Введение к работе
з
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена решению актуальной научной и технической задачи: разработке модели процесса эмульгирования в аппаратах-эмульгаторах, решающим фактором воздействия в которых являются тангенциальные напряжения.
Продолжительность проведения процессов пищевых производств, в частности процесса эмульгирования и одновременно с ним протекающего процесса коагуляции в аппарате-эмульгаторе, определяется исходя из кинетики процессов, позволяющей рационально получить заданную дисперсность при минимальных затратах энергии, а в целом, уменьшить себестоимость конечной пищевой и другой продукции на основе эмульсий. До настоящего времени не существует теории кинетики эмульгирования и коагуляции, которая учитывала бы основной силовой фактор воздействия и эффект возрастания удельной поверхностной энергии при уменьшении диаметра частиц дисперсной фазы. Другими словами, с уменьшением диаметра частицы плотность внешней энергии для ее дробления должна возрастать.
С другой стороны, увеличивать продолжительность эмульгирования больше рационального значения нежелательно, так как в этом случае затраты энергии оказываются неоправданно большими. Решение теоретической, экспериментальной и практической задачи о кинетике совместных процессов эмульгирования и коагуляции в аппарате-эмульгаторе, а также процесса коагуляции при хранении эмульсии с целью определения необходимого времени эмульгирования для достижения заданной дисперсности с учетом основного фактора воздействия на процесс, физико-химических свойств компонентов обрабатываемой среды с переменной дисперсностью получаемой эмульсии особенно актуально как для малого и среднего, так и крупного бизнеса в пищевой и других отраслях современной стабилизирующейся рыночной экономики.
Данная работа посвящена теоретическому, экспериментальному и практическому исследованию одновременно протекающих процессов эмульгирования и коагуляции в аппаратах-эмульгаторах с таким решающим фактором воздействия, как тангенциальные напряжения, при получении эмульсионных продуктов, имеющих широкое применение в пищевой, в частности, масложировой и молочной промышленности, что, по нашему мнению, является актуальной задачей исследования.
Степень разработанности проблемы. Экспериментальному исследованию диспергирования в аппаратах-эмульгаторах посвящено много работ отечественных и зарубежных ученых (Барановский Н. В., Кремнев Л. А., Нигматулин Р. И., Орешина М. Н., Паронян В. X., Радвель А. А., Ребиндер П. А., Трошкин О. А., Фиалкова Е. А., Гопал Е. С. Р., Трэси П. X.,, Шерман Ф.,). Однако теоретические и экспериментальные исследования кинетики процесса эмульгирования, учитывающей особенности и физико-химические свойства дисперсной фазы и дисперсионной среды, ПАВ, основного фактора воздействия на процесс эмульгирования, не проводились.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является определение рациональной продолжительности эмульгирования одновременно протекающих процессов эмульгирования и коагуляции при приготовлении эмульсионных продуктов питания в аппаратах-эмульгаторах с большими тангенциальными напряжениями.
В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования являлись:
- анализ существующих теорий кинетики процесса эмульгирования и его аппаратурное оформление в различных отраслях производства;
определение зависимости дисперсности эмульсии от продолжительности эмульгирования D(t) в процессах эмульгирования в аппарате-эмульгаторе, коагуляции эмульсии при ее получении и хранении, эмульгирования и коагуляции в аппарате-эмульгаторе;
- разработка экспериментального стенда и обоснование выбора методики
проведения экспериментов по получению и анализу эмульсии;
- экспериментальные исследования процесса эмульгирования при
получении пищевых продуктов;
- промышленные испытания установки для получения эмульсий.
Идея работы заключается в исследовании процесса эмульгирования с учетом зависимости вероятности распада капли от отношения тангенциальных напряжений к давлению межфазного поверхностного натяжения капли. Сравнение экспериментальных данных с полученной зависимостью D(t) позволяет определить параметр, характеризующий аппарат-эмульгатор и время эмульгирования до заданной дисперсности.
Методы исследования - комплексные, включающие научный анализ и обобщение опыта эксплуатации аппаратов-эмульгаторов с тангенциальными напряжениями в потоке обрабатываемой текучей среды, которые являются решающим фактором воздействия на скорость процесса эмульгирования; исследования процессов эмульгирования . и коагуляции капель эмульсии в аппаратах-эмульгаторах с тангенциальными напряжениями и при ее хранении; экспериментальные исследования процессов эмульгирования с использованием роторных аппаратов с модуляцией потока и сопоставление с литературными источниками по гомогенизации молока в гомогенизаторах высокого давления различных типов; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики, сопоставление результатов экспериментов и полученных зависимостей.
Научная новизна заключается в том, что определена и экспериментально подтверждена зависимость дисперсности эмульсии от продолжительности эмульгирования D(t) в процессах эмульгирования и коагуляции в аппаратах-эмульгаторах с тангенциальными напряжениями с учетом эффекта возрастания удельной поверхностной энергии при уменьшении диаметра частиц дисперсной фазы, позволяющая рационально выбрать режим работы аппарата и время эмульгирования.
Проведенные исследования позволили получить новые результаты:
- анализ литературных данных показал, что количественной теории,
учитывающей влияние основного фактора воздействия на эмульсию и эффекта
возрастания удельной поверхностной энергии на исследуемый процесс не
существует;
- предложена и разработана модель процесса эмульгирования и
коагуляции в аппаратах-эмульгаторах с тангенциальными напряжениями, а
также с учетом того обстоятельства, что с уменьшением диаметра капель их
удельная поверхностная энергия и объемная плотность поверхностной энергии
эмульсии возрастают;
установлены основные закономерности влияния изменения дисперсности эмульсии и физико-химических свойств ее компонентов на процессы эмульгирования и коагуляции в аппарате-эмульгаторе, а также при хранении эмульсии;
предложен анализ влияния тангенциальных напряжений на процесс эмульгирования в пограничном слое на входе потока при неустановившемся профиле эпюры скоростей;
предложен и разработан метод анализа нестационарного течения обрабатываемых жидкостей в клапанном гомогенизаторе с периодическими граничными условиями;
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач; представленным объемом экспериментальных данных, полученных на экспериментальной стендовой установке на базе роторного аппарата с модуляцией потока, позволяющего регулировать тангенциальные напряжения с применением современных прямых средств измерения и методов исследования; корректным применением методов теории вероятностей и математической статистики при обработке и анализе экспериментальных данных; связью теоретических и экспериментальных зависимостей, позволяющих вычислить введенный параметр аппарата-эмульгатора; опытом использования методики расчета
роторного аппарата для получения эмульсии типа М/В, реализованного на энергетической установке для получения топливных дисперсных систем;
Практическая значимость разработок, полученных лично автором:
- получена расчетная зависимость дисперсности эмульсии от времени с
учетом тангенциальных напряжений в аппарате-эмульгаторе, физико-
химических свойств компонентов эмульсии и коагуляции капель в аппарате-
эмульгаторе;
- получена расчетная зависимость дисперсности эмульсии от
продолжительности ее хранения с учетом переменного расстояния между
каплями дисперсной фазы в процессе коагуляции;
из теоретического анализа процесса эмульгирования можно получить введенную в работе новую количественную характеристику аппарата-эмульгатора, его эффективность, поскольку разработана методика ее определения в процессе обработки экспериментальных данных;
полученные закономерности позволяют определить рациональное время эмульгирования жидкостей с произвольными известными физико-химическими свойствами компонентов;
разработана и смонтирована экспериментальная установка на базе роторного аппарата с модуляцией потока с регулируемой величиной зазора между боковыми рабочими коническими поверхностями ротора и статора, а соответственно, и тангенциальные напряжения в зазоре;
на основе промышленных испытаний разработан и реализован узел приготовления топливной дисперсной смеси.
На защиту выносятся основные положения разделов научной новизны и практической значимости работы:
- модель процесса эмульгирования в аппаратах-эмульгаторах с
тангенциальными напряжениями и учетом эффекта возрастания удельной
поверхностной энергии, а также коагуляции в случае соударения двух капель,
причем вероятность их соударения прямо пропорциональна переменному
расстоянию между двумя каплями дисперсной фазы и зависит от физико-химических свойств компонентов эмульсии;
- экспериментальные исследования и научно обоснованный метод расчета
характерного параметра аппарата-эмульгатора, независимого от величины
тангенциальных напряжений и физико-химических свойств компонентов
эмульсии, позволяющий определить рациональное время эмульгирования;
- разработанный и реализованный промышленный узел приготовления
многокомпонентной дисперсной смеси.
Апробация работы. Основные материалы диссертации в период с 2007 по 2010 гг. были представлены в трех докладах на международном научно-практическом форуме «Стратегия 2020: интеграционные процессы образования, науки и бизнеса как основа инновационного развития аквакультуры в России», на IV Всероссийской научно-практической конференции детских диетологов, на XII Всероссийском конгрессе диетологов и нутрициологов с международным участием «Питание и здоровье».
Работа выполнялась по госбюджетной тематике «Интенсификация технологических процессов в нестационарных потоках и их аппаратурное оформление», государственный регистрационный № 0120.0 602985. Диссертационная работа выполнялась автором с 200бгода по 2010 год в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный университет технологий и управления им. К. Г. Разумовского (МГУ ТУ). В диссертации использовались данные, полученные в результате теоретических и экспериментальных исследований процесса эмульгирования и коагуляции в аппаратах-эмульгаторах с тангенциальными напряжениями, а также промышленных испытаний узла приготовления эмульсий типа «вода в масле».
Все результаты, отраженные в разделах «Научная новизна» и «Практическая значимость», получены автором лично.
Разработанная модель процессов эмульгирования и коагуляции читается в МГУТУ по курсам «Технология жиров», «Компрессорные машины».
Анализ литературных источников
применения
эмульсий в пищевой
промышленности
методов эмульгирования
способов их осуществления
процессов
эмульгирования и
коагуляции
аппаратов-эмульгаторов
Физические модели процессов эмульгирования и коагуляции
Эмульгирование в
коротких патрубках
на начальном
участке трубы
т.
Эмульгирование в
тангенциальными
напряжениями
Коагуляция капель
дисперсной фазы в
дисперсионной
среде
Эмульгиров
аниеи
коагуляция
Экспериментальные исследования
Анализ экспериментов из литературных источников
Создание экспериментальной установки
в аппаратах со
стационарными
течениями
Методика проведения экспериментов и обоаботка оезультатов измерений
Определение эффективности АЭ
в аппаратах с
нестационарными
течениями
Разработка, выполнение, внедрение узла поиготовления эмульсии типа «вола в
Анализ работы узла приготовления
Общие выводы и результаты исследований
Рис. 1. Блок - схема структуры диссертационной работы: АЭ - аппарат - эмульгатор
Публикации. По материалам исследований опубликовано 6 работ в научных изданиях. Личный вклад соискателя во всех работах, выполненных в соавторстве, состоит в постановке задач исследования, разработке методик исследования и обработке экспериментальных данных, непосредственном участии в получении, анализе и обобщении результатов исследований.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из основных обозначений и аббревиатуры, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений. Работа изложена на 196 страницах основного текста, содержит 7 таблиц, 40 рисунков, список литературы, включающий 139 наименований отечественных и зарубежных авторов, блок-схему структуры диссертационной работы и приложения.
