Очистка и сепарация подсолнечного масла в бегущем электрическом поле Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Представлет результати експериментальних дослиджень по очищенню i сепараци соняшниковог оли в бiжучому електричному полi. Обгрунтоваш технологiч-т параметри процесу (величина напруги, що подаеться на багаторядну систему електродiв; частота; час), як забезпечують ефективне очищення масла вiд нежи-рових домшок i гидратованих фосфатидiв, а також гх роздшення в двох зустрiчно бiжучих полях

Ключовi слова: електрика, поле, напруга, очищення,

сепаращя, олiя, електрод, дiелектрик, фосфатиди □-□

Представлены результаты экспериментальных исследований по очистке и сепарации подсолнечного масла в бегущем электрическом поле. Обоснованы технологические параметры процесса (величина напряжения, подаваемого на многорядную систему электродов; частота; время), которые обеспечивают эффективную очистку масла от нежировых примесей и гидрати-рованных фосфатидов, а также их разделение в двух встречно бегущих полях

Ключевые слова: электричество, поле, напряжение, очистка, сепарация, масло, электрод, диэлектрик, фос-фатиды

УДК66.086.2

|5о!: 10.15587/2313-8416.2014.27575|

ОЧИСТКА И СЕПАРАЦИЯ ПОДСОЛНЕЧНОГО МАСЛА В БЕГУЩЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ

ПОЛЕ

И. П. Назарен ко

Кандидат технических наук, доцент Кафедра электроснабжения сельского хозяйства Таврический государственный агротехнологический университет пр. Б. Хмельницкого 18, г. Мелитополь, Запорожская обл., Украина, 72312 Е-mail: [email protected]

1. Введение

Для очистки и сепарации подсолнечного масла применяется гравитационное отстаивание, центрифугирование и фильтрация. Как показал анализ, эти методы имеют существенные недостатки: большую энергоемкость для центрифугирования и фильтрации; низкие качественные показатели для гравитационного отстаивания; избирательность применения в зависимости от плотности жидкости и частиц для центрифугирования и гравитационного отстаивания; возможность разделения взвешенных частиц только по признакам плотности и размера для гравитационного отстаивания, центрифугирования и фильтрации.

Современное развитие систем очистки подсолнечного масла направлено на усовершенствование существующих и разработку новых методов и технических средств, обладающих минимальными энерго- и ресурсозатратами на осуществление процесса, повышение технологичности, обеспечение экологической чистоты и возможности разделения ценных компонентов, которые извлекаются из масла при рафинации для их дальнейшего использования. В связи с этим, перспективным методом является очистка подсолнечного масла в электрическом поле. Малая электропроводность масла позволяет подавать на электродные системы высокое напряжение, обеспечивая при этом высокую эффективность очистки при малых энергозатратах.

Сложность применения устройств очистки и сепарации подсолнечного масла в электрическом поле предопределена нестабильностью электрофизических свойств, как дисперсной фазы, так и дисперсионной среды масла, непредвиденностью процесса накопления примесей на электродах, которая приводит к срыву процесса, и др. Исследование процессов очистки

и разработка технологий и технических средств в основном были направлены на использование постоянного напряжения. Закономерности очистки масла в бегущем электрическом поле исследованы недостаточно, хотя применение такого поля позволяет устранить многие недостатки существующих методов электроочистки в приложении к технологии производства подсолнечного масла.

2. Анализ литературных данных

Разработанные методы и технические средства электроочистки подсолнечного масла от нежировых примесей, основываются на электрофоретическом взаимодействии частиц примесей с электрическим полем, и силе, которая действует на поляризованные частицы в неоднородном поле [1, 2]. Они обладают рядом недостатков: накопление зарядов вблизи электродов при малой электропроводности частиц приводит к уменьшению поля в межэлектродном пространстве; перезарядка частиц с большой электропроводностью на электроде приводит к их отрыву и возникновению турбулентных течений в приэлектродной области [3]. Для повышения эффективности очистки подсолнечного масла от фосфатидов разработаны технология и электросепаратор, в котором постоянное электрическое поле интенсифицирует процесс коагуляции гидрати-рованных фосфатидов с последующим выпадением их в осадок [4]. Тем не менее, в масле остается достаточно большое количество мелких нескоагулированных частиц, которые тяжело удаляются гравитационным осаждением.

Общим недостатком известных устройств электроочистки слабопроводящих суспензий является необ-

©

ходимость удаления накопленных на осадительных электродах частиц [5]. Применение бегущего электрического поля позволяет избежать этого благодаря дополнительной силе, возникающей в таком поле, которая зависит от удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости, как среды, так и частиц [6, 7]:

F = 4песа3 Яе

(еч +ес )

+ 2 °с

-(е + 2е„

ю

(е, + 2ес )2 + (<Ю + 2

= ЭЁ = ЭЁ = ЭЁЛЛ Ёх— + Ёу— + Ёт— Эх у ду дт

' )

(1)

где ес, еч - диэлектрическая проницаемость среды и частицы соответственно, Ф/м; ос, ач - удельная электропроводность среды и частицы соответственно, См/м; а - радиус частицы, м; ю - угловая частота, рад/с; Ё - комплекс вектора напряженности электрического поля, В/м.

Ёх , Ёу , Ёт - компоненты вектора, комплексно сопряженного с вектором Ё , В/м.

Под действием этой силы частички движутся вдоль электродов, создающих бегущее поле, и сосредотачиваются в крайней области, что позволяет их выгружать в непрерывном режиме работы устройства.

Таким образом, повышение эффективности технологии производства подсолнечного масла требует решения научно-прикладной проблемы разработки научно - технических основ создания и применения технических средств очистки и сепарации масла в бегущем электрическом поле высокой напряженности.

3. Цель и задачи исследований

Целью исследований является обоснование технологических параметров процессов очистки и сепарации подсолнечного масла от нежировых примесей и гидратированных фосфатидов в бегущем электрическом поле.

Для достижения поставленной цели необходимо установить:

- экспериментальные зависимости степени очистки подсолнечного масла от нежировых примесей и гидратированных фосфатидов;

- экспериментальные зависимости коэффициента разделения нежировых примесей от гидратированных фосфатидов подсолнечного масла.

4. Обоснование технологических параметров процессов очистки и сепарации в электрическом поле

Процесс очистки и сепарации в бегущем электрическом поле определяется величиной напряжения, подаваемого на электроды технологического блока, частотой напряжения, которая зависит от электрофизических свойств масла, и временем.

4. 1. Условия проведения экспериментов

Исследования проводились на экспериментальной установке, состоящей из четырехфазного высоковольтного источника питания переменного тока и камеры с электродами (рис. 1). Источник питания включает в себя двухфазный генератор регулируемой частоты с произвольным сдвигом фаз, усилитель и повышающие трансформаторы. В качестве генератора использовался персональный компьютер с программными средствами «Авангард», которые позволили осуществить функции низкочастотного двухканального генератора в диапазоне частот от 0 до 20 кГц. Сигнал одного из каналов может произвольно сдвигаться по фазе относительно другого. Таким образом, с помощью персонального компьютера реализовывались функции генератора и фазовращателя. Симметричная четырехфазная система напряжений была получена от несимметричной двухфазной системы с помощью четырех трансформаторов. При запуске одновременно двух генераторов (повторный запуск программы) можно получить независимые сигналы разных частот, что дает возможность создания двух встречно бегущих полей.

Для создания бегущего электрического поля применялись цилиндрические электроды, расположенные рядами. На рис. 1 показаны только верхние электроды каждого из рядов.

Стенки камеры (рис. 2) выполнены из оргстекла. Объем камеры составляет 150 см3. В камере содержится десять рядов цилиндрических электродов диаметром 1,6 мм по девять электродов в ряду. Расстояние между осями электродов составляет 6 мм. Электроды вмонтированы в стенку камеры таким образом, чтобы соединение электродов между рядами осуществлялось с помощью соединительной шины, как показано на рис. 1. Половина электродов каждого ряда имеют вывод для подключения высоковольтного провода через эпоксидную изоляцию с одной стороны камеры, а вторая половина - с противоположной стороны. Такая конструкция позволяет выполнять схему подачи напряжения на электроды, как без сдвига фаз между потенциалами противоположных электродов, так и со сдвигом фаз.

Рис. 1. Электродная система камеры: 1 — стенка камеры; 2 — эпоксидная изоляция; 3 — цилиндрический электрод; 4 — соединительная шина; 5 — выводы для подачи напряжения

-2о„

е.. + 2е„

ным образом перемешивалась и выдерживалась до начала процесса образования частиц фосфолипидных комплексов и выпадения в осадок крупных частиц комплексов и воды. После этого суспензия заливалась в камеру очистки.

Содержание нежировых примесей определялось по ДСТУ 5063:2008 [9], содержание фосфатидов - по ГОСТ 7824-80 [10].

В качестве критерия оценки качества очистки применен показатель «степень очистки», а качества сепарации - «коэффициент разделения». Эти показатели рассчитывались по формуле:

Рис. 2. Общий вид камеры

Для проведения исследований использовалось нефильтрованное подсолнечное масло. Такое масло включает в себя сопутствующие вещества и нежировые примеси: обрывки клеток; органическую и минеральную пыль, фосфатиды, пескообразные вещества и др. Электрическая очистка направлена на удаление нежировых примесей и фосфатидов. Обрывки клеток не связаны с жидкостью и поэтому не нуждаются в дополнительной обработке, они могут удаляться непосредственно под воздействием сил электрического поля. Для удаления фосфатидов проводилась их гидратация. Количество воды, необходимое для проведения этого процесса, определялось экспериментально.

При очистке масла от нежировых примесей и ги-дратированных фосфатидов действующее фазное напряжение на электродах устанавливалось на уровне 5000 В. При разделении этих фракций в камере создавались два встречно бегущих поля путем подачи на электроды двух систем напряжений разных частот с противоположным чередованием фаз. Напряжение каждой из систем напряжений составляло 2500 В. Величины напряжений определялись экспериментально из условия отсутствия разрядов.

Исследование функции (1) на экстремум показало, что она имеет максимальное значение при угловой частоте

С =

100(Х1 - Х2)

(3)

(2)

Поэтому, предварительно были определены электрофизические свойства дисперсной фазы подсолнечного масла: удельная электропроводность частиц нежировых примесей - 8,210-8 См/м; их диэлектрическая проницаемость - 4,910-11 Ф/м; удельная электропроводность частиц гидратированных фосфатидов -810-8 См/м; их диэлектрическая проницаемость -1210-11 Ф/м. Эти показатели определялись по методике, изложенной в [8] без извлечения частиц из среды. Определены удельная электропроводность и диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды при различном содержании воды (табл. 1). По формуле (2) рассчитана угловая частота, соответствующая максимальной силе, действующей на частицы.

При исследованиях процесса очистки подсолнечного масла от фосфатидов из масла предварительно были удалены центрифугированием клеточные и другие нежировые примеси. Затем в масло добавлялась кипяченая вода при температуре 80 оС, смесь тщатель-

где С - степень очистки (коэффициент разделения), %; Х1 - массовое содержание частиц взвеси в суспензии до очистки или сепарации, %; Х2 - массовое содержание частиц взвеси в суспензии после очистки или сепарации, %.

Таблица 1

Условия экспериментальных исследований процесса сепарации нежировых примесей и гидратированных фосфатидов подсолнечного масла

Содержание воды, % Удельная электропроводность, См/м Диэлектрическая проницаемость, Ф/м Угловая частота для нежировых примесей, рад/с Угловая частота для фосфатидов, рад/с

0,3 5-10-9 3,2-10-" 814 4402

0,5 8-10-9 3,25-10-11 867 4410

1 10,5-10-9 3,3-10-" 896 4414

1,5 18-10-9 3,35-10-11 1008 4470

2 25,5-10-9 3,4-10-" 1128 4527

4. 2. Обсуждение результатов исследования процессов очистки и сепарации масла

Результаты экспериментальных исследований по очистке подсолнечного масла от нежировых примесей (рис. 3) показывают, что для достижения степени очистки 98 % достаточно проводить процесс на протяжении 70 с.

Из результатов экспериментальных исследований процесса очистки масла от гидратированных фосфа-тидов в бегущем электрическом поле (рис. 4) следует, что увеличение содержания воды более 1,5 % не приводит к повышению степени очистки, кроме того, существенно снижается напряжение пробоя масла. Получена степень очистки 75 % и 73 % для содержания воды 1,5 и 2 % соответственно за 70 с проведения процесса. Сравнительно низкая степень очистки масла от фосфатидов связана с неполной гидратацией некоторых видов фосфатидов.

Для разделения нежировой и фосфатидной фракций гидратация масла осуществлялась при содержании воды 1,5 %. Процесс гидратации проводился таким же образом, как и в предыдущем

опыте, но из масла не удалялись нежировые (клеточные) примеси. Дисперсная фаза главным образом была представлена двумя фракциями: нежировыми примесями и гидратированными фосфорсодержащими частицами. Результаты разделения фракции гидратированного масла (рис. 5) показывают, что коэффициент разделения несколько меньше соответствующих степеней очистки фракций, но эта разница небольшая - до 8 %.

Время проведения процесса разделения в сравнении с процессами очистки увеличивается и достигает 300 с для разделения обеих фракций. Большее время разделения связано с уменьшением в два раза величин напряжений (2500 В), создающих встречно бегущие поля с различными частотами. Суммарное же действующее напряжение, как и в экспериментах по очистке составляет 5000 В.

100

к и Ч и

Ч

К Я

и

m О

И

80

60

40

-клетчатка

160 240 320

Время, с -гпдратпрованные фосфатиды

400

Рис. 3. Динамика очистки подсолнечного масла от нежировых примесей

100

| Hi

и*

so

60

-10

20

J

-VV=(). V'r

20

40 60

Время, с

SO

-\Y=L5%

Рис. 4. Динамика очистки подсолнечного масла от гидратированных фосфатидов при разном содержании воды

Рис. 5. Динамика разделения нежировых примесей и гидратированных фосфатидов подсолнечного масла

5. Выводы

Экспериментальные исследования показали возможность осуществления процессов очистки подсолнечного масла от нежировых примесей и фосфатидов, а также разделения этих фракций в бегущем электрическом поле.

Обоснованы технологические параметры процесса: время; напряжение и частота электрического поля.

Для обеспечения степени очистки подсолнечного масла от нежировых примесей не менее 98 % напряжение должно быть 5000 В, частота - 814 рад/с, время - 70 с Для обеспечения степени очистки масла от фосфатидов не менее 75 % напряжение должно составлять 5000 В, угловая частота - 4470 рад/с, время - 70 с.

Для разделения нежировых примесей и фосфати-дов время обработки должно быть не менее 300 с. При этом обеспечивается коэффициент разделения для нежировых примесей 90 %, а для фосфатидов - 67 %.

Литература

1. Delgado, А. V. Measurement and interpretation of electrokinetic phenomena [Text] / A. V. Delgado, F. Gonzales-Caballero, R. J. Hunter, L. K. Koopal, J. Lyklema // Journal of Colloid and Interface Science. - 2007. - Vol. 309. - P. 194-224. doi: 10.1016/ j.jcis.2006.12.075.

2. Ahualli, S. A simple model of the high-frequency dynamic mobilityin concentrated suspensions [Text] / S. Ahualli, A.V.Delgado, C. Grosse // Journal of Colloid and Interface Science. - 2006. - Vol. 301, Issue 2. - P. 660-667. doi: 10.1016/j.jcis.2006.05.042.

3. Грановский, M. Г. Электрообработка жидкостей (очистка топлив, масел, вод) [Текст] / М. Г. Грановский и др.; под ред. И. С. Лаврова. - Л.: Химия, 1976.- 216 с.

4. Болога, М. К. Рафинация подсолнечного масн ла в электрическом поле: монография [Текст] / М. К. Болога, И. И. Берилл. - АН Республики Молдова, Институт прикладной физики. - Молдова: Stinta, 2004. - 214 c.

100

-\Y=2"

5. Эфендиев, О. Ф. Электроочистка жидкости в пищевой промышленности [Текст] / О. Ф. Эфендиев. - М.: Пищевая промышленность, 1977. - 149 с.

6. Назаренко, I. П. Теоретичш дослщження взаемоди електричного поля з дiелектричними суспензiями в багатоелектродних системах [Текст] / I. П. Назаренко // Пращ Тавршського державного агротехнолопчного ушверситету: наук. фах. видання. -2012. - Вип. 12, Т. 1. - С. 35-45.

7. Пат. 94810 Украша, МПК В 0Ш35/6. Споаб електрично! очистки дiелектричних рщин [Текст] / I. П. Назаренко, В. А. Дщур (Украша). - № а 200911592; заявл. 13.11.2009 ; опубл. 10.06.2011, Бюл. № 11.

8. Назаренко, I. П. Визначення електрофiзичних властивостей дiелектричних суспензiй [Текст] / I. П. Назаренко, М. О. Рубцов // Пращ Тавршського державного агротехнолопчного ушверситету: наук. фах. видання. - 2011. - Вип. 11, Т. 3. - С. 167-175.

9. ДСТУ 5063:2008. Оли. Методи визначання нежирових домшок i вщстою [Текст] / Увед. 01.04.2009. - К.: Держспоживстан-дарт Украши, 2009. - 11 с.

10. ГОСТ 7824-80. Масла растительные. Методы определения фосфорсодержащих веществ [Текст] / Введ. 01.01.82. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 7 с.

-□ □-

Дослиджено можлив^ть використання активованог електрохiмiчним способом води у технологiчному процеы виробництва етано-лу зi спельти та гг вплив на показники сусла i бражки. Встановлено, що приготування зам^ су на основi активованог води дозволяв пгдви-щити вм^т сухих речовин у суспирту у бражщ i, вгдповгдно, вихгд спирту з тонни умовного крохмалю вгдносно контролю

Ключовi слова: електрохiмiчно активова-на вода, католт, анолт, спельта, сусло,

бродтня, бражка, спирт

□-□

Исследована возможность использования активированной электрохимическим способом воды в технологическом процессе производства этанола из спельты и ее влияние на показатели сусла и бражки. Установлено, что приготовление замеса на основе активированной воды позволяет повысить содержание сухих веществ в сусле, спирта в бражке и, соответственно, выход спирта из тонны условного крахмала относительно контроля Ключевые слова: электрохимически активированная вода, католит, анолит, спельты,

сусло, брожение, бражка, спирт -□ □-

УДК 663.53.531:546.212

|DOI: 10.15587/1729-4061.2014.27593

ЗБРОДЖУВАННЯ ЗЕРНОВОГО СУСЛА, ОДЕРЖАНОГО НА ОСНОВ1 АКТИВОВАНО1

ВОДИ

Н. О. П а н ь к i в

Астрант* Е-mail: [email protected] Л. Я. Паляниця

Кандидат хiмiчних наук, доцент* E-mail: [email protected] Р. Б. Koci в Кандидат техычних наук, доцент* E-mail: [email protected] Н. I. Березовська Кандидат хiмiчних наук, доцент* E-mail: [email protected] *Кафедра технологи оргашчних продуклв Нацюнальний ушверситет ^bBÍBCb^ полЬехшка» вул. С. Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013

1. Вступ

Основним завданням спиртового виробництва е розроблення 1 впровадження енерго- та ресур-созбер1гаючих технологш, як1 зможуть забезпе-чити б1льш глибоке 1 комплексне перероблення сировини [1]. Так технологи сл1д застосовувати на кожному еташ виробництва - при шдготовщ сировини, Ндроферментативному обробленш зерна, зброджуванш сусла та подальшш ректиф1кацп бражки.

Мш1м1защя виробничих втрат е основним напрям-ком роботи ресурсозбереження. Удосконалення техно-лопчних операцш з метою максимального скорочення втрат сировини, а саме невикористаних зброджуваних

©

вуглеводiв, натвпродукпв та продукпв на bcíx ета-пах виробництва е ефективним заходом збереження ресурав [1].

Тому розроблення ефективних cnoco6ÍB глибшо1 бюконверсп крохмалевмiсноi сировини е актуальним завданням у напрямку ресурсозбер^аючих технологш виробництва спирту.

2. Лкературний огляд та постановка проблеми

У спиртовому виробництвi для тдвищення його ефективностi використовують рiзнi раси дрiжджiв, якi характеризуются високою продуктивнiстю, рiзною стiйкiстю до тих чи шших умов [2].