Введение к работе
Актуальность темы. Современным направлением совершенствования производства продуктов питания является применение новой техники и технологии, которые позволяют увеличить эффективность производств, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье, при этом сократить потери сырья, затраты энергии и материальных ресурсов.
В последние годы все большее внимание обращается на мембранную технологию, которая Решением Правительственной комиссии по научно-технической политике в 1996 году получила статус критической и до настоящего времени не утратила своей актуальности.
Проблема разработки новых энерго- и ресурсосберегающих технологий в пищевой промышленности нашей страны продолжает оставаться одной из основных, так как стоимость энергоносителей и сырья высока. Требования к качеству готовой продукции в условиях конкуренции с возрастающим объемом импортируемых продовольственных товаров ужесточаются.
Перспективным является применение мембранных технологий для совершенствования процессов переработки растительных масел. Технология переработки растительных масел является многооперационной, представляющей совокупность различных массообменных и теплообменных процессов.
Кроме возможностей мембранной технологии и процессов необходимо обратить внимание на создание эффективной аппаратуры, которая может совмещать процессы мембранного разделения с массообме-ном или с химической реакцией. Причем главным становится именно рациональное конструирование аппаратов с пористой перегородкой (мембраной). Привлекает возможность создания аппаратов со стабильной и высокой удельной на единицу объема поверхностью массообме-на. Нет ограничений на направления потоков и на ориентацию аппарата.
Цель и задачи работы. Целью работы является развитие теории массо- и теплопереноса объектов масложирового производства в по-ловолоконных и трубчатых мембранах под действием градиентов концентрации и температур, разности трансмембранного давления и
разработка практических рекомендаций по совершенствованию комплексной технологии переработки растительных масел на основе применения мембранных процессов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
развить теорию непрерывной мембранной экстракции в контакторе с половолоконными мембранами для различного взаимного направления потоков и продольного перемешивания во взаимодействующих фазах и получить зависимости концентрационных распределений по длине аппарата, на основе которых выполнить анализ эффективных режимов экстракции в мембранном экстракторе;
провести исследования растворимости и диффузии компонентов, удаляемых при экстракционной очистке растительных масел и выполнить исследование и математическое моделирование процесса разделения смеси триацилглицеридов и жирных кислот мембранной экстракцией двуокисью углерода;
исследовать массоперенос в массообменнике с пористой перегородкой;
разработать практические рекомендации по созданию установки для рафинации растительных масел мембранной экстракцией с использованием двуокиси углерода;
развить теорию переноса в мембранных контакторах под действием трансмембранного перепада давления для различных схем потоков;
разработать методику определения проницаемости мембран и проанализировать ее влияние на процессе трансмембранного переноса;
провести математическое моделирование кинетики и свойств реакционной смеси при производстве биодизельного топлива из растительных масел;
построить математическую модель мембранного реактора для производства биодизеля и на этой основе провести оптимизацию процесса;
разработать практические рекомендации по созданию установки для производства биодизеля из растительных масел с использованием мембранного реактора;
провести исследования теплообмена с полипропиленовыми половолоконными мембранами;
обосновать конструкцию и математическую модель конденсатора с полипропиленовыми половолоконными мембранами для парогазовых смесей экстракционного производства;
обосновать технологическую схему переработки растительных масел с использованием разработанных процессов для мембранной экстракции, мембранного реактора и мембранного конденсатора.
Научная концепция. Основой совершенствования ряда технологических процессов переработки растительных масел является научно обоснованное применение новых нетрадиционных процессов мембранной технологии массо- и теплопереноса, в которых мембраны применяются не только как селективная перегородка. Развивается положение, что мембранные технологии должны применяться не как дополнение или замена одного из процессов существующей технологии, а становятся основой инновационной технологии.
Изложенная концепция развивает научное направление - создание новых мембранных технологий в области массообмена и теплообмена.
Методология исследований базируется на применении математического и физического моделирования для решения поставленных задач, разработке эффективных процессов для масложировой отрасли пищевой промышленности.
Научная новизна. Теоретически и экспериментально обоснован новый способ рафинации растительных масел с применением мембранной экстракции.
Развита теория экстракции в массообменнике с пористой перегородкой (зависимости концентрационных распределений и анализ эффективности по обеим фазам для различных направлений течения фаз и степени перемешивания фаз; решены уравнения массообмена по обеим фазам с переменным профилем концентрации на границе).
Получена, систематизирована и проанализирована комплексная информация о взаимосвязанных физико-химических процессах, учитывающих основные факторы, при экстракции двуокисыо углерода
жидкофазных материалов (жирных кислот и триацилглицеринов) в массообменнике с пористой перегородкой, влияющих на фазовые равновесия и коэффициенты диффузии.
Развита теория переноса потоков в мембранных контакторах при изменении давления с обеих сторон мембраны для любой комбинации открытых или закрытых патрубков внутреннего объема мембран и внешнего объема в модуле, при этом показано, что прямоточная схема потоков в мембранном контакторе позволяет увеличить расход проникающего потока по сравнению с противоточной.
Разработана методика определения вязкости компонентов реакционной смеси в процессе переэтерификации на основе применения математической модели кинетики реакции и модели вязкости смеси, при этом температурная зависимость вязкости компонентов определяется по усовершенствованному методу Льюиса и Сквайрса.
Разработана математическая модель процесса многостадийной химической реакции переэтерификации в мембранном реакторе и определены рациональные режимы его работы.
Получены экспериментально значения коэффициентов теплоотдачи в полипропиленовых половолоконных непористых мембранах, которые включены в математическую модель конденсатора с мембранами для парогазовых смесей.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в результатах теоретических и экспериментальных исследований, которые позволили разработать научно обоснованную технологическую схему переработки растительных масел, включающую мембранные процессы на основных операциях и позволяющую увеличить выход рафинированного масла, получить высококачественные пищевые фосфолипидные концентраы, обезжиренные фосфо-липиды и биодизель, а также сократить материальные и энергетические затраты.
Обоснованы и определены методом математического моделирования рациональные значения основных параметров проведения процесса экстракции двуокисью углерода свободных жирных кислот из растительных масел в массообменнике с пористой перегородкой.
Разработаны способы инженерных расчетов массообменника с пористой перегородкой для экстракции свободных жирных кислот из растительных масел двуокисью углерода, мембранного реактора для получения биодизеля реакцией переэтерификации и мембранного конденсатора для парогазовых смесей.
Результаты разработок использованы при проектировании установки для рафинации растительных масел экстракцией двуокисью углерода, мембранного реактора и мембранного конденсатора, на которые получены патенты РФ на полезные модели.
Разработанные технологическая схема переработки растительных масел и конструкции мембранных аппаратов приняты к внедрению . в условиях Лабянского МЭЗа, а также переданы Министерству сельскохозяйственной и перерабатывающей промышленности Адыгеи для проектирования завода. Ожидаемый экономический эффект составит более 17 млн. руб.
Достоверность и надежность результатов базируются на использовании фундаментальных уравнений гидродинамики, маесооб-мена и теплообмена.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на:
Северо-Кавказской региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива-98», Нальчик, 1998 г.; 11 Международной научной конференции «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания», г.Орел, 1999 г.; Международной научно-практической конференции «Индустрия продуктов здорового питания - третье тысячелетие (человек, наука, технология, экономика», г. Москва, 1999 г.; Региональной научно-практической конференции «Неделя науки МГТИ. Технология, химия и экологические проблемы Северного Кавказа», г. Майкоп, 2000 г.; Международной научно-практической конференции «Молодые ученые - пищевым и перерабатывающим отраслям АПК (технологические аспекты производства)», г. Москва, 2000 г.; Международной научной конференции «Прогрессивные пищевые технологии - третьему тысячелетию = Advanced food technologies - to the third millennium», г. Краснодар, 2000 г.; Me-
ждународной научно-практической конференции «Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения», г. Краснодар, 2000 г.; Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», С.-Петербург, 2001 г.; Международной научно-практической конференции «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств», г. Краснодар, 2002 г.; V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, докторантов и молодых ученых «Наука XXI веку» (II сессия) «IX Неделя науки МГТУ», г. Майкоп, 2004 г.; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии в создании продуктов питания нового поколения», г. Краснодар, 2005 г.; III Международной научно-технической конференции «Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2007)», г. Нальчик, 2007 г.; Десятой международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств», г. Барнаул, 2007 г.; IX Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», г. Казань, 2008 г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 44 работы, из них 2 монографии, 22 научных статьи, в том числе 15 статей в журналах, рекомендуемых ВАК, 17 тезисов докладов на конференциях и получено 3 патента РФ на полезные модели.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, десяти глав, объединенных в три части, выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 316 наименований, и приложений. Работа изложена на 338 страницах, включает 92 рисунка и 26 таблиц.
