CC BY
22
665.37:541.183.001.4
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОРОВОЙ АДСОРБЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ СИСТЕМ ФОСФОЛИПИДНЫЙ КОНЦЕНТРАТ-АЦЕТОН И ЧАСТИЧНО ОБЕЗЖИРЕННЫЕ ФОСФОЛИПИДЫ-АЦЕТОН
А.А. ЛОБАНОВ, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ, Е.П. ІСОРНЕНА
Кубанский государственный технологический университет
В связи с расширением спроса на обезжиренные фосфолипиды актуальной задачей является совершенствование процесса экстракции масла и нежелательных примесей из фосфолипидного концентрата (ФК). Наиболее распространенный способ обезжиривания, заключающийся в четырехкратной периодической экстракции масла из ФК, имеет ряд недостатков, обусловленных высоким расходом ацетона, большими затратами энергии и времени на экстракцию. Классический способ противоточной экстракции ограниченно применим при обезжиривании ФК. Требуется предварительное однократное обезжиривание ФК ацетоном для получения твердой фазы частично обезжиренных фосфолипидов (ЧОФ) и последующая противоточная экстракция масла из ЧОФ.
Расчет и совершенствование процесса обезжиривания ФК с применением методов математического моделирования базируется на данных по равновесию в системах ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон, экспериментально полученных в работах [1, 2] и в настоящей работе. Твердые фосфолипиды имеют структуру с порами, заполненными маслом и ацетоном, молекулы которых, находящиеся в порах, взаимодействуют между собой и центрами адсорбции твердых фосфолипидов. Эта система названа «перовой жидкостью)) [3, 4]. Поровая жидкость взаимодействует с наружной мисцеллой, между ними происходит массообмен, поэтому' мы рассматриваем равновесие между ними. Равновесная массовая доля масла в поровой мисцслле выше, чем в наружной, из-за наличия различных форм связи между молекулами масла и центрами адсорбции. Наиболее вероятно, что среди них наибольшую величину имеют адсорбционные силы, оказывающие значительное влияние на процесс экстракции масла из капиллярно-пористого тела. Их необходимо учитывать при описании равновесия и при математическом моделировании процесса экстракции.
Наружная и поровая мисцеллы в равновесных системах ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон являются неидеальными жидкостями, о чем свидетельствуют полученные экспериментальные данные по их температурам кипения, которые не описываются законом Рауля. Та-
ким образом, возникает задача выбора непротиворечивой модели для описания равновесия в этих системах.
Для описания фазового равновесия в неидеальных жидких системах используется ряд современных теорий: ШТЬ, Ь!N1011 АС, АБОС, 1Ж1РАС [5]. Равновесие между поровой и наружной мисцеллами при наличии центров адсорбции описывает теория, базирующаяся на методах иЮТАС для жидких систем с учетом адсорбционных сил [3, 4]. Наиболее современной и простой теорией является поровая адсорбционная модель [6], в которой сначала выполнено описание адсорбированной поровой жидкости, а затем путем устремления к нулю числа центров адсорбции описана наружная мисцелла. Нами, как будет показано в дальнейшем, проверена применимость уравнений этой теории для описания наружной мисцеллы равновесных систем ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон путем сравнения экспериментальных и рассчитанных по этой теории температур кипения масляно-ацетоновых мисцелл. Поровая адсорбционная модель удовлетворительно предсказывает экспериментальные данные. Поэтому мы принимаем ее для описания равновесия в указанных системах как непротиворечивую, на единой основе описывающую поровую и наружную мисцеллы.
Цель настоящей работы - идентификация поровой адсорбционной модели равновесия для систем ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон. Поровая адсорбционная модель позволяет по известной мольной доле масла в наружной мисцелле рассчитать мольную долю масла в поровой мисцелле. Она содержит три экспериментально определяемых параметра, не зависящих от состава равновесных фаз, а именно: отражающие энергию взаимодействия молекул жидкой фазы между собой (масло-масло, масло-ацетон и ацетон-ацетон) и с центрами адсорбции (ацетон-адсорбент и масло-адсорбент) тв, а также удельную поверхность адсорбции а, т. е. поверхность, отнесенную к общей поверхности всех молекул.
Идентификация поровой адсорбционной модели заключается в нахождении оптимальных величин трех ее параметров, при которых сумма квадратов отклонений расчетных и экспериментальных значений мольной доли масла в поровой мисцелле минимальна. В равновесной системе капиллярнопористое тело-жидкость наружная мисцелла характеризуется лишь одним энергетическим параметром - т1>2 ввиду наличия
только молекул масла и ацетона и отсутствия центров адсорбции. Поровая же мисцелла характеризуется всеми тремя параметрами. В приближении парных взаимодействий, которое обычно принимается в моделях групповых составов, величина энергетического параметра Ті ? одинакова для наружной и поровой мисцелл. Поэтому с наибольшей точностью оптимальное значение этого параметра может быть определено по результатам эксперимента в системе пар-жидкость. Для этого исследовали зависимость температур кипения масляно-ацетоновых мисцелл от массовой доли в них масла в системе пар-масляно-ацетоновая мисцелла. Были приготовлены растворы масляно-ацетоновых мисцелл с массовой долей масла 10-90%. Использовали масло подсолнечное нерафинированное, выработанное на КЭМЗ, и ацетон марки ч. Каждый раствор мисцеллы объемом 150 см3 поочередно помещали в термостойкую колбу со слоем керамических колечек на дне и закрывали пробкой, в которую встроены термометр с ценой деления ОД °С и газоотводящая трубка так, чтобы нижний конец термометра был полностью погружен в раствор мисцеллы. Затем нагревали мис-цсллу до температуры кипения, следя за показаниями термометра. Эксперимент проводили при атмосферном давлении. О достижении системой температуры кипения судили по постоянству показаний термометра. Экспериментально полученная згтисимость температур кипения Т масляно-ацетоновых мисцелл от массовой доли масла М в них представлена на рис. 1.
М, %
Рис. 1
Пары над масляно-ацетоновой мисцеллой содержат только ацетон ввиду ничтожно малой летучести масла. Поэтому общее давление над мисцеллой Р явля-
ется давлением, создаваемым парами ацетона Р2, и может быть найдено из выражения [6]
Р = Рг =р:
0 Ф 2н 21,2н
ф2..
(1)
где Р° - упругость (парциальное давление) паров чистого ацетона;
- поверхностная доля молекул ацетона в наружной мисцелле; Зідн * отношение поверхности взаимодействия молекул масла и ацетона к их суммарной поверхности в наружной мисцелле.
Здесь и в дальнейшем индекс 1 обозначает масло
или молекулы масла, 2 - ацетон или молекулы ацетона. Поверхностная доля молекул масла в наружной
мисцелле ф2н рассчитывается по уравнению
>ї,.їі
*1н<7і +*2„'?2
(2)
где XIн, х^п - мольные доли масла и ацетона в мисцелле соответственно; ци <?2 - площади поверхности молекул масла и ацетона.
Величина ср2н может быть определена из выражения
ф1И + ф2н=1- (3)
Площади молекул чистых компонентов масла и ацетона определяются суммированием групповых параметров площади О),, приводимых в [7, 8]:
•'; " ’ '
где V*/ - целое число, равное числу групп типа т в молекуле ;.
Подсолнечное масло относится к жирным маслам, состоящим из смеси различных триглицеридов, свободных жирных кислот, фосфолипидов и нежировых веществ. Преобладающими в процентном соотношении являются триглицериды, представляющие собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и жирных кислот: двух молекул линолевой кислоты и
одной - олеиновой.
Таким образом, молекула подсолнечного масла может быть представлена в виде суммы нескольких
структурных групп: ' *
3 (СН3) + 37 (СН:) + СН + 5 (СН=СН) + 3 (СН2СОО); = 3 • 0,848 + 37 • 0,54 + 0,228 + 5 ■ 0,867 + 3 • 1,42 = =31,347;
молекула ацетона - в виде суммы двух структурных групп:
СН3СО + СН3;
Ц2 = 0,848 + 1,488 = 2,336.
Парциальное давление паров чистого ацетона связано с температурой формулой Антуана [6]
іп ш = а-
в
Т+С’
(5)
где коэффициенты А = 16,6513; В = 2940,46; С - -35,93; Т - ¡ + 273
- температура, К.
Энергетический параметр Ті>2 может быть определен из выражения
т1,23"і,2н _ (фін-3і,2н) (ф2н “ Зі 2н)-
(б)
Энергетический параметр AU связан с ті>2 форму-
лой
д и RT
(7)
1
(%-1)
(Ь-1)
(8)
Рассчитаем парциальное давление паров чистого ацетона Р°над мисцеллами по выражению (1). Эксперименты по установлению зависимости температу р кипения масляно-ацетоновых мисцелл от массовой доли масла в них проводились при атмосферном давлении. Поэтому при расчете парциального давления общее давление над мисцеллой Р2 примем равным атмосферному (1 бар). Затем по формуле Антуана (5) рассчитаем температуру кипения каждой мисцеллы. Найдем сумму квадратов отклонений расчетных температур кипения от экспериментальных 5, по выражению
s, )2,
(9)
где typ — расчетная температура кипения масляно-ацетоновой мисцеллы; tK- экспериментальная температура кипения мисцеллы.
Оптимальное значение параметра AU, при котором S, —» min найдено пошаговым методом. Приведенный выше алгоритм нахождения оптимального значения Д U реализован на ЭВМ в виде программы. Численный эксперимент по нахождению оптимального значения Д U проведен для масляно-ацетоновых мисцелл с мас-
совой долей масла в диапазоне 0-50%, который с запасом перекрывает диапазон реальных концентраций мисцеллы при экстракции. По результатам численного эксперимента оптимальное значение параметра ДС/ составляет 20300000 Дж, при этом 5, -> пип.
~< ' : ■ Таблица 1
Массовая доля масла Температура кипения мисцеллы. С
в миснелле. % расчетная 1 экспериментальная
Из выражения (7) видно, что энергетический параметр Т]>2 существенно зависит от температуры. Величина Д/7, в первом приближении, от температуры не зависит. Поэтому целесообразно при нахождении оптимального значения в качестве параметра выбрать Д С/ и по нему, в зависимости от температуры системы, рассчитывать параметр поровой адсорбционной модели т1>2.
Поиск оптимального значения параметра АЛ, обеспечивающего минимум суммы квадратов отклонений расчетных и экспериментальных температур кипения масляно-ацетоновых мисцелл, осуществим по следующему алгоритму. Для нескольких масляно-ацетоновых мисцелл с различной массовой долей масла рассчитаем поверхностные доли масла и ацетона ф]Н и ергн по выражениям (2)-(3). Задаем значение параметра Д С/ и по (7) рассчитываем для каждой мисцеллы с учетом ее экспериментально определенной температуры кипения параметр адсорбционной модели ті>2. Затем найдем зі>2н как имеющий физический смысл корень приведенного квадратного уравнения (8), полученного путем простых математических преобразований выражения (6): ... .
о
10
20
30
40
50
56,48
56,70
56,81
56,91
57,03
57,15
56.4
56.5
56.6 56,8 57,0 57,4
В табл. 1 представлены температуры кипения масляно-ацетоновых мисцелл, рассчитанные при оптимальном значении Д и. Можно сделать вывод о удовлетворительном согласовании значений расчетных и экспериментальных температур кипения мисцелл, наибольшая разница между которыми составляет 0,25 С. Таким образом, подтверждается предположение, что параметр ДС/ практически не зависит от температуры. Используя выражение (7), рассчитаем оптимальное значение параметра т12 поровой адсорбционной модели по оптимальному Д/У и температуре, равной 20 С (температура, при которой проводились эксперименты по изучению равновесия в системах ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон). Такой температуре соответствует оптимальное значение энергетического параметра т1>2 = 4160.
Поиск оптимальных значений параметров таиа поровой адсорбционной модели для систем ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон проведем на основании экспериментальных данных по равновесию в этих системах. Для этого при постоянном, найденном ранее значении = 4160 задаем начальные значения параметров га и а и методом покоординатного спуска Зейделя-Гаусса по приведенному ниже алгоритму найдем оптимальные значения этих двух параметров, чтобы сумма квадратов отклонений расчетных и экспериментальных мольных долей масла в поровой мисцелле Бх была минимальной. Все расчеты проведем параллельно для нескольких равновесных систем ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон, для которых известны экспериментальные массовые доли масла в наружной и поровой мисцеллах. Для каждой системы переведем мольные доли масла и ацетона в наружной мисцелле В поверхностные ф1н и ф2н по выражениям (2)-(3). По значению параметра тя найдем для каждой системы з\^к как имеющее физический смысл одного из двух корней приведенного квадратного уравнения (8). Рассчитаем отношение общей поверх-
ности перекрытия молекул масла и ацетона к их суммарной наружной поверхности в поровой мисцелле
~ /і
Jl,2 j1.2k '■ 1 и )■
/1 п\
Найдем отношение — из выражения
Ф2„
(И)
где Зі* — отношения оощеи поверхности перекрытия молекул масла или ацетона и центров адсорбции к суммарной наружной поверхности молекул масла и ацетона в поровой мисцелле,
С учетом (12) запишем выражение (13), из которого рассчитаем з\а
\(12)
(13)
Найдем значение cpj из выражения Фі =Фін (1-я) + з1л,
(14)
где ф] - поверхностная доля масла в поровой мисцелле.
Затем сделаем перевод поверхностных долей масла в поровых мисцеллах в мольные по выражению
Фі9і
Фх^і +(!—Фі)<?2
(15)
(16)
где х1р - расчетная мольная доля масла в поровой мисцелле; х1 - экспериментальная мольная доля масла в поровой мисцелле.
Приведенный алгоритм нахождения оптимальных значений параметров ха и а реализован на ЭВМ в виде программы. Поиск этих значений для равновесной системы ФК-ацетон осуществляли, используя зкепе-риментальные данные по равновесию в данной системе, полученные в работах [1, 2] для массовых соотношений ФК : ацетон 1 : 2; 1 : 3; 1 : 4 и 1 : 8. Примем начальное значение параметра а - ОД как соответствующее однослойной адсорбционной модели. При этом все центры адсорбции заняты молекулами масла и ацетона, причем последние покрывают их в один слой.
При постоянном значении параметра тчд = 4160 и начальных значениях ха = 100 и а = ОД методом покоординатного спуска Зейделя-Гаусса проводим численный эксперимент по поиску оптимальных значений параметров 1а и а, при которых 8Х -* пип. Найденные значения равны соответственно 0,25 и 0,097. Таким образом, оптимальные значения параметров поровой адсорбционной модели, идентифицированной для системы ФК-ацетон: = 4160, га = 0,25 и а = 0,097. При
этом значение суммы квадратов отклонений расчет-
ных и экспериментальных мольных долей масла в поровой мисцелле 5, составляет 11164-Ю'10.
В связи с тем, что в процессе экстракции масла по-ровый объем материала и объем экстрагента (наружной мисцеллы) не изменяются по длине экстрактора, расчет экстракции целесообразно проводить с использованием объемных расходов и объемных долей. Поэтому мольные доли масла в мисцелле х1 были переведены в объемные хл по выражению
Мх
\,{ Д/
(17)
Найдем сумму квадратов отклонений расчетных мольных долей масла в поровой мисцелле от экспериментальных ^ по выражению
где М\ - молярная масса подсолнечного масла, М\ ~ 882 г/моль; Мг - молярная масса ацетона. Mi = 58 г/моль; р[ - плотность подсолнечного масла, pi =916 кг/м3; рг- плотность ацетона, р2 = 791 кг/м3.
Поиск оптимальных значений параметров ха и а для равновесной системы ЧОФ-ацетон проводили аналогичным образом. Экспериментально исследовали равновесие в системе ЧОФ-ацетон. Исходным сырьем послужил подсолнечный ФК, выработанный на Лабин-ском МЭЗ. В качестве экстрагента использовали ацетон марки ч по ГОСТ 2603-79.
Необходимые для изучения равновесия в системе ЧОФ-ацетон ЧОФ были получены в результате однократной экстракции ацетоном масла из ФК, которую осуществили путем постепенного введения нагретого до 60°С ФК в ацетон при непрерывном перемешивании лабораторной мешалкой со скоростью 5 с'1. Массовое соотношение ФК : ацетон брали равным 1 : 2,7. После введения всего количества ФК перемешивание продолжали в течение 5 мин при той же скорости, затем его прекращали и производили экспозицию полученной системы в течение 72 ч при температуре 20°С до установления полного равновесия. Во время экспозиции систему периодически перемешивали. После экспозиции отделяли мисцеллу от твердых ЧОФ декантацией и далее по известным стандартным методикам определяли качественные показатели мисцеллы и ЧОФ. После однократной экстракции масла из ФК получены ЧОФ с массовой долей масла 8,95%, ацетона 53,32%, фосфолипидов 37,73%.
При исследовании равновесия в системе ЧОФ-аце-тон массовые соотношения компонентов варьировали соответственно в пределах от 1 : 2 до 1 ; 16. Выбор такого диапазона соотношений обусловлен нецелесообразностью проведения процесса экстракции вне его границ. Варьируя количество ЧОФ при постоянном объеме экстрагента, осуществляли введение ЧОФ в ацетон при непрерывном перемешивании лабораторной мешалкой со скоростью 5 с’1. После введения всего количества ЧОФ перемешивание продолжали в течение 5 мин при той же скорости, после чего производили экспозицию системы при темпераауре 20 С в течение 72 ч, периодически ее перемешивая. Все системы находились в условиях, обеспечивающих максималь-
ное исключение влияния внешних факторов на равновесие. После экспозиции мисцеллу отделяли от обезжиренных фосфолипидов декантацией и затем исследовали их качественные показатели по известным методикам. Результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Массовая доля, % массс 1 ; 16 1 >вое сос ; : 6 ІТНОШЄНИЄ ! 1:3 : Г-1- . 1 : 2 ацетон 1 1 : 1,6
Мисцелла
масло 0,49 1,123 1,996 2.612 3,081
ацетон 99,5 98,86 97,98 97,36 96,89
фосфолипиды 0,01 0,017 0,024 0,028 0,029
Обезжиренные
фосфолипиды масло 1,33 1,98 2,76 Г52 4,22
ацетон 61,14 56,96 54,59 56,64 52,53
фосфолипиды 37,53 41,06 42,65 39,84 43,25
Поиск оптимальных значений параметров ха и а для равновесной системы ЧОФ-ацетон проводили методом покоординатного спуска, используя полученные экспериментальные данные по равновесию в этой системе для массовых соотношений ЧОФ : ацетон 1 : 2; 1: 3; 1 : 6 и 1 :16. При постоянном значении Tij2 =4160 и начальных значениях ха = 100 и а =0,1 провели численный эксперимент по поиску оптимальных значений параметров ха и а, при которых Sx -> min. Найденные значения равны соответственно 0,041 и 0,097. Таким образом, оптимальные параметры поровой адсорбционной модели, идентифицированной для системы ЧОФ-ацетон: т1>2 = 4160, т0 = 0,041 и а = 0,097. При этом значение суммы квадратов отклонений расчетных и экспериментальных мольных долей масла в поровой мисцелле Sx составляет 4605-Ю'10.
Поровая адсорбционная модель с определенными по формализованному методу Зейделя-Гаусса параметрами Ti? = 4160, ха = 0,25 и а = 0,097 для системы ФК-ацетон и Ti>2 = 4160, ха = 0,041 и а = 0,097 для системы ЧОФ-ацетон в целом удовлетворительно описывает равновесие в этих системах. Однако применение классического метода покоординатного спуска не позволяет достичь достаточно малых значений суммы квадратов отклонений Sx. Полученное описание равновесия для обеих систем не является удачным с качественной точки зрения. Это обусловлено тем, что в области низких концентраций мисцелл, которая наиболее важна для расчета процесса экстракции, имеются существенные отличия расчетных данных от экспериментальных (модель предсказывает меньшие адсорбционные эффекты, чем экспериментальные данные). Все это свидетельствует о наличии овражной ситуации и невозможности ее преодоления с помощью классического метода покоординатного спуска.
Поэтому был применен метод поиска оптимума в овражной ситуации, состоящий в следующем. За начальные значения параметров ха и а принимались значения из убывающего ряда в диапазоне 0,25-0 и 0,097-0 соответственно для системы ФК-ацетон и 0,041-0 и 0,097-0 соответственно для системы
ЧОФ-ацетон. Далее методом покоординатного спуска при каждой принятой паре начальных значений ха и а, и х1>2 = 4160 производился поиск оптимальных значений параметров ха и а.
Найденные по такому методу оптимальные значения параметров поровой адсорбционной модели та и а составили соответственно 0,01 и 0,025 для системы ФК-ацетон и 0,005 и 0,035 для системы ЧОФ-ацетон. При таких значениях т„иа сумма квадратов отклонений 5"* для каждой системы 1103-Ю'10 и 438-Ю"10 соответственно. Таким образом, в результате разрешения овражной ситуации оказалось возможным снизить значение 8Х на порядок. При этом получено значительно более точное описание экспериментальных равновесных данных во всем диапазоне концентраций мисцелл, особенно в области низких концентраций.
Мц,
%
16
1 Л
I **
12
10
8
6
4-
2
0
Равновесные экспериментальные данные и рассчитанные по поровой адсорбционной модели с параметрами т!>2 = 4160, ха = 0,01 и а = 0,025 для системы ФК-ацетон представлены на рис. 2 (« экспериментальная зависимость, ■— расчетная зависимость, — линия равенства содержания масла в поровой и наружной мисцеллах; Мп, Мн - объемные доли масла в поровой я наружной мисцеллах).
Равновесные экспериментальные данные и рассчитанные по модели с параметрами Т!_2 = 4160, ха = 0,005 и а- 0,035 для системы ЧОФ-ацетон представлены на рис. 3 (обозначения аналогичны рис. 2). Анализ результатов показывает, что идентифицированная поровая адсорбционная модель достаточно точно описывает равновесие в системах ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон.
Оптимальное значение параметра Т] 3 было определено по результатам эксперимента в системе пар-жидкость. Это значение также может быть найдено по равновесным данным в системах твердое тело-жидкость, которые, следует отметить, являются менее точными, чем данные по температурам кипения мисцелл для системы пар-жидкость, что обусловлено меньшей ве-
1 I 1 I 1 1 1 I 1 н—1—I—
0 2 4 Б т ю 12 14 16
Мн, %
Рис. 2
Mil В у—............
%
ж
о
5 6
Мн, %
Рис. 3
личиной ошиоок эксперимента в последней системе. Представляет интерес сравнить значение параметра Т1_2, найденное независимо по экспериментальным данным в системе твердое тело-жидкость, с установленным ранее значением 4160. Для этого был проведен численный эксперимент го определению пошаговым методом оптимального значения параметра поро-вой адсорбционной модели для систем ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон. При этом использовались экспериментальные данные по равновесию в этих системах и найденные ранее оптимальные значения параметров ха и а для каждой из них. Найденное значение параметра т1>2 для системы ФК-ацетон составило 400, для системы ЧОФ-ацетон 2600. При таких значениях х^2 сумма квадратов отклонений 5,. для каждой системы составляет соответственно Ю4ЫО'10 и 410-10"!° При Т] 2 — 4160 для каждой системы равна соответственно 1103-10"10 и 438-10'1и. Таким образом, ошибки по X, равные 5,6 и 6,4%, находятся в рамках точности эксперимента. Поэтому оптимальное значение параметра т., 2 поровой адсорбционной модели равно 4160 как найденное из более точных экспериментальных данных в системе пар-жидкость.
При значениях больше 1000 величина суммы квадратов отклонений 8Х проявляет матую чувствительность К увеличению Т];2- Необходимо отметить, что значение параметра поровой адсорбционной модели т]>2 - 4160 на несколько порядков выше величин двух других параметров ха и а, определенных для систем ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон. Это позволяет сделать следующие выводы. Параметр т!>2, характеризующий взаимодействие между молекулами масла и ацетона, оказывает незначительное влияние на адсорбционные эффекты в этих системах. Основными параметрами, определяющими различие в составах поровой и наружной мисцелл, являются ха и а. Таким образом, силы взаимодействия между молекулами масла и ацетона
значительно меньше сил взаимодеиствия их с центрами адсорбции твердых фосфолипидов. Это подтверждает высказанное вначале предположение о превачи-ровании адсорбционных эффектов над всеми остальными в системах ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон.
При сравнении рис. 2 и 3 можно сделать вывод, что твердые фосфолипиды подвержены изменению своих свойств под воздействием ацетона, так как адсорбци-онкые эффекты в системе ЧОФ-ацеток ззметко выше,
ж ту лтгато» io rf\V а*тлгглтг 1 Га’^т'Лчпг 'г-пл-пттт та ттт»
nvivi ß Ч-'jtv—cuiv i п.. i x\j j i \j a/ijf
пиды нельзя рассматривать как чистый адсорбент, например как активированный уголь. Помимо адсорбционных эффектов, возможно, имеются иные, которые удерживают дополнительные количества масла в поровой мисцелле. Наиболее вероятно, что воздействие ацетона при экстракции модифицирует фосфолипиды как твердое тело, что приводит к увеличению адсорбционных эффектов.
Полученные в настоящей работе результаты могут быть использованы при расчете процесса однократной экстракции масла из ФК, для создания математической модели и расчета противоточной экстракции масла из ЧОФ, а также для экспресс-определения содержания масла в масляно-ацетоновых мисцеллах по температурам их кипения.
выводы
1. Системы ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон наиболее точно могут быть рассмотрены как системы капиллярнопористое тело-жидкость. Для описания равновесия в этих системах выбрана поровая адсорбционная модель как непротиворечивая, на единой основе описывающая поровую и наружную жидкость.
2. Поровая адсорбционная модель равновесия капиллярнопористое тело-жидкость идентифицирована для систем ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон. Оптимальными параметрами модели для системы ФК-ацетон являются Т| 2 ~ 4160, та = 0,01 и а — 0,025, а для системы ЧОФ-ацетонTii2 =4160, ха =0,005 иа = 0,035.
3. Поровая адсорбционная модель, идентифицированная для систем ФК-ацетон и ЧОФ-ацетон, достаточно точно описывает равновесие в этих системах.
4. Твердые фосфолипиды подвержены изменению своих свойств (модификации) при экстракции под воздействием ацетона.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лобанов А.А., Бупша Е.А., Черкасов В.Н., Константинов Е.Н. Особенности равновесия системы фосфолипидный конце нтрат-аце рои // Изв. вузов. Пищевая технолога#.2001. - № 4. -С. 64-67.
2. Лобанов A.A., Константинов Е.И. Равновесные и кинетические закономерности процесса экстракции масла из фосфоли-пидного концентрата и частично обезжиренных фосфолипидов // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2002. - № 2-3. -■ С. 39-41.
3. Константинов Е.Н., Короткова Т.Г. Квазихимиче-
ский метод описания адсорбционного равновесия для расслаивающихся жидких смесей (основные соотношения) // i еоретические основы химической технологии. - 1994. - № 3. - С. 243-250.
4. Константинов Е.Н., Короткова Т.Г. Квазихимиче-
ский метод описания адсорбционного равновесия для расслаивающихся жидких смесей (расчетные уравнения и их практическое применение) // Там же. - № 4. - С. 429-432.
5. Короткова Т.Г. Математическое моделирование экстрагирования касторового масла из гранул клещевины: Дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар, 1993,- 157 с. + Прил. 1 с.
6. Константинов В.Е., Короткова Т.Г., Константинов
Е.Н. Равновесие в системе жидкость-пористое твердое тело // Изв. вузов. Пищевая технология. — 2000. -№ 1. — С. 65-69.
7. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Под ред. Б.И. Соколова: Пер с англ. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1982. - 592 с.
8. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: В 2-х ч. / Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.
Кафедра процессов и аппаратов пшцевых производств
Поступила 03.09.02 г.
66.047.1.004.14
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА СУШКИ СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА ТОПОЧНЫМИ ГАЗАМИ И ПЕРЕГРЕТЫМ ПАРОМ
И.Т. KPETOB, В.М. КРАВЧЕНКО, A.B. ДРАННИКОВ
Воронежская государственная технологическая академия
В настоящее время наиболее перспективным является способ сушки свекловичного жома перегретым паром [1]. Он позволяет значительно ускорить процесс сушки, улучшить качество готового продукта, исключить выбросы вредных веществ в окружающую среду, уменьшить расход топлива.
Чтобы определить конкретное значение экономии топлива, сравним указанный способ с традиционной сушкой жома в барабанной сушилке топочными газами с точки зрения теплового баланса при одинаковых исходных данных: производительность завода по свекле GCB 3000 т/сут, производительность по сырому жому Осыр.ж, 2400 т/сут (50% - на сушку).
Для сравнительного анализа расчеты будем вести для отжатого жома с содержанием сухих веществ (СВ) 16 и 25%. Соответственно производительность по отжатому жому С0.ж составит 18 750 и 12 000 кг/ч. Производительность по испаренной влаге Gm 15 300 и 8 600 кг/ч соответственно. Производительность по сухому жому (СВ 88%) Gc ж 3 410 кг/ч.
бт + бв + бо.ж -бпол +бух +0с.
(1)
а-
а-
ТУ
1 От
Ч.
БС
-бу*
~Qno.
'Ос,
!
Оо -ж. Рис. 1
Вначале рассмотрим сушку' свекловичного жома в барабанной сушилке.
Составим уравнение теплового баланса барабанной жомосушильной установки согласно расчетной схеме (рис. 1: ТУ - топочное устройство, БС - барабанная сушилка)
где <2Ъ £>„, Оож - тепло, внесенное с топливом, с воздухом и с отжатым жомом, кДж/кг, соответственно; Опт - полезно использованное тепло, содержащееся в испаренной влаге, кДж/кг, <2ух - тепло газов, уходящих из сушилки, кДж/кг, Qi:,ж тепло, уходящее с сушеным жомом, кДж/кг.
Здесь и далее в расчетах указана размерность на 1 кг сжигаемого топлива. В качестве топлива используется мазут с низшей теплотворной способностью 0РН 38 800 кДж/кг. Таким образом, О, = (¿РИ = 38 800 кДж/кг.
Расчеты будем вести согласно схеме, представленной в [2], без учета потерь тепла в окружающую среду и присосов воздуха на входе в барабан.
Тепло, внесенное воздухом в топочное устройство, определим по формуле 0!
О, -aV„c.t.
(2)
где а - коэффициент избытка воздуха, принимаем теоретическое значение а = 1; У0 - теоретический объем воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг топлива, при а =1 У0 - 10,2 м3/кг; св - удельная теплоемкость окружающего воздуха, с8 = 1,37 кДж/(м3-°С); - тем-
пература окружающего воздуха, Ю°С.
Ов= 1-10,2-1,37-10 = 140 кДж/кг.
Теплота с отходящими газами Оух равна энтальпии уходящих газов, которую принимаем 1^-5 147 кДж/кг, основываясь на расчетах [2].
Следовательно, бух = Л-х = 5 147 кДж/кг.
Полезно используемое тепло су шильного агента определим из соотношения
QZ=Qr+Q. -бух-
(3)
бпТ = 38 800 + 140-5 147 = 33 793 кДж/кг. Тепло, необходимое для испарения 1 кг влаги qB_ кДж/кг, вычислим по формуле
9« = ' + с, (100 -б„.,) + сж (Є с.ж - 0 0. ж Х
(4)
где г - скрытая теплота парообразования водяного пара, при температуре выходящего из барабана газа Гвьк ~ 130°Сг^2313,5 кДж/кг; сй
]
