CC BY
129
66.061
ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЦЕСС ЭКСТРАКЦИИ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
С.Ф. ЯЦУН, В.Я. МИЩЕНКО, ЕВ. МИЩЕНКО
Курский государственный технический университет,
305040, г. Курск, ул. 50лет Октября, 94; электронная почта: art_lena@inbox.ru
Представлена математическая модель, описывающая процесс виброэкстракции в системе твердое тело-жидкость. Для проверки адекватности математической модели разработан экспериментальный лабораторный комплекс. На основе полученных данных установлено, что вибрационное воздействие значительно интенсифицирует массообменные про -цессы.
Ключевые слова: массообменные процессы, экстракция, вибрационное воздействие.
Эффективным методом интенсификации массообменных процессов в пищевой промышленности является вибрационное воздействие. Оно позволяет значительно ускорить процессы массообмена, например, экстракции, снизить себестоимость и повысить качество получаемого продукта.
Нами исследовано влияние вибрационного воздействия на процесс экстракции в системе твердое тело-жидкость.
Скорость процесса экстрагирования в данной системе зависит от следующих факторов [1-3]: величины движущей силы процесса; скорости каждой из стадий процесса: переноса вещества внутри твердой частицы, массоотдачи от поверхности частицы к экстрагенту, набухания частиц, растворения целевого компонента внутри частицы; размера и формы частиц;
вида слоя частиц, который они образуют (подвижный, неподвижный);
соотношения масс экстрагента и твердых частиц; характера относительного движения твердых частиц и экстрагента (рис. 1: а - противоток, б - прямоток, в - рециркуляция жидкости; ХН, ХК и 7Н, УК - начальная и конечная концентрация вещества в твердой и жидкой фазах соответственно); температуры; скорости движения фаз.
В тех случаях, когда лимитирующей стадией процесса является массоотдача от поверхности частиц к экстрагенту, возникает необходимость применять перемешивание, вибрацию и другие средства, интенсифицирующие массоотдачу.
Для того, чтобы математически описать процесс экстрагирования из твердого тела, рассмотрим дифференциальное уравнение нестационарной диффузии при вибрационном воздействии (расчетная схема для одномерного случая представлена на рис. 2, где с1 и с2 -концентрация вещества в твердом теле и в ядре потока жидкости соответственно)
— + — V = В дх дх
д с
дх2
+ /(1, х),
- конвективное
д- д— V
где-----локальное изменение концентрации; —Ух
дх дх
изменение концентрации; В - коэффициент диффузии; / (1, х) — внешнее воздействие.
В качестве внешнего воздействия в данной работе рассматривается вибрационное воздействие:
/ = аю2 усоБ Ю,
где у - коэффициент, учитывающий влияние вибрационного воздействия на скорость экстракции; а - амплитуда колебаний жидкости; ю - частота колебаний.
Дополнительно к составленной системе уравнений рассматриваются:
граничные условия, зависящие от формы сосуда, -непротекание и неприлипание к стенкам сосуда;
массообмен на границе фаз для системы твердое тело-жидкость, для рассматриваемого случая - это граничные условия третьего рода:
D
= -Р(сп -с'),
где р - коэффициент массоотдачи; Сп - концентрация на поверхно -сти твердого тела; с'- концентрация экстрагента; п - направление, нормальное к элементу поверхности;
геометрические условия однозначности, т. е. известны форма и размеры твердых частиц;
физические условия однозначности, характеризующие физические и диффузионные свойства сред, участвующих в процессе (коэффициент диффузии, плотность жидкости, ее кинематическая вязкость);
начальные условия (при t = 0): начальная скорость движения жидкой среды V0 (x, y, z, t) = 0, начальная концентрация в растворе С0 р-ра = 0, в веществе - Со в-ва = = Спах = const, на входе в слой физические свойства растворителя постоянные.
Представленная математическая модель, описывающая процесс виброэкстракции, позволяет провести теоретические исследования в данной области и затем сравнить их с экспериментальными данными, что будет являться новым подходом в решении задачи, поскольку предыдущие исследования базировались в основном только на экспериментальных работах и эмпирических зависимостях. Для решения разработанной математической модели процесса виброэкстракции планируется использовать программный продукт ANSYS.
Для проверки адекватности составленной математической модели и проведения экспериментальных исследований процесса экстракции в условиях вибраци-
онного внешнего воздействия был разработан лабораторный комплекс. На рис. 3 показана структурная схема экспериментального стенда для изучения влияния вибрационного воздействия на процесс экстракции.
Комплекс для экспериментальных исследований состоит из реактора 1, электромагнитного привода, связанного со штоком, двигающимся во втулке 2 и соединенным с рабочим органом 3, на котором установлены перфорированные диски, рубашки охлаждения или нагрева 5, крышек 6 и 7, виброизоляционных опор 8 и системы управления 9.
Система управления: Генератор импульсов ® Мультивибратор ® Выходной каскад ® Электромагниты - позволяет управлять частотой колебаний якорей электромагнитов, а следовательно, частотой колебаний рабочего органа.
Устройство работает следующим образом. С помо -щью системы управления 9 задается частота колебаний якорей электромагнитов: с генератора прямоугольных импульсов образуется переменный сигнал с заданной частотой колебаний амплитудой 5 В. С помощью мультивибратора независимо от изменения частоты (периода) колебаний, длительность положительного импульса сохраняется постоянной. В выходном каскаде происходит усиление сигнала до необходимого значения напряжения. При подаче напряжения на катушки электромагнитов 4 якоря притягиваются к ним, при этом упругий элемент деформируется и стремится возвратить якоря в исходное положение. В результате шток совершает возвратно-поступательное движение. Установленные на рабочем органе перфорированные диски создают в растворе затопленные турбулентные потоки, что приводит к активному перемешиванию раствора.
Эксперименты проводились для исследования процесса экстракции флавоноидных соединений раствором этилового спирта 50% об. из плодов боярышника (56°С, соотношение твердой и жидкой фазы 1 : 6 соответственно) при механическом (перемешивание мешалкой вращательного движения, 0,5 об/с) и вибрационном (амплитуда колебаний 2 мм, частота колебаний 12 Гц) воздействии. Зависимость концентрации экстракта боярышника с течением времени при различном внешнем воздействии представлена на рис.4.
■ Механическое воздействие Вибрационное воздействие
п = 0
Как видно из графиков, использование вибрационного внешнего воздействия позволяет ускорить процесс экстракции и увеличить выход целевого продукта, что свидетельствует о целесообразности применения данного способа ведения процесса на промышленных предприятиях.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ № МК-4826.2007.8 (тема № 1.09.07 ф) и РФФИ - грант 06-08-00365-а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. - М.: Колос, 1997. - 551 с.
2. Любимов Д. В., Любимова Т.П., Черепанов А .А. Динамика поверхностей раздела в вибрационных полях. - М.: Физматлит, 2003. - 216 с.
3. Лысянский В.М., Гребенюк С.М. Экстрагирование в пищевой промышленности. - М.: Агропромиздат, 1987. - 187 с.
Поступила 27.10.08 г.
VIBRATING INFLUENCE ON EXTRACTION PROCESS IN FOOD INDUSTRY
S.F. YATSUN, V.YA. MISCHENKO, E.V. MISCHENKO
Kursk State Technical University,
94, 50 let Oktyabrya st., Kursk, 305040; e-mail: art_lena@inbox.ru
The mathematical model describing process vibrating extraction in system a firm body-liquid is presented. The experimental laboratory complex is developed for check of adequacy of mathematical model. On the basis of the received data it is established that vibrating influence considerably intensifies mass-transfer processes.
Key words: mass-transfer processes, extraction, vibrating influence.
664.001.5:664.046.1
КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ В ОБОБЩЕННЫХ КООРДИНАТАХ ПРОЦЕССА СУШКИ ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН В КИПЯЩЕМ СЛОЕ
Л.М. ТИТОВА, И.Ю. АЛЕКСАНЯН, Ю .А. МАКСИМЕНКО
Астраханский государственный технический университет,
414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16; тел./факс: (8512) 25-73-68, электронная почта: astu@astu.org
На основе метода анализа размерностей теории подобия получено критериальное уравнение процесса сушки пищевых волокон в псевдоожиженном слое. Полученная критериальная зависимость может быть использована при проектиро -вании рациональных сушильных установок кипящего слоя. Математическая модель позволяет переходить от лабораторных масштабов к промышленным с достаточной степенью надежности.
Ключевые слова: моделирование процесса, теория подобия, сушка, псевдоожижение.
Исследование процессов и аппаратов пищевой и химической технологии в масштабах и условиях промышленного производства является, как правило, сложным и длительным. Активный поиск оптималь -ных конструкторских решений экономически нецелесообразен, а часто невозможен, без проведения натурного эксперимента. В связи с этим большое значение имеет моделирование - изучение закономерностей процессов на моделях при условиях, допускающих распространение полученных результатов на все процессы, подобные изученному. Исследование на моделях широко применяется для проверки и совершенствования новых, еще не апробированных на практике конструкций в процессе проектирования.
Метод моделирования базируется на принципах, вытекающих из теории подобия, которая является научной основой обобщения опытных данных, своего рода теорией эксперимента, указывающей путь к такой постановке опытов, чтобы их результаты могли быть распространены на всю область изучаемых явлений того же класса. Теория подобия применяется при изучении сложных процессов и дает возможность полу-
чать обобщенные критериальные уравнения, описывающие эти процессы.
Критерии подобия, входящие в обобщенное уравнение, получают на основе анализа системы алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих процесс (включая условия однозначности).
Тепломассоперенос в процессе сушки в кипящем слое продукта достаточно сложен для математического описания, потому не представляется возможным достаточно корректно решить описывающее его дифференциальное уравнение, можно лишь в самом общем виде представить зависимость между различными переменными, влияющими на протекание процесса без учета его физической сущности. В таких случаях для получения критериев подобия используют метод анализа размерностей. Этот метод позволяет выразить общую функциональную зависимость для любого исследуемого процесса в виде уравнения связи между строго определенным числом безразмерных комплексов и базируется на двух допущениях:
