CC BY
49
664.127.7
АНАЛИЗ ЧИСЛЕННЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ ДИФФУЗИОННОГО СОКА САХАРНОЙ СВЕКЛЫ
В.В. СПИЧАК, В.А. КУДРЯВЦЕВ, Е.М. КУВАРДИНА,
И.И. СЕЛЮТИНА, О.Г. ЛОКТИОНОВА
Российский научно-исследовательский институт сахарной пром ышленности
Курский государственный технический университет
Моделирование процесса разделения диффузионного сока сахарной свеклы [1] предполагало, что последний представляет собой двухкомпонентный раствор, состоящий из жидкой фазы и механических включений. При ультрафильтрации механические примеси диффузионного сока с размером частиц более 1 • 10-6 м засоряют мембрану, образуя на ней слой отложений, что приводит к ухудшению качества ультрафильтрата и осложнению ведения дальнейших процессов получения сахара.
Так как диффузионный сок - это среда с переменной объемной концентрацией, которая меняется с течением времени, то реологическое уравнение сока также постоянно меняется.
В ходе экспериментальных исследований процесса ультрафильрации диффузионного сока сахарной свеклы установили, что основная его характеристика - динамическая вязкость. Это полностью подтверждается литературными данными. Изменение значений динамической вязкости ведет к изменению производительности процесса ультрафильтрации с течением времени. Зависимость динамической вязкости от температуры можно записать в виде [2]
т = 0,016 Г0’721. (1)
При решении системы дифференциальных уравнений многокомпонентной среды применяется метод «крупных частиц» [3, 4]. Рассматривая расчетную область в виде ячейки конечного размера с границами
Рис. 1
разного рода [1], вводим следующие коэффициенты: Р/, - коэффициент прилипания, уь - коэффициент про -текания (/ 1 или 2).
Численные исследования показали, что в процессе ультрафильтрации коэффициент протекания у с течением времени, по мере загрязнения мембраны, меняет свое значение. Коэффициент протекания первого материала обратно пропорционален коэффициенту протекания второго материала. Анализируя полученные в процессе эксперимента данные, мы пришли к выводу, что коэффициент протекания диффузионного сока зависит от плотности твердых отложений на мембране. С увеличением слоя отложений значение коэффициента протекания уменьшается. Исходя из этого, представим коэффициент протекания в виде функции
У1 = 0,017 У2-1’272. (2)
Полученные результаты численных исследований производительности в зависимости от коэффициента протекания приведены на рис. 1.
При у1 = 1 производительность процесса резко снижается в течение первых 30 мин работы, при у1 = = 0,017 V-1’272 кривая имеет более пологий характер. В первом случае образование слоя отложений твердых частиц на мембране происходит быстрее, чем во втором, это говорит о том, что значение вязкости разделяемого раствора при у1 = 1 выше значения вязкости при у = 0,017 V-1,272 . Однако процесс ультрафильтрации - изотермический процесс, и с течением времени значение вязкости уменьшается. Следовательно, численно выведенная зависимость у = 0,017 V-1,272 наиболее реально описывает процесс разделения сахарного раствора, что подтверждается экспериментальными данными [1].
Рис. 3
В процессе численного эксперимента мы ставили задачу определить влияние динамической вязкости сахарного раствора на производительность работы аппарата, так как значение этой характеристики в процессе ультрафильтрации непрерывно меняется в связи с увеличением температуры разделяемого раствора.
Из рис. 2 видно, что при малых значениях вязкости производительность аппарата практически не зависит от скорости потока.
Незначительное содержание твердой фазы и высокая температура раствора позволяют поддерживать производительность аппарата на высоком уровне ввиду того, что толщина слоя отложений, формирующихся на мембране, невелика.
Увеличение вязкости разделяемого раствора приводит к снижению производительности процесса ультрафильтрации, так как температура раствора падает. Это ведет к росту концентрации сухих веществ, оседающих на мембране, в результате чего возможно возникновение явления концентрационной поляризации.
В ходе численных исследований было установлено, что разные режимы подачи разделяемого раствора оказывают неодинаковое влияние на производительность. На рис. 3 приведены зависимости производительности аппарата по времени при постоянной скорости подачи раствора (V = сопй) и при внесении в разделяемый раствор вибраций (V = V0 sin w t). Из графиков видно, что с внесением вибраций в разделяемый раствор производительность аппарата повышается почти на 30%.
Кривая для постоянной скорости разделяемого раствора состоит из трех выраженных участков. В течение 1,5 ч работы происходит снижение производительно-
сти, на протяжении следующих 6 ч производительность снижается, но не столь интенсивно. На последнем участке кривая падения производительности становится круче. Кривая для скорости подачи V = ^япю t имеет только два выраженных участка: 1-й - интенсивного снижения производительности, 2-й -производительность процесса остается практически неизменной.
Ступенчатый характер представленных кривых мы объясняем поэтапным образованием слоя отложений твердых частиц на поверхности мембраны, что в дальнейшем и было подтверждено в процессе экспериментальных исследований. В случае внесения вибраций в разделяемый поток в межмембранном канале образуется стоячая волна, мешающая образованию плотного слоя твердых отложений на поверхности мембраны. Таким образом, производительность ультрафильтрации поддерживается практически постоянной.
ВЫВОДЫ
1. Так как диффузионный сок сахарной свеклы представляет собой двухкомпонентный раствор, то моделирование его поведения при ультрафильтрации под воздействием вибраций необходимо рассматривать с позиции теории многофазных сплошных сред.
2. Сравнительный анализ численных данных полностью подтверждается экспериментально, что свидетельствует об адекватности проведенных исследований математической модели, предложенной для описания процесса ультрафильтрации диффузионного сока сахарной свеклы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кувардина Е.М. Динамика ультрафильтрационного аппарата для разделения диффузионного сока сахарной свеклы: Дис. ... канд. техн. наук. - Курск, 2003. - 142 с.
2. Седякина Т.В., Шляхова И.И., Булахов В.В. Влияние параметров на процесс ультрафильтрации // Сахарная пром-сть. -1998. - № 5-6. - С. 12-15.
3. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. Вычислительный эксперимент. -М.: Наука, 1982. - 392 с.
4. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. - М.: Физ.-мат. лит., 1994. - 448 с.
Поступила 31.08.04 г.
663.3
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЫКВЫ, ОБРАБОТАННОЙ ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАННЫМИВОДНЫМИ РАСТВОРАМИ
Т.В. МГЕБРИШВИЛИ, Е.Г. СТЕПАНОВА
Кубанский государственный технологический университет
Реологические свойства растительного сырья оказывают существенное влияние на условия проведения процессов его переработки [1, 2]. Знание реологиче-
ских свойств сырья и закономерностей их изменения может указать новые пути управления технологическими процессами, выбрать правильное решение при разработке технологического оборудования.
Известно, что в производстве продуктов для детского и функционального питания важное место отво-
