CC BY
53
нением одноступенчатых экстракторов хорошо известной в спиртовой промышленности конструкции.
Дополнительно были рассчитаны варианты проти-воточного экстрактора, снабженного 10 тарелками с орошением водой в количествах 0,125, а также 0,5 м3/сут. При увеличении количества экстрагента количество легкой фазы снизилось до 70 дал/сут, качество ее повысилось, уменьшилось содержание воды и спирта, а содержание сивушных масел возросло до 68,1%. Однако увеличился унос сивушных масел с подсивушной водой.
Таким образом, при получении биоспирта для моторного топлива рекомендуется производить отбор фракции сивушных масел из паровой фазы с 4-9-й тарелок спиртовой колонны и после их конденсации осуществлять многоступенчатое противоточное экстрагирование при соотношении расхода экстрагента (воды) к расходу сивушной фракции 1 : 3. Количество бокового отбора составляет 5% от произведенного спирта, а сивушного масла - 2,3% по отношению к произведенному биоспирту.
ЛИТЕРАТУРА
1. Маринченко В.А. Технология спирта. - М., 1981. -
417 с.
2. Яровенко В.Л. Справочник по производству спирта: сырье, технология и технохимконтроль. - М., 1981. - 335 с.
3. Константинов Е.Н., Короткова Т.Г., Ачмиз Б.М. Мо -делирование процесса ректификации для непрерывных установок получения пищевого спирта // Изв. вузов. Пищевая технология. -1996. - № 5-6. - С. 55-59.
4. Разработка технологического режима для переработки сивушно-эфиро-альдегидной фракции на брагоректификационной установке косвенного действия с получением высококачественного спирта / Е.Н. Константинов, Х.Р. Сиюхов, Т. Г. Короткова и др. // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2006. - № 2-3. - С. 64-66.
5. Чич С .К., Сиюхов Х.Р., Константинов Е.Н., Коротко -ва Т.Г. Установка непрерывного действия для получения этилового ректификованного спирта из фракций с повышенным содержанием эфиров, альдегидов, сивушных спиртов и сивушных масел // Мате -риалы 2-й Всерос. науч.-техн. конф. «Состояние и перспективы раз -вития сервиса: образование, управление, технологии». - Самара: ОФОРТ, 2006. - С. 369-374.
Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств
Поступила 05.12.07 г.
66.045
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В СТРУЙНОМ КРИОКОНЦЕНТРАТОРЕ
М.И. ЛУГИНИН, Ю.В. ГОРДИЕНКО
Кубанский государственный технологический университет
Новым направлением концентрирования жидкостей с помощью искусственного холода является криоконцентрирование с применением тепломассобмен-ных аппаратов без поверхности теплообмена, наример струйных эжекционных аппаратов. В последнее время особое внимание при обработке холодом обращают на скорость обработки, качество обработанного продукта (отсутствие изменения его микроструктуры, цвета, запаха) и энергозатраты.
Струйные криоконцентраторы широко применяются в химической, нефтегазовой, пищевой и других отраслях промышленности. Проведенные исследования по созданию технологических линий с использованием струйных эжекционных аппаратов показали, что уменьшение времени обработки продукта возможно вследствие использования высокоскоростного потока активной среды в струйном эжекционном аппарате. Эффективность процесса тепломассообмена увеличивается за счет развитой поверхности обмена теплом и влагой между обрабатываемым продуктом и холодильным агентом.
Для реализации такого подхода разработали математическую модель процессов тепломассообмена, происходящих в камере смешения струйного эжекци-онного аппарата. Расчет геометрических параметров последнего производили согласно методике расчета струйного аппарата для пневмотранспорта, в котором
рабочая среда - упругая, инжектируемая среда - неупругая [1]. В качестве рабочего вещества может быть использован любой холодильный агент с температурой кипения при атмосферном давлении < 0 °С - фрео-ны, жидкая двуокись углерода, жидкий азот. На рис. 1 изображена расчетная схема процессов, происходящих в струйном эжекционном аппарате.
N / ' /5
—► \ / У —►
1 ^ ^ вм
1П ^3
вг
2
4
в
вг в„, в„
в
в
Рабочие процессы, протекающие в струйном эжекционном аппарате, сводятся к следующему. Продукт поступает в струйный аппарат через входной патрубок 3, под избыточным давлением через входной патрубок 1 жидкая рабочая среда поступает в сопло 2. Вследствие протекания термодинамических процессов на выходе из сопла 2 рабочая среда дросселируется и далее адиабатно расширяется, образуя жидкую или твердую фазу - гранулы и насыщенный пар. Таким образом, обеспечивается дробление рабочего вещества на жидкие (твердые) гранулы размером 100-300 мкм. Размер гранул и содержание жидкой (твердой) фазы в потоке регулируют путем изменения входного давления и диаметра выходного отверстия сопла 2. В камере смешения 5 фазы рабочего вещества вступают в контакт с продуктом, который после выхода из патрубка 3 взаимодействует с потоком первичного пара рабочего вещества и смешивается с жидкой (твердой) фазой рабочего вещества, причем скорость в этом сечении может превышать 20 м/с. Образующийся пар рабочего вещества, двигаясь с большей скоростью, чем капли продукта, дробит их, увеличивая поверхность взаимодействия капель с гранулами рабочего вещества. При динамическом взаимодействии пар охлаждает продукт и нагревается, жидкая (твердая) фаза также охлаждает продукт и кипит (сублимирует), после чего вторичный пар нагревается. Жидкий продукт охлаждается до температуры, ограниченной температурой замерзания продукта (криоскопической), после чего начинает происходить фазовый переход, т. е. вымораживание влаги. При контакте рабочее вещество частично растворяется в продукте.
Согласно принятой принципиальной схеме модели, вводятся следующие допущения:
среда является 3-скоростной и 3-температурной, т. е. в каждой точке потока имеются три скорости: газа, частиц гранул и капель продукта; при этом совокупность частиц считается непрерывно распределенной по всему объему с условной плотностью газа, частиц гранул и продукта в единице объема, равной произведению численной концентрации частиц в единице объема на массу одной частицы;
давление создается только газом, влиянием частиц пренебрегаем;
течение - стационарное;
массовый расход газа, частиц рабочего вещества и продукта вдоль по течению постоянны;
в любом поперечном сечении все параметры постоянны;
частицы рабочего вещества и продукта являются сферами и не взаимодействуют между собой и со стенками;
система теплоизолирована, обмен теплотой происходит между газом, частицами рабочего вещества и продукта;
вязкие силы проявляются только при взаимодействии частиц с газом, ускорение частиц обусловлено действием этих же сил;
объемом, занимаемым частицами, можно пренебречь;
вследствие высокой теплопроводности частиц их температура по всему объему частиц постоянна;
гравитационными и электрическими силами можно пренебречь;
газ является идеальным, а теплоемкость газа и частиц постоянна.
Для решения описанной задачи рассмотрена систе -ма уравнений: движения частицы, теплообмена, сохранения энергии, сохранения количества движения, состояния газа, сохранения массы, - решение которой позволит получить аналитические расчетные зависимости; на основе последних могут быть получены конкретные численные приложения.
Уравнение движения частиц гранул рабочего вещества [2, 3]
(1)
где ю - скорость газа, м/с; ю- - скорость частиц гранул, м/с;
cn Re
j 1, = — fD—'-коэффициент; fD = -D-------функция сопротивле
24
р( ю - юг)2гг
ния; Яе = —-------- ---число Рейнольдса; ев - коэффициент со-
П
противления сферы.
Уравнение движения капель продукта [2, 3]
dWn ( \
=j '■ (w- w !
(2)
где wn - скорость капель продукта, м/с; j 1n = — fD —3-----------коэффици -
2 r2p„
Уравнение теплообмена частиц рабочего вещества [2, 3]
dhr
dx
= j2r ( T #Tr ),
(3)
где кг = егТг + г- - энтальпия частицы рабочего вещества, Дж/кг;
ф2г = ф1гСр - коэффициент; №г = 2 + 0,459 Яе0'55 Рг°-33 - крите-3Рг/В
е т (ю - ю)d
рий Нуссельта [3]; Рг = —р-критерий Прандтля; Яег = ^----г^_г_
1 V
- критерий Рейнольдса; г- - теплота сублимации (кипения), Дж/кг.
Уравнение теплообмена частиц продукта [2, 3]
dh , , M„_x = j 2„(Т-Т„ >
(4)
где hn = CnTn + rfn - энтальпия частицы продукта, Дж/кг;
j 2n =
fin <-n± n
= Nu„ jincp
3PfD
- коэффициент; Nun = 2 + 0,459 ReJ'55 Pr0-33 - крите-
(w - )dn
рий Нуссельта; Ren = -------критерий Рейнольдса; rfn - теп -
v
лота кристаллизации продукта, Дж/кг.
Уравнение сохранения количества движения [2, 3] pwd w+ p r wrdwr + p n wndwn + dp = 0. (5)
Уравнение сохранения энергии [2, 3]
ент.
ю2 w2
E = G cT $ — 2 $ Gr cT $ f $Y $
(6)
$Gn
= const.
Уравнение сохранения массы [2, 3]
G$ Gr $ Gn = G-м = const. Уравнения Клапейрона для газа [2, 3]
RT
p = pRT = G
wF,
(7)
(8)
dQ = KSnT -Tr),
(9)
—► dx «—
>№r ► ®
< ^КС ►
кретных точках - узлах сетки. Значение «будущего» потенциала в данной точке (узле) является функцией ее «настоящего» потенциала.
Уравнения (1)-(2) сводились к виду
<3x41г (ю- юг) йюг =-------- --, ю+ = юг $ йюг; (10)
ю г
йхф 1Я (и- ю) + $ (11)
3юи =-----------------------------, ю'п = ю $ йщ,; (11)
Ю п
где _РКС - площадь сечения камеры смешения, м2.
Таким образом, дифференциальные уравнения (1)-(4), а также конечные соотношения (5)-(8) определяют термодинамические параметры процесса тепломассообмена в любом сечении камеры смешения.
Решение поставленной задачи точными методами не представляется возможным, поэтому будет осуществляться численными методами, приближенно. Разобьем камеру смешения длиной 1КС на бесконечное количество сечений. Для каждого сечения йх (рис. 2) будет выполняться система уравнений (1)-(8). При этом гранулы рабочего вещества, образовавшиеся после дросселирования, при движении вдоль оси камеры смешения будут постепенно сублимировать, поглощая теплоту dQ, уменьшаться в диаметре, совершая холодильный эффект. Газовая фаза рабочего вещества после дросселирования также будет выполнять холодильный эффект, нагреваясь при этом, но эффект будет гораздо слабее. Капли продукта при этом будут охлаждаться до криоскопической температуры, а затем свободная влага в них начнет кристаллизоваться.
Таким образом, за время йх слой трехфазной смеси переместится на расстояние й1, создавая при этом холодильный эффект dQ:
Уравнения (3)-(4) сводились к виду
dxj 2r (T - Tr) dhr = -------------------r± s h+ = hr $ dhr;
wr
dxj2n (T — Tn ) dh =_^M--------------------nJ_ ht = h $ dh .
rt ? n П 1 П
CO.,
(12)
(13)
где ку - условный объемный коэффициент теплопередачи между гранулами рабочего вещества и каплями продукта, приведенный к поверхности продукта, Вт/(м2 • К).
Для решения системы дифференциальных уравнений тепло- и влагопереноса с соответствующими начальными и граничными условиями использовали метод конечных разностей. Он основан на замене производных их приближенными значениями, выраженными через разности значений функций в отдельных дис-
Совместное решение конечных уравнений (5)-(8) позволяет определить параметры газа ю, Т, р в «будущем» сечении.
Для решения системы уравнений (1)-(8) был составлен алгоритм и программа на ЭВМ на языке ТигЬо Pascal. Используя разработанную программу, произвели численные эксперименты по моделированию процессов тепломассообмена, происходящих в камере смешения струйного криоконцентратора. В качестве исходных для численных экспериментов приняли данные, которые отражали реальные условия проведения лабораторных экспериментальных исследований: вид рабочей среды - жидкая углекислота; температура /о.с. = 25 °С; барометрическое давление наружного воздуха Р$ = 101325 Па; диаметр камеры смешения
йКС = 12 мм; начальный диаметр частиц рабочего вещества Бга = 300 мкм; расход рабочего вещества Оп кг/с, определяется по уравнению теплового баланса для каждого режима; начальное давление рабочего вещества Ргн = 64,8 бар (абс.); начальная температура рабочего вещества /тн = 25°С.
Влияние расхода Оп и начальной температуры продукта /пн на относительное количество вымороженной влаги Ш для длины камеры смешения 200 мм показано на рис. 3 (кривые 1,2, 3 - /па 10, 15, 20°С соответственно). Расход рабочей среды определяли по тепловому
Рис. 2
Рис. 3
балансу при условии вымораживания 10% влаги из продукта. На рис. 3 показаны также экспериментальные точки, полученные в результате проведения экспериментов на лабораторном стенде.
Как следует из графиков, при постоянной /пн с уменьшением расхода продукта увеличивается количество вымороженной влаги, причем для каждого режима существует такой расход, при котором количество вымороженной влаги достигает максимального значения - 10% - и при дальнейшем уменьшении расхода остается неизменным.
Влияние Оп и /пн продукта на оптимальную длину камеры смешения, при которой достигается полный тепломассообмен и максимальное количество вымороженной влаги из продукта, показано на рис. 4 (обозначения кривых те же, что на рис. 3).
Анализ полученных зависимостей свидетельствует, что с увеличением начальной температуры продукта и с увеличением его расхода увеличивается оптимальная длина камеры смешения.
При проведении численных исследований погрешность между их результатами и экспериментальными данными не превышала 15%. Следовательно, численный анализ подтверждает адекватность разработанной
о-----------------------------------------------------------------------------------
0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 в„, еаЛ ё!
Рис. 4
математической модели тепломассообмена в струйном криоконцентраторе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - М.: Энергия, 1970. - 288 с.
2. Соу С. Гидродинамика многофазных систем. - М.: Мир, 1971. - 526 с.
3. Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных тече -ний в соплах. - М.: Машиностроение, 1974. - 212 с.
Кафедра холодильных и компрессорных машин и установок
Поступила 18.12.07 г.
663.222.061
МАССОПЕРЕНОС КРАСЯЩИХ ВЕЩЕСТВ ВИНОГРАДА В ПРОЦЕССЕ БРОЖЕНИЯ ПРИ НАЛОЖЕНИИ УЛЬ ТРАЗВ УКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
Д.Н. САМОИЛЕНКО, Е.П. КОШЕВОЙ
Кубанский государственный технологический университет
Технология приготовления натуральных сухих красных вин при брожении сусла на мезге включает применение различных способов воздействия на мезгу, которые направлены на интенсификацию процесса массопереноса красящих веществ - антоцианов. С этой целью используют такие способы обработки мезги, как дробление, перемешивание, нагревание, ферментация, криомацерация, углекислотная мацерация, сульфитация, воздействие электрического, магнитного и ультразвукового поля [1-4].
С учетом недостатков используемых в производстве способов нами разработана конструкция и получен патент на аппарат для экстрагирования мезги [5]. Были проведены лабораторные эксперименты по изучению воздействия на процесс диффузии антоцианов колебаний ультразвуковой частоты, а также выявления оптимальной частоты для обработки мезги. Для экспериментов была изготовлена и собрана лабораторная у ста-новка (рис. 1), моделирующая промышленный аппарат брожения. Установка выполнена из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т и состоит из цилиндрической
вертикальной емкости 1 высотой Н 470 мм и диаметром Б 200 мм. Емкость 1 установлена на опорах 2. На емкости выполнена рубашка охлаждения 3 с входным 4 и выходным 5 патрубками; на входном патрубке 4 размещен соленоидный клапан 6 подачи холодной воды. На крышке емкости имеется патрубок с гайкой-заглушкой Ду 100 7, соединенной с гидрозатвором 8. Посередине емкости установлены термометр сопротивле-
Рис. 1
