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 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Процессы и противоточные конвективно-массообменные аппараты для фазоселективной сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в системе тонкодисперсное твердое

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

АЛИЕВ Мурад Ризванович

ПРОЦЕССЫ И ПРОТИВОТОЧНЫЕ КОНВЕКТИВНО-МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ФАЗОСЕЛЕКТИВНОЙ

СОРБЦИИ, ЭКСТРАГИРОВАНИЯ И ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ В СИСТЕМЕ «ТОНКОДИСПЕРСНОЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО ЖИДКОСТЬ»

Специальность 05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Краснодар – 2009

Работа выполнена в Дагестанском научно-исследовательском институте пищевой промышленности

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Антипов Сергей Тихонович
доктор технических наук, профессор Дворецкий Станислав Иванович
доктор технических наук, профессор Данилин Серафим Владимирович

Ведущая организация: ГУ Всероссийский научно-исследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности РАСХН

Защита состоится 3 ноября 2009 г. на заседании диссертационного совета Д 212.100.03 при Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета.

Отзыв на реферат, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 350072, Краснодар, ул. Московская, 2, КубГТУ, Ученому секретарю.

Автореферат разослан «_____»_________________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических наук М.В. Жарко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современных технологиях производства пищевых продуктов и напитков значительное место занимают процессы физической, химической, физико-химической и биологической обработок. От их эффективности зависят качество, товарный вид, конкурентоспособность и остаточные количества вредных компонентов в конечной продукции.

Процессы сорбции (адсорбционные, ионообменные), экстрагирования (десорбции) и тепловой обработки являются основой технологий обработки и стабилизации многих пищевых жидкостей, в том числе воды, сусла, соков, сиропов, вин, шампанского, коньяков, водок, пива, молока и других напитков для кондиционирования их состава, вкуса, цвета и аромата, придания им стойкости к коллоидным, кристаллическим и биологическим помутнениям, а также для повышения пищевой и экологической безопасности.

Технологические процессы в системе «твердое тело – жидкость» проводятся двумя основными способами: статическим, когда взаимодействие твердых частиц происходит одновременно со всем объемом раствора; и динамическим, который осуществляется в колонке путем фильтрования исходного раствора или экстрагента через слой сорбента или экстрагируемого материала.

Широко используемый на практике статический способ включает приготовление суспензии сорбентов (экстрагируемого материала), подачу ее в реактор, перемешивание в реакторе, длительный отстой, декантацию с осадка, фильтрацию, удаление осадка и очистку реактора. Перемешивание в реакторе проводят до достижения равновесного распределения сорбируемого (извлекаемого) компонента между жидкой и твердой фазами. При кажущейся простоте статический способ – многооперационный и малоинтенсивный. Для него характерны: малая концентрация твердой фазы объеме зоны контакта, низкая величина поверхности контакта фаз в единице объема, большое расстояние между частицами в объеме, большой внешнедиффузионный путь переноса компонента в жидкости между частицами, а также малая интенсивность и эффективность перемешивания – малый удельный объемный расход мощности на перемешивание. Все это является причиной низкой удельной объемной производительности оборудования по сорбируемому (экстрагируемому) компоненту. Следствием является громоздкость линии обработки и малоуправляемость процесса.



Положительным свойством статического способа является возможность применения сорбентов и экстрагируемого материала с малыми размерами dr частиц, следовательно, с большой удельной поверхностью. При этом внутридиффузионный путь переноса компонента в частице мал и мало характерное время внутреннего переноса. Однако, в статическом процессе затруднены операции отделения частиц сорбента (экстрагируемого материала). Время контактирования и отстаивания сорбента в емкостях достигает – до 10 суток.

Во втором, известном динамическом процессе обрабатываемая жидкость (экстрагент) фильтруется через насыпной слой сорбента (экстрагируемого материала) в колонке. Концентрация твердой фазы и поверхность контакта фаз в единице объема здесь выше и способ удобен для регенерации и повторного использования сорбента. Однако размер частиц сорбента (экстрагируемого материала) не может быть слишком мал, и невозможно использовать тонкодисперсную твердую фазу. Ограничена и является низкой скорость фильтрации жидкости через слой. Таким образом, здесь затруднен внешний конвективный перенос компонента в жидкости между частицами сорбента, а время внутреннего переносу компонента в частицах является высоким и часто лимитирует процесс. Кроме того, обязателен контроль и предварительная очистка жидкости от дисперсных частиц (гущи, дрожжей, и др.), при наличии которых быстро забивается колонка и блокируется процесс. По этим причинам динамический способ не находит при обработке пищевых жидкостей столь широкого применения как статический.

Известны схемы с движущимся зернистым адсорбентом, а также со стационарным или циркулирующим псевдоожиженным слоем адсорбента. Скорость движения обрабатываемой жидкости в этих схемах ограничивается скоростью осаждения частиц сорбента в данной среде, которая пропорциональна разности плотностей сорбента и жидкости и квадрату эквивалентного диаметра частиц dr2. Поэтому указанные схемы применяются в основном для крупнодисперсных систем и систем «твердое тело – газ».

Таким образом, далеко не все способы подходят для проведения процесса в системе «тонкодисперсное твердое тело – жидкость».

Основная проблема, возникающая при использовании тонкодисперсных материалов, – это отделение их от обработанной жидкости и уплотнение. Ни один метод осветления от тонкодисперсных взвесей не дает таких высоких и неизменных результатов, как фильтрование. Необходимость этой стадии практически в любом варианте использования тонкодисперсных сорбентов (экстрагируемого материала) привела к созданию намывных фильтров, которые имеют практически все недостатки динамического способа, перечисленные выше. Для всех аппаратов типа намывного фильтра присущи трудоемкие операции сборки фильтра, намывки слоя сорбента, разборки фильтра и его очистки или замены фильтрующих элементов или мембран.

Наиболее эффективным способом интенсификации технологических процессов сорбции и экстрагирования в системах «твердое тело – жидкость» помимо тонкого диспергирования твердой фазы является обеспечение ее противоточного взаимодействия с другой сплошной фазой. Однако, оба эти условия могут достаточно эффективно выполняться только в сложных и громоздких установках многооперационного непрерывного многоступенчатого смешения – разделения фаз.

Поэтому часто на практике используется более простая одноступенчатая линия смешения – декантации фаз. Но осуществляемая в такой линии одна ступень прямоточного взаимодействие фаз дает низкую степень извлечения целевого компонента, что оказывается часто недостаточным. И это при том, что требуется почти полное последующее разделение фаз тонкодисперсной системы для уменьшения потерь компонента. А отвечающие этому условию применяемые в качестве декантаторов фильтры и центрифуги, как правило, сложны по конструкции, а отстойники – громоздки и неэффективны.

Кроме того, линии смешения-декантации, также как статический и динамический способы, принципиально не позволяют проводить фазоселективную обработку суспензий, т.е. обработку жидкой фазы без перемешивания твердой фазы суспензии с частицами сорбента. Такая обработка актуальна в ряде случаев, когда сорбент требуется сохранить в «чистом» виде для регенерации, а также, когда твердая фаза обрабатываемой суспензии блокирует процесс сорбции, а предварительное разделение суспензии либо ненужно (например, для соков с мякотью и т.п.), либо неоправданно (например, для осадков, сточных вод и т.п.).

Для тепловой обработки, в частности, для нагрева (охлаждения) таких дисперсных сред, как биосуспензии, обычно используются сложные аппараты – нагреватели с очищаемой поверхностью теплообмена. В современных технологиях, однако, целесообразна раздельная обработка фаз дисперсного потока при оптимальных для каждой из них условиях. Как известно, технологическая схема такой обработки включает минимум четыре операции: разделение фаз дисперсного потока, нагрев одной из фаз, например, сплошной жидкой фазы, транспортировка твердой фазы и смешение ее с нагретой жидкой фазой. Очевидна громоздкость и неэффективность такой схемы.

Цель исследования. Научное обоснование и разработка процессов для фазоселективной сорбции в системе «тонкодисперсный сорбент – жидкость», экстрагирования в системе «тонкодисперсный материал – экстрагент» и фазоселективной тепловой обработки гетерогенных сред, выявление закономерностей и создание оборудования для их малооперационного проведения.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработка способов фазоселективной сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в системе “тонкодисперсное твердое тело – жидкость”;

- разработка фазоселективного процесса процессах сорбции в системе “тонкодисперсный сорбент – жидкость” в модуле и в линии «реактор - конвективно-массотеплообменный аппарат»;

- разработка фазоселективного процесса экстрагирования в линии «реактор

- конвективно-массотеплообменный аппарат»;

- разработка фазоселективных процессов тепловой обработки сплошной и дисперсной фаз суспензии в модулях «реактор - конвективно-массотеплообменный аппарат»;

- разработка противоточного конвективно-массотеплообменного аппарата в вариантах исполнения;

- экспериментальное и теоретическое исследование течения жидкости в длинных смежных проницаемых каналах при противоточной и прямоточной схемам (П- и Z-схемах);

- экспериментальное и теоретическое исследование конвективного массотеплообмена в конвективно-массотеплообменном аппарате с учетом массотеплообмена между сплошной и дисперсной фазами потоков;

- разработка методики расчета конвективно-массотеплообменного аппарата;

- разработка методики расчета модулей и линий «реактор - конвективно-массотеплообменныйо аппарат» для фазоселективной сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в системе “тонкодисперсное твердое тело – жидкость”.

Научная концепция работы. Основой создания ряда новых ресурсосберегающих процессов и конкурентоспособной аппаратуры для систем «тонкодисперсная твердая фаза – жидкость» является научно обоснованное применение метода взаимодействия потоков концентрированной суспензии тонкодисперсных твердых частиц и обрабатываемой жидкости (суспензии), разделенных проницаемой для жидкой фазы перегородкой, при интенсивном конвективном массообмене между потоками взамен традиционного проведения непосредственного взаимодействия твердых частиц и жидкости. Малооперационная реализация такого взаимодействия в одном массообменном аппарате позволяет создавать эффективные фазоселективные процессы сорбции, экстрагирования и тепловой обработки.

Фазоселективность этих процессов заключается в следующем. В процессе сорбционной обработки потоки обрабатываемой суспензии (жидкости) и суспензии сорбента обмениваются только жидкими фазами, т.е. обработке сорбентом подвергается селективно только жидкая фаза исходного потока. Аналогично в процессе экстрагирования в поток экстрагента попадает только жидкая фаза суспендированного экстрагируемого материала. В процессах тепловой обработки появляется возможность проводить селективную тепловую обработку жидкой фазы и селективную тепловую обработку твердой фазы исходной суспензии.





Изложенная концепция открывает научное направление – создание малооперационных фазоселективных технологических процессов в системе «тонкодисперсное твердое тело – жидкость» и нового класса аппаратов типа КМОА. Данный класс аппаратов занимает промежуточное положение между фильтрами и традиционными противоточными массообменными аппаратами для систем «дисперсная фаза – жидкость» (аппаратами с движущимся или взвешенным слоем, насыпным неподвижным слоем и т.п.).

Методология исследований базируется на применении математического и физического моделирования для решения поставленных задач, внедрении в производство ресурсосберегающих процессов и конкурентоспособной промышленной аппаратуры, защищенными охранными документами.

Научная новизна работы. Предложен противоточный конвективно-массообменный аппарат (КМОА) в двухканальном и трехканальном вариантах исполнения для проведения фазоселективных процессов сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в технологически значимой системе «тонкодисперсный материал – жидкость».

Научно обоснованы предложенные способы и аппаратурные модули «реактор – конвективно-массообменный аппарат» для проведения сорбции, экстрагирования и тепловой обработки в системе «тонкодисперсный материал – жидкость».

Развиты научные представления о течении потоков в двух и трех смежных каналах с проницаемыми стенками.

Получены продольные распределения скоростей, давлений, порозностей и концентраций для течения жидкостей и суспензий в системе двух и трех смежных каналов с проницаемыми стенками.

Установлено, что в системе трех смежных каналов распределения скоростей фильтрации и давлений вдоль каналов более равномерны, чем в системе двух каналов.

На основании экспериментальных исследований и разработанной математической модели, учитывающей течение потоков в смежных каналах при наличии поперечного перетока через разделяющую их проницаемую перегородку, научно обоснована эффективность конвективно-массообменного аппарата.

Развиты представления о физической картине процессов массо- и теплообмена в конвективно-массообменном аппарате с использованием разработанной математической модели, учитывающей массо- и теплообмен между сплошной и дисперсной фазами потоков, приведена методика расчета КМОА.

Обнаружено, что эффективность конвективного массопереноса между потоками в смежных проницаемых каналах тем больше, чем больше продольный градиент скорости фильтрации и меньше отношение объема проницаемой перегородки к объему пульса.

Установлено, что при течении жидкости в смежных проницаемых каналах продольный градиент скорости фильтрации возрастает при увеличении входного числа Рейнольдса, уменьшении безразмерного эффективного сопротивления проницаемой перегородки и увеличении отношения длины канала к его эквивалентному диаметру.

Установлено, что на процесс массообмена в КМОА влияют порозность дисперсных сред, константа межфазного равновесия, отношение G21=g2/g1 объемных расходов потоков в каналах КМОА, отношение TRK=tR1/tK1 времени tR1 пребывания потока в первом канале КМОА к характерному времени tK1 конвективного массообмена между каналами, отношение T0=tR2/t2 времени tR2 пребывания потока во втором канале КМОА к характерному времени t2 межфазной массоотдачи. Показано, что эффективность КМОА тем больше, чем больше значения величин TRK и T0.

Разработаны математические модели, включая математические модели подсистем следующих новых технических решений:

- модуль «реактор – конвективно-массообменный аппарат» для фазоселективной сорбции, экстрагирования и тепловой обработки;

- линия «реактор – конвективно-массообменный аппарат» для фазоселективной сорбции, экстрагирования и тепловой обработки.

Определено, что в сорбционном модуле «реактор – КМОА» при заданной степени очистки жидкости от компонента, больший объем жидкости можно обработать при больших значениях степени массообмена, при меньших значениях порозности суспензии, при меньших значениях степени в изотерме (по Фрейндлиху), при меньших значениях коэффициента распределения и при больших значениях времени пребывания в реакторе.

Установлено, что процессы сорбции и экстрагирования в линии «реактор – КМОА» обладает широким диапазоном режимов, при которых они более эффективны чем в известной линии «реактор – декантатор».

Практическая значимость работы:

- разработаны технологические схемы фазоселективной сорбции в модуле и линии реактор-массообменник и конструкции противоточного конвективно-массообменного аппарата, обеспечивающие повышение эффективности сорбции в системе “тонкодисперсный сорбент – жидкость” (Пат. № 2298425);

- разработана технологическая схема линии реактор-массообменник для процесса экстрагирования тонкодисперсного материала, который обладает широким диапазоном режимов, при которых он более эффективен, чем в известной линии «реактор – декантатор» (Пат. № 2344866);

- разработана технологическая схема модуля реактор-массообменник для малооперационного процесса фазоселективной тепловой обработки сплошной и дисперсной фаз суспензии;

- разработанные противоточный конвективно-массообменный аппарат и модуль внедрены в производство (ПАО “Дагагровинпром”) для сорбции красящих веществ из виноматериала активным углем;

- разработанный противоточный конвективно-массообменный аппарат внедрен в производство (ПАО “Дагагровинпром”) для извлечения виннокислых соединений из дрожжевой барды, для извлечения концентрата из замороженной пульпы винопродукта, для извлечения сусла и виноматериала из гущевых осадков виноделия. Общий экономический эффект составил 77000 руб. (в ценах 1999 года);

- разработанные процесс и аппаратурный модуль «реактор – КМОА» для сорбционного извлечения полифенолов из пива нерастворимым ПВПП испытан и принят к использованию на ООО Махачкалинский пивоваренный завод «Порт-Петровск».

Достоверность и надежность результатов. Достоверность полученных экспериментальных данных по измерениям распределений давлений в каналах КМОА, концентраций растворенного компонента и других показателей в процессе массообмена обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений, повторяемостью результатов.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 

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.