автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Закономерности теплообмена при кипении растворов растительных масел в каналах выпарных аппаратов

На правах рукописи

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ КИПЕНИИ РАСТВОРОВ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ В КАНАЛАХ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.18.12 - процессы, машины и агрегаты пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена во ВСЕРОССИЙСКОМ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ ИНСТИТУТЕ ЖИРОВ и в ГОСУДАРСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ ХОЛОДА И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Г.Н. Данилова

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор И.М. Василинец доктор технических наук, ст. научн. сотр. Э.В. Фирсова

Ведущая организация: РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

"ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ"

Защита состоится « .... »................. 1996 г. в «......» часов

на заседании диссертационного Совета Д 020.71.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте жиров по адресу:

191119, г. Санкт-Петербург, ул. Черняховского, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного Совета.

Автореферат разослан «.....» ................. 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

В.Н. Григорьев«

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Температурный режим относится к числу определяющих факторов в технологии получения растительных масел. Для извлечения иа семян масел используется технологическая схема форпрессование-эсктракцкя, важной составной частью которой является дистилляция раствора масла в экстрагенте (масляной мисцел-лы). Этот процесс в значительной степени определяет объемы современного производства и качество получаемого экстракционного масла. Интенсификация процесса, снижение удельных энергетических затрат, повышение качества масла, снижение металлоемкости оборудования составляют основы технического прогресса.

Научной задачей работы является изучение закономерностей теплообмена при кипении раствора масла в углеводородном растворителе применительно к условиям функционирования технологической системы дистилляции ыаслоэкстракционного производства.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами НИОКР НПО "МАСЛ0ЖИР11Р0М" по проекту " Ресурсосберегающие технологии масло-жирового проивводства" Государственной научно-технической программы России " Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК".

Цель работы. Экспериментальное и теоретическое изучение аа~ кономерностей теплообмена при контакте масляных мисцелл с тепло-пере дающими стенками испарителей и разработка способов интенсификации технологического процесса дистилляции, их аппаратурное оформление с учетом повышения качества масла и снижения энергетических затрат.

Основные задачи исследования. Для решения сформулированной общей научной задачи необходимо решить следующие конкретные задачи:

- на основе принципов системного анализа выполнить смысловой и качественный анализ процесса дистилляции на разных этапах его осуществления в технологическом оборудовании маслоэкстракционного производства и методически обосновать программу теплотехнических исследований;

- разработать экспериментальные установки и получить опытные данные по теплообмену при кипении растворов масел в углеводородных растворителях;

- разработать методики расчета теплообмена при кипении растворов масел в большом объеме и в выпарном канале;

- произвести тепловой расчет функционально-конструкционных элементов дистилляционных аппаратов применительно к задачам проектирования технологических схем маслоэкстракционного производства.

Научная новизна:

- установлены характеристики и взаимосвязи выпарного аппарата и смесителя в контуре рециркуляции мисцеллы растительного масла при э»е>щии мисцеллы из контура в высокоскоростную струю перегретого водяного пара, а аатем определены рациональные технологические и конструкционные параметры экономайзера-смесителя и паровой форсунки:

- установлены вакономерности теплообмена при кипении раствора масла на нагретой стенке;

- разработана модель теплообмена при пузырьковом кипении раствора мазла, основанная на модели микрослоевого испарения в пузырь однокомпонентной жидкости;

- дано методическое обоснование применимости альфа-калориметра для измерения интенсивности теплоотдачи при кипении растворов масел, получены опытные данные, из которых следует, что в режиме пленочного кипения термическое сопротивление у поверхности стенки линейно зависит от мольной концентрации раствора:

- получены опытные данные по интенсивности теплообмена при движении раствора масла в выпарном канале, показано, что в выпарном канале соблюдаются вакономерности конвективного теплообмена, соответствущие истинной скорости жидкой фазы:

Практическая ценность:

- созданы новые экспериментальные установки для исследования теплообмена при кипении растворов масел, применимые для работы с взрывоопасными растворителями;

- разработаны методики расчета интенсивности теплообмена при движении раствора масла в выпарном канале и при кипении на поверхности тела с учетом изменения концентрации раствора, данные методики обеспечивают решение технологических задач на стадии проектирования технологических схем дистилляции растворов масел;

- разработана новая технологическая схема дистилляции масляной мисцеллы в две ступени, учитывающая требование рационального распределения источников энергии, эквивалентная по производительности промышленным технологических) схемам дистилляции в три ступени.

- б -

- разработаны конструкции функционально-конструкционных элементов и новых аппаратов для дистилляции мисцеллы.

Реализация результатов. Результаты работы получили практическое применение на одиннадцати малслоэкстракционных заводах. Материалы работы использованы при проектировании новых дистилля-ционных установок различной производительности в НПО "Масложирп-ром" и НПО ЦКТИ им.И.И. Ползунова в связи с выполнением программы V "Создание новых видов машин, приборов и оборудования для перерабатывающих отраслей промышленного комплекса".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях, научных семинарах и совещаниях, в том числе 1 международном форуме по тепломассообмену /Минск: 1988/; У11, УIII всесоюзных конференциях "Двухфазный поток в машинах и аппаратах" /Л.: 1985, 1950/; всесоюзной конференции "Реахимтехни-ка~2" /Днепропетровск: 1985/; У1 всесоюзной конференции "Теория и практика перемешивания в жидких средах" .л.: 1930/, II всесоюзной конференции "Теплофизика и гидродинамика процессов кипения и конденсации" /Рига: 1988/; всесоюзной конференции "Пути интенсификации производства и применение искусственного холода в отраслях АПК" /Ташкент: 1985/; всесоюзной конференции "Интенсификация производства и применение искусственного холода" /Л.: 1986/; семинарах секций и заседаниях Научно-технического Совета НПО "Масло-жирпром", семинарах и научно-технических конференциях сотрудников и преподавателей Санкт-Петербургского технологического института холодильной промышленности.

Публикации. Основные результаты исследований и разработок освещены в 40 статьях, тезисах докладов и авторских свидетельствах. В настоящей диссертации использована 23 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 160 страниц машинописного текста, 30 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 167 наименований.

ДЕКОМПОЗИЦИЯ ОБОБЩЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДИСТИЛЛЯЦИИ РАСТВОРА МАСЛА В УГЛЕВОДОРОДНОМ РАСТВОРИТЕЛЕ Понятие химико-технологической системы включает происходящие в ней процессы и ее аппаратурное оформление. При проектировании химических производств принято говорить о гипотетической обобщенной ХТС, в которой синтезируются различные элементы с учетом ош-

га промышленной эксплуатации технологических систем, а такие новые "элементарные" процессы, оригинальное аппаратурное оформление которых определяет отличительные признаки топологии разрабатываемой технологической структуры.

Важнейшим этапом разработки технологических схем является их аппаратурное оформление. При выборе основных единиц оборудования и аппаратов производится расчет материально-энергетических балансов. Смежность методов, используемых при этом, еависит от наличия математических моделей отдельных единиц оборудования и допустимой погрешности получаемых результатов. Таким образом, математическое моделирование - метод исследования.

Объектом исследования в настоящей работе является технологк-ческая система дистилляции масляной мисцеллы.

В числе "элементарных" процессов технологической системы дистилляции следует отметить перегонку мисцеллы при восходящем движении двухфазного потока, движение мисцеллы в нисходящих пленках, диспергирование мисцеллы в контакте с перегретым водяным паром, барботаж перегретого пара через слой мисцеллы, парообразование при неиаотермическом смешении потоков мисцеллы с различными концентрациями. Известные технические решения направлены на разрушение и дестабилизацию граничного молекулярного сдоя. Для интенсификации процесса дистилляции используются рециклы по жидкой и паровой фазам, распиливание мисцеллы в высокоскоростной струе перегретого пара, закручивание двухфазного потока, срыв и дробление стекающих жидких пленок, вакуумирование технологической системы к т.д. Агрегатное оформление "элементарных" процессов может, быть различным. *

Температурный режим каждого из реализуемых в системе дистилляции "элементарных" процессов определяющим образом влияет на качество получаемого масла. К числу факторов, влияющих на качество масла, таске относятся время нахождения мисцеллы в зоне обогрева, степень фильтрации исходной мисцеллы, степень сухости острого па- . ра на окончательной ступени дистилляции, возможность частичной конденсации пара и следующие за этим процессы гидратации в мис-целле, когда происходят превращения в фосфзтидах и комплексах фосфатвдов с другими веществами. Важную роль играет скорость охлаждения масла, откачиваемого из системы. Проблемным остается вопрос об оптимальном способе передачи теплоты мисцелле, т.е. о

рациональном распределении источников теплоты в технологической системе.

Для осмысленного анализа процессов внутри канала с масляной мисцеллой необходима информация о режимах двухфазного течения и о закономерностях тепломассообмена в условиях существования каждого из этих режимов.

Расчет эффективных физических свойств растворов масел в экс-трагентах - до сих пор занятие не слижом продуктивное, т.к. фракционный состав растворителя в технологическом процессе имеет тенденцию изменяться. В целом же проблема прогнозирования физических свойств растворов является всеобъемлющей.

В экстракционной технологии особое место имеют данные о предельных коэффициентах активности. Они необходимы при анализе условий достижения заданной степени очистки масел, при выборе растворителей и оценке затрат неконденсирующего пара, добавляемого в систему для снижения парциального давления паров растворителя. Масла при температурах ниже 220°С можно считать нелетучими.

По сравнению с однокомпонентными жидкостями прогнозирование теплоотдачи при кипении растворов задача значительно более сложная. Масляные мисцеллы представляют специфический класс растворов, один из компонентов которых является нелетучим. Число работ, посвященных исследованию теплоотдачи при кипении данного класса растворов крайне мало.

В качество первого этапа решения научной задачи в настоящей диссертационной работе рассматриваются вопросы, относящиеся к закономерностям теплообмена при кипении масляной мисцеллы в условиях ее непосредственного контакта с теплоподводящими стенками испарителей:

- разработка экспериментальных установок и получение опытных данных по теплообмену;

- разработка математических моделей тепломассообмена при кипении мисцелл.

КЕТОДОЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для выяснения особенностей механизма теплообмена при кипении мисцеллы внутри технологической системы дистилляции проведены экспериментальные исследования. Была поставлена задача установить основные закономерности переноса теплотч и получить данные о локальных значениях коэффициентов теплоотдачи между стенками испа-

рителеи и раствором.

В условиях действующего производства указанную информацию получить не удается из-за взрывоопасности растворителя, а поэтому, исходя из основных задач, были созданы экспериментальные установки, на которых получены данные о характере изменения температуры и концентрации раствора, температуры стенки и поверхностной плотности теплового потока, рассчитаны величины коэффициентов теплоотдачи. Исследованная область режимных параметров в значительной степени соответствовала условиям работы промышленных аппаратов. Экспериментальные установки размещались в специальных помещениях ВШШ.

На начальном этапе работы выполнен цикл исследований по теплоотдаче при гашении на внешен поверхности вертикальной цилиндрической трубы из меди диаметром 10 мм. В первой серии опытов труба размещалась в объеме, заполняемом раствором масла в И 113, а затем раствором масла в бензине марки А. После этого аналогично проводились эксперименты по теплоотдаче при естественной конвекции в кольцевом зазоре, для чего теплоотдаюций элемент трубы размещался коаюзиалько внутри кварцевой трубы диаметром 40 мм.

Во всех случаях коэффициент теплоотдачи в кольцевом зазоре меньсе, чем при кипении без экранирующей трубы» причем, это различие снижается с ростом поверхностной плотности теплового потока. В кольцевом зазоре одновременно действуют два фактора: с ростом паросодерхаиия возрастает скорость двухфазного потока, но при этом растет концентрация масла в растворе. К выходу из кольцевого зазора температура стенки, а соответственно и интенсивность теплоотдачи стабилизируются. Полученные опытные данные по теплоотдаче при кипении Г? 113 и раствора I? 113 с маслом можно рассматривать как тарировку используемой экспериментальной установки. Их согласованность с данными других исследователей подтверждает достоверность результатов измерений в последующа опытах с экстра-гентаии.

РЕГУЛЯРНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО

ШАРА, ОХЛАШВЮГО В ЖИДКОСТИ

Для измерений теплоотдачи при кипении в большом объеме растворов растительных масел в органических растворителях (мисцелл), в настоящей работе использован метод альфа-калориметра. Этот метод выбран исходу, из следующих соображений: во-первых, исследуе-

- и -

пая жидкость в8рыво-и пожароопасна. что исключает применение электронагревателей в объеме охлаждающей среды, во-вторых, этот метод можно отнести к категории экспресс методов, причем погрешность метода не свяеана с погрешностью определения мощности источника теплоты.

В основу метода альфа-калориметра положены широко известные принципы теории регулярного теплового режима. Суть метода состоит в том, что твердое тело перегревают относительно исследуемой жидкости, затем, в момент времени, принимаемый за начало отсчета, тело опускают в жидкость. За счет аюсумулированной в теле теплоты (энтальпии) формируется тепловой поток через поверхность в жидкость. Воспользовавшись теорией регулярного теплового режима можно рассчитать коэффициент теплоотдачи и температуру поверхности в каждый момент времени и, таким образом, получить классическую характеристическую кривую кипения для вновь исследуемой жидкости.

В настоящей работе в качестве тела, подвергающегося перегреву и погружению в исследуемую жидкость, выбран шар И8 меди (еббмм). Медь обеспечивает максимальную равномерность температурного поля, а форма шара позволяет добиться равномерности распределения теплового потока по поверхности.

Экспериментальная установка. В состав экспериментальной установки - альфа-калориметра входят: металлический шар с вмонтированным в него спаем термопары, емкость с исследуемой жидкостью с системой термостатирования, электрическая печь для предварительного перегрева образца, измерительные и регистрирующие приборы.

Процедура эксперимента. Исследуемая жидкость заливается в емкость и подогревается черев рубашку с помощью термостата до заданной температуры, образец помещается в электрическую печь и перегревается относительно исследуемой жидкости на 30-50 градусов, время подготовки образца и жидкости 20-25 минут. Затем включается электронная система регистрации температуры и образец перемещается в исследуемую жидкость. В опыте регистрируется изменение перегрева рабочего образца относительно исследуемой жидкости.

СТЕНД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛООБМЕНА

В ВЫПАРНОМ КАНАЛЕ ДИСТИЛЛЯТОРА

На специально созданной установке воспроизводится процесс дистилляции мисцеллы максимально приближенный к реальному, происходящему в промышленных дистилляторах. Методика подобных экспери-

ментов хорошо отработана, однако специфика нашего эксперимента определялась испольвоваиием взрывоопасного растворителя.

Экспериментальная установка состоит из двух рабочих участков - вертикальных каналов, выполненных из кварцевого стекла и металла. Оба канала имеют одинаковые диаметры и длину. Кроме того, в установке имеется система обогрева, термостатирования и измерительный комплекс.

При проведении экспериментов регистрируются параметры, по которым вычисляются коэффициенты теплоотдачи, кроме того, имеется возможность визуального наблюдения аа структурой двухфазного потока кипящей мисцеллы,

АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ТЕПЛООВМЕНА ПРИ КИПЕНИИ РАСТВОРА МАСЛА В УГЛЕВОДОРОДНОМ РАСТВОРИТЕЛЕ -Пузырысовцй режим кипения в большом объеме. Интенсивность теплоотдачи в калящей жидкости определяется движением и перемешиванием масс жидкости у поверхности нагрева и в объеме, возникающими при росте пувырой на поверхности и движении их после отрыва. Для низких давлений хорошие результаты показывает теория теплообмена при кипении, впервые предложенная и получившая развитие в работах Д.А. Лайуицова, в которой принимается гипотеза, объясняющая высокую интенсивность теплоотдачи ва счет малого термического сопротивления тонкой жвдюстной прослойки, остающейся на поверхности кагревя под областью объединенных, слившихся пузырей: модель микросдоевого испарения жидкости в паровой пузырь. Перенос теплоты через прослойку жидкости вследствие ее малой эффективной толщины осуществляется температуропроводностью, т.е. можем записать

«! - (1)

С [УЭ1Й94.ТПс/Ч(Тст-Тпс)31/2 (2)

где: Тст~ температура стенки; ТПс" температура внутри пристенного кипящего слоя; д- поверхностная плотность теплового потока; Хэв.^эо.бр® - теплопроводность. кинематическая вязкость, поверхностное натяжение в жидкой прослойке ;бЭФэффекттшая толщина жидкостной прослойки.

Если принять гипотезу о термодинамическом равновесии в гатящем слое, то между ТПс и мольной концентрацией раствора хПс имеет место однозначная взаимосвязь, следующая из уравнения давления паров раствора п условиях насыщения:

Р-ХпсГРз (3)

где г - коэффициент активности; Р3 - давление паров чистого растворителя при температуре Тпс;

Р-К ехр(-к/Тпс> (4)

Численные постоянные Кик отражают индивидуальные свойства растворителя. Эффективную толщину жидкостной прослойки бвф можно также представить в виде

Ззф - ХпсММ+и-ХпсПгМг (б)

где >1 и . <*1 и о(2 - теплопроводности и коэффициенты теплоотдачи при кипении чистых компонентой. Масло является нелетучей жидкостью при температурах ниже 220 °С, а поэтому «2 - соответствует конвективному теплообмену.

В таком случае для величины «I имеем

ЙГ-1/[ХпсЛ1ЛЭФ«1+(1-ХПС)^2/Л9<»С(21 (б)

Обращаясь к уравнениям (1-5) и учитывая, что

а-оС1(Тст-Тпс) (?)

имеем систему уравнений, которая становится замкнутой, если известны соотношения для расчета теплофиэических свойств веществ, в том числе, и для расчета эффективных свойств раствора в прослойке.

В результате обработки опытных данных настоящей работы и опытных данных других работ для раствора масла в Я 113 и экстракционном бензине получено следующее расчетное соотношение для коэффициента С в формуле (2) для смесей

С-<0,05чо-35(1-Хпс)+0,07511+10рп2/3/

(РэФ-Рп)г/Э1хпс>3/2 (8)

Обработка данных производилась на базе известных из литературы соотношений по прогнозированию эффективных свойств растворов:

а-1/[1+(1-хПс)'Хпс Р1/Р2Э (9)

где Хпс " массовая концентрация растворителя в жидкостной прослойке; Р1.Р2 - плотности растворителя и масла; <хаф'И1аД2(1~а) - динамическая вязкость; ра-р1+(рг-р1)а плотность; бэф«б1+(б2-б1)(1-Хпс)1/г- поверхностное натяжение. Результаты расчетов, полученные с использованием двух независимых моделей формирования жидкостной пленки на теплоотдающей стенке являются, хотя и косвенным, но важным доказательством справедливости Формул, которые были использованы нами для расчета эффективных теп-

лофиоических свойств наследуемого раствора. При проведении тепловик расчетов обычно заданной являются величины Тст и х0 Т0. Поэтому для создания методики теплового расчета испарителя на основе рассмотренных выше моделей следовало ответить на вопрос: какому значению х0 при фиксированных q и ТСт соответствует величина Хлс или однозначно соответствующая ей величина мольной концентрации хПс-

Важнейшей характеристикой для полного решения задачи теплообмена при пузырьковом кипенш является величина

б"(Тпс-То)/(ТСт-Тпс) (Ю)

Удалось показать, что искомая зависимость имеет наиболее простой вид, если ее рассматривать как Функцию мольной концантра-щп1 раствора в пристенном кипят,ем слоо. При этом было показано, что в число определяющих параметров необходимо включать поверхностную плотность теплового потока. В результате установлен окончательный вид рассматриваемой искомой функции:

е-808д"°-Бб(хо-Хпс)/Хпс (11)

Полученное соотношение внракает определенное соответствие между профилями концентрации и температуры в кипящей жидкости по нормали к стенке.

Пленочное кипение.На экспериментальной установке (альфа-калориметр) проводились исследования по изучению процесса теплоотдачи при кипении жидкостей. Исследуемые жидкости: растворители, раствори (мясцеллм), растительное масло. Для мисцелл эксперименты проводились во всем диапазоне концентраций.

Результаты расчетов по полученным экспериментальным данным представлены на рис.1 (Д1Ст- перегрев поверхности образца относительно исследуемой жидкости). При этом каждая из представленных зависимостей в обобщенной форме отражает целую серию экспериментов.

Анализ представленных зависимостей позволяет сделать следующие выводы. Для "чистого" растворителя, то есть при концентрации масла в мг.сцелле О, кривая кипения «-«(ДО имеет классический ваг,. Присутствует область пленочного кипения, легко просматривается переходная область, ярко выражен "кризис кипения", наступаю-ций при перегревах поверхности 12- 18°С, коэффициент теплоотдачи при этом лежит в пределах 5000 - 5500 Вт/м2К. Затем наступает режим пузырькового кипения жидкости с убывающим коэффициентом теплоотдачи. Пузырьковое кипение плавно переходит в однофазную кон-векцил при перегревах 5-В°С и коэффициентах теплоотдачи 500 -

__, I I I

О <0 20 30 40 ¿¿„'С

Рис.1 Результаты обработки опытных данных: 1-07.(по маслу),2-157.,

3-251,4-30%,5-40Х,6-507.,7-75Х,8-80Хг ? .......

8008 т/н2К. При кипении мисцелл зависимость «««(ДЬ) более "пологая". максимум кривой, который отражает "кризис", не так ярко выражен, а для средних и больших концентраций (более 50Х по маслу в мисцеяле) он практически отсутствует.

При концентрации масла в мисцелле от 30Х и выше в интервале перегревов 25-50 °С. коэффициенты теплоотдачи остаются Фактически постоянными. В результате установлено существование маслообо-гащенного вязкого слоя на поверхности нагрева. Механизм переноса тепла в этом слое определяется в основном теплопроводностью жидкости.

На основе выполненных экспериментов установлена граница между переходным и пленочным кипением для различных концентраций. На практике это позволяет оценить эффективность работы дистиллятора в зависимости от температуры греющего теплоносителя.

Полученные экспериментальные данные по л в зависимости от

концентрации позволяют рассчитать термическое сопротивление вяэ-кого слоя и его толвдну

(12)

где - радиус оболочки масла вокруг шара, Хм - теплопроводность масла.На рис.2 показана зависимость толщины сферической оболочки от мольной концентрации раствора в объеме, аппроксимирующая результаты расчета по формуле (12).

Экстраполяция зависимости (12) в область где х-0 позволяет рассчитать поверхностный слой толщиной "а1". Таким слоем является полимивированная пленка масла, которая обравуется на перегретой поверхности. Ив литературы известно, что для отложений на стенках труб при переработке растительных масел, величина удельного теплового сопротивления равна Нуд«3,1-10"4м2К/Вт. Нами установлено что толщина сферического слоя а1- 0.045-10"^, а величина 1?уд«а1А-2,9-1(Г4мгК/Вт, при теплопроводности >м, равной 0,16ВтУм К, лто хорошо согласуется со справочными данными.

Рис. 2.Зависимость толщины мэслообогащеняого слоя вблизи поверхности от мольной концентрации масла в мисцелле.

- 1Б -

Теплообмен той восходящем движении, раствора в канале. В результате визуального наблюдения ва движением гатящей мисцоллы в канале иэ кварцевого стекла отмечены режимы течения двухфазного потока: пузырьковый, снарядный, пенкый. Опыты проводились с мис-целлой концентрациями: 14, 37, 57. 71, 871 по массе масла. Ре-вультаты экспериментов показаны на рис.3 отражающем зависимость а-«(2),где г - осевая координата по высоте.

сС,

Вт 'п^К

300

200

ЮО

О

У 1 1 1 А

А

• № А Т--О] Ж + А »О О • • о

•+ 1 X + / * X + 1 ! К ! + 1

г.*

Рис.3 Результаты эксперимента на модели какала:* - х-0,14;

# - Х-0,37; о - х-0,57; Х-0.71; + - Х-0,87.

Коэффициент теплоотдачи на начальном участке трубы снижается . Это связано с тем, что после входа поток Солее турбулизирован. затем при гидродинамической стабилизации уменьшается а. В пузырьковом и пенно-снарядном режимах течения двухфазного потока значения коэффициентов теплоотдачи возрастают (для всех ютнцентраций), в основном, за счет роста скорости жидкой фазы. Затем отдельные пузырьки сливаются в большие образования (снаряды), которые движутся в пене. Для малых и средних концентраций по маслу коэффици-

ент теплоотдачи в конце трубы возрастает в 2-3 раза по сравнению с зоной пузырькового кипения. Это связано с ростом скорости пара относительно жидкости: Для высококонцентрированных мисцелл коэффициент теплоотдачи в конце трубы уменьшается, так как процесс кипения в потоке практически подавляется и вягкость жидкости при больших концентрациях соответственно выше. При больших концентрациях по маслу коэффициенты теплоотдачи по длине канала изменяются мало.

Экспериментально установлено отсутствие кипения непосредственно ка стенке выпарного канала.

При проектировании дистилляционных аппаратов удовлетворяет погрешность теплового расчета в пределах ±20Х, поэтому задача разработки высокоточных моделей, требующих прецизионных экспериментов, в настоящей работе не ставилась.

С учетом истинной скорости жидкости в канале при двухфазной течении раствора, для коэффициента теплоотдачи можно записать «кокв - 0.023 Х/<1 Ре0'8Рг°'33С(1-х)/(1-«р))0-8 (13) где 9-истинное объемное паросодержание

х-массовое расходное паросодержание. Теплогидравлический расчет канала производится численно при разбиении канала по длине на N интервалов Аг . На каждом шаге задается изменение концентрации Дс и рассчитывается составляющие теплообмена: теплота, идущая на подогрев жидкости до температуры кипения и теплота, идущая на испарение растворителя: , ДдП"еоСр[Т31П(1-Х1+1)-Т31(1-Х1)]/Д2яс1 (14)

Лди-(ЗоСвх(1/с1-1/С1+1) [г+Сраз'^-Тз^/гз/Дгяс!

Величина Ас уточняется в соответствии с соотношением

/кЗп+^и-«конв(Тст-Т3) (15)

Предлагаемая расчетная методика проверена по данным снятым на Днепропетровском маслозкстракционном заводе и по опытным данным полученным нами на экспериментальной установке. Результаты сопоставления послужили .обоснованием для использования рассмотренной выше методики теплогидравлического расчета выпарного канала в алгоритме системы оптимального управления технологическим процессом дистилляции маслоэкстракционного производства. Технический проект автоматизированной системы управления был разработан в НПО "Пищепромавтоматика" (Одесса).

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

В ТЕХНОЛОГИИ ДИСТИЛЛЯЦИИ РАСТВОРОВ МАСЕЛ

Негативными факторами типовой трехступенчатой системы дистилляции (НД-1250)являются:

- высокие температуры стенок испарителя на первой и второй ступени дистилляции при малых скоростях движения, мисцеллы в выпарных каналах;

- перегрев мисцеллы у обогреваемого днища корпуса окончательного дистиллятора в условиях продолжительного периода пребывания мисцеллы в слое;

- установка имеет значительное энергопотребление и практически не утиливируется теплота.

Перегрев мисцеллы вблизи теплоперэдаюпщх стенок ведет к тер-нолабильным превращениям в масле.

Разработана новая экспериментально обоснованная технологическая схема дистилляции мисцеллы рис.4.

Предварительная дистилляция. Отфильтрованная и предварительно подогретая мисцелла с температурой 55-60 °С и концентрацией 15-201 подается под давлением 0,15-0,20 МПа в вертикальные трубы экономайзера-смесителя 6, омываемые иисцеллой с температурой 90-95 °С, подаваемой из кожухотруСного теплообменника 1 через сепаратор 3 под давлением 0,07-0, ЮШа.

В трубах мисцелла нагревается и частично закипает, далее, в зоне смешения экономайзера происходит объемное вскипание вновь образованного раствора при слиянии мисцелл различной концентрации и температуры. Пары растворителя отводятся на конденсацию, а мисцелла частью поступает на окончательную ступень дистилляции и частью возвращается в предварительный дистиллятор.Коэффициент рециркуляции мисцеллы в контуре 1 ступени составляет 0,03-0,05. Дистиллятор первой ступени 1 обогрезается парами, поступающими из дистиллятора второй ступени дистилляции с помощью пароэжектора 12.

На этапе анализа синтезируемой система производились тепло-гидравлические расчеты оборудования с применением модели парообразования при неиэотермическом смещении потоков мисцеллы и разработанной нами методики расчета теплообмена при движении мисцеллы в выпарном канале.

Окончательная дистилляция.В окончательном дистилляторе мисцелла совместно с перегретым водяным паром подается в эмеевиксвыо

йода

каналы. В вмеевике формируется кольцевая структура двухфазного потока, при этом решается эадача интенсификации межфазного тепло-и массообмена. растворителя.Рассматривая пар в канале как идеальный газ, для массового потока образуидихся паров растворителя можно записать

Шр-ШхМр/Ма [ ГРц/ ( Р- ТХ Рд ) 1 (16)

где тх - поверхностная плотность массового потока водяного пара; Мр.Ма - молекулярные массы испаряющегося растворителя и водяного пара; т - коэффициент активности; Р3 - давление паров чистого растворителя при температуре кипения; Р - общее давление в фиксируемом сечении канала.

В предположении фазового равновесия в воне испарения растворителя получено соотношение для расчета расхода водяного пара. Расход пара определяет структуру двухфазного потока. Управляя гидродинамической структурой потока, в производственных условиях удалось добиться таких режимов, когда происходит быстрое обновление и взаимодействие различных слоев жидкости и пара и за счет этого значительно интенсифицировать массообиен. В рассматриваемой конструкции для управления процессом учтены особенности формирования структуры двухфазного потока при его закрутке» в емеевике с переменным радиусом, а также предусмотрено дросселирование потока ыисцеллы на входе в вмеевик через вставку меньшего диаметра. Разрежение в канале регулируется с помощью паровой форсунки. Указанные технические приемы отработаны в производственных условиях, а результаты приоритетно защищены авторскими свидетельствами. Использование паровых форсунок в технологии дистилляции мисцеллы начато впервые в ходе выполнения настоящей работы. Паровые форсунки внедрены на 12 маслоэкстракционных еаводах, в том числе изготовлены и внедрены б дистилляторов рассмотренной конструкции.

Разработанная технологическая схема дистилляции в две ступени реализована в промышленности, проведены опытно-промышленные испытания и внедрение на мждамкстракцконнои заводе з г. Карши (Узбекистан).

Основные результаты работы 1. Произведена декомпозиция технологической системы дистилляции маслоэкстракционного производства и определены "элементарные" процессы теплообмена, основываясь на которых разработана программа теплотехнических исследований;

2. Получены отлные данные о теплообмене при охлаждении тела в кипящем растворе растительного масла с применением теории регулярного теплового режима;

3. Установлено, что термическое сопротивление слоя на поверхности охлаждаемого тела в режиме пленочного кипения линейно определяется мольной концентрацией раствора в объеме, при этом вычислено значение теплопроводности полимериэованной пленки масла. образующейся на поверхности тела;

4. Разработана методика расчета теплообмена при пузырьковом кипении раствора масла, основанная на модели микрослоевого испарения жидкости в пуеырь;

Б. Создана экспериментальная установка и получены опытные данные по теплообмену при восходящем движении раствора в выпарном канаае;

6. Выполнен анализ теплообмена в дистилляторах и показано, что на стенках испарителей имеют место локальные перегревы мис-целл, вначительно превышающие температуру масла на выходе не дистиллятора, что нельвя не учитывать из-за термолабильности свойств масла;

7. Разработана новая технологическая схема системы дистилляции маслоэкстракционного производства, соответствующая требованиям рационального распределения источников энергии. Разработаны конструкции отдельных функционально-конструкционных элементов и новых тепломассообменных аппаратов;

8. Внедрение результатов работы осуществлено на И маслоэкс-тракционных заводах и, в частности, на Днепропетровском, Каршинс-ком и Чардаоуском заводах. Экономический эффект рассчитан с учетом повышения качества масла и составил в 1990г. на Днепропетровском M3Q - 50 тыс. руб., на Каршинском МЗЗ - 110 тыс. руб., на Чарджоуском МЗВ -140 тыс. руб. Материалы работы используются при проектировании нового дистилляциопного оборудования, при выборе и разработке методов и средств оптимального управления технологическим процессом дистилляции растворов масел в работах по заказам

■ предприятий масложироеой отрасли промышленности.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях: 1. Залетнев А.Ф..Федоров A.B. Теплофиаические исследования в технологии переработки масличного сырья // №1.-1993,- N5-6. -е.. 1-10.

2. Залетнев А.Ф., Готовский A.M., Лесов Я.М., Сидоров A.B. Алгоритмы поиска оптимальных управляющих воздействий для процесса дистилляции мисцеллы // Сб.научн.трудов / ВНИИХиров, 1087. -с. 3-10.

3. Залетнев А.Ф., Ключкин В.В., Федоров A.B. Проблемы математического моделирования "элементарных" процессов технологичеасой системы дистилляции масляной мисцеллы // MJffl. - 1993.- N1-2.-с.12-15.

4. Залетнев А.Ф., Ключкин В.В., Федоров A.B. Теплогидродинамичес-кое подобие процессов пузырькового кипения растворов масел и недогретых »«костей // ИГО.- 1Q94.-N1-2.

Б. Залетнев А.Ф., Ключкин В.В., Федоров A.B. и др. Теплоотдача при пузырьковом кипении масляной мисцеллы // МЖП. - 1986. - N 11. - с.10-11.

6. Залетнев А.Ф., Федоров A.B., Готовский A.M. Моделирование распылительной дистилляции масляных мисцелл // МШ. - 1987. - Н 10. - с.3-5.

7. Залетнев А.Ф., Романов H.H., Федоров A.B., Шемякин С.Ю. Установка для исследования интенсивности конденсации пара в жидкости // Изв.вузов - Приборостроение. - 1686. - т.29 - N в. -О.04-86.

8. Залетнев А.Ф., Ключкин В.В., Федоров A.B. Расчетные схемы и эксперимент в исследованиях теплоотдачи при пуз1*рьковом кипении бинарных растворов // Повышение эффективности компрессорных и теплоиспользующкх холодильных машин. - Л.: Изд.ДТИХП, 1987. - с.135-142.

9. Ключкин В.В., Залетнев А.Ф., Федоров A.B., Шемякин С.Ю. Тепли-обмен при пузырьковом кипении масляных мисцедл // Сб.научн.тр./ ВНИЙХиров.-1985.-с.73-75.

10.Теплогидравлические аспекты неизотермического смешения масляных кисцелл / Залетнев А.Ф., Ключкин Р.В., Федоров A.B., Бабаев Т.Д., Пзвват И.Ю. // Теория и практика перемешивания в жидких средах: Теэ. Всесоюз.конф. Л., 1990.с. 87-88.

И.А.с. 13Э0146 СССР, МКИ С 11 В 1/10. Способ дистилляции масляной мисцеллы / А.Р. Федоров в соавторстве /ОССР/- N3974050/31-13; Заявлено 10.11.85; бш. N 30.

12.А.с. 1359294 СССР, МКИ С 11 В 1/10. Способ дистилляции масляной мисцеллы / A.B. Федоров в соавторстве /СССР/- N

3948371/31-13; Заявлено 11.06.85; Бюл. N 46.

13.А.с. 1413942 СССР, МКИ С 11 В 1/10. Способ дистилляции масляной мисцеллы / A.B. Федоров в соавторстве /СССР/- N 4060121/31-13; Заявлено 24.04.86;- ДСП.

14.А.с. 1414862 СССР, МКИ С 11 В 1/10. Вакуумная установка для дистилляции масляных мисцелл / A.B. Федоров в соавторстве /COCP/-N 410913/30-13; Заявлено 24.02.87; Бад. N 29.

15.А,с. 1472485 СССР, МКИ С 11 В 1/10. Способ дистилляции масляных мисцелл /A.B. Федоров в соавторстве /СССР/- N 4198101/28-13; Заявлено 23.02.87; Вол. N 14.

16.А.с. 1473338 СССР, МКИ С И В 1/10. Способ окончательной дистилляции масляных мисцелл / A.B. Федоров в соавторстве /CCCP/-N 4131069; Заявлено 13.10.86;-ДСП.

17.А.с. 1610343 СССР. МКИ С 11 В 1/10. Установка для дистилляции мисцелл пищевых растительных масел /A.B. Федоров в соавторстве /CCCP/-N 4131098; Заявлено 22.05.89;- ДСП.

18.А.с. 1522734 СССР, МКИ В 01 Д 3/28. Тепломассообмешшй аппарат / A.B. Федоров в соавторстве /СССР/- N 4416539; Заявлено

26.04.88;-ДСП.

19.А.с. 1549063 СССР, МКИ С 11 В 1/10. Вакуумная установка для дистилляции масляных мисцелл / A.B. Федоров в соавторстве /CCCP/-N 4389433; Заявлено 02.02.88;-ДСП.

20.А.с. 1612576 СССР, МКИ С 11 В 1/10. Способ дистилляции масляных мисцелл /A.B. Федоров в соавторстве /СССР/- N 4449819; Заявлено 13.09.89;-ДСП.

21.А.с. 1619694 СССР, МКИ С И В 1/10. Способ дистилляции масляной мисцеллы / A.B. Федоров в соавторстве /СССР/- N 4680791; Заявлено 18.04.89;-ДСП.

22.A.c. 1628515 СССР, МКИ С 11 В 1/10. Вакуумная установка для дистилляции масляных мисцелл / A.B. Федоров в соавторстве /СССР/-N4669340/13; Заявлено 30.03.89;-ДСП.

23.А.с. 1641016 СССР, МКИ С 11 В 1/10. Вакуумная установка для дистилляции масляных мисцелл / A.B. Федоров в соавторстве /CCCP/-N 4728364/13; Заявлено 14.08.89;-ДСП.