа единиц переноса по фазе в трубном пространстве и по фазе в межтрубном пространстве; £ = Л/Л - относительная длина мембраны; Фхт и Щт - коэффициенты распределения растворенного вещества между двумя различными фазами, определяемые следующим образом: ц/хт - х*/х„ и ц/ут = у*/у„.\ х*, х„ и у*, у„ - две пары равновесных концентраций, которые относятся к условиям на обеих сторонах поверхности мембраны между фазами; Ь - длина мембран; Р - площадь поверхности мембраны; 5 - сечение колонны; К - коэффициент мас-сопередачи; и 0У - объемные расходы фазы в трубном пространстве и фазы в межтрубном пространстве; Рех = —и Реу = -

SDy

безразмерные модифицированные числа Пекле, характеризующие перемешивание по каждой из обеих фаз; Ох и Оу - коэффициенты продольного перемешивания по каждой из обеих фаз; Рь; Р5 и СЬ -соответственно давления и расходы во внутреннем и внешнем объеме

между мембранами У = I ; кх,к и кх ^ компоненты тензора проницаемости Дарси для обоих пространств в осевом направлении (приняты постоянными); ц - динамическая вязкость, Па с; г - мембранная проницаемость, м; - внутренний радиус волокна, м; х - координата по оси мембраны, м; п - количество мембран; Ыим -критерий Нуссельта стенки, учитывающий объединенное сопротивление тепловому потоку в стенке и внешней конвективной теплоотдачи; = - критерий Рейнольдса; рг = ^'|,/ - критерий Прандтля; ц Я

а - скорость потока среды, м/с; ¿у = - эквивалентный диаметр;

/ - сечение, определяющее движение потока среды, м2\ П - периметр, м.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Монографии:

1. Схаляхов, A.A. Мембранная экстракция двуокисью углерода в пищевой технологии / Схаляхов A.A.; ред. журн. «Известия ВУЗов. Пищевая технология». - Краснодар, 2007. - 159 е.: ил. - Библиогр.: с. 157-159 (141 назв.). - Деп. в ВИНИТИ 12.02.07, №128-В2007.

2. Схаляхов, A.A. Производство биотоплива из масел и жиров: монография / A.A. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой; Федер. агентство по образованию, ГОУ ВПО МГТУ. - Майкоп: МГТУ, 2008. -132 е.-Библиогр.: с. 110-131 (331 назв.).

Научные статьи в журналах, рекомендуемых ВАК:

3. Оценка развития научного направления «Экстракция двуокисью углерода» / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сию-хов, В.Ю. Чундышко // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 1999. №1. С. 8-11.

4. Поведение коэффициентов диффузии жирных кислот в С02 при сверхкритических условиях / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Д.Э. Тихонов, Х.Р. Блягоз // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 1999. №2-3. С. 72-73.

5. Универсальная установка для экстракции двуокисью углерода / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов, В.Ю. Чундышко // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 1999. №4. С. 67-69

6. Схаляхов, A.A. Коэффициенты диффузии триглицеридов и жирных кислот в двуокиси углерода при сверхкритических условиях / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2000. №2-3. С. 62-63.

7. Теоретический анализ экстракции в массообменнике с пористой перегородкой / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, B.C. Косачев, Х.Р. Блягоз //Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2001. №5-6. С. 66-68.

8. Схаляхов, A.A. Массообмен при экстракции в аппаратах с пористой перегородкой / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2003. №5-6. С. 82-84.

9. Схаляхов, A.A. Влияние продольного перемешивания во взаимодействующих фазах при десорбции в пленочном трубчатом

протиточном аппарате / Схаляхов A.A., Верещагин А.Г., Кошевой Е.П. // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2007. №2. С. 71-73.

10. Схаляхов, A.A. Организация процесса переэтерификации в мембранном реакторе / Схаляхов A.A., Блягоз Х.Р., Кошевой Е.П. // Новые технологии. 2008. Вып. 5. С. 34-36.

11. Конденсатор для парогазовых смесей с полимерными поло-волоконными мембранами / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, B.C. Коса-чев, А.Г. Верещагин И Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2009. №2-3. С. 68-70.

12. Конденсация парогазовых смесей с полимерными половоло-кониыми мембранами / Схаляхов A.A., Блягоз Х.Р., Верещагин А .Г., Кошевой Е.П; // Новые технологии. 2009. Вып. 1. С. 35-39.

13. Определение проницаемости половолоконных и трубчатых мембран / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, B.C. Косачев, Е.О. Никонов // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2009. №2-3. С. 96-98.

14. Разработка модели конденсации парогазовых смесей с полимерными половолоконными мембранами / Схаляхов A.A., Верещагин А.Г., Косачев B.C., Кошевой Е.П. // Новые технологии. 2009. Вып. 1. С. 39-43.

15. Схаляхов, A.A. Вязкость компонентов реакционной смеси при производстве биодизельного топлива из растительных масел / A.A. Схаляхов, B.C. Косачев, Е.П. Кошевой // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2009. №1. С. 113-115.

16. Схаляхов, A.A. Математическое моделирование процесса разделения жидких смесей в мембранном модуле с различной организацией потоков / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, B.C. Косачев // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2009. №2-3 С. 71-74.

17. Теплообменники с полимерными поволоконными мембранами / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, B.C. Косачев, А.Г. Верещагин // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2009. №2-3. С. 79-81.

Научные статьи:

18. Двуокись углерода при сверхкритических условиях как растворитель для экстракционной очистки жиров / A.A. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, Д.Э. Тихонов // Процессы, аппараты и машины пищевой технологии: межвуз. сб. науч. тр. i М-во образования Рос.

Федерации, С.-Петерб. гос. акад. холода и пищевых технологий. -СПб., J999.-С. 153-159.

19. Анализ технологии и техники экстрагирования двуокисью углерода при сверхкритических условиях / Кошевой Е.П., Блягоз Х.Р., Схапяхов A.A., Сиюхов Х.Р., Чундышко В.Ю. // Новые технологии: [сб. науч. тр. МГТУ] / М-во образования и науки Рос. Федерации, Майкоп, гос. технол. ун-т. Майкоп, 2005. С. 178-180.

20. Массоперенос в массообменнике с пористой перегородкой (мембраной) / Кошевой Е.П., Блягоз Х.Р., Схапяхов A.A., Сиюхов Х.Р. // Новые технологии: [сб. науч. тр. МГТУ] / М-во образования и науки Рос. Федерации, Майкоп, гос. технол. ун-т. Майкоп, 2005. С. 175-177.

21. Технология и техника экстрагирования двуокисью углерода при сверхкритических условиях / A.A. Схапяхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов, В.Ю. Чундышко // Экономика и технологии. 2005. №1. С. 51-54.

22. Эффективность процессов экстракции и разделения в системе «триацилглицерины-двуокись углерода-этанол» / Кошевой Е.П., Блягоз Х.Р., Схаляхов A.A., Сиюхов Х.Р.,Чундышко В.Ю. // Новые технологии: [сб. науч. тр. МГТУ] / М-во образования и науки Рос. Федерации, Майкоп, гос. технол. ун-т. Майкоп, 2005. С. 181-183.

23. Разработка конструкции конденсатора для смесей растворителя с неконденсирующимся газом / Схаляхов A.A., Кошевой Е.П., Косачев B.C., Гукасян A.B., Верещагин А.Г. // Новые технологии / М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. Агентство по образованию, Майкоп, гос. технол. ун-т. Майкоп, 2006. Вып. 2. С. 90-92.

Патенты РФ на изобретения:

24 Универсальная установка для экстракции двуокисью углерода / Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, Х.Р. Сиюхов, A.A. Схаляхов, В.Ю. Чундышко // Патент на полезную модель №16458. — 2001.

25. Экстрактор / Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, A.A. Схаляхов // Патент на полезную модель №16503. - 2001.

26. Конденсатор / Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, B.C. Косачев, A.A..Схаляхов, A.B. Гукасян // Патент на полезную модель №61401.2006, БИ №6,2007.

Материалы конференций:

27. Схаляхов, A.A. Оценка коэффициентов диффузии различных веществ в двуокиси углерода при сверхкритических условиях / A.A. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой И Тез. докл. Сев.-Кавк. регион, науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива-98», 24-27 апр. 1998г. / [редкол.: Шаков Х.Х. (отв. ред.) и др.]. - Нальчик, 1998. С. 10-11.

28. Разработка оборудования для экстракции газами при сверхкритических давлениях / Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, Х.Р. Сиюхов, A.A. Схаляхов, В.Ю. Чундышко // Материалы II Междунар. науч. конф. «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания»: тез. докл. Орел, 1999. С. 262.

29. Энергообеспечение экстракции газами на основе теплового насоса / Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов, A.A. Схаляхов, В.Ю. Чундышко // Индустрия продуктов здорового питания - третье тысячелетие (человек, наука, технология, экономика): междунар. науч,-практ. конф., 24-25 февр. 1999 г.: тез. докл.- М., 1999. Ч. 1. С. 93-94.

30. Блягоз, Х.Р. Разработка процесса экстракции двуокисью углерода / Х.Р. Блягоз, A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой // Технология, химия и экологические проблемы Северного Кавказа: сб. науч. тр. по материалам регион, науч.-практ. конф. «Неделя науки МГТИ» / М-во образования Рос. Федерации, Майкоп, гос. технол. ин-т. - Майкоп, 2000. С. 34-35.

.31. Проблемы в развитии экстракции двуокисью углерода / Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, Х.Р. Сиюхов, A.A. Схаляхов, В.Ю. Чундышко // Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. «Молодые ученые - пищевым и перерабатывающим отраслям АПК (технологические аспекты производства)», г. Москва, 18-19 декабря 2000 г. М„ 2000. С. 173-174.

32. Рафинация растительных масел экстракцией двуокисью углерода / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, А.Б. Боровский, Х.Р. Блягоз // Прогрессивные пищевые технологии - третьему тысячелетию = Advanced food technologies - to the third millenium: междунар. науч. конф. [19-22 сент. 2000 г.: тез. докл. / редкол.: Петрик A.A. (гл. ред.) и др.]. Краснодар, 2000. С. 172-173.

33. Совершенствование техники для экстракции двуокисью углерода / Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов, A.A. Схаляхов,

B.Ю. Чундышко // Материалы междуиар. науч.-практ. конф. «Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения» / Краснодар. НИИ хранения и пе-рсраб. с.-х. продукции; под ред. Сизенко Е.И. Краснодар, 2000. Ч. 2.

C. 157-158.

34. Физическая рафинация растительных масел экстракции двуокисью углерода в сверхкритическом состоянии / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, А.Б. Боровский, Х.Р. Блягоз // Материалы междунар. науч,-практ. конф. «Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения» / Краснод. НИИ хранения и перераб. с.-х. продукции; под ред. Сизенко Е.И. Краснодар, 2000. 4.1. С. 137-138.

35. Энергообеспечение экстракционной установки с использованием теплового насоса / Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, X. Р. Сиюхов, A.A. Схаляхов, В. 10. Чундышко // Прогрессивные пищевые технологии - третьему тысячелетию = Advanced food technologies - to the third millenium: междунар. науч. конф. [19-22 сент. 2000 г.: тез. докл. / ред-кол.: Петрик A.A. (гл. ред.) и др.]. Краснодар, 2000. С. 187-188.

36. Мембранная экстракция жидких смесей двуокисью углерода / A.A. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, B.C. Косачев // Низкотемпературные и пищевые технологий в XXI веке: междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 70-летию С.-Петерб. гос. ун-та низкотемператур. и пищевых технологий, 6-7 июня 2001 г. / [редкол.: Малышев A.A. и др.].-СПб., 2001. С. 170.

37. Схаляхов, A.A. Коэффициенты распределения жирных кислот в системе с двуокисью углерода при сверхкритических условиях / A.A. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз // Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств: междунар. науч.-практ. конф., Россия, Краснодар, 24-26 сент. 2002 г.: [материалы]. - Краснодар, 2002. С. 29-31.

38. Чундышко, В.Ю. Моделирование растворимости триглице-ридов в смешанном растворителе при сверхкритических условиях / Чундышко В.Ю., Схаляхов A.A., Яковлев A.JL // IX Неделя науки

МГТУ: V Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов, докторантов и молодых ученых «Наука XXI веку» (II сессия). - Майкоп, 2004. С. 125-129.

39. Технология получения фракционированных фосфолипидных продуктов / Бутана Е.А., Схаляхов A.A., Сорокина В.В., Пахомова E.H. // Инновационные технологии в создании продуктов питания нового поколения: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием,- Краснодар, 2005. С. 183-185.

40. Конструкции конденсатора для смесей паров ацетона с неконденсирующимся газом азотом / Верещагин А.Г., Схаляхов A.A., Кошевой Е. П., Косачев B.C., Гукасян A.B. // Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2007): материалы III Междунар. науч.-техн. конф. (Нальчик, 4-6 октября 2007 г.) / [редкол.: Батыров У. Д. (отв. ред. и др.)]. Нальчик, 2007. Т. 1. С. 221-224.

41. Схаляхов, A.A. Математическая модель гидравлики реактора с пористыми мембранами для производства биодизеля / Схаляхов A.A., Кошевой Е. П., Косачев B.C. // Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: материалы Десятой междунар. науч.-практ. конф. (11-12 декабря 2007 г.). Барнаул, 2007. С. 347-349.

42. Моделирование процесса конденсации смеси паров ацетона с инертным газом в парогазовом конденсаторе / Верещагин А. Г., Схаляхов А. А., Кошевой Е. П., Косачев В. С. // Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: материалы Десятой междунар. науч.-практ. конф. (11-12 декабря 2007 г.). Барнаул, 2007. С. 339-342.

43. Теплообменные характеристики половолоконных непористых мембран / Схаляхов A.A., Верещагин А.Г., Кошевой Е.П., Гукасян A.B. // Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2007): материалы III Междунар. науч.-техн. конф. (Нальчик, 4-6 октября 2007 г.) / [редкол.: Батыров У. Д. (отв. ред. и др.)]. Нальчик, 2007. Т. 1. С. 216-221.

44. Схаляхов, A.A. Состояние и перспективы производства биодизеля / Схаляхов A.Á., Кошевой Е.П., Хомяков А.И. // Тезисы IX Междунар. конф. молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии». Казань, 2008. С. 216.

СХАЛЯХОВ Анзаур Адамович

МАССООБМЕННЫЕ И ТЕПЛООБМЕННЫЕ МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ В КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 28.08.2009 г. Формат бумаги 60x84'/16- Бумага ксероксная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 2,75. Заказ №055. Тираж 150 экз.

Издательство МГТУ 385000, г. Майкоп, ул. Первомайская, 191