автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Вопросы массотеплопереноса в пористых средах производства растительных масел

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность проблемы.

1.2 Цель и задачи работы.

1.3 Научная концепция.

1.4 Научная новизна.

1.5 Практическая значимость.

1.6 Апробация работы.

1.7 Публикации результатов исследования.

1.8 Структура научного доклада.

2 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Основные закономерности влаготепловой обработки материалов производства растительных масел.П

2.1.1 Дифференциальные уравнения массо- и теплоперепоса в твердых пористых телах.

2.2 Хранение масличного сырья.

2.2.1 Решение уравнений тепло- и влагопереноса применительно к процессам сушки и увлажнения масличных семян.

2.2.2 Аналитическое решение задачи, описывающей тепло- и массоперенос при хранении масличного сырья в условиях активного вентилирования и в регулируемой газовой среде.

2.2.3 Математическая модель процесса хранения масличных семян в герметичных хранилищах.

2.2.4 Аналитическое исследование температурного поля слоя масличных семян при управляемых температурных воздействиях.

2.2.5 Решение дифференциальных уравнений совместного тепло-и массопереноса в связи с хранением масличных семян в элеваторах в зависимости от температуры наружного воздуха.

2.2.6 Решение дифференциальных уравнений тепломассопере-носа вязи хранением масличныхмян в железобетонных хранилищах.

2.2.7 Аналитическое исследование тепло- и массопереноса в слое масличных семян при наличии очагов самовозгорания.

2.3 Аналитическое исследование массотеплопереноса при влаготеплопой обработке мятки.

2.4 Экстрагирование растительных масел.

2.4.1 Математическая модель диффузии с дискретным отводом вещества.

2.4.2 Математическая модель противоточного многоступенчатого экстрагирования.

2.4.3 Дискретная диффузия при многоступенчатом экстрагировании материала с анизотропной внутренней структурой.

2.4.4 Решение уравнения нестационарной диффузии с учетом пограничного слоя.

2.4.5 Уравнения нестационарной диффузии в системе твердое тело — жидкость для прямо — и противоточного процессов,

2.4.6 Уравнение изотермического экстрагирования в системе твердое тело — жидкость.

2.4.7 Математическая модель экстрагирования с переменным коэффициентом массоотдачи [1,2,44].

2.4.8 Нагрев тел в электромагнитном поле сверхвысоких частот.

2.5 Аналитическое исследование тепломассопереноса отгонки растворителя из шрота.

2.5.1 Отгонка растворителя из шрота в чанных испарителях.

2.5.2 Отгонка растворителя из шрота во взвешенном состоянии

3 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

На основе постановки и решения краевых задач массо- и тенлопереноса в пористых средах производства растительных масел сформулированы в виде математических моделей закономерности изменения основных потенциалов процессов хранения масличных семян {температура, влагосодержание, концентрация), их сушки (температура, влагосодержание), жарения мятки (температура, влагосодержание), экстрагирования масла (концентрация), отгонки растворителя из шрота (температура, влагосодержание, нерелаксированное давление паров), нагрева тел в электромагнитном поле (температура). Полученные научные результаты позволили рекомендовать методы инженерных расчетов соответствующих процессов и могут быть положены в основу управления этими процессами на базе вычислительной техники.

Общий научно-исследовательский результат в развернутом виде можно сформулировать следующим образом:

1) Выведено новое уравнение, позволившее дополнить классическую систему дифференциальных уравнений тепломассообмена и составить более полную систему уравнений переноса в капиллярно-пористых сжимаемых телах; полученная система дает связь между влагосодержанием (концентрацией), температурой, нерелаксярованным давлением паров и гидродинамическим давлением жидкости (смеси жидкости с паром или газом) под действием внешних сил, сжимающих тело (полипотенциальная - че-тырехпотенциальная — система). Подобным преобразованием предложенной системы дифференциальных уравнений получен ряд новых чисел и симплексов подобия, позволяющих более полно проанализировать закономерности процессов переноса тепла и вещества при влаготепловой обработке капиллярно-пористых деформируемых тел в производстве растительных масел и оценить взаимодействие ряда явлений, которые до сих пор не учитывались; к наиболее важным группам можно отнести взаимодействия: а) потока влаги под действием гидродинамического давления с другими потоками — под действием гидростатического давления (1>о), влагопроводности (Во— термовлагопроводности (Оа— Ьи)т и нерелакеируемого давления паров (Ва— Ье)т; б) потока тепла, переносимого с влагой под действием гидродинамического давления, с другими потоками — под действием теплопроводности (Оа— ^о), с влагой за счет влагопроводности (£>а— с влагой за счет термовлагопроводности (£)а— Ь«^ и с паром под действием градиента нерелаксированного давления (Оа— в) полей скорости и температуры — смеси жидкости и пара (/<«/) и пара (Ье/).

Получены общие уравнения подобия массопереноса в капиллярно-пористых сжимаемых телах.

2) Разработана система дифференциальных уравнений экстрагирования в системе твердое тело — жидкость, включающая рассмотрение массопереноса внутри твердой фазы как сочетания молекулярной диффузии с фильтрационным переносом массы вещества по закону Дарси и массопереноса в жидкой фазе как сочетания конвективной и молекулярной диффузии с источником (стоком) вещества; получен ряд новых для процесса экстрагирования в системе твердое тело — жидкость чисел и симплексов подобия: ву, Яа, Зт, (¡7т — (САтп— №х)т, (А'и - 2Эа)та, РоТ, Ро'ж, В?. Выведено общее уравнение подобия изотермического экстрагирования, из которого для экстрагирования белков из подсолнечного шрота водным раствором поваренной соли получено уравнение подобия явного вида.

3) Исследованы вопросы массо- и теплопереноса при различных режимах и способах хранения масличного сырья: поставлены и решены новые краевые задачи, описывающие процесс сушки и прогрев семян, хранение масличных семян в герметичных хранилищах, при управляемых температурных воздействиях, в инертной среде в металлических силосах, в элеваторах в зависимости от температуры наружного воздуха и интенсивности дыхания семян, в железобетонных хранилищах, в условиях активного вентилирования; проведено аналитическое исследование тепло- и массопереноса в слое масличных семян при наличии очагов самовозгорания. Разработанные математические модели дают возможность управлять (с помощью ЭВМ) температурными полями семенной массы, прогнозировать безопасные условия хранения семян, предупреждая их самосогревание, сохраняя тем самым высокое качество сырья и конечного продукта, определять темп охлаждения (нагрева) семян, удельный расход энергии для поддержания необходимых режимов.

Аналитические решения могут быть применены для инженерных расчетов процессов хранения семян и служить основой для оптимизации исследованных процессов.

4) Получено уравнение подобия для расчета процесса влаготепловой обработки мятки в шестичанной жаровне форпрессового агрегаты типа ФП. Разработана математическая модель кинетики процесса «влажного» жарения слоя мятки в чанный жаровне в виде адекватного реальному процессу аналитического решения соответствующей краевой задачи тепло-и массопереноса, дающего возможность выбора оптимального для процесса жарения соотношения высоты слоя мятки и радиуса чана жаровни, определять время, необходимое для получения значений влажности и температуры мятки, оптимальных для отжима масла, находить скорости изменения температуры и влагосодержания (локальную и среднюю). Предложен алгоритм расчета процесса «влажного жарения мятки».

5) Разработана математическая модель диффузии с дискретным отводом вещества («дискретная диффузия»), лежащая в основе описания работы многоступенчатых экстракторов; с помощью математической модели кинетики дискретной диффузии может быть сделан рациональный выбор периода орошения материала и периода перераспределения вещества внутри экстрагируемой частицы; установлена аналитическая оценка основных методов экстрагирования, позволяющая оценить эффективность ведения процесса извлечения растительного масла по бесступенчатому или многоступенчатому процессу, прогнозировать условия получения заданного остатка вещества.

Показано уменьшение реши размера пористых частиц в эффективности диффузионного извлечения веществ с улучшением их внутренней структуры (увеличением коэффициента внутренней диффузии В), переходящей в нивелирование роли геометрического параметра Н при некоторой величине V.

Эффективность диффузии с дискретным отводом вещества в сравнении с непрерывной диффузией возрастает по мере уменьшения коэффициента £>, продолжительности диффузии на ступени Ь (увеличение числа ступеней ¿), увеличения геометрического параметра Н и общего времени процесса т.

Применительно к процессу экстрагирования растительных масел теоретический анализ показывает возможность наращивания производительности промышленных экстракторов (типа Де-Смет, Лурги) за счет сокращения продолжительности процесса на ступени, т.е. путем увеличения скорости транспортирующего элемента.

Доказано, что с увеличением числа ступеней дискретный процесс по эффективности приближается к бесступенчатому: с точки зрения реальной организации устойчивого перколяционного процесса число ступеней должно быть от пяти до шестнадцати.

Разработанная теория диффузии с дискретным отводом вещества может быть использована при создании новых экстракторов с целью оптимального выбора параметров процесса для материалов с различной внутренней структурой. При достаточно большом числе ступеней экстрагирования (6 — 8) и одинаковом времени процесса на каждой ступени, в том числе и для извлечения и массоизоляции, что уже реализовано на практике, различия в закономерностях массопереноса между ступенчатым и бесступенчатым процессами нивелируются.

Получено обобщенное уравнение кинетика экстрагирования из пористых тел, связывающее непрерывный и дискретный процессы диффузии, из которого, как частный случай, следует ранее известное уравнение (В.В. Белобородое).

Разработана математическая модель противоточного многоступенчатого экстрагирования, из которой как частные случаи, следуют ранее известные (Г.А. Аксельруд).

Предложены инженерные методы расчета процесса многоступенчатого противоточного экстрагирования, позволяющие рассчитать остаток масла в шроте по истечении определенного времени от начала процесса диффузии; найти время, необходимое для получения определенного остатка масла в проэкстрагированном материале; рассчитать число ступеней и рациональное соотношение периодов орошения и стока растворителя при экстрагировании масла из любой масличной культуры.

Разработана математическая модель диффузии с дискретным отводом вещества при многоступенчатом экстрагировании материала с анизотропной внутренней структурой. Данный подход может быть использован при делении частицы на произвольное число зон с различной внутренней структурой. Полученная модель позволила разработать аналитическую оценку эффективности дискретной диффузии из двухзонных частиц шарообразной формы в сравнении с непрерывной диффузией при многоступенчатом экстрагировании растительного материала.

Предложена математическая модель нестационарной диффузии с учетом пограничного слоя, позволяющая рационально определять кинетические коэффициенты процесса экстрагирования.

Разработана математическая модель кинетики извлечения из изотропных в диффузионном отношении пористых тел основной геометрической формы для прямо- и противоточного процессов в виде решения уравнения нестационарной диффузии с новыми граничными условиями, полученными использованием балансовых зависимостей для элементарных объемов твердого пористого тела и экстрагента. Данные заводского эксперимента (И.Е. Везуглов, И.В. Гавриленко) показали работоспособность модели.

Выведена математическая модель экстрагирования с переменным коэффициентом массоотдачи.

Получены адекватные экспериментальным данным формулы для определения глубин проникновения напряженности и удельной мощности элекгромагнитного поля сверхвысоких частот внутрь полупроводников и реальных диэлектриков (пористых тел).

Распределение энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот в полупроводниках и реальных диэлектриках может быть описано параболическим законом, что позволило решить краевую задачу нагрева тел в этих полях.

6) На основании физических предпосылок о принципиальной аналогии отгонки растворителя из шрота процессу сушки и экспериментально найденной зависимости плотности потока вещества (бензина) через поверхность частицы шрота от времени разработаны математические модели кинетики процесса отгонки растворителя из шрота в чанных испарителях и во взвешенном состоянии в виде аналитического решения соответствующих краевых задач совместного тепломассопереноса, позволяющая рассчитывать поля температуры, растворителесодержания и нерелаксированного давления.

Исследования на ЭВМ моделей показали:

1) в чанном испарителе быстрая отгонка растворителя соответствует одновременному сильному изменению потенциалов массопровод-ности и фильтрационного потока паров; интенсификация внешнего массоперекоса оказывает заметное влияние на фильтрационный поток и массопроводность внутри частиц лишь при определенных значениях чисел Фурье (определенных соотношений времени процесса, тепло- массо- инерционных и геометрических свойств материала); начиная с некоторого значения критерия фазового превращения основным содержанием внутреннего массопереноса становится молярный механизм; в каждый данный момент времени отгонки растворителя из тела сферической формы (крунки) происходит лучше, чем из цилиндрической гранулы или лепестка, имеющих такой же, как у шара, характерный размер и такие же физические свойства;

2) при отгонке растворителя из шрота во взвешенном состоянии с технологической точки зрения рационально создавать такие условия протекания тепло- и массообмена при отгонке растворителя, при которых массопроводность превышала бы теплопроводность; анализ способа осуществления процесса, механизма его протекания, постановки и решения краевой задачи теплопереноса показывают, что полученные аналитические решения мсгут быть применены к отгонке растворителя из шрота не только при движении смеси частиц шрота в прямотоке, но и в противотоке и комбинированном относительном передвижении частиц и перегретых паров самого растворителя (или острого пара).

Предложены инженерные методы расчета процесса отгонки растворителя из шрота, позволяющие рассчитать остаток растворителя в шроте; минимальное время отгонки растворителя, а следовательно, и максимальную производительность испарителя.

1. Массотеплоперенос в твердых пористых телах (соавтор Белобородое В.В.). Санкт-Петербург, 1999. — 146 с. (автору принадлежат § 1.2 (с. 5-10), § 2.1 (с. 47-79), § 2.2 (с.80-84), § 2.5 (с. 92-95), § 2.6 (с. 96-101), § 2.7 (с. 101-105)) тиражЪОО экз.

2. В монографиях использованы 81 работа диссертанта, а в докладе отражены 46 работ.

3. Научные статьи, тезисы докладов

4. Решение дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса в связи с процессом жарения мятки (соавторы: Белобородое В.В., Бердникова Д.К.) //Л.: ВНИИЖ, Труды, вып. 28, Сообщение 1, 1971. С. 53-61.

5. Решение дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса в связи с процессом жарения мятки IIS.: ВНИИЖ, Труды, вып. 28, Сообщение 2, 1971 С. 62-68.

6. Математическая модель диффузии с дискретным отводом вещества (соавторы: Белобородов В.В., Дементий В.А.) //Л.: ВНИИЖ, Труды, вып. 28, 1971. С. 95-101.

7. Оценка основных методов экстракции с внутридиффузионной точки зрения (соавторы: Белобородов В.В., Дементий В.А.) //Л.: ВНИИЖ, Труды, вып. 28, 1971. С. 102-108. '

8. Аналитическое исследование процесса отгонки растворителя из шрота (соавторы: Белобородов В.В., Бердникова Д.К.) //Л.: ВНИИЖ, Труды, вып. 28, Сообщение 1, 1971. С. 109 -117.

9. Аналитическое исследование процесса отгонки растворителя из шрота (соавтор Белобородов В.В.) //Л.: ВНИИЖ, Труды, вып. 28, Сообщение 2, 1971 С. 118-130.

10. Решение системы дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса в связи с процессом отгонки растворителя из шрота. //Л.: ВНИИЖ, Труды, вып. 28,1971 -С. 137-137.

11. Исследование двух основных методов экстракции в системе твердое тело жидкость (соавторы: Белобородов В.В., Дементий В.А.) //Краткие доклады совещания по массообмену в системе твердое тело - жидкость, Ташкент, 1971.- С. 30.

12. Критериальные уравнения процесса жарения подсолнечной мятки в чанных жаровнях (соавторы: Белобородов В.В., Бердникова Д.К.). Известия ВУЗов. «Пищевая технология», 1971, №6. С. 127-130.

13. Аналитическая оценка эффективности диффузии с дискретным отводом вещества в сравнении с непрерывной диффузией (соавтор Белобородов B.B.) IIS).: ВНИИЖ, Труды, вып. 29, 1972. С. 66-69.

14. О целесообразности учета пограничного диффузионного слоя в аналитических решениях уравнений нестационарной диффузии (соавторы: Кузьмин

15. B.И. и др.). //Тезисы докладов Республиканской конференции «Совершенствование тефии и техники экстрагирования из твердых материалов с целью создания высокоэффективных автоматизированных экстракторов», 26-27 сентября 1974 г., г. Киев. С. 67-68.

16. Уравнения нестационарной диффузии, при омывании твердого тела жидкостью (соавторы: Кузьмин В.И. и др.). /'/Межвузовский сб. научных трудов «Интенсификация процессов и оборудования пищевых производств»,'Л., 1974.- С.202 206.

17. Математическая модель тепловой обработки пищевых продуктов в жа-рочном шкафу (соавторы Белобородое В.В, Тадеез A.A.). //Известия ВУЗов. «Пищевая технология», 1978. — № 4. — С. 158-161.

18. Уравнение изотермической экстракции в системе твердое тело — жидкость (соавторы: Велобородов В.В., Корганашвили Л.Д.). //Журнал прикладной химии АН СССР, «Наука» — Ленинградское отделение, т. LII, № 10, 1979.- С. 2233-2237.

19. Основные закономерности тепловой обработки пищевых продуктов (соавтор Белобородое В В.). //Сб. научных трудов (Юбилейный выпуск) института советской торговли, г. Ленинград, 1980. — С. 132-146.

20. Уравнения нестационарной диффузии в системе твердое тело — жидкость для прямо- и противоточного процессов, (соавтор В.В. Ключкин) //Тезисы докладов Всесоюзной конференции по экстракции и экстрагированию, т. 2, г. Рига., «Зинатне», 1982. С. 97-99.

21. Решение задачи нагрева тел в электромагнитном поле сверхвысоких частот (соавтор Велобородов В.В.). //Журнал прикладной химии АН СССР, «Наука» Ленинградское отделение, № 10, 1984. — С. 2276-2282.

22. К вопросу об извлечении растворенного вещества из капилляров движущейся жидкостью (соавтор Ключкин В.В.). //Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Реахимтехника — 2» (г. Днепропетровск, сентябрь 1985 г.), ч. I. С. 93-94.

23. Аналитическое решение задачи тепломассопереноса при обработке водяным паром мастшчных семян на стадии их прогрева (соавтор Краснобородько В.И.). //Труды ВНИИ жиров, г. Ленинград, 1987. С. 43-47.

24. Математическая модель процесса хранения масличных семян в герметичных хранилищах (соавтор Боровский A.B.). //Труды ВНИИ жиров, г. Ленинград, 1987. С. 48-53.

25. Аналитическое исследование тепломассопереноса процесса отгонки растворителя из шрота во взвешенном состоянии (соавтор Репало А.Г.). //Масло-жировая промышленность, № 5-6, 1993 г. — С. 10-15.

26. Сравнительный анализ промышленных методов экстрагирования на основе вычислительного эксперимента (соавторы: Марков В.Н., Репало А.Г.). //Масло-жировая промышленность, № 5-6, 1994 г. — С. 7-12.

27. Математическая модель экстрагирования с переменным коэффициентом массоотдачи (соавтор Белобородов В.В.). //Инженерно-физический журнал, т. 70, № 4, 1997 г. С. 685-687.

28. Аналитическое исследование температурного поля слоя масличных семян при управляемых температурных воздействиях (соавтор Ключкин В,В.). //Масло-жировая промышленность, № 3-4, 1997 г. — С. 1-4.

29. Математическое моделирование процессов тепломассопереноса при хранении масличных семян. //Тезисы докладов научно-практической конференции «Прогрессивные технологии хранения сельскохозяйственной продукции», РАСХН, г. Москва, 1999 г. С. 79-80.

30. Аналитическое исследование температурного поля слоя масличных семян, при наличии очагов самосогревания (соавторы: Лисицын А.Н. и др. ). //Труды ВНИИЖ, СПб, 2000. - С. 3-12.

31. С — концентрация; С — усредненное значение концентрации; с концентрациягаза в насыпи семян (формулы (12) и (13));

32. R характерный размер тела, для пластины — половина ее толщины, для шара и цилиндра — их радиус;ш = ^J; w, Р — частота и период колебаний температуры атмосферного воздуха;

33. D — коэффициент молекулярной диффузии;

34. Dp — коэффициент молекулярной диффузии растворителя во внешнем растворе;

35. V, И< — начальный и конечный объем твердой фазы соответственно; LZ,RX — текущая высота и текущий радиус слоя; Ra — радиус аппарата;пг — число частиц до высоты г при Jtx — const;п — количество проходов жидкости через слой за время г;

36. W{Rx) — скорость жидкости в точках = const-,rx — время движения жидкости до точки Дх;ж, VM ~~ объемный расход жидкости , материала;кх — число частиц по радиусу слоя (аппарата) до данной точки Rxz;

37. А? — коэффициент теплопроводности;

38. А,п — коэффициент массопроводности;а, аь ог, &, В(И'п) — коэффициенты;

39. Ег, Ей — мгновенное и начальное (амплитудное) значения напряженности электромагнитного пади; а — коэффициент ослабления поля; Л — дайна волны;

40. Д — глубина проникновения электромагнитного поля в материал;к л й„ «1 vfea д,2r, 0?r omrл2' 0" ~ Tf' т = ~ числа урье; ' tfi?2— числа Померанцева; c\t — tm — ta

41. Ьи = —, ¿Ир — — числа Лыкова;1. Л.9 Яд

42. Ра =---, .Рй = —— — числа Предводителева, й — эмпирическая постоянная;1. Оц Оу

43. Ко — ------число Коссовича;1. Од Дт

44. Рп ~ — число Поснова, ДС = Уо Ц»;1. Q H

45. Bi„ - — число Био (теплообменное); А,итН

46. Вгт = —----число Био (массообменное);1. Anд(т)Я j(r)R

47. Kiq = -r—r-, Kim = г—j-rz — числа Кириичева; A?Ai А mLSUС

48. Se — — симплекс концентрации (доля неизвлеченного вещества); Со1. KP Кт Jvx1. Т"^3 = "УXjvx ßCq jvTX