автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Теоретические и практические основы осложнений поверхностно-активными веществами массопередачи в процессе рафинации масел



РЦ. 01/

КУБАНСКИ Й ГОСУДАРСТВЕННЫЙ^ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙзУЙ^В^0|ГК

.■■ ■ , - степень доктор'

"Л л

фгщдения ВАК Ро--,

КОСАЧЕВ ВЯЧЕСЛАВ СТЕПАНОВИЧ

Теоретические и практические основы осложненной поверхностно-активными веществами массопередачи в процессе рафинации

масел

05.18.12- Процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

научный консультант д.т.н., профессор Е.П. Кошевой

Краснодар -1998

Оглавление

Условные обозначения........................................................................................4

Введение...................................................................................................................8

Актуальность работы.........................................................................................14

Цель работы........................................................................................................15

Основные задачи исследования........................................................................15

Научная новизна.................................................................................................16

Практическая значимость работы....................................................................17

Реализация работы.............................................................................................20

Обоснованность и достоверность полученных результатов.........................21

Первая глава. Состояние теории, техники и технологии рафинации

растительных масел..............................................................................................22

Основные задачи рафинации............................................................................22

Состояние техники и технологии рафинации масел и жиров.......................23

Влияние примесей ПАВ на процесс массопереноса......................................28

Обоснование целей и задач исследования......................................................35

Вторая глава. Массоперенос с гетерогенной химической реакцией при

очистке масла........................................................................................................39

Изучение структуры межфазного слоя образующегося на границе раздела

фаз в присутствии фосфолипидов и жирных кислот.....................................42

Определение реакционной фазы при нейтрализации жирных кислот........53

Расчет концевых эффектов в экспериментальной установке........................63

Третья глава. Классификация и разработка математических моделей

массопереноса в каплях........................................................................................69

Принципы моделирования процессов массопереноса...................................70

Анализ метрических коэффициентов одномерного уравнения диффузии в

криволинейных координатах............................................................................75

Линейная модель нестационарной диффузии из сфероида........................87

Модель массопереноса при Ре « Яе............................................................102

Нелинейная модель нестационарного массопереноса из сфероида........107

Идентификация параметров диффузионно-конвективной модели.........123

Исследование образования мыльной пленки на капле масла в процессе

рафинации......................................................................................................137

Четвертая глава. Пути совершенствования процесса рафинации растительных

масел.....................................................................................................................147

Статистический анализ нейтрализации масла в режиме нормальной эксплуатации.....................................................................................................153

Заключение...........................

Использованная литература

214

Условные обозначения

Ц - функции отклика процесса гидратации;

X; - факторы процесса нейтрализации;

V, - Факторы процесса гидратации;

Ъ} - функции отклика процесса нейтрализации;

Со,т - начальная (0) и текущая (т) концентрация жирных кислот,

Кр - коэффициент распределения жирных кислот,

8уд - удельная поверхность раздела фаз,

х - время контакта фаз

к(Х) - константа скорости процесса;

I - температура проведения опыта.

а - коэффициент пропорциональности м"1,

Ь - длина струи, м.

ао - межфазное натяжение чистых компонентов, Ы/м; а - межфазное натяжение при концентрации ПАВ, равной С, Н/м; Я - универсальная газовая постоянная,8,314 Дж/моль-К; Т - температура, К;

Гт - максимальная адсорбция Гиббса, моль/л; С - концентрация ПАВ в масляной фазе, моль/л; А - капиллярная постоянная, моль/л. Н - информационная энтропия;

- мера множества состояний системы (данные из гистограмм) Со,т - начальная (0) и текущая (т) концентрация жирных кислот, мг КОНУг; Кр - коэффициент распределения жирных кислот,

Буд - удельная поверхность раздела фаз, м ; т - время контакта фаз, с.

Сккаон - концентрация щелочи, при которой реакция нейтрализации жирных

кислот щелочью протекает на границе раздела фаз. к(Х) - константа скорости процесса; t - температура проведения опыта а - коэффициент пропорциональности м"1, Ь - длина струи, м.

Ь - коэффициент пропорциональности, мг КОН/г. д — поток компонента,

С — концентрация переносимого компонента,

х — время диффузии,

сГУ = У^'сЩ — элемент объема.

Б — коэффициент переноса (диффузии).

8 — площадь изопотенциальной поверхности;

У'(0 — производная объема, выделяемого парой изопотенциальных

поверхностей вида (£) и (£+<!£). Д, - значение коэффициента диффузии от мольной доли компонента Ха

(жирные кислоты), ХЬ = Ха - 1 - мольная доля второго компонента (триглицериды),

- коэффициент взаимодиффузии при ХЬ —>\, Вх - коэффициент взаимодиффузии при Ха^>\.

В0 - коэффициент диффузии жирных кислот при бесконечном разведении, м2/с;

Р - коэффициент нелинейности.

W - вектор скорости жидкости; (1 - определяющий размер; V - вязкость жидкости.

У(Ф - объем изоконцентрационной поверхности;

- площадь изоконцентрационной поверхности; 11- определяющий размер фазы; £ - обобщенная пространственная координата;

2)о - коэффициент переноса ПАВ при их концентрации близкой к нулю; С(%,т) - концентрационное поле переносимых поверхностно-активных

веществ; т- время процесса переноса, к - индекс конвективного переноса; ш - индекс молекулярного переноса.

Ут,*т—декартовые координаты сечения изоконцентрационной поверхности

на плоскости (X—0—У). а - нормирующий множитель;

Ь, е - большая и малая полуоси образующего эллипса.

У к (хк), хк — декартовые координаты сечения изоконцентрационной

поверхности на плоскости (X—0—У). т) — временная функция (проекция) решения; [Ро(%к,щ)~ Р'2т)] — координатная функция (проекция) решения; Ро(%к,т)1 Р2;(^к,т)— полиномы Лежандра

Р(£) - аппроксимация полиномами Лежандра зависимости коэффициента

массопереноса от обобщенной координаты ^(т) — временная функция (проекция) решения;

С(£,т) - концентрация жирных кислот в капле; Ск(^,х) - конвективная составляющая; Ст(^,т) - диффузионная составляющая;

а(т) - доля конвективной составляющей, нормированная на интервале 0>а(т)>1,

ССТр начальная концентрация жирных кислот, мг КОН/г.

Введение

Одной из основ развития современного общества и роста уровня жизни является повышение эффективности производства. Существенную роль в этом играет научно-технический прогресс, опирающийся на фундаментальные и прикладные научные исследования. Пищевая промышленность России в настоящее время работает в режиме жесткой конкуренции, связанной с открытостью ее внутреннего рынка пищевых продуктов для зарубежных производителей. Развитие пищевой промышленности в Российской Федерации требует совершенствования техники и технологии для получения высококачественной продукции с одновременным неуклонным снижением ее себестоимости. Только на этой основе возможна организация стабильного, рентабельного производства, доходная часть которого основана на производстве доступных основной массе потребителей пищевых продуктов. В этом случае промышленное предприятие формирует устойчивый рынок сбыта своей продукции и продукты питания местного производства оказываются вполне конкурентоспособными.

При промышленном производстве пищевых продуктов широко применяются процессы очистки (рафинации). Рафинация во многих случаях оказывает большое влияние на качество получаемых пищевых продуктов. На проведение рафинации расходуется значительное количество энергии и материальных ресурсов. Отечественная масложировая промышленность в настоящее время работает в условиях обостряющегося дефицита сырьевых и энергетических ресурсов. Развернувшаяся конкурентная борьба на рынке с зарубежными партнерами требует значительного повышения качества продукции и снижения ее стоимости. Это определяет направления поиска

решений в совершенствовании существующих техники и технологий и разработке новых, позволяющих получать высококачественную продукцию при высоких технико-экономических показателях производства. В настоящее время сырые (нерафинированные) масла практически не используются, да и сложившиеся рыночные условия не позволяют этого делать. Большие объемы масла производят на небольших предприятиях не оснащенных рафинационными линиями и необходимо наращивать рафинационные мощности на основе эффективной технологии и техники, обеспечивающей конкурентоспособность.

Пищевая промышленность в целом и масложировая в частности испытывают серьезные проблемы связанные с отсутствием системного подхода при совершенствовании существующих и разработке новых процессов очистки сырья и использования образующихся отходов. Технологические потоки масложировых производств, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию, необходимо рассматривать как систему взаимодействующих процессов. Установки работающие в составе технологических линий оказывают совместное влияние на качество готовой продукции. Для совершенствования технологического потока необходима комплексная технология переработки масел и жиров имеющих в своем составе различные примеси со значительной ценностью.

Идеи системного подхода получают большее распространение при анализе химико-технологических процессов. Необходимо не просто расширить область их приложения, но и совершенствовать методологию их применения на основе использования современной вычислительной техники и программного обеспечения, способных реализовать сложные математические модели, адекватно описывающие сложные технологические процессы без необоснованных упрощений.

Рафинация масел и жиров становится экономически оправданной,

если комплексно решает задачи переработки, очистки и расширения ассортимента продукции. Являясь обязательной операцией для получения качественных продуктов питания при отсутствии комплексности, рафинация служит источником неоправданных затрат. В то же время системный подход к проблеме вторичного использования отходов производства позволяет значительно снизить затраты на процесс рафинации и в ряде случаев даже получить значительную прибыль.

Массоперенос в гетерогенных средах - основа процессов очистки, широко используемых при рафинации в масло-жировой промышленность. Создание и использование моделей массопереноса для проектирования новых и совершенствования существующих производств позволяет решить основную массу проблем связанную с комплексной переработкой масел и жиров.

Актуальность и своевременность разработки научных основ нестационарного массопереноса веществ, обладающих поверхностно-активными свойствами, процессного и аппаратурного оформления их очистки и производство широкого спектра пищевых добавок и эмульгаторов на их основе, связана с необходимостью комплексности переработки сырья в существующих технологиях. Технологические потоки масложировых производств, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию, необходимо рассматривать как систему взаимодействующих процессов. Сложившаяся в настоящее время технология в целом остается многооперационной, чувствительной к качеству сырья, что ведет к значительным потерям и росту себестоимости готовой продукции.

Целесообразность проведения работ, направленных на совершенствование рафинационных процессов, их практическая значимость были во многом обусловлены возраставшей и не полностью удовлетворенной потребностью в них масложировой промышленности,

значительным объемом производства, большими энергозатратами и высокой стоимостью получаемого продукта. Очевидно, что имеются существенные резервы повышения эффективности работы рафинационных установок, включающие снижение удельных энергозатрат, рост удельной производительности, повышение качества рафинированного масла и т.д. Учитывая объемы производства и потенциальные возможности их роста, количество потребляемых энергоресурсов, а также стоимость выпускаемой продукции, можно считать, что повышение эффективности рафинационных установок является важной народнохозяйственной задачей.

В настоящее время повышение эффективности рафинации имеет практическую значимость, усиленную происшедшим увеличением цен на энергоносители и сырье.

Очевидно, что наиболее рациональным путем решения этой важной народнохозяйственной задачи является создание и практическое использование научного обоснования способов проведения процессов очистки и разработки технических средств их реализации. В сложившейся в настоящее время ситуации при создании новых производств уделяется недостаточно внимания проблемам массопереноса различных компонентов масел в гетерогенной системе и особенно на границе раздела фаз. Цель данной работы ликвидация отставания в этой области и разработка научных основ массопереноса в условиях нестационарного высоко интенсивного процесса характерного для различных технологий очистки масел, жиров и сопутствующих веществ.

Проблема массопереноса в сложной гетерогенной системе была положена в основу настоящего исследования, объектом которого явились процессы рафинации в масложировой промышленности как наиболее затратные и сложные при эксплуатации.

Имеющиеся предпосылки открывают возможности создания

безотходных или малоотходных технологий при выпуске рафинированных масел и пищевых эмульгаторов в системе масло жировых предприятий. Разработанные теоретические положения рафинации масла не учитывают действия сил абсорбции. Не ясна роль сил поверхностного натяжения, концентрации и природы примесей, обладающих свойствами ПАВ, на процессы очистки масла. Необходима разработка нелинейных моделей с использованием сложных алгоритмов, реализованные на базе ЭВМ (вариационные вычислительные схемы базирующиеся на применении проекционных методов Бубнова - Галеркина). Имеющиеся в настоящее время обширные теоретические и экспериментальные исследования в области массопереноса относятся в основном к единичному телу канонической формы. Но и в этом случае математическое описание протекающих процессов и решение соответствующих систем уравнений сопряжены с весьма существенными трудностями.

Вследствие специфики технологической операции рафинации в мировой практике в настоящее время применяется в основном сепарационные схемы очистки масла. Повышение эффективности рафинации опирается на создание энергосберегающих режимов проведения процесса, использование рациональных технологических потоков, разработку совершенных конструкций установок, обеспечивающих рост удельной производительности при снижении удельных энергозатрат и гарантии требуемого качества получаемого продукта. Основой этого являются результаты

экспериментальных и теоретических исследований нестационарного конвективного переноса с учетом ограничений, налагаемых свойствами рафинируемых масел и примесей, рассматриваемых во взаимосвязи с сопутствующими веществами (примесями).

Среди публикаций, посвященных теоретическим основам массопереноса необходимо отметить работы A.B. Лыкова [1,2], Б.И.

Броунштейна [3,4], А.Д. Полянина [5], С.П. Рудобашты [6], В.В. Белобородова [7], ЕЛ. Кошевого, В.В. Ключкина, E.H. Константинова и др.

Из зарубежных исследователей в этой области следуем отметить Кронига и Бринка [8], Т. Шервуда [9], Ньюмена [10], а также работы современных авторов [11,12].

Широко известны технологические работы по очистке масел и жиров, выполненные Н.С. Арутюняном [13], Е.П. Корненой [14], Н.П. Ихно [15] и др.

Сопоставляя рафинацию сепарационным методом и в распылительной колонне, можно отметить, что исследование последней намного сложнее, а посвященных ей работ значительно меньше. Повышение сложности вызвано необходимостью рассматривать изменения параметров обрабатываемого материала и агента рафинации как во времени, так и в пространстве - в объеме и на поверхности капли. Кроме того, ряд обычно используемых упрощающих допущений оказывается неправомерным, что также усложняет построение математической модели процесса и решение соответствующей системы уравнений.

Информация о кинетике нейтрализации жирных кислот и гидродинамике капли является основой для разработки режимов рафинации, в значительной мере определяющих производительность, качество продукта и потери жиров в этом процессе. Решение этой задачи применительно к рафинации в мыльно-щелочной среде рассматривалось достаточно редко и не имело универсального характера [16,17]. Для масла с его специфическими свойствами объекта рафинаци