CC BY
56
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 6, 1997
5:
: механизмами
:ом осуществ-'мация о ходе -оричные при-микропроцес-личине давле-гтемпературу чение соотно-зодукта к тем-шивает его с
ния Ти/Тс от 'Р по трем ка-рекцию режи-(1). При этом
.его значения 'Шения. Вари->жен, если: а Гс превы-ограничения
начения огра-соответствует
шения
Т /Т
п/ с
'змущениями: . препарата, а > сублиматора к снижению
е подачи про-:еконденсиру-репарата, что давления в гвие, к увели-
га десублима-аточного дав-
ении хотя бы ляется следу-
енной после-ла на увели-[ения мощно-асоса посред-0 шлюзового е локальному ния), и далее ублиматора 5 >щущей, бла-шя 19 испол-23 (третий 'ющий канал как преды-ио не обеспе-Как только фопроцессор действий по оцесс сушки
го значения эну увеличе-быть, если: значение оответствует
Тп соответствует ограничению (2), а Гс меньше нижнего предельного значения ограничения (4), т.е. Гг<253 К.
Этот вариант может быть вызван следующими возмущениями:
произошло снижение начальной влажности ферментного препарата, что привело к увеличению Т ■
1 п>
уменьшилось количество неконденсирующихся газов в составе исходного препарата, в результате чего снизилось остаточное давление в сушильной камере, а следовательно, и температура сублимации Гс;
частично забился затвор-питатель и снизился темп подачи влажного фермента, что привело к избытку тепла, подводимого от нагревателя, и увеличению Тп.
Коррекция режима сушки при случайном воздействии этих возмущений осуществляется в следующем порядке.
Сначала микропроцессор выдает корректирующий сигнал на изменение задания локальному регулятору 18 и посредством исполнительного механизма 20 обеспечивает увеличение расхода исходного препарата до выполнения ограничения (2). Если при этом будет выполнено и условие (7), при котором достигается цель оптимизации, то микропроцессор прекращает подачу управляющих воздействий. Если же условие (7) не выполняется, то это означает, что сушильная установка имеет резерв производительности и с целью снижения энергозатрат микропроцессор выдает сигнал на уменьшение мощности привода вакуум-насоса с помощью исполнительного механизма 24. Таким образом, соотношение Тп/Гс выводится на заданный интервал значений и обеспечивает минимум критерия оптимизации (1).
Итак, оптимальное управление процессом сублимационной сушки является многоцелевым и направлено как на получение качественного про-
дукта в необходимом количестве, так и на эконо мию материальных (сырья) и энергетических ре сурсов. Отличительное достоинство системы уп равления от предложенной ранее [2] состоит i более эффективном ее функционировании, обес печивающем взаимное соизмерение полезност!-конечных результатов и их сопоставления с затра тами всех видов ресурсов, что особенно актуальнс при производстве дорогостоящих ферментных пре паратов.
ВЫВОДЫ
1. Разработана схема управления процессом суб лимационной сушки ферментных препаратов i непрерывнодействующих установках, в соответст вии с которой подача управляющих воздействий осуществляется с учетом их значимости для про цесса при полной компенсации случайных возму щений.
2. Предложен алгоритм реализации оптималь ных режимов сублимационной сушки ферментно го препарата кератиназы ГЗх.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кретов И. Т., Николаенко С. В., Шевцов А. А. Резервь
экономии энергозатрат при сублимационной сушке *// Изв. вузов. Пищевая технология. — 1989. — № 6. — С. 66-68.
2. Кретов И. Т., Николаенко С.В., Шевцов А. А., Антипов С. Т. Оптимизация непрерывнодействующей сублима ционной сушилки / / Холодильная техника. — Î989. —-№ 9. — С. 33-35.
3. Николаенко С. В. , Шевцов А. А. Снижение удельны? энергозатрат при сублимационной сушке творога // Хо лодильная техника. — 1983. — № 5. — С. 23-24.
4. Гуйго Э.И., Журавская Н.К., Каухчешвили Э.И. Суб лимационная сушка в пищевой промышленности. — М. Пищевая пром-сть, 1972.
5. Николаенко С. В., Антипов С. Т., Кретов И.Т. Субли мационная сушилка непрерывного действия / / Холодиль ная техника. — 1993. — № 6.
Кафедра машин и аппаратов пищевых производств
Поступила 13,01.97
664.3,067.73
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ДЕЗОДОРАЦИИ ЖИРОВ И МАСЕЛ СПОСОБОМ ДИСТИЛЛЯЦИИ И ЭКСТРАКЦИЕЙ
ПРИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Е. П. КОШЕВОЙ, А. Б. БОРОВСКИЙ, Д. Э. ТИХОНОВ
Кубанский государственный технологический университет
Очистка жиров — обязательная технологическая операция для получения пищевых растительных жиров и масел. Современный способ дезодорации путем дистилляции под глубоким вакуумом и при высокой температуре требует применения сложного оборудования и больших энергетических затрат. Поэтому поиск новых эффективных способов ведения процесса является актуальным.
В последнее время получает широкое распространение новый способ сепарации жидких смесей — экстракция при сверхкритических условиях [1]. Особенностью сверхкритической экстракции с использованием двуокиси углерода (С02) является возможность при относительно низких температурах разделять жидкости с низкой летучестью. Для
данного процесса характерно объединение механизма разделения экстракцией и дистилляцией, что позволяет назвать его дестракцией [2].
Несмотря на многочисленные исследования и патенты, практическое распространение этой технологии в промышленности происходит медленно. Кроме очевидной сложности оборудования для сверхкритических давлений, которое постоянно совершенствуется, неясными остаются вопросы эксплуатационных затрат.
С целью создания установки сверхкритической экстракции для дезодорации в технологии переработки растительных масел и жиров нами осуществлена сравнительная оценка сепарационной возможности дистилляции, реализуемой в настоящее время в промышленном масштабе, и экстракции при сверхкритических условиях. В частности, проведено сравнение по критериям энергетических
затрат дистилляционнои нейтрализации и селективной экстракции сверхкритической двуокисью углерода с использованием модельной системы стеариновая кислота—триглицерид. Исследовали триглицериды триолеин и трилинолеин, которые характерны для различных растительных масел.
При дистилляции масел глубину очистки оценивали по остатку стеариновой кислоты как наиболее высококипящего компонента. Критерием была принята энергия, затрачиваемая в цикле очистки 1000 кг модельной смеси.
Режимы дистилляционной нейтрализации при моделировании соответствовали типовым, принятым для периодического процесса на комплексных линиях рафинации жиров [3]. Масло нагревается в аппарате от 130 до 200°С глухим паром с давлением 2,2 МПа. Через нагретое масло барботирует-ся перегретый водяной пар с давлением 0,3 МПа и температурой 300°С. Образующаяся парогазовая смесь ПГС отсасывается из аппарата в пароэжекторный трехступенчатый блок, рабочим телом в котором является пар с давлением 1 МПа. После 1-й и 2-й ступеней блока ПГС конденсируется в поверхностных конденсаторах, охлаждаемых водой. После 3-й ступени не сконденсировавшаяся ПГС выбрасывается в атмосферу. По окончании процесса масло пропускается через регенеративный теплообменник для утилизации тепла новой порцией масла, при этом оно охлаждается до 135°С. Далее нейтрализованное масло охлаждается водой до 40°С.
Затраты тепловой энергии в цикле складываются из следующих стадий:
расход тепла на подогрев масла в аппарате конденсирующимся водяным паром;
расход тепла с барботирующим острым паром, необходимое количество которого Сп определяется из уравнения однократного испарения 14]
= С
РЖ
1п •
(1)
масса масла, кг; коэффициент насыщения;
УРсгЮУ<гК
где -
<*> — давление соответственно в аппарате и насыщенных паров стеариновой кислоты, Па;
Уст — коэффициент активности стеариновой кислоты в тристеарине;
Мв и — мольные массы воды и стеариновой кислоты соответственно; х\т и х!ст — начальная и конечная мольные доли стеариновой кислоты в масле соответственно; расход тепла с рабочим паром в пароэжекторном блоке, расход рабочего пара в і-м блоке определяется по зависимости
6РП = 0™сКп (ЗД, / = 1,2,3, (2)
где — количество ПГС с предыдущего
блока;
;) — удельный расход рабочего пара, зависящий от степени сжатия ПГС и степени расширения рабочего пара Е1 в г-м блоке пароэжектора; расход тепла при конденсации ПГС в поверхностных конденсаторах пароэжекторного блока;
расход тепла при охлаждении масла после регенеративного теплообменника.
При моделировании теплофизические свойства компонентов масла принимались по [5], калорические свойства водяного пара описывались с помощью полиномиального разложения по приведенной температуре и давлению [6]. Коэффициенты активности стеариновой кислоты и триглицеридов принимались по [7].
Другим способом очистки масел является экстракция. Моделировался циклический процесс селективного экстрагирования стеариновой кислоты из смеси с триглицеридом, состоящий из пяти стадий:
1. Экстрагирование при давлении Р 15-30 МПа и температуре Гэкс 60—90°С. При этих параметрах растворимость стеариновой кислоты более чем на порядок превышает растворимость триглицеридов в двуокиси углерода [8]. Для расчета растворимости стеариновой кислоты и триглицеридов использовали уравнения Хрестила 18]:
с = ¿кехр(а/Т+Ь), (3)
где с — концентрация растворяемого вещества, г/л; й — плотность газа, г/л;
Т — температура процесса, К; к, а, Ь — параметры уравнения.
2. Дросселирование экстракта в специальном аппарате до давления Рдр = 6-7,5 МПа, которое находится вблизи критического давления двуокиси углерода. При этом температура снижается до Т . За счет уменьшения плотности газовой фазы снижается растворимость компонентов масла и происходит выделение жировой (масляной) фазы, обогащенной стеариновой кислотой.
3. В зависимости от исследовавшихся режимов необходим подогрев или охлаждение экстракта при давлении Рд0 для дальнейшего снижения плотности сверхкритической двуокиси углерода с целью более глубокого последующего отделения масляной фазы.
4. Адиабатное сжатие сверхкритической фазы, отделенной от масляных компонентов до давления Рзкс. При этом возрастает температура сверхкритической фазы до Гсж, которая может быть выше температуры 7'экс; при различных режимах возникают различные случаи, требующие подогрева или охлаждения растворителя. Работа адиабатического сжатия определялась по зависимости
к-1
А. =
к-1
Р —1 1 Р і
(р] 1 2 ~~к~ -і
Р,
і V
(4)
где
6 — показатель адиабаты для растворителя;
Р1, Р2 — давление до и после сжатия соответственно; бр — масса растворителя; рх — плотность растворителя при давлении Рх.
5. Охлаждение или подогрев сжатой фазы, в зависимости от различных режимов до температур Т и повторение операции экстрагирования.
Затраты энергии возникают на стадиях 3, 4 и 5. При моделировании технологического цикла очистки масла при помощи сверхкритической двуокиси углерода необходимы уравнения, показывающие зависимость плотности С02 и свойств сверхкритической фазы от параметров процесса — тем-
пературы равновеси вой кисло варительн чивающей вали урав и вытекэ! равновеси мы.
Во врех щего алгс точность ; ском сост компонен1 возможны
Исполь: уравненш для С02, :
2 =
где :
Погреш тур и дaвJ шает 0,05 Кроме і нение об! лорическі мических шениям [| Если п| чистые В( сверхкрш может ИЗІ от различ Оценк) связи с во и триглиі
где
/? и
Расчет нения (3) Параме табл. 1.
Комі
Стеариновг
Триолеин
Трилинолеї
Аппрок дили при грессии и
г
IПН, V 1.1. ]!Ч7 шс ШШІСТЗі:
і|. КеЛГСрКПЙ-Зіі.ТКҐЬ С ГіГі-
Г'; I рЕЕрЭДВД"
ЗСОи-іИ^'Л'л'Ьч
КГЛГСЕРПДЯВ
¡ЛНЄҐТСЯ Эп-Г"-П_.С"Р-.:і: се-Иск -; нслпгы № А Ні млій
І Р„л 15-30 іч атг:< \щ:&-IІІІІІІN біикч* і.і:." І- григлл-^-і>і іЗу: чЬі ьі
Л ГрИ.'ЛИЦЬ-
Г'*®
щ
ГЙНҐІҐ-^ ВЄ1]'Є-
К;
ЇТ^іШа,' ..иом
ГІН, пСЇ”ґі[;0й МИЛ іЦ'/ІЖЛ-ЦЖіІЧІтЙР 20 И'ШЇУ. Йї-ЗІГ ЇТК мя:п? л
(і іїО .|?ази,
ІСЙ |?Й?КИ.М£\Ь я :»iiLipu.it:та їкєкітя гтлог-уг-ісрадд с
я. ГЛД&ПЙРГЧЯ
есь'Зя фаз ь:. Іде Д^ІІ.ТРКГҐЛ Ійр^і.чнрйїй Е_И_. июше |икіі.\ ішшеі-(ідогрена тз-ти іЕЯ-.-К'ГЙОкіЗго
(4)
¡КЗ'Г^'Я СОСГ-
I Л ЇЛ ЛПІІпТ?--.|іЯ.--І і :і
ятлератур іПКл цу?.
'і. і и Гз. Ч"і">:л.> о1 ■;-Ікдй
ППкЛя чі-яю-
і!'СТ£ С^Р^-
ІЇП-З — те.ч-
И.ЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 6,1997
55
пературы и давления, — и уравнения фазового равновесия системы жидкость (раствор стеариновой кислоты в триглицериде)—флюид. Для пред варительной оценки области параметров, обеспечивающей эффективную очистку масла, использовали уравнение состояния Пенга—Робинсона [9] и вытекающие из него уравнения для фазового равновесия трехкомпонентной двухфазной системы.
Во время разработки уточненного моделирующего алгоритма особое внимание обращали на точность расчета плотности С02 в сверхкритиче-ском состоянии вследствие малой растворимости компонентов масла [8]. При расчете концентраций возможны грубые ошибки [10].
Использовали единое для жидкой и газовой фаз уравнение состояния Алтунина—Гадецкого [11] для С02, имеющее вид &
2=1+,
рЕі%< і- 1!}о-л>,‘- <5)
! = и1/ = 0 \ Iі
где
р
X
температура,
Компоненты Константы растворимости в С02
И а Ъ
Стеариновая кислота 1,821 -10664,5 22,320
Триолеин 5,216 -11386,5 2,415
Трилинолеин 5,511 -10082,7 -4,060
коэффициент сжимаемости; плотность, кг/ма; приведенная г = Т/304,2;
Сц— коэффициенты [11], соответствующие наилучшему описанию исходных опытных данных.
Погрешность уравнения для величин температур и давлений, используемых в работе, не превышает 0,05%.
Кроме надежной оценки плотности данное уравнение обеспечивает хорошую аппроксимацию калорических данных с использованием термодинамических функций по дифференциальным соотношениям [6].
Если процесс дистилляции позволяет извлекать чистые вещества, например жирные кислоты, то сверхкритическая экстракция двуокисью углерода может извлекать натуральное масло в зависимости от различных режимов.
Оценку селективности во время экстракции в связи с возможностью растворения как кислот, так и триглицеридов проводили по уравнению
5 = /? - а, (6)
где 5 — селективность процесса, %;
/? и а — содержание извлекаемого компонента в экстракте и продукте (ра-финате) соответственно, %.
Расчет и а проводили с использованием уравнения (3) и уравнений материального баланса.
Параметры в уравнении (3) [8] представлены в табл. 1.
Таблица 1
Рис. 1
Результаты моделирования селективности при экстракции представлены на рис. 1. При сравнении полученных кривых можно отметить: граница, выделяющая область с высокой селективностью в обоих случаях, практически совпадает, что связано с близостью свойств растворимости.
Рис. 2
На рис. 2 представлена диаграмма растворимости стеариновой кислоты в зависимости от давления и температуры. С увеличением указанных параметров растворимость повышается, таким образом, наилучшие режимы для экстракции, т.е. наибольшее извлечение стеариновой кислоты на гдиницу взятого растворителя при условии наивысшей селективности, находятся на границе, выделяющей область 100% селективности, которая может быть получена из уравнения регрессии
а, + а2Р + агТ + а^РТ + + аъТ2 = 100. (7)
Коэффициенты в уравнении (7) представлены в табл. 2.
Таблица 2
Компоненты а1 а2 а3 а4 аъ а6
Аппроксимацию полученных результатов проводили при помощи квадратичного уравнения регрессии и на этой основе построили графики.
Триолеин 37,037 -2,454 1,254 -0,042 0,073 0,001
Трилинолеин 47,073 -2,523 1,204 -0,008 0,029 -0,003
Давление и температура значительно влияют на селективность: с увеличением давления и умень-
шением температуры селективность уменьшается. Таким образом, рекомендуемым режимом является следующий: давление экстракции 15 МПа, температура экстракции 9СГС, давление сепарации 7,5 МПа.
Проверка остатка извлекаемых веществ после дросселирования показала достаточное разделение.
Принимая во внимание полученные результаты, провели расчет затрат энергии для сравниваемых процессов.
—1 wt12=21.2 кДж/кг
КОМПРЕССОР
* Ш
ТЕПЛООБМЕННИК^ j
3
ЭКСТРАКТОР
4
ДРОССЕЛЬ
fi &
ИСПАРИТЕЛЬ
с
СЕПАРАТОР
q23=51.9 кДж/кг
4^=0 кДж/кг
7.5 МПа; 35 °С 15 МПа; 72 °С 15 МПа; 90 °С 15 МПа; 90 °С
7.5 МПа; 35 °С
7.5 МПа; 35 °С
Рис. 3
Рис. 4
На рис. 3 представлена схема энергетических потоков для сверхкритической экстракции двуокисью углерода. Сравнение по статьям энергетических затрат в схеме одноступенчатой жидкост-
ной экстракции [12J с нашими расчетами показало близость удельных параметров.
На рис. 4 представлена схема энергетических потоков для процесса дистилляции.
Таким образом, для сверхкритической экстракции с двуокисью углерода энергетические затраты меньше, но стоимость оборудования выше, чем в процессе дистилляции. Это необходимо принимать во внимание при выборе схемы для очистки масел.
ВЫВОДЫ
1. Методами математического моделирования фазового равновесия проведена сравнительная оценка разделяющей способности дистилляции и сверхкритической экстракции двуокисью углерода. Смесь стеариновая кислота—триглицерид (три-олеин, трилинолеии) рассматривалась как модельная система при исследовании процесса дезодорации масел. Сравнение проводилось по критерию удельных энергетических затрат и критерию селективности. Разделение системы стеариновая кислота—триглицерид при помощи сверхкритической двуокиси углерода рассматривалось в замкнутом цикле. Процесс дистилляции моделировался как совокупность процессов однократных адиабатических испарений при установленном числе теоретических ступеней, обеспечивающих необходимую степень разделения системы стеариновая кислота—триглицерид.
2. Установлена более высокая энергетическая эффективность процесса дезодорации с использованием экстракции при сверхкритических условиях.
ЛИТЕРАТУРА
], Zurich, Switzeiiand, 7-9 October 1996, 2rd Internationa! Symposium ”High Pressure Chemical Engineering”.
2, Eisenbach W. Destraction — a new method for isolation of valuable constituents from natural producís / / ZFL. — 1983. — 34. — № 8. — P. 678-684, 687-690.
3. Файнберг E. E., Товабин И. М., Луговой А. В. Технологическое проектирование маслоперерабатывающих заводов. 2-е изд. — М.: Легкая пром-сть, 1983. — 415 с.
■I. Багатуров С. А. Основы теории и расчета сублимации и ректификации. 3-е изд. — М.: Химия, 1974. — 440 с.
V. Химия жиров. 3-е изд. / Б.Н. Тютюнников, 3. И. Бухштаб, Ф. Ф. Гладкий и др. — М.: Колос, 1992. — 448 с.
<■■■ Зубарев А. Н. Практикум по технической термодинамике.
— М: Энергоатомиздат, 1986. — 304 с.
7. Коновалов М. Л., Белобородов В. В. Коэффициенты
активности жировых компонентов в процессе дезодорации / / Масло-жировая пром-сть. — 1975. — № 19. —
С. 27-29.
8. Chrastill J. Solubility of solids and liquids in supercritical gases / / J. Phis. Chem. — 1982. — 86. — № 15. — P. 3016-3021.
9. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии. В 2 ч.: Пер. с англ. — М.: Мир, 1989.
10. AHessi Р., Cimino R., Fermegíía М. Evaluation of the solubility of fatty acids in supercritical fluids // J. Food Processing. — 1986. — 106-103. — P. 1032-1035.
11. Алтунин В. В. Физико-химические свойства двуокиси углерода, — М.: Изд-во стандартов, 1975. — С. 546.
12. Sievers U,, Eggers R. Heat recovery in supercritical Huid extraction process with séparation at subcritical pressure // Chemicai Engineering and Processing, — 1966, — 35,
- № 4,— D. 239-246.
Кафедра машин и аппаратов пищевых производств
Поступила 30.05,97
