Математическое моделирование работы шнекового экстрактора и оценка эффективности путей его совершенствования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

665.1.034.002.5

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ШНЕКОВОГО ЭКСТРАКТОРА И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПУТЕЙ ЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

Е.П. КОШЕВОЙ, А,В. БОРОВСКИЙ,

Д.Г. КВАРАДХЕЛИЯ

Кубанский государственный технологический, университет

С целью оценки влияния различных интенсифицирующих факторов была разработана математическая модель вертикального шнекового экстрактора, оформленная в виде программы на языке Фортран [1]. Это позволяет провести численное исследование на ЭВМ работы экстрактора при варьировании основных факторов и конструктивных. изменений.

В качестве базовых значений основных факторов выбраны: производительность по экстрагируемому материалу &мат = 8000 кг/ч; соотношение по массе растворитель—материал Я = 1,1; начальная и конечная масличность материала Мк = 18%, Мх -= 1%; влажность материала УУ = 6%_^ средний характерный размер частиц <5 = 0,4-10 м; параметры ленгмюровской равновесной зависимости — а = 1,275-10 2, Сь = 413к/Д; предельный коэффициент внутренней диффузии Дт = 8,27-10 м2/с; параметр нелинейности внутренней диффузии Хвн = 692,7.

Конструктивные параметры применительно к вертикальному шнековому экстрактору приняты соответствующими экстрактору НД-1250: диаметры колонны и вала О = 1,25 м, = 0,12 м; шаг шнека 5> = 0,45 м; частота вращения шнека загру-зочной~колонны со = 0,83 мин”1.

В результате расчета по программе, составленной для разработанной математической модели экстрактора, установлена рабочая длина Ь = = 18,13 м. Это практически соответствует рабочей длине экстрактора НД-1250 — 18,0 м.

Длина экстрактора с идеальным контактированием, т.е. с отсутствием продольного перемешивания по обеим фазам, при указанных остальных базовых значениях факторов составила Iй = = 14,3 м. Таким образом, потенциально возможно за счет полного исключения нарушений идеального контактирования увеличить производительность экстрактора по отношению к базовому примерно на 20%.

Установлено, что по жидкой фазе коэффициент продольного перемешивания {О е = 8,7-10 4 м2/с) примерно на порядок меньше, чем по твердой фазе (Ь\ = 8,2-10 3 м /с). Таким образом, надо обращать внимание не только на подавление байпасных потоков жидкой фазы, но и сам принцип транспортирования твердой фазы. В частности, уменьшение шага шнека дает резкое улучшение работы экстрактора (рис. 1).

Сток жидкой фазы даже за короткий период пребывания на последнем витке (тсг = 47,8 с) протекает эффективно (бензоемкость отходящего

£6

гг

£0

/&

I'6

//

/

/ —

/£

.3 /

/ 1 — 1

50

0,4

0,^5

О, -5

Рис. 1

0,6.6-

ж*

из экстрактора шрота 30,3%, тогда как предельное остаточное содержание бензина 28,6%). Если обеспечивается достаточное время пребывания материала в зоне стока (опыт промышленности доказал эффективность наращивания высоты экстракционной колонны в зоне стока, в базовом варианте число витков в зоне стока лст = 6,5), то можно допустить установление равновесного состояния между мисцеллой в поровом объеме материала и во внешнем объеме жидкой фазы. Учитывая определенный в расчетах параметр равновесия £ = = 0,294 и величины относительного бензосодержания в предельном случае (вм = 0,4 кг/кг) и фактически (в - 0,434 кг/кг), можно выполнить оценочные расчеты различной организации стока.

В условиях наличия продольного перемешивания в сечении подачи чистого растворителя концентрация в жидкой фазе уже значительна (в расчетах она оказалась очень близка к концентрации в поровом объеме твердой фазы С(1)м = 17,99 кг/м~). Поэтому концентрация в поровом объеме на участке стока почти не меняется. Так как происходит достаточно полный сток, концентра-

ция в) мало с кг/ м3) кости( ное {С предло повью вытес| ступак Его кс вытеа

ЭТОМ I!

стока

частно

г;

25

2}

г!

т

002.5

И

I

I

1ЬНОе Если я ма-дока-стра-вари-эжно яния 1ла и эпре-

I =

ржа-:г) и

[НИТЬ

тока, шва-кон-1а (в нтра-17,99 ъеме как атра-

скольких витках с поддонами, что увеличит время стока.

Такая промывка чистым растворителем может позволить подать в зону стока материал с повышенной концентрацией и затем понизить ее до требуемой. Повышенная концентрация определяется из баланса

/-(2) _ г<2) &со + ^-в° ~ вс°^ ^

* к я

СО

(0.4 4-10.89-0.4)0.294 0,4

Эта концентрация соответствует Мк = 1,32%. На рис. 2 представлена зависимость длины рабочей зоны экстрактора от Мк. Для Мк = 1,32% Ь = = 14,6 м, т.е. производительность увеличивается на 19,5%.

Нами промоделировано влияние основных факторов на интенсивность процесса в шнековом экстракторе путем их последовательного варьирования, при этом остальные факторы оставались на базовом уровне.

Влияние равновесных и кинетических параметров было ожидаемым (рис. 3). Особенно сильное влияние оказывается на коэффициент внутренней диффузии (кривая 4), Так, снижение его примерно в два раза по сравнению с базовым (с 8,27-10 ' до 4'10"ь м2/с) уменьшает на 62,7% производительность аппарата. Изменение параметра нелинейности внутренней диффузии в диапазоне 400-1000 практически не влияет на интенсивность процесса. Снижение обоих параметров ленгмюровской равновесной зависимости ускоряет процесс экстрагирования (кривые 1, 2). Отметим также сильное влияние размера частиц экстрагируемого материала (кривая 3).

Среди режимных параметров (рис. 4) можно

400 Л*,

Рис. 3

Рис, 4

отметить ожидаемый характер влияния соотношения растворитель—материал. С ростом подачи растворителя почти линейно падает требуемая рабочая длина экстрактора (кривая 2). Влияние подачи материала на экстракцию имеет вид кривой с минимумом (кривая /) Наибольшая интенсивность наблюдается при подаче 9 т/ч, что больше базовой. Повышение подачи материала снижает интенсивность процесса. Малая подача также неблагоприятна, что можно объяснить ухудшением структуры потоков в аппарате.

ция в жидкой фазе отходящего шрота (17,8 кг/м ) мало отличается от общей концентрации (17,99 кг/м3). Между тем, количество отделенной жидкости от отходящего шрота в зоне стока значительное (Сст = 3233 кг/ч), в связи'с этим возникает предложение по другой организации стока. Можно повысить эффективность экстрагирования за счет вытеснительной промывки отходящего шрота поступающим на экстракцию чистым растворителем. Его количество Ср = 8800 . кг/ч достаточно для' вытеснения мисцеллы, увлекаемой шротом. При этом потребуется принять меры для обеспечения стока повышенного количества жидкой фазы. В частности, возможно организовать сток на не-

И Ц

Рис. 2

При рассмотрении влияния конструктивных факторов (рис. 1) видно, что частота вращения шнеков (кривая 3) влияет очень слабо, а факторы О и 5 — существенно. Так, зависимость длины аппарата от шага шнека носит прямой характер (кривая 1), соответственно благоприятным для интенсификации процесса является малый шаг: снижение его с базового значения 0,45 до 0,4 м позволяет поднять производительность на 18,5%. Повышение интенсивности при переходе с О = = 1 м на Э = 1,25 м известно из практики работы промышленности. Однако дальнейший рост диаметра (кривая 2) ухудшает работу экстрактора. Отметим также, что при В = 1,2 м производитель-

ность повышается примерно на 8%, а судя по рисунку, эффект будет еще выше.

Полученные результаты были использованы при разработке технических предложений по совершенствованию работы экстрактора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кошевой Е.П., Боровский А.В., Кварацхелия Д.Г.

Математическая модель вертикального шнекового экстрактора // Изв. вузов, Пищевая технология. — 1995. — № 3-4. — С. 49-54.

Кафедра машин и аппаратов пищевых производств

Поступила 28.10.94

665.3.067.73

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕЗОДОРАЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ В БАРБОТАЖНОМ СЛОЕ

М.Л. КОНОВАЛОВ, В,В. БЕЛОБОРОДОВ '

Красноярский коммерческий институт

Всероссийский научно-исследовательский институт жиров

(Санкт-Петербург)

Дезодорация и дистилляционная нейтрализация растительных масел в слое при барботаже острого пара используются в аппаратах периодического действия, комбинированных аппаратах непрерывного действия, включающих кубовую зону, в аппаратах тарельчатого типа.

Практическое использование и детальный анализ выражений, описывающих дезодорацию в слое на основе балансовых соотношений и уравнений фазового равновесия, возможны лишь в том случае, когда определены коэффициенты насыщения паровой фазы отгоняемыми из масел компонентами.

Известные соотношения для коэффициентов насыщения при дистилляции в слое [ 1 -3] получены путем интегрирования уравнения массопередачи. При этом равновесная концентрация считается постоянной по высоте слоя жидкости. Это не позволяет учесть фактор переменности гидростатического давления в барботажном слое.

Попытка учесть указанный фактор сделана Ри-гамонти и Джианетто [4]. Однако полученные ими соотношения не обладают достаточной общностью, так как справедливы лишь для пузырькового режима барботажа (не самого эффективного с точки зрения интенсивности массопереноса).

Критериальные уравнения Сийрде [4] для коэффициента насыщения при различных режимах барботажа ограничиваются высотой барботажного слоя 60 мм. Сомнительно, однако, что в условиях дезодорации (дистилляционной нейтрализации) увеличение высоты барботажного слоя свыше 60 мм неэффективно.

Нами получено достаточно общее соотношение для расчета коэффициентов насыщения паровой фазы отгоняемыми из масел компонентами при

дезодорации и дистилляционной нейтрализации в условиях барботажа острого пара через слой жидкости с учетом переменности гидростатического давления по высоте барботажного слоя [5].

Соотношение имеет вид:

~1

кк

ехр(ЯА КвКт) еН

ВДн

+

+ дато - егї (датог1 + К.

(О

Здесь введены следующие безразмерные величи-

ны:

к-Р°

к =-^- к к =—• „=!. 11 АР' 1Н 2да’ С У у'

где Я — высота слоя жидкости;

?ю — средняя скорость прохождения пара через барботажный слой;

/? — кинетический коэффициент отгонки;

АР — перепад давлений по высоте слоя; у? — равновесная концентрация отгоняемого компонента в паровой фазе (соответствующая состоянию насыщения);

2 2

еНГг) = — / ехр { — ?\И — интеграл вероятности;

^ о

у — коэффициент насыщения паровой фазы отгоняемым компонентом;

Р0, РА — давления над поверхностью жидкости в аппарате и паров чистого отгоняемого компонента при температуре дезодорации; й, Ь — мольные расходы жидкой и паровой фаз.

Интеграл вероятности, входящий в соотношение (1), является специальной функцией. С учетом рекомендаций [6] данная специальная функция с

достато жена ч< Анал числен) ным да)

Темпера'

Давлени

дезодора

Расход о

Время я концент; (стеарин сравненр

Путе: острого насыще том) с р ным да парової

С00ТН0І

насыще ния оті гонки г тажньїі ния од величи: тах. Уч] ся с и: проводі нения і Для коэффг ИСПОЛЬ;

На пі танови' величи:

У

И5

0,1

0,2

0,<

а

отгоняе Резуі лены н; у от Я пальми1 олеонаї К); ост; Как ела ния пад