Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературно-патентный обзор 9
1.1 Мембранные методы при переработке жидких пищевых сред 9
1.2 Использование мембранных методов при производстве крахмала и продуктов на его основе 1.2.1 Производство картофельного крахмала 15
1.2.2 Производство продуктов на основе картофельного крахмала 19
1.3 Характеристика мембранного оборудования 22
Выводы по главе 1 38
Глава 2 Математическое моделирование мембранных процессов 39
2.1 Основные методы и модели 39
2.2 Моделирование мембранных процессов переработки сырья на основе аппарата передаточных функций
2.2.1 Основные положения теории передаточных функций 41
2.2.2 Описание объекта и методики моделирования 45
2.3 Разработка алгоритма определения изменений гидродинамических условий в аппарате 49
2.3.1 Алгоритм определения изменения скорости потока по длине гидродинамического элемента 49
2.3.2 Алгоритм определения изменения критерия Рейнольдса по длине гидродинамического элемента 52
2.3.3 Алгоритм определения потерь давления по длине гидродинамического элемента 53
2.3.4 Реализация алгоритмов программными средствами 56
2.3.5 Методика расчета изменения гидродинамических условий 61
Выводы по главе 2 73
Глава 3 Разработка и экспериментальные исследования ультрафильтрационного аппарата
3.1 Разработка ультрафильтрационного аппарата с гидродинамическими элементами 74
3.2 Описание лабораторной мембранной установки 75
3.3 Экспериментальные исследования ультрафильтрационного аппарата
3.3.1 Исследование влияния скорости потока среды на производительность ультрафильтрационного аппарата 77
3.3.2 Исследование влияния давления в канале мембраны на производительность ультрафильтрационного аппарата 80
3.3.3 Исследование влияния температуры среды на производительность ультрафильтрационного аппарата 81
3.3.4 Сравнительные исследования ультрафильтрационного аппарата 85
3.3.5 Оценка технических возможностей ультрафильтрационного аппарата
3.4 Параметрическая идентификация модели процесса мембранного концентрирования 89
3.5 Оценка адекватности математической модели процесса мембранного концентрирования 93
Выводы по главе 3 96
Глава 4 Технологии переработки крахмалсодержащего сырья мембранными методами 97
4.1 Крахмал: полезные свойства и применение 97
4.2 Технология производства саго из картофельного крахмала 99
4.3 Примеры рецептур крупы саго из картофельного крахмала 109
Выводы по главе 4 116
Библиография 117
- Производство картофельного крахмала
- Моделирование мембранных процессов переработки сырья на основе аппарата передаточных функций
- Описание лабораторной мембранной установки
- Технология производства саго из картофельного крахмала
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время одной из основных задач развития пищевой промышленности Кузбасса является внедрение технологий, которые позволяют производить глубокую переработку сырья и создавать продукты здорового питания, обогащенные витаминами и микроэлементами. К современным методам глубокой переработки жидких пищевых сред относят мембранные методы, на основе которых создаются малоотходные и экономически эффективные технологии переработки сырья. Применение мембранных методов значительно повышает качество и биологическую ценность пищевых продуктов, снижает энергозатраты на их производство и улучшает экологические показатели предприятия.
Крахмал как основной природный углевод является экологически безопасным и натуральным продуктом. В известных количествах он способен оказывать положительное воздействие на организм человека. В процессе расщепления молекул крахмала выделяется значительное количество энергии, которая может быть использована организмом. Крахмал обладает свойствами загустителя, стабилизатора и структурообразователя, необходимыми в современном промышленном производстве, в особенности в пищевой отрасли. Внедрение мембранных методов, в частности, ультрафильтрации, в технологию выработки крахмала и продуктов на его основе позволяет повысить эффективность производственного процесса и упростить его аппаратурное оформление.
Перспективной задачей остается интенсификация мембранных процессов. Одним из решений данной задачи является модернизация существующих конструкций мембранных аппаратов с целью повышения их производительности. В связи с этим разработка и исследование ультрафильтрационного оборудования с повышенными показателями производительности является актуальной научной задачей.
Степень разработанности темы исследования. Научной базой в области мембранных технологий являются работы отечественных и зарубежных ученых – М. Мулдера, С-Т. Хванга, Ю.И. Дытнерского, А.П. Чагаровского, М.Т. Брыка, Г.Г. Каграманова, Е.А. Цапюка, Е.А. Фетисова, К. Каммермейера, Г.Б. Гаврилова, И.А. Евдокимова. Значительный вклад в изучение и развитие мембранных процессов вносит научная школа под руководством доктора технических наук, профессора ФГБОУ ВО «КемТИПП» Лобасенко Б.А.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВО КемТИПП «Исследование процесса переработки жидких пищевых сред мембранными методами» (№ гос. регистрации 115070110049).
Объект исследования – конструкция ультрафильтрационного аппарата с гидродинамическими элементами.
Предмет исследования – установление закономерностей протекания процесса концентрирования крахмалсодержащего сырья в разработанном ультрафильтрационном аппарате.
Цель и задачи исследований. Целью работы является повышение производительности ультрафильтрационного аппарата с гидродинамическими эле-
ментами при переработке крахмалсодержащего сырья.
Достижение цели осуществлялось путем решения следующих задач:
разработка конструкции ультрафильтрационного аппарата с гидродинамическими элементами на основе литературно-патентного анализа;
разработка математической модели процесса мембранного концентрирования крахмального молока на основе аппарата передаточных функций;
выбор рациональных конструктивных параметров гидродинамических элементов на основе программной реализации алгоритма определения изменений гидродинамических условий в аппарате;
изучение влияния параметров технологического режима работы ультрафильтрационного аппарата на его производительность при переработке крахмалсодержащего сырья и выбор их рациональных значений;
параметрическая идентификация математической модели;
модернизация технологии производства крупы саго на основе картофельного крахмала с использованием разработанного ультрафильтрационного оборудования.
Научная новизна. С применением аппарата передаточных функций разработана математическая модель процесса мембранного концентрирования, позволяющая определять производительность ультрафильтрационного аппарата в зависимости от значений параметров технологического режима его работы. Методами планирования эксперимента получена регрессионная модель, отражающая влияние параметров технологического режима работы аппарата на его производительность при концентрировании крахмального молока. Определены их рациональные значения, соответствующие наибольшей производительности аппарата. С использованием закономерностей гидродинамики жидких сред разработан алгоритм определения изменений гидродинамических условий в аппарате в зависимости от вязкости среды и геометрических размеров гидродинамических элементов. На основе программной реализации алгоритма выбраны их рациональные значения, позволяющие интенсифицировать мембранные процессы.
Теоретическая и практическая значимость. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса мембранного концентрирования разработана и реализована конструкция ультрафильтрационного аппарата с гидродинамическими элементами (патент РФ на полезную модель №152744).
Проведены испытания опытно-промышленной мембранной установки на основе разработанного аппарата на ООО НПО «Здоровое питание», которые показали эффективность за счет увеличения производительности при концентрировании крахмального молока.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Технологическое проектирование пищевых производств» ФГБОУ ВО «КемТИПП».
Методология и методы исследования. При организации и проведении экспериментов применялись общепринятые методы сбора, сравнительного анализа и систематизации научной информации, стандартные методы лаборатор-
ного анализа, общепринятые методы сенсорного анализа, результаты которых обрабатывались с использованием современных программных продуктов.
Положения, выносимые на защиту: математическая модель процесса мембранного концентрирования; новая конструкция ультрафильтрационного аппарата с гидродинамическими элементами; программная реализация алгоритма определения изменений гидродинамических условий в аппарате; результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса концентрирования в ультрафильтрационном аппарате с учетом влияния параметров технологического режима.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методов исследований, обоснованных теоретическими положениями. Основные теоретические положения диссертационной работы и заключения подтверждены результатами экспериментальных исследований. При выполнении экспериментальных исследований использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математической обработки результатов исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «Инновационные и современные технологии пищевых производств» (г. Владивосток, 2013); Инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации» (г. Кемерово, 2013); XII Всероссийской студенческой научно-практической конференции с международным участием «Наука и производство: состояние и перспективы» (г. Кемерово, 2014); Международной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы» (г. Москва, 2014); Международной научно-практической конференции «Мировая наука и образование в условиях современного общества» (г. Москва, 2014); Международной научно-практической конференции «Приоритетные направления развития науки» (г. Уфа, 2014); Международной научной конференции «Пищевые инновации и биотехнологии» (Кемерово, 2014; Кемерово, 2015); Международной научно-практической конференции «Инновационное развитие современной науки» (г. Стерлитамак, 2015); Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические вопросы науки XXI века» (г. Уфа, 2015); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития современной науки и образования» (г. Москва, 2015); Международной научно-практической конференции «Закономерности и тенденции развития науки» (г. Стерлитамак, 2015).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 132 страницах машинописного текста. Работа включает 34 рисунка, 12 таблиц. Список литературы содержит 166 наименований. Приложения представлены на 16 страницах.
Производство картофельного крахмала
Крахмал можно изготовить, используя различное растительное сырье. При этом технология производства немного различна. Самым распространенным сырьем для производства в Российской Федерации является картофель.
В картофеле крахмал находится в виде крахмальных зерен, размер которых варьируется от 70 до 145 мкм. В составе крахмальных зерен преобладают две природные фракции крахмала – амилоза (20%) и амилопектин (80%), в основе которых лежит глюкоза (97-99%). Молекула амилопектина с общим количеством глюкозных остатков около 106 имеет диаметр 50 нм, амилоза – 500 нм [118].
Химический состав картофеля зависит от его сорта, климатических условий произрастания, состава почвы и др.
В среднем клубни картофеля содержат: 75% воды и 25% сухих веществ. В состав сухих веществ входит 18,5% крахмала, примерно 2% азотистых веществ, 1% клетчатки, 0,9% минеральных веществ, 0,8% сахара, 0,2% жира и другие вещества (пектины, пентозаны и др.) –1,6%. Крахмал в клубнях картофеля содержится в количестве от 8 до 29%. 78% воды в картофеле содержится в свободном состоянии, остальная вода (22%) находится в связанном состоянии. Вода, которая находится в свободном состоянии, растворяет все водорастворимые высокомолекулярные и низкомолекулярные вещества картофеля, и образует клеточный сок; связанная вода не является растворителем и образует коллоидные соединения[125].
В картофеле содержится 0,46-1,72% сахаров, которые представлены в основном в виде сахарозы, также незначительно в виде глюкозы и фруктозы. В период хранения клубней картофеля в них происходит увеличение содержания сахаров до 5%, снижается выход крахмала, потери сухих веществ возрастают [125].
В составе картофеля находится 0,52-1,77% клетчатки. Содержание клетчатки увеличивает толщину клеточных стенок картофеля и существенно затрудняет его измельчение на терочных машинах и, таким образом, сокращает выход мезги и увеличивает потери крахмала с мезгой.
Кроме того, в процессе хранения пентозаны и пектиновые вещества, входящие в состав клеточных стенок картофеля в количестве 0,74-0,95% под воздействием фермента протопектиназы в основном переходят в растворимую форму. Это ведет к размягчению тканей, что затрудняет производство крахмала [125].
В составе клубней картофеля присутствуют щавелевая, лимонная, яблочная, молочная и другие органические кислоты, однако лимонная кислота преобладает. Общая кислотность (рН) картофельного сока 5,8-6,6. В процессе хранения при микробиологической порче картофеля его кислотность возрастает, что негативно влияет на ход технологического процесса и выход крахмала [125].
Азотистые вещества представлены в клубнях в количестве 0,7-4,6%, на 60% они представляют собой белковыме соединения, остальные 40% – это небелковые азотистые соединения. В процессе созревания картофеля количество азотистых веществ в клубнях снижается, что положительным образом влияет на технологический процесс, поскольку белок как хороший пенообразователь затрудняет выделение примесей из крахмала и снижает его качество.
В клубнях картофеля содержится 10-30 мг% витамина С, следы витаминов группы В и каротиноидов. Зола картофеля включает 0,4-1,9% с преимущественным содержанием соединений К, Р, Na, Ca, Mg, Fe. Около 75% зольных соединений в процессе выработки кархмала попадают в сточные воды, поскольку хорошо растворимы в воде, часть нерастворимых соединений переходит в мезгу, часть – в крахмал, изменяя вязкость и клеящую способность крахмального клейстера [125].
Технологическая схема производства сырого картофельного крахмала включает следующие этапы: хранение картофеля; мойка, сортировка и взвешивание картофеля; получение кашки путем тонкого измельчения картофеля; удаление из кашки картофельного сока; выделение из кашки свободного крахмала; удаление и промывка мезги; рафинирование крахмальной суспензии; промывка крахмала [118].
Сухой крахмал представляет собой конечную продукцию заводов крахмально-паточной промышленности, он долго хранится и хорошо транспортируется без изменения свойств. Равновесная влага сухого картофельного крахмала составляет 20%.
Крахмал – белый аморфный порошок без запаха и вкуса, в холодной воде не растворим. Крахмал способен к набуханию, т.е. обладает способностью медленно впитывать холодную воду с температурой до 40-45С. Крахмал, как правило, набухает ограниченно, при этом его зерна сохраняют первоначальный вид. Повышение температуры приводит к увеличению способности крахмала поглощать воду, при этом объем зерен и вязкость крахмальной суспензии многократно увеличиваются, структура крахмального зерна разрушается. Растворимая в воде часть крахмала переходит в водный раствор. Этот процесс называется клейстери-зацией, температура, при которой крахмальный раствор достигает максимальной вязкости, называется температурой клейстеризации. Температура клейстеризации картофельного крахмала находится в пределах 60-70С.
Способность крахмальных растворов клейстеризоваться, т.е. изменять вязкость, и их способность образовывать студни является основным физико-химическим свойством, используемым для создания потребительских свойств различных пищевых продуктов.
Технологическая схема выработки сухого крахмала включает следующие этапы и операции: подготовка крахмальной суспензии к механическому извлечению влаги; обезвоживание суспензии; сушка крахмала; дробление, просеивание и упаковывание сухого крахмала.
Технология производства крахмала, включающая вышеописанные этапы, разработана давно и долгие годы не менялась. На современном этапе развития техники и технологий существуют аналоги некоторых устаревших технических решений.
В частности, оборудование процесса обезвоживания крахмального молока, полученного в процессе рафинирования, характеризуется невысокой производительностью.
Кроме того, оборудование является энергоемким, и для его размещения требуются большие производственные площади. Данный процесс является одним из ключевых процессов в технологии производства, в результате получается продукт, который может являться конечным – сырой крахмал – или основным сырьем производства сухого крахмала и крахмалопродуктов.
Согласно описанию технологической линии, крахмальная суспензия, подаваемая на обезвоживание после процесса рафинирования, имеет концентрацию сухих веществ 7...9% [118]. На выходе процесса обезвоживания концентрация сухих веществ должна быть в пределах от 58 до 68%. Достижение указанной концентрации на существующем оборудовании занимает значительное время и требует значительных энергозатрат.
Одним из вариантов модернизации процесса обезвоживания крахмального молока является внедрение процесса мембранной фильтрации. Исходя из размеров крахмальных зерен, возможно успешное использование процесса ультрафильтрации. Благодаря явным преимуществам керамических мембран, их использование в данном технологическом процессе является перспективным.
Моделирование мембранных процессов переработки сырья на основе аппарата передаточных функций
Передаточная функция является неким динамическим оператором, который характеризует передачу сигнала через звено.
Формально передаточная функция может быть получена заменой оператора дифференцирования в дифференциальном уравнении динамики соответствующей степенью S и соотношением многочлена правой его части к многочлену левой его части.
Метод «черного ящика» [61] позволяет изучать поведение системы по ее реакции на внешние воздействия, независимо от ее внутренней структуры. Большинство реальных систем настолько сложны, что даже при наличии полной информации, характеризующей состояние их элементов, не представляется возможным выявить закономерности поведения систем. Если абстрагироваться от структуры системы и заменить ее «черным ящиком», который функционирует сходным образом, это позволит построить ее упрощенную модель.
Объектом моделирования является процесс мембранного концентрирования крахмалсодержащего сырья в мембранном аппарате [35]. Рассмотрим методику построения математической модели мембранного процесса: 1. Анализ мембранного процесса концентрирования и определение входных и выходных параметров объекта.
Данный этап на основе описания функционирования мембранного аппарата в соответствии с методом «черного ящика» позволяет определить основные входные и выходные параметры объекта моделирования, а также выявить каналы передачи сигналов с входов на выходы объекта. Структурная схема мембранного процесса может быть представлена в виде (рисунок 2.2). Основное входное воздействие - концентрация веществ, задерживаемых мембраной, в исходной среде С(S), %масс. Выходной параметр - показатель эффективности мембранных процессов - удельная производительность по фильтрату G(S),—. Основной канал «вход - выход» - канал «исходная концентрация С (S) - удельная производительность G(S)». Его передаточные свойства могут быть описаны передаточной функцией WС(S). Система подвержена воздействию основных параметров технологического режима: рабочее давление p(S), температура перерабатываемой среды T(S) [70].
Передаточные свойства каналов системы характеризуются соответствующими передаточными функциями (рисунок 2.2). Передаточная функция WТ(S) характеризует передаточные свойства канала «температура - удельная производительность», передаточная функция WP(S) - канала «давление - удельная производительность».
Установление возможных диапазонов варьирования входных воздей ствий. По результатам экспериментальных данных и на основе литературно патентного поиска должны быть установлены диапазоны: концентрация крахмального молока (крахмальной суспензии); температура крахмального молока: диапазон включает значения от средней температуры перерабатываемой среды до температуры клейстеризации крахмала [117, 118]; давление процесса ультрафильтрации: нижнее значение диапазона обусловлено необходимостью создания основной движущей силы мембранного процесса в виде разности давлений снаружи и внутри мембранного фильтрующего элемента; выбор верхнего предела обусловлен максимально возможным давлением мембранной установки.
Определение вида и величины входных воздействий. Экспериментальные и теоретические исследования объекта или системы в соответствии с методом «черного ящика» предполагают использование стандартных сигналов, так назы ваемых типовых воздействий. Данные воздействия формализованы в виде про стых функций и легко воспроизводимы при исследовании системы. Применение типовых входных воздействий в целом унифицирует расчеты передаточных свойств систем и упрощает их сравнение. Наиболее часто применимым является ступенчатое воздействие, которое в момент времени t0 мгновенно возрастает от начального Xнач до конечного Xкон значения и далее остается неизменным. Такое воздействие описывается функцией (2.10).
Значения Xнач и Xкон выбрают с учетом установленных диапазон варьирования входных воздействий.
Реакцией системы на ступенчатое воздействие является переходная (разгонная) характеристика, которая формализуется в виде переходной функции. Входное воздействие вводится в систему, находящуюся в статическом режиме, т.е. при неизменной во времени выходной величине.
4. Структурная идентификация объекта, заключающаяся в выборе структуры математической модели на основе априорных знаний об объекте.
Изменение удельной производительности во времени наиболее точно описывает зависимость (2.11), которая является модифицированной передаточной функцией апериодического звена первого порядка.
5. Выбор критерия близости (функции невязки), который должен обладать следующими характеристиками [123]: принимает нулевое или положительные значения; минимум критерия соответствовует решению задачи оптимизации; минимальное значение критерия должно быть близко к нулю (или равно нулю) при совпадении результатов, полученных экспериментально, с результатами математического моделирования. Как правило, используют квадратичный критерий близости (2.12). где n - размерность массива экспериментальных данных; у. и у?- значения выходной переменной объекта и модели соответственно.
6. Расчет параметров математической модели. На данном этапе решается задача определения экстремума функции нескольких переменных, интервалы изменения которых ограничены в соответствии с физическим смыслом поведения объекта. Функция невязки задана выражением (2.12), а переменные величины -параметры передаточных функций (коэффициенты передачи, постоянные времени и т.д.). Т.е., данный этап посвящен определению численных значений параметров передаточных функций системы.
7. Оценка адекватности математической модели. Данный этап позволяет оценить, насколько точно и качественно математическая модель отражает реальные процессы в исследуемой системе, насколько хорошо она способна прогнозировать динамику происходящих в ней процессов.
Проверка адекватности осуществляется на основе экспериментальных данных, полученных в результате функционирования системы (пассивный эксперимент) или проведения активного эксперимента.
Дополнительно проводят проверку непротиворечивости математической модели. Модель, отвечающая требованиям непротиворечивости, считается адекватной и может использоваться при прогнозировании реальных процессов.
Описание лабораторной мембранной установки
Исходя из вышеприведенных расчетов, установлено, что переходный режим течения жидкости начинается со значения скорости потока 0,8 м/с. Выбор рациональным значением скорости потока среды 1 м/с объясняется большей производительностью мембраны по фильтрату при данном значении. При этом, согласно расчетам, приведенным в таблице 3.1, выявлено, что отношения значений производительности к затратам электроэнергии при скорости потока среды 0,8 м/с и 1 м/с незначительно отличаются, поэтому выбор скорости потока v = 1 м/с можно считать целесообразным.
На данном этапе исследований установлена степень воздействия давления на производительность аппарата. Эксперимент проводился при мембранном концентрировании крахмального молока с температурой Т = 25С при скорости среды v = 1м/с. Результаты приведены на рисунке 3.5.
Зависимость производительности аппарата от давления при переработке крахмального молока С = 7%масс., Т = 25С, v = 1м/с Наибольшая производительность по фильтрату достигается при давлении в канале мембраны 0,25МПа. В данной точке наблюдается равновесие противодействующих факторов. Возрастание давления, с одной стороны, ведет к возрастанию движущей силы процесса, что повышает образование фильтрата. Повышение давления, с другой стороны, вызывает уплотнение осадка задерживаемых на мембране веществ, что повышает его сопротивления потоку фильтрата. При давлениях, меньших 0,25МПа, преобладает первый процесс, после – второй процесс. Т.е. предварительно может быть принято значение давления среды в канале мембранного элемента 0,25МПа.
На данном этапе установлена степень воздействия температуры перерабатываемой среды на производительность мембранного аппарата. Эксперимент проводился при концентрировании крахмального молока под избыточным давлением 0,25МПа и скорости среды 1м/с. Результаты приведены на рисунке 3.6.
Повышение температуры крахмальной суспензии снижает вязкость воды в ее составе, соответственно снижается вязкость суспензии в целом. Фильтрат образуется интенсивнее. Температуры до 40-45С вызывают ограниченное набухание зерен крахмала в составе крахмальной суспензии, ее вязкость при этом почти не изменяется [117, 118]. При температурах, выше 45С, крахмальные зерна начинают поглощать большее количество воды, при этом вязкость крахмальной суспензии возрастает. Интенсивность образования фильтрата снижается. Нагревание крахмальной суспензии свыше 50-55С зерна крахмала вызывает значительное поглащение воды, что приводит к увеличению их объема в несколько раз. При этом наблюдается разрыв нативной структуры зерен крахмала, в крахмальном молоке образуется клейстер.
В результате экспериментов установлено, что при температурах 50-55С в крахмальной суспензии начинают образовываться крахмальные сгустки, которые имеют вязкую структуру. При увеличении температуры до 60С количество сгустков крахмала возрастает, кроме того, увеличивается объема отдельного сгустка. При температурах свыше 60С образование сгустков крахмала принимает массовый характер. Мембранный процесс концентрирования практически прекращается, поскольку возникшие сгустки закупоривают внутренний канал мембранного фильтра. Следовательно, при температурах свыше 50-55С производительность аппарата установить невозможно.
Всегда увеличение температуры крахмальной суспензии в установленных диапазонах приводит к возрастанию производительности аппарата.
Параметрическая идентификация уравнения регрессии осуществлялась на основе результатов активных экспериментов в соответствии с матрицей планирования композиционного плана (приложение Д), полученной по стандартной методике [23].
Численные значения параметров уравнения регрессии и их статистические характеристики представлены в приложении Д.
Статистически установлено, что коэффициент уравнения Ъ12 является незначимым, поэтому исключается. Регрессионная модель адекватна экспериментальным данным, что подтверждается оценкой по критерию Фишера (Fкрит = 3,6; Fрасч = 3,53; Fкрит Fрасч).
Таким образом, влияние параметров технологического режима на производительность ультрафильтрационного аппарата описывается уравнениями регрессионной в безразмерном (3.2) и натуральном (3.3) масштабах. Анализ регрессионной модели (3.3) в диапазоне варьирования параметров T Є [25; 45] и р Є [0,20; 0,30] показал, что рациональными значеними являются Т = 45С, р = 0,25МПа, при это наблюдается максимальная производительность аппарата, составляющая 49010-6м3/(м2с).
Максимум уравнения регрессии (3.3) можно оценить на ЗО-поверхности, демонстрирующей зависимость производительности мембраны по фильтрату от параметров технологического режима (рисунок 3.8). 25
В качестве прототипа выбран типовой мембранный аппарат [35], реализованный на базе исследовательских лабораторий ФГБОУ ВО «КемТИПП» для экспериментальных исследований процесса концентрирования.
Прототип имеет цилиндрический корпус 1 (рисунок 3.1), с одной стороны которого расположен патрубок 2 для ввода исходной среды, с другой стороны – патрубок 3 для вывода концентрата продукта. Патрубок 4 предназначен для вывода фильтрата. В корпусе коаксиально установлена полупроницаемая мембрана 5. Прототип имеет низкую производительность по фильтрату, что объясняется формированием слоя задерживаемых мембраной веществ на ее поверхности. Предложенная конструкция мембранного аппарата в отличие от прототипа имеет внутри мембранного элемента вставку из несущего стержня 6 и гидродинамических элементов 7, которая крепится, благодаря фиксирующим кольцам 8.
На рисунке 3.9 представлены сравнительные результаты экспериментов, полученные при рациональных значениях параметров технологического режима, наглядно подтверждающие преимущество разработанного ультрафильтрационного аппарата.
Технология производства саго из картофельного крахмала
Построение семейства кривых изменения скоростей по длине гидродинамического элемента в зависимости от сочетания значений диаметров большего и меньшего его оснований и выбор кривых, демонстрирующих более интенсивную динамику скорости. На данном этапе длину гидродинамического элемента принимают постоянной. С учетом того, что современная отечественная промышленность (ООО НПО «Керамикфильтр») выпускает трубчатые керамические мембранные фильтры, характеризующиеся диаметром внутреннего канала 6 мм и длиной 800 мм, произвольно положим длину элемента L = 8 мм = 0,008 м. Также с учетом вышесказанного примем комбинации значений большего D2 и меньшего D1 диаметров гидродинамического элемента в соответствии с таблицей 2.1. В качестве среды рассмотрим крахмальное молоко как слабоконцентрированный водный раствор, поэтому примем (den) = 1000 кг/м3 и (vis) = 0,001 Нс/м2 при средней температуре 20С. Произвольно примем n = 1000.
Результаты расчетов, полученные с помощью алгоритма с учетом принятой длины гидродинамического элемента и комбинаций значений его диаметров при различных исходных скоростях, представлены на рисунках 2.7 и 2.8. Очевидно, что наиболее интенсивную динамику скорости демонстрируют кривые, соответствующие комбинациям №4, №7 и №9 таблицы 2.1. Также отметим, что динамика скорости не зависит от ее начального значения.
Построение семейства кривых потерь давлений по длине элемента для выбранных кривых изменения скорости, т.е. кривых, соответствующих комбинациям №4, №7 и №9 таблицы 2.1 (рисунок 2.9). Примем vstart = 1 м/с. Очевидно, что минимальными потерями давления характеризуется комбинация №4, поскольку площадь, ограниченная соответствующей кривой, меньше площадей, ограниченных кривыми, соответствующими комбинациям №7 и №9. Таким образом, в качестве рациональных значений принимаем значения большего D2 = 0,005 м и меньшего D1 = 0,001 м диаметров оснований гидродинамического элемента.
Выбор рационального значения длины гидродинамического элемента, который осуществляется на основании критерия Q (2.35), учитывающего суммарные потери давления р на некотором количестве конических вставок N.
Результаты выбора кривых динамики скорости (а) и расчетов соответствующих им потерь давления (б) при v_start = 1 м/с Выбор рационального значения длины гидродинамического элемента осуществляется на основании результатов расчета по функции dL(L_start,Lm,n) в среде MathCAD (приложение А). В результате получено рациональное значение длины элемента L = 0,004 мм.
Следовательно, при переработке слабоконцентрированного водного раствора с применением трубчатого керамического мембранного фильтра с диаметром внутреннего канала 0,006 м и длиной 0,8 м рациональные размеры гидродинамического элемента составят: диаметр большего основания 0,005 м, диаметр меньшего основания 0,001 м, длина 0,004 м.
Реализация алгоритма определения гидродинамических условий программными средствами позволяет определить изменение значений критерия Рейнольдса по длине элемента в зависимости от начальной скорости потока. Следовательно, теоретически возможно определить режим течения среды и выявить наиболее благоприятные значения исходной скорости потока с позиции образования турбулентностей, наличие которых способствует уменьшению толщины слоя задерживаемых веществ на поверхности мембраны.
На рисунках 2.10 – 2.14 представлены расчеты при начальных скоростях потока среды соответственно 0,6 м/с; 0,7 м/с; 0,8 м/с; 0,9 м/с; 1 м/с. В качестве критерия оценки влияния исходной скорости потока на гидродинамические условия выбрано значение критерия Рейнольдса Re = 2300, при превышении которого устанавливается переходный режим, когда турбулентное течение более вероятно, в отличие от ламинарного режима при Re 2300. При исходной скорости потока 0,6 м/с переходный режим течения среды наблюдается только на первой половине длины элемента, далее значение критерия Рейнольдса снижается в связи с уменьшением площади сечения кольцевого канала (рисунок 2.10). При исходной скорости потока 0,7 м/с переходный режим течения среды наблюдается практически по всей длине элемента, за исключением конечного участка (рисунок 2.11).