Оптимизация структурной схемы экстракции при обезжиривании масличного материала Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

I

(40)

шличе-

вновес-

(вьшус-

(41)

: равны I. (42)

(43)

(44)

ІЛЯТЄХ-

іей рас-;целлой ко диневого ус-ы сдви-ивания

)азовых исцелл, гдут на-

мых про-

чало тер-

я теория

iysik und

neet de II), 1934;

і.-Ново-

66.061.1.001.57

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЭКСТРАКЦИИ ПРИ ОБЕЗЖИРИВАНИИ МАСЛИЧНОГО МАТЕРИАЛА

К.Н. ЦЕБРЕНКО, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ, В.В. ДЕРЕВЕНКО

Кубанский государственный технологический университет

На отечественных маслоэкстракционных заводах установлены, как правило, дорогостоящие импортные экстракторы фирм «Де-смет» и «Краун» высокой производительности (1000 т/сут по семенам). Эти установки реализуют многоступенчатый противоточный процесс экстрагирования и работают по принципу орошения. Отсутствие вертикальных перегородок в слое между ступенями орошения в экстракционных установках и четкого секционирования приводит к значительному продольному перемешиванию по жидкой фазе. Поэтому разработка экстрактора высокой производительности и низкой капиталоемкости является актуальной задачей.

Конструкция карусельного экстрактора производительностью 1000 т/сут по семенам предложена в работах [1,2]. В схему установки помимо стадий орошения материала растворителем включены стадии выдержки и стока мисцеллы с целью уменьшения продольного перемешивания и ускорения диффузии масла из частиц материала в жидкую фаз)'. Предложенная конструкция позволяет сократить занимаемую производственную площадь. Таким образом, в аппарате организован циклический процесс экстракции, когда стадии экстракции, стока и выдержки проводятся одновременно в разных секциях аппарата.

Однако подобные установки ранее не разрабатывались в России и создание их связано со значительными капитальными затратами. Меньших затрат потребует модернизация и разработка экстракторов ленточного типа (МЭЗ-350), в которых также возможна реализация подобной схемы [3J.

Стадии стока в карусельном и ленточном экстракторе организованы по-разном)’. В карусельном - в виде отдельной секции в роторе аппарата, в ленточном же достаточно задать определенное соотношение поверхностей зон выдержки, стока и орошения на ступени.

Ранее рассмотрена организация двухступенчатого процесса экстракции с целью увеличения конечной концентрации мисцеллы [4]. Показано, что на первых ступенях экстрактора целесообразно поддерживать большее орошение, чем на последующих.

' Цель настоящей работы - определение соотношения стадий стока и орошения для получения наибольшего эффекта.

Был обследован ленточный экстрактор «Де-смет» на Краснодарском МЖК [2]. Получены экспериментальные данные по работе экстрактора в системе крупка подсолнечного жмыха - экстракционный бензин. При этом переработано семян в одну смену' (12 ч) -

187 т, масличность жмыха 26,8%, масличность шрота 0,9%, прокачка на дистилляцию 16 м3/ч, подача бензина в экстрактор - 20-22 м3/ч. Концентрация по ступеням, %: РЗ/1 = 13,30, РЗ/2 = 6,10, РЗ/З = 2,28, РЗ/4 = 1,29, РЗ/5 = 0,5, РЗ/6 = 0,3, РЗ/7 = 0,15; концентрация мисцеллы на дистилляцию 23,57. Полученные результаты использовались для идентификации математической модели ленточного экстрактора.

Для моделирования экстракционной установки необходимы данные по равновесию и кинетике массооб-мена между жидкой и твердой фазами. Нами получены равновесные данные [5] в системе крупка подсолнечного жмыха-углеводородный растворитель (бензин марки Экстра) при разных их соотношениях. Установлено, что равновесная концентрация нейтральных липидов в поровой жидкости твердой фазы выше, чем в наружной жидкости. На основе методов статистической физики и термодинамики, с учетом энергии взаимодействия молекул масла, растворителя самих с собой, друг с другом и с центрами адсорбции твердой фазы, а также существенной разницы в размерах поверхности молекул масла и растворителя было получено выражение для расчета химического потенциала в поровой жидкости (жидкости находящейся в капиллярах твердого тела) и наружной жидкости (в экстрагенте). По экспериментальным данным были найдены параметры Т]2, та и а. Параметр энергетического взаимодействия х\2, зависящий от энергии взаимодействия между молекулами раствора и центрами адсорбции твердой фазы, оказался равным 5. Параметр взаимодействия молекул масла и растворителя с центрами адсорбции твердой фазы. та для крупки подсолнечного жмыха -0,00232. Поверхность центров адсорбции а, отнесенная к поверхности молекул масла, равна 0,0707.

С использованием рассмотренной модели равновесия проведено исследование кинетики процесса экстрагирования. Кинетические зависимости получены при различных соотношения материал-растворитель и постоянном перемешивании фаз. С целью приближения к равновесным данным кинетику процесса экстракции исследовали с экспозицией более 2 ч. Значения, по .лученные при экспозиции 10 ч, сравнивали с равновесными данными. При обнаружении в результате корреляции отклонений данные уточнялись повторными экспериментам.

Ранее нами была изучена гидродинамика стока жидкой фазы (экстракционный бензин) из слоя материал (крупка подсолнечного жмыха) постоянной высоты. Определена зависимость продолжительности стока при различной высоте слоя материала. Исследованы особенности массопередачи при стоке растворителя и выдержки материала. Установлен параметр \|/, показы-

вающий увеличение коэффициента массопередачи после выдержки материала.

Рассмотрим структуру потоков в многоступенча-том противоточном процессе экстрагирования, без зон стока и выдержки, на примере ленточного экстрактора «Де-смет» (рисунок ). Следует отметить, что в технологической схеме ленточного экстрактора присутствуют зоны стока, необходимые для предотвращения перетекания растворителя по поверхности материла на последующую ступень, поэтому их влиянием на мас-сообмен в процессе противоточного многоступенчатого экстрагирования можно пренебречь.

Исходный масличный материал, имеющий поро-вый объем Уп (м3/ч) и концентрацию в поровом объеме zh (м3/м3) подсолнечного масла, а также наружная мис-целла, уходящая со второй ступени в количестве Ус содержанием масла х2 (м3/м3) поступают на первую ступень экстракции. В зоне подачи материала происходит его пропитка, т. е. заполнение свободной части пор наружной (при противотоке - конечной) мисцеллой. Часть наружной мисцеллы КПр с концентрацией *1 идет на заполнение свободного объема пор, что приводит к изменению концентрации масла в поровом объеме za на Z]. Оставшаяся часть мисцеллы в количестве VK с концентрацией xi выводится из экстрактора. Примем допущение, что заполнение пор конечной мисцеллой осуществляется значительно быстрее, чем массообмен между поровой и наружной мисцеллами. Покидают первую ступень поровая мисцелла объемом Fn и с меньшим содержанием масла z2, унесенная материалом жидкость объемом У06 с содержанием масла Х] и конечная мисцелла в количестве V с концентрацией хг. Первые два потока поступают на вторую ступень экстракции, на которую также поступает поток наружной мисцеллы с третьей ступени в количестве V с содержанием масла хз. Вторую ступень покидают потоки: материал с поровым объемом Vn с содержанием масла в нем Z3, унесенная материалом жидкость объемом V& с содержанием масла х2 и конечная мисцелла в количестве Ус концентрацией х2.

Аналогично второй ступени рассматриваются третья, четвертая, пятая, шестая и седьмая ступени экстракции.

Исходный экстрагент в количестве V с содержанием маслах9 поступает на последнюю, восьмую ступень экстракции. Сюда же поступают потоки, выходящие с седьмой ступени: поровая мисцелла объемом Уп с содержанием масла в нем z% и унесенная материалом жидкость в количестве Уов с содержанием масла х7. Восьмую ступень покидают поровая жидкость объе-

мом !'п с содержанием масла в нем г9 и наружная жидкость в количестве Vс концентрацией х8.

Меязду поровой и наружной жидкостями в процессе экстрагирования осуществляется обмен веществом, при котором объем масла, покидающего поровую мис-целлу, равен объему растворителя, переходящего из наружной мисцеллы во внутреннюю, в результате полный поровый объем и объем наружной жидкости неизменны.

Запишем материальный баланс по ячейкам. Для первой ячейки

упг, +ух2 =¡/2,+...+(У-К6 )х, +у«х1. (1) ,

Количество жидкости, унесенной с материалом, очевидно, зависит от расхода экстрагируемого материала, а значит и от объема в нем поровой жидкости. Тогда можно записать:

(2)

где к - коэффициент обратного тока, показывающий количество унесенной жидкости по отношению к поровому объему.

С учетом (2) выражение (1) примет вид

у[1г1+ух2=уиг2+... ...+р-кУпухК+кУпхК. (3)

Ясно, что можно записать уравнение баланса и для любой 1-й ступени:

гпг,+ухм+кгпх,

...=упг„+^х,+купх,.. (4)

Количество вещества, перенесенного от поровой жидкости к наружной, определяется основным уравнением массопередачи [6]

м=ет-С1 дгср, (5)

где К - коэффициент массопередачи, его значение определено ранее по экспериментальным данным кинетики экстрагирования [4, 5].

Полученная система уравнений представляет собой математическую модель рассмотренного аппарата. Данная модель идентифицирована по экспериментальным данным. Установлено, что в экстракторе действительно имеет место продольное перемешивание, причем коэффициент к в уравнении (2) оказался равным 1,03.

Для у чета стока растворителя и выдержки материала в схему потоков аппарата введены зоны стока и выдержки, продолжительность которых определена ранее. При расчете по математической модели учтено ‘ увеличение коэффициентов массопередачи после выдержки.

Проведена оптимизация структурной схемы экстрактора. В качестве параметра оптимизации взята продолжительность стока растворителя. В качестве функции цели принята минимальная конечная маслич-ность материала.

:наяжид-

! процес-ществом, ВуЮ мис-;го из Harare полот неиз-

сам. Для

О)

гриалом, ¡го маге-идкости.

Установлено, что целесообразно организовать восемь ступеней экстракции со стоком и выдержкой после каждой ступени в течение 26,5 сек, объем материала в аппарате 29 м3.

ЛИТЕРАТУРА

1. Цебренко К.Н., Константинов В.Е. Фазовое равновесие в системе капиллярно-пористое тело-жидкость - основа совершенствования процесса извлечения нейтральных липидов // Тез. между-нар. конф. молодых ученых «От фундаментальной науки к новым технологиям. Химия и биотехнология активных веществ, пищевых продуктов и добавок. Экологически безопасные технологии». - М.; Тверь, 2001. - С. 45.

2. Константинов В.Е. Математическое моделирование экстрагирования из маслосодержащего сырья и равновесие в системе ка-пиллярио-пористое тело-жидкость: Дне. ... канд. техн. наук. - Краснодар: КубГТУ, 2002. - 115 с.

3. Цебренко К.И., Константинов Е.Н., Деревенко В.В. Моделирование и совершенствование процесса экстрагирования подсол-

нечного масла // Материалы Междунар. конф. молодых ученых «От фундаментальной науки - к новым технологиям. Химия и биотехнология биологически активных веществ, пищевых продуктов и добавок. Экологически безопасные технологии». Вып. 2. - Тверь: ТГТУ; Русская провинция, 2002. - 128 с.

4. Цебренко К.Н., Константинов Е.Н. Повышение эффективности экстракции путем разработки противоточного двухступенчатого циклического процесса// Сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф. по теме «Продовольственная безопасность как важнейший фактор национальной безопасности страны и роль информационно-консультационных служб АПК в ее обеспечении». - Пенза, 2002.

5. Цебренко K.H., Константинов E.II. Равновесие в системе капиллярно-пористое тело-жидкость - основа исследования кинетики процесса экстрагирования // Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств: Материалы Междунар. науч. конф. - Краснодар: КГУ, 2002. - 274 с.

6. Кафаров В.В. Основы массопередачи. - М.: Высш. школа, 1979.-439 с.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 29.05.03 г.

(2)

661.185.4:664.1.037

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГАШЕНИЯ ИЗВЕСТИ С ДОБАВКАМИ ЭЛЕКТРОЛИТОВ И ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

(3)

саи для

(4)

горовой

рфавне-

Г (5)

єно ранее [[4,5]. т собой [парата. Ьаталь-ействи-к, при-ря рав-і

атериа-а и вы-¡на ра-учтено :ЛЄ ВЫ-

Ъ1 экс-взята иестве аслич-

В.А. ЛОСЕВА, И.С. НАУМЧЕНКО, A.A. ЕФРЕМОВ

Воронежская государственная технологическая академия

Процесс гашения (гидратации) извести осуществляют на сахарных заводах при получении известкового молока. Добавками некоторых веществ при гашении извести можно увеличить растворимость гидроксида кальция. На этой способности основаны методы химической (реагентной) активации известкового молока с добавками электролитов fl, 2] и неионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ) [3, 4]. Однако механизм активации до настоящего времени изучен недостаточно. Нет сведений о влиянии этих добавок на скорость процесса гашения и активность известкового молока. Между тем эта информация представляет интерес для сахарной промышленности, поскольку позволяет предвидеть изменения физико-химических свойств известкового молока в зависимости от условий гашения извести, а также разработать новые эффективные способы активации известкового молока.

Цель работы - исследование кинетики процесса гашения извести и активности известкового молока при введении в воду, применяемую для гашения, некоторых электролитов и неионогенных ПАВ. В качестве электролитов использовали NaCl, NH4C1 и HCl, а в качестве ПАВ - фосфатиды подсолнечного масла (ФПМ) и ацетилированный моноглицерид стеариновой кислоты (АМГС). Влияние температуры раствора t, используемого для гашения извести, и массовой доли добавок электролитов на активность известкового молока представлено в таблице.

Таблица

Вид добавки и ее концентрация, % к массе извести г, "С

30 50 1 70 90

Без добавок 84,8 86,47 87,18 87,5

КаС1

0,0105 86,70 88,45 89,18 89,51

0,1103 89,62 91,38 92 10 92,43

0,2100 89,59 91,38 92,13 92,05

НС1:

0,002155 88,39 90,15 90,89 91,20

0,186543 89,96 91,76 92,51 92,82

0,370930 89,68 91,47 92,22 92,53

>}Н4С1:

0,00133 87,93 89,68 90,41 90,72

0,09686 88,94 90,72 91 46 91,77

0,19240 88,39 90,15 90,89 91,19

Изменение температуры t гасящейся массы во времени т показано на рис. 1 (кривые: 1 -0,00133% NH4C1; 2 - 0,002155% HCl; 3-0,0105% NaCl; 4 - без добавок; 5 и б - 0,03% ФПМ и АМГС соответственно). Эта зависимость характеризует кинетику процесса гашения. Чем меньше время от смешения извести с раствором до момента достижения наивысшей температуры, тем быстрее протекает процесс пиления.

Высокая скорость гашения извести - гарантия того, что за время пребывания в известегасильном аппарате произойдет полная ее гидратация. Непогасившиеся частицы извести, оказавшись в соке, продолжают гаситься там, нарушая режимы очистки; а попав на фильтровальную ткань, частицы СаО гасятся на ней, что приводит к ее порче.