авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка и исследование ультрафильтрационного аппарата с отводом примембранного пограничного слоя

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ТИМОФЕЕВ АНТОН ЕВГЕНЬЕВИЧ

Разработка и исследование ультрафильтрационного аппарата с отводом примембранного

пограничного слоя

Специальность: 05.18.12 – процессы и аппараты пищевых производств

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Кемерово – 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лобасенко Борис Анатольевич

Официальные оппоненты: Иванец Галина Евгеньевна,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», профессор кафедры «Прикладная математика и информатика»

Петрик Павел Трофимович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Энергоресурсосберегающие процессы в химической и нефтегазовой технологиях»

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Сибирский научно-исследовательский институт переработки сельскохозяйственной продукции СО Россельхозакадемии Новосибирская область, п. Краснообск

Защита состоится «22» февраля 2013 года в 1600 ч на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел./факс 8(3842)39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ ( http://vak.ed.gov.ru /ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (http://www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан «___» января 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Гореликова Г.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время особое значение приобретает здоровый образ жизни, в основе которого лежит правильное и сбалансированное питание. Качество продуктов питания напрямую зависит от сырья для их производства. Наиболее перспективными с этой точки зрения являются натуральные составляющие растительного и животного происхождения, сохранившие в себе все первоначальные свойства. К такому сырью могут быть отнесены комбинированные продукты на молочной основе, в частности, сыворотка, характеризующаяся уникальным составом белковых компонентов, который включает: -лактоглобулин, -лактальбумин, иммуноглобулины, бычий сывороточный альбумин, гликомакропептид, лактоферрин, лактопероксидаза, лизоцим.

Чаще всего для их выделения и дальнейшего использования при получении различных пищевых продуктов используют мембранные методы, в частности, ультрафильтрацию. Это обусловлено рядом преимуществ, по сравнению с традиционными процессами. И одним из них является меньшая инактивация белковых веществ. При этом сохранение нативного состояния белков во многом зависит от продолжительности мембранной переработки. Таким образом, повышение производительности мембранного оборудования является приоритетной задачей.



Одним из направлений её решения являются появившиеся в настоящее время мембранные аппараты с отводом части пограничного слоя с повышенной концентрацией задерживаемых веществ. Их можно разделить на конструкции, производящие отвод слоя и аппараты, в которых наряду с этим осуществляется периодическая или непрерывная очистка мембраны.

Оценка их работы показывает, что технические пути совершенствования далеко не исчерпаны и имеются конструктивные возможности их модернизации.

В этой связи разработка и исследование ультрафильтрационного аппарата с отводом примембранного пограничного слоя является актуальной научной задачей.

Работа выполнялась в рамках государственного задания НИР ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», № проекта 7.2715.2011 «Разработка высокоинтенсивных процессов получения комбинированных продуктов питания с использованием вторичного сырья».

Объектом исследования являлась оценка параметров работы ультрафильтрационного аппарата с отводом примембранного пограничного слоя при концентрировании молочной сыворотки.

Предметом исследования было установление закономерностей, определяющих механизм процесса отвода примембранного слоя от технологических режимов и конструктивных параметров ультрафильтрационного аппарата.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в разработке и исследовании ультрафильтрационного аппарата с отводом примембранного пограничного слоя для переработки молочной сыворотки с улучшенными технико-экономическими показателями.

Достижение цели выполнялось посредством решения следующих задач:

  • разработка конструкции ультрафильтрационного аппарата с отводом примембранного пограничного слоя;
  • разработка математической модели процесса концентрирования молочной сыворотки с помощью передаточных функций;
  • изучение влияния технологических и конструктивных параметров на концентрацию отводимого слоя, с целью определения их рациональных значений при переработке молочной сыворотки;
  • параметрическая идентификация математической модели;
  • разработка технологии производства гранулированных киселей с использованием разработанного мембранного оборудования.

Научная новизна. На основе передаточных функций разработана математическая модель, которая позволяет определять концентрацию отводимого примембранного пограничного слоя в зависимости от значений технологических режимов процесса и конструктивных параметров ультрафильтрационного аппарата.

Методами планирования эксперимента получены регрессионные модели, отражающие взаимосвязь содержания задерживаемых веществ в концентрате от технологических режимов и конструктивных параметров ультрафильтрационного аппарата. Определены их рациональные значения, обеспечивающие максимально возможное содержание задерживаемых веществ в отводимом продукте.

Практическая значимость и реализация. Разработана конструкция ультрафильтрационного аппарата с отводом примембранного пограничного слоя (заявка на изобретение №2011144272 от 01.11.2011).

Проведены испытания опытно-промышленной мембранной установки на основе разработанного аппарата на ООО НПО «Здоровое питание», которые показали ее эффективность за счет увеличения производительности и улучшения органолептических показателей концентратов молочной сыворотки.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО КемТИПП в дипломном и курсовом проектировании.

Автор защищает конструкцию ультрафильтрационного аппарата с отводом примембранного пограничного слоя, математическую модель процесса концентрирования и результаты экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на: Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2010-2012); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Ионный перенос в органических и неорганических мембранах» (г. Кемерово, 2010); Инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации» (г. Кемерово, 2011); Международной молодежной конференции «Биокаталические технологии и технологии возобновляемых ресурсов в интересах рационального природопользования» (г. Кемерово, 2012).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ, из них 3 статьи в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 100 страницах машинописного текста. Работа включает 27 рисунков, 11 таблиц. Список литературы содержит 137 наименований. Приложения представлены на 18 страницах.

Содержание работы

Общая схема исследований представлена на рисунке 1 и состоит из нескольких взаимосвязанных этапов.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и основные задачи исследований, определена научная и практическая ценность результатов, приведена общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе, в рамках литературного обзора, рассмотрены направления развития мембранного оборудования, особое внимание уделено мембранным аппаратам с отводом примембранного пограничного слоя. Показана уникальная пищевая ценность молочной сыворотки. Приведены основные ее физико-химические и органолептические характеристики. Рассмотрены аспекты получения и использования сухой молочной сыворотки, в том числе на пищевые цели. Оценивается роль мембранных методов при сгущении молочной сыворотки перед сушкой.

Во второй главе рассмотрены различные подходы к моделированию непрерывных процессов: аналитический, имитационный, информационный (кибернетический), выделены основные направления и методы моделирования процессов мембранной переработки различных сред, определены их преимущества и недостатки.

Предложена модель процесса мембранного концентрирования молочной сыворотки в мембранном аппарате с отводом примембранного пограничного слоя на основе передаточных функций.

Исходя из описания мембранного аппарата в соответствии с принципом «черного ящика», выделены основные входные X и выходные Y параметры объекта моделирования, а также определены каналы передачи сигналов с входов на выходы системы.

Входным воздействием является концентрация задерживаемых веществ в исходном растворе Х1, %масс. Кроме того, на процесс концентрирования влияют конструктивные параметры аппарата и технологические режимы процесса. Первые обозначим подмножеством множества Х, вторые – подмножеством множества Х. Т.е. множество входных контролируемых управляемых независимых переменных в данном случае может быть представлено выражением (1).

{Х} = (Х1, 1, 2, …, n, 1, 2, …, m), (1)

где n – количество технологических параметров, влияющих на процесс концентрирования; m – количество конструктивных параметров аппарата, оказывающих влияние на процесс концентрирования.

Рис. 1. Схема исследований

Основные технологические режимы процесса: рабочее давление (1, МПа), температура концентрируемого раствора (2, С) и гидродинамическая обстановка в канале аппарата (скорость движения среды, 3, м/с). Количество конструктивных параметров m зависит от мембранного аппарата.

К выходным параметрам относятся: содержание задерживаемых веществ в отводимом примембранном пограничном слое Y1, %масс.; концентрация задерживаемых веществ в основном потоке Y2, %масс.; удельная производительность по фильтрату Y3, .

Структурная схема процесса концентрирования отражает взаимосвязь входных сигналов и показателей процесса посредством системы каналов, передаточные свойства каждого из которых определяются соответствующей передаточной функцией (рис. 2).

 Структурная схема процесса-2

 Структурная схема процесса-3

Рис. 2. Структурная схема процесса мембранного концентрирования в аппарате с отводом примембранного пограничного слоя

На процесс концентрирования оказывает значительное влияние накопление частиц задерживаемых веществ на поверхности мембраны. Оно имеет продолжительный характер и поэтому выбрано ступенчатое воздействие, при котором величина мгновенно возрастает от нуля до некоторого постоянного значения и далее остается неизменной. Такому воздействию соответствует функция (2).





(2)

Значение величины ступенчатого воздействия а0 необходимо выбрать, учитывая диапазон изменения входных воздействий.

Образование примембранного пограничного слоя и его отрыв от поверхности мембраны происходят циклически в течение некоторого времени. Поэтому в данном случае для определения реакции системы на то или иное воздействие необходимо совместное нанесение соответствующего входного воздействия по каналам «конструктивный параметр – выход» или «технологический параметр – выход» с входным воздействием по каналу «концентрация исходного раствора – выход». Далее, исходя из принципа суперпозиции, аналитически возможно определить реакцию системы на чистое возмущение.

Изменение концентрации задерживаемых веществ в примембранном пограничном слое носит колебательный характер, объясняющийся периодичностью накопления белкового слоя определенной толщины и его удаления потоком среды. Поэтому для описания процесса выбрано колебательное звено (3).

, (3)

где k – коэффициент передачи;

Т – постоянная времени объекта;

– коэффициент демпфирования (1>0).

Определение передаточных функций по каналам воздействия конструктивного параметра на выходы системы предполагает одновременное внесение в систему воздействий по входам X1 и i (рис. 3).

Выходной сигнал системы Yj по каналам воздействия исходной концентрации и технологического параметра может быть описан переходной функцией колебательного звена. В соответствии с рисунком 3 можно записать:

, (4) (5) Определение передаточных-6, (4)

(5)

Рис. 3. Определение передаточных функций по каналам воздействия конструктивных параметров на выходы системы

 Определение передаточных функций-9

Рис. 4. Определение передаточных функций по каналам воздействия технологических параметров на выходы системы

Определение передаточных функций по каналам воздействия технологического параметра на выходы системы предполагает одновременное внесение в систему воздействий по входам X1 и i (рис. 4).

Выходной сигнал системы Yj по каналам воздействия исходной концентрации и технологического параметра может быть описан переходной функцией колебательного звена. В соответствии с рисунком 4 можно записать:

, (6)

(7)

Итоговую модель объекта можно записать в виде (8).

(8)

Уравнение (8) определяет состояние выходов объекта моделирования во времени при известной концентрации задерживаемых веществ в исходном растворе X1(S), а также при определенных значениях конструктивных и технологических параметров процесса концентрирования.

Параметрическая идентификация модели (8) проводится на основе экспериментальных данных в соответствии с выбранным критерием близости. После проверки адекватности модель процесса концентрирования может быть реализована прикладными средствами, поддерживающими работу с передаточными функциями, в частности, пакет Simulink в составе математического обеспечения MatLAB.

В третьей главе приведены экспериментальные исследования в соответствии с предложенной методикой на лабораторном стенде, включающем разработанный мембранный аппарат с отводом примембранного пограничного слоя. Представлены результаты экспериментальных исследований, получены уравнения регрессий. Проведена параметрическая идентификация математической модели процесса мембранного концентрирования.

С целью повышения производительности по концентрату разработана конструкция мембранного аппарата с отводом примембранного пограничного слоя. Устройство для отвода примембранного пограничного слоя (рис. 5) состоит из корпуса 1 c щелями 2, кожуха 3, внутренняя поверхность которого выполнена с переменным сечением, патрубка для отвода продукта 4. В полости корпуса находится подвижный шток 5. Устройство присоединяется к трубчатой мембране 6. Интенсивный отвод слоя в кожухе создается с помощью разности давлений в зазоре и кожухе. Это осуществляется как за счет переменного сечения кожуха и возможности перемещения его относительно штока, так и изменения положения штока. Кожух и шток устанавливаются таким образом, чтобы разность давлений в зазоре и кожухе была максимальной. В этом случае большая часть примембранного пограничного слоя через кольцевые щели 2 попадет в кожух.

Экспериментальные исследования проводились в следующих направлениях:

1. Определение рациональных значений технологических режимов аппарата, а именно температуры среды (T), давления в канале аппарата (р) и скорости основного потока (w) на основе регрессионного анализа.

2. Определение рациональных значений конструктивных параметров аппарата: удельной площади отверстий (S), длины конусной части полого штока (L) и расположения конусной части штока относительно отверстий (l) на основе обработки уравнения регрессии.

Рис. 5. Мембранный аппарат с отводом примембранного пограничного слоя

1 – корпус; 2 – кольцевые щели; 3 – кожух; 4 – патрубок;

5 – подвижный шток; 6 – мембрана

Для проведения экспериментальных исследований использовались мембраны из карбида кремния, производимые предприятием «Керамик-фильтр» г. Москва. Внешний диаметр мембраны – 10 мм, внутренний – 6 мм, длина – 300 мм, размер пор – 0,02 мкм.

В качестве сырья для проведения процесса ультрафильтрационного концентрирования выбрана молочная (творожная) сыворотка торговой марки «Деревенский молочный завод». Содержание задерживаемых веществ порядка 4% масс.

Проведенные экспериментальные исследования и их обработка позволили получить взаимосвязь технологических параметров и концентрации примембранного пограничного слоя в виде уравнения регрессии в натуральном масштабе (9).

(9)

Задача определения значений технологических параметров, обеспечивающих максимально возможное содержание задерживаемых веществ в концентрате, сводится к определению максимума функции трех переменных. Максимальная концентрация C=5,630 % масс. в отводимом примембранном пограничном слое достигается при следующих значениях технологических параметров: температура среды T=40C, давление в канале аппарата р=0,2МПа и скорость основного потока w=0,6 м/с.

Экспериментальные кривые, характеризующие влияние конструктивных параметров аппарата на концентрацию отводимого примембранного пограничного слоя, представлены на рис. 6-8.

В результате обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии в натуральном масштабе (10).

(10)



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.