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

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 �