CC BY
43
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ГТИЩЕВ.® ТЕХНОЛОГИЯ, № 1, 1992
■ I
■ I
■5.
::,1
в основном с наличием в ннх кальция в различном состоянии. Это обстоятельство необходимо учитывать как при разработке новых технологических приемов удаления избыточного содержания кальция из вин, так и при прогнозировании образования кальциевых кристаллических помутнений, а также и коллоидных.
Вывод
От 10 до 20% общей массовой концентрации кальпия составляет кальцин в виде комплексных соединений с высокомолекулярными веществами вина.
ЛИТЕРАТУРА
Д а г у н а ш в и л и Е. И., Ежов В. Н. Характеристика полисахаридов, содержащихся в твердой фракции суспензии помутневших вин //Прнкл. бпо-хим. и микробиол. — 1976. — 12 — Вып 5 — С. 767.
Таран И. Г. Формы кальция в сусле и вино-материалах и роль его в образовании помутнений //Садоводство и виноградарство Молпавиг. — 1988. — № 12. — С. 38.
Балануцэ А. П., М у с т я и э Г. Ф. Современная технология столовых вин. — Кишинев: Картя Молдовеняска, 1985.
Методы технологического и микробиологического контроля в ВИНП1ЙЛ1Ш /Под. ред. Г. Г. Валуйко. — М.: Пищ. пром-сть, 1980.
Кафедра технологии продуктов переработки винограда
Поступила 22.07.91
Її.1"
ї.'і
66.061.4.001.573
ГИДРОДИНАМИКА И МАССООБМЕН В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-СТРУЙНЫХ ТВЕРДОФАЗНЫХ ЭКСТРАКТОРАХ
А. Л. ИГНАТЕНКОВ, II. М. ФЕДОТКИН Киевский политехнический институт
щ
3
і
I!
Применение дифференциально-струйных экстракторов [1] в пищевой, химической п других отраслях промышленности позволяет существенно повысить эффективность процессов твердофазного массообмена. При разработке аппаратов требуется решение комплекса вопросов гидродинамики, массообмена и других, что может быть осуществлено на основе математического моделирования и экспериментальных данных.
Цель нашей работы — обоснование параметров дифференциально-струйных экстракторов при их использовании в процессах извлечения веществ из твердых пористых материалов, в частности сахара из свеклы в свеклосахарном производстве.
Дифференциально-струйный экстрактор представляет собой совокупность чередующихся по высоте зон с различным режимом' взаимодействия фаз: вблизи рабочих органов
— зон турбулентного движения среды (зона колебаний) и в межтарелочном пространстве
— зона относительно спокойного движения фаз (зона слоя). Такое разделение аппарата на отдельные зоны дает возможность смоделировать работу отдельных участков и оценить гидродинамические характеристики, параметры массопередачи н продольного пере-Жшивания в лабораторных условиях с последующим использованием их в расчете Промышленного аппарата. Главным при, (этом является расчет массообмена. Его рационально осуществить по интервалам с предварительным заданием одной из искомых концентраций (например, концентрация целевогЦ компонента в выходящей жидкости), последовательным расчетом концентраций по дли-Йе аппар-ата [2] с переходом от одной зоны к
Лугой и аффинным преобразованием полученных кривых экстракции, например, соответственно концентрации целевого компонента в жидкости, входящей в аппарат [2]. Такой подход позволяет учесть изменение гидродинамических и массообменных характеристик при переходе от одной зоны к другой с усреднением их в пределах каждой зоны.
Исходные данные и промежуточные параметры расчета выбираются следующим образом.
Физические свойства взаимодействующих фаз определяются технологическими условиями. Размер частиц твердой фазы устанавливается соответственно способу подготовки ее к экстрагированию с учетом того, что в дифференциально-струйном экстракторе может осуществляться переработка твердой фазы более высокой степени дисперсности по сравнению с существующими аппаратами.
Значения объемной доли хт (пористости е), удельной поверхности твердой фазы ак, доли сечения аппарата Фт, занимаемой твердой фазой, коэффициентов массоотдачи, массопро-водпости и продольного перемешивания определяются по специальным методикам [3—7]. Для ориентировочного расчета эти величины могут быть оценены теоретически. Так, соответственно среднему размеру твердой фазы может быть установлена пористость неуплотненного слоя твердых частиц в жидкости.
Поскольку любой слой твердой фазы повышенной дисперсности имеет свойство сжимаемости, определить среднюю пористость сл©я за период колебаний рационально на основе гидродинамической теории фильтрации
[8] с учетом сжимаемости и времени сжатия слоя в течение периода колебаний. Содержа-
нне частиц в жидкости в зоне колебаний может быть принято из условия максимума, при котором суспензия сохраняет свойства текучести и возможности турбулизации. Эти данные позволяют оценить значения хт и ак.
Рациональный выбор параметров колебаний — сложная н недетерминированная задача, которая решается, исходя из возможностей выбранного типа привода аппарата, условий прочности, надежности, конструктивных особенностей рабочих органов, характеристик твердой и жидкой фаз. Поэтому окончательный выбор этих параметров осуществляется после выполнения нескольких вариантов расчета.
Удельная производительность аппарата (на 1 м2 сечения) определяется производительностью тарелки на основе гидродинамической модели, содержащей уравнения неразрывности н движения среды через элементы тарелки [9]. Модель позволяет при этом определить оптимальное соотношение элементов тарелки (проходных сечений сетки, фильтрующих и транспортных сопл) с учетом рационального уровня производительности и потребной мощности. В результате расчета также получают данные о режимах движения среды через элементы тарелки, которые используются для расчета коэффициентов мас-соотдачи и продольного перемешивания в зоне колебаний (расчет коэффициентов осуществляется по соответствующим критериальным уравнениям).
Параметры колебаний, физические и расходные характеристики фаз позволяют оценить скорость движения последних в зоне слоя. Для несжимаемого слоя оценка такой скорости осуществляется с учетом пористости, неизменной во времени. Для сжимаемого слоя на основе гидродинамической теории фильтрации [8] нами показано, что в пределах сжимаемости слоя средняя скорость движения жидкости относительно твердых частиц за время сжатия слоя тарелкой в течение полупериода колебаний может быть рассчитана с помощью простой приближенной зависимости:
соот ~ 1,5о)о/ег,
где соо —■ средняя скорость движения тарелки, м/с;
8С — средняя (за время сжатия) пористость слоя.
Характер взаимодействия тарелки со слоем меняется в течение периода колебаний. В первом приближении может быть принято, что в одном из полупериодов осуществляется сжатие слоя тарелкой с фильтрацией через него жидкости по приведенному уравнению, в другом же полупериоде слой движется совместно с жидкостью и относительная скорость движения фаз в нем мала. Соответственно этим двум режимам движения жидкости по критериальным уравнениям рассчитывают коэффициент массоотдачи в слое как средний из двух значений. ■ ■
По изложенной методике рассчитан дифференциально-струйный экстрактор сечением 0,5 м2 и высотой рабочей зоны 1,5 м для извлечения сахара из крошки сахарной свеклы, полученной на шнековом измельчителе с диаметром отверстий выходного ножа 7 мм. Исходные данные для расчета выбраны следующим образом.
Эквивалентный радиус частиц полиднеперс-пой смеси на выходе из шнекового измельчителя (форма частиц принята шарообразной) п коэффициент массопроводностн измерены экспериментально по методике [7] и составили: к = о,75 мм. 0 = 0,75-10"9 м/с.
В эксперименте аппарат работал с неполной нагрузкой по твердой фазе вследствие несовершенства загрузочного устройства, поэтому содержание твердой фазы в зоне колебаний рабочих органов составило хк = 0,15 м3/м3. Теоретическая производительность, подтвержденная экспериментально, составила 0=14 кг/мин (производительность рассчитана по методике [3]. Соотношение твердой и жидкой фаз С/Ь = 0,7.
Содержание твердой фазы в жидкости в зоне слоя хс = 0,35 м3/м3 рассчитано на основе гидродинамической теории фильтрации
[9] с учетом сжимаемости (г= 10* Па--с/м2, С/Со = 2, Кк= 150. ср = 1, |д = 0.007 Па-с.
р=Ю3 кг/м3 — удельное сопротивление фильтрованию слоя, отношение модулей сжимаемости слоя среднего и конечного, константа Козени, коэффициент формы, вязкость и плотность среды соответственно).
По методике [6] рассчитаны значения ак н Фт. которые для зоны слоя составили соответственно 0,16 • 103 м2/м3 и 0,6 м2/м2, для зоны колебаний — 0,4-103 м2/м:! и 0,15 м2/м2.
Коэффициенты продольного перемешивания в потоках твердой и жидкой фаз приняты по данным [8], полученным при моделировании гидродинамики различных зон аппарата на лабораторной установке соответственно, для зоны колебаний Етк=10_:! и ЕЖк =
= 2-10~3 м/с, для зоны слоя — Етс = 0,35-10~4 и Ежс = 0,7/10-4 м/с.
Для амплитуды А = 0,015 м и частоты п = 2,5 Гц колебаний рабочих органов и относительного живого сечения их фильтрующей сетки ^=1 м2/м2 (принято из условия технологичности изготовления аппарата) по методике [3] просчитаны относительные проходные сечения транспортных 1Т = 0,06 и фильтрующих £ф = 0,08 сопл из условия обеспечения максимума производительности
С=1,4-10“3 м?/(м2-с) при рациональном
снижении мощности до N>- = 0,5 Вт/м2 и нагрузок на тарелку Ру = 0,017-105 Па (как уже сказано, аппарат испытывался при меньшей О.
Исходя из найденных величин скорости движения среды через транспортные, фильтрующие сопла и сетку (сот=1,5; соф=1; сое = 0,08 м/с), а также из скорости обтекания ТВерДЫХ ЧаСТИЦ ЖИДКОСТИ В СЛОе (&)0т =
= 0,65 м/с), по критериальным уравнениям [5] рассчитаны коэффициенты массоотдачи для
с.югг К Кх.=3-1 |7| ийл<.3
§ЩЙ1
5
■! * Ь
Гг ^
А
, £ % [Л
::ч
ПИ У |
^и.иЛ:,
ле.и.иг::
с I г
ним I;::. цЕтлатидТ 341^1-1 и’1!'
1. Рп: тлрои
нладик»!
ЛОЛ'СЛЛ! ’•сс.'чд::-1<р<; 1ссг/
. 1992
- ! II и
-'К II -1 И ГЦ1П И.І
.. -ск,: ы.
І ії/ТЩ . ч и-.л-.
I-.LI.ei3f-■
і::.-;.! ■/.:)
' V I-.:Й Ніітаїй.
> чр.г о і ■ |лгг&ис |._П. по-
01IV №й ■
I' .V і = ;^ЗЄ І"?.
, "ГЛ.ИЛ И
II-. (. Н її 13 -і: ? іиіі И
цлґ-тіі а
|.Ґ[1Л-| кл А " - С,1' -
1-е.
іь.’і'ніі:'
ііЯ с# у- ■
І^МІК-ІҐІІ--
к. ІЇ П. "Г
|‘К1-> ак пі ::ииі/ П.ІН .10 -
;
т
111 1Т-1
її-: уы-
I МіІ^ґіТ^
.-. иОі і ко, її« — .30-ЦІ +
Ьяг.тйі И
"И П
р-грч!^ мы;-, НУ; 1.о Ь> г~и-
«.Оф -Ї
л ч'ЪЬ"-■і:.і:кііі н ,п .і .Ю.-'
I л І.Л-
>5 11; ч к ■л ?йк-
і'їн
:||.:.и ■
-Ч
'іт^:-: н і. і.м
і \ Ыт ~
Ь.г-.н [ і] ін.і Д.і£
ИЗВЦ.СТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ)® 1, 1992
слоя І\И=10~6м2/с и для зоны колебаний К;жк=34-10^6 м2/с. Их проверка по методике [7] показала те же величины.
*
§ <?
° экспериментальные данные • теоретический расчет
О 4,1
ІР
о41
СП
■/рг ЦЮ ОЇ8 060 О,и 0,90 О,К 1,20 Ш ВЁЕ>\
оысота аппарата, м
Результаты расчета экстракционных кривых по указанной методике представлены на рисунке. Здесь же обозначены результаты экспериментального исследования промышленного аппарата описанной конструкции, показывающие практически полное совпадение с теоретическим расчетом (экспериментальное исследование выполнено на Носовском сахарном заводе Черниговского свеклосахар-агропрома).
Выводы
1. Разработанная общая методика расчета гидродинамики и массообмена в дифферен-циально-струйных твердофазных экстракторах позволяет на основании данных лабораторных исследований осуществить адекватно расчет процессов в аппаратах промышленного масштаба.
2. Дифференциально-струйный аппарат оптимальной конструкции по удельной (на единицу количества перерабатываемого сырья) энергоемкости не уступает действующим в сахарной промышленности диффузионным аппаратам, в то же время обеспечивает качественную переработку сырья более высокой степени измельчения, что перспективно в плане существенного уменьшения габаритов, металлоемкости, а следовательно, и повышения надежности диффузионных аппаратов.
ЛИТЕРАТУРА
I И г н а т е и к о в А. Л., Л а г о д а В. Д.. А р х н-п о в н ч Н. Л., М. ы л !. и и к о в Г. II. Дифферен-цнально-струйный экстрактор /А. с. Л» 1443921 (СССР) от 29.01.1987 г. — Опубл и Б И — 1988. — № 46.
Игнатенков А. Л., Федоткин П. М. Мате-
воточпых твердофазных экстракторах //Изв.* вузов, Пищевая технология. — 1991. — № 1—3.
3. Игнатенков А. Л. Исследование закономерностей интенсификации массообмена для системы твердое тело—жидкость в пищевой промышленности: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — Киев, 1980, 24 с.
Г а л ь и е р и н И. II.. П с б а л к В. Л., Костаняи А. Е. Структура потокеп и эффективность колонных аппаратов химической промышленности — М.-264 с.
М. Процесс экстракции сахара и расчет. — М.: Пищ. пром-сть,
4.
5.
Д. Удельная — Л.: Пз1Г-во
Химия, 1977.
Л ы с я н с к и и В. из свеклы. Теория 1973. — 225 с.
Курочкина М. И, Лунев В. поверхность дисперсных материалов.
Ленингр. ун-та, 1980. — 140 с.
Игнатенков А. Л., Лобода П. Г1. Исследование массообменных характеристик экстракторов с вибрирующими устройствами, — В сб.: Технология и оборудование пищевой иром-сти и пищевое машиностроение. — Краснодарск. политехи, пн-т, 1986. — С. 48.
И г п а т с н к о в А. Л., Лобода П. П. Эффективность продольного перемешивания твердей фазы в массообменных аппаратах с колеблющимися устройствами //Сахарная пром-сть. — 1986 —
№ 7. — С. 23.
Федоткин И. М., Воробьев Е. М.. Вьюн В. И. Гидродинамическая теория фильтрования суспензий — Киев: Вища школа, 1986. — 186 с. Лобода П. П., Игнатенков А. Л. Особенности противоточного массообмена между твердой фазой и жидкостью в поле низкочастотных механических колебаний // Изв. вузов. Пищевая технология. — 1983. — № 6. —: "С. 107.
Кафедра химического, полимерного и силикатного машиностроения Поступила 19.12.90
10
