Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 7
1.1 Состояние технологии и техники экстракции при переработке масличного сырья. 7
1.2 Современные научные основы процесса экстрагирования и пути повышения эффективности экстракторов. 18
1.3 Процесс кондиционирования материала по температуре в технологии и технике подготовки к экстракции . 28
1.4 Выводы по обзору. Формулировка цели и задач исследования. 33
2 Анализ взаимодействия мисцеллы с нагретым исходным масличным материалом 36
2.1 Испарительное охлаждение нагретых частиц масличного материала. 36
2.2 Экспериментальное определение свойств масличного материала как объекта пропитки . 41
2.3 Определение концентрации экстрагируемых веществ в порах исходного масличного материала после пропитки 50
3 Математическое моделирование процесса массопереноса при пропитке мисцеллой пористых частиц исходного масличного материала . 56
3.1 Математическая модель массопереноса в бидисперсном адсорбирующем поровом объеме 56
3.2 Математическая модель пропитки пористых частиц масличного материала 75
3.3 Математическое моделирование массопереноса при пропитке масличного материала. 78
4 Анализ эффективности организации многоступенчатого процесса экстракции с учетом пропитки материала с повышенной температурой 86
4.1 Построение математической модели многоступенчатого противоточного процесса экстракции с отбором мисцеллы для пропитки с промежуточной ступени 86
4.2 Идентификация параметров математической модели по результатам работы экстрактора «Краун» 94
4.3 Моделирование работы экстрактора «Краун» при поступлении на экстракцию материала повышенной температуры 99
5 Разработка технических предложений по совершенствованию экстракционной переработки масличного материала с повышенной температурой 103
5.1 Предложения по совершенствованию переработки экстракцией масличного материала с повышенной температурой 103
5.2 Моделирование ленточного транспортера-охладителя 104
6 Выводы 108
7 Список используемой литературы
- Процесс кондиционирования материала по температуре в технологии и технике подготовки к экстракции
- Экспериментальное определение свойств масличного материала как объекта пропитки
- Математическая модель пропитки пористых частиц масличного материала
- Идентификация параметров математической модели по результатам работы экстрактора «Краун»
Введение к работе
Экстракционный способ производства растительных масел является основным в масложировой промышленности и его совершенствование определяет эффективность работы отрасли. В последние годы в нашей стране происходит развитие производства растительных масел в основном за счет строительства новых производств или коренной реконструкции существующих на основе оснащения их новым современным импортным оборудованием. Однако при освоении, например, маслоэкстракционных линий необходимо учитывать специфику и особенность существующих подготовительных участков производства.
В работе многоступенчатых противоточных экстракторов орошения из опыта эксплуатации, в частности, экстрактора «Краун» на Лабинском МЭЗе, отмечено снижение эффективности при переработке подготовленного лепестка из жмыховой фракции исходного масличного материала с повышенной температурой. В этом случае подаваемая противоточно на горячий пористый лепесток мисцелла (раствор масла в бензине) заполняет поры и при этом происходит частичное испарение растворителя из мисцеллы, что приводит к дополнительному повышению ее концентрации и соответственно повышается масличность исходного материала. Рост масличности исходного материала сказывается на росте остаточной масличности в шроте, и соответственно растут потери масла, и затрудняется отгонка растворителя из шрота.
Температурная интенсификация процесса экстракции обоснована представлениями о диффузионном характере процесса экстракции растительных масел и считается положительным фактором. Также существуют представления о полезности частичной отгонки растворителя из покидающей экстрактор мисцеллы при контакте с горячим исходным масличным материалом. Это связывают со снижением нагрузки на предварительную
ступень дистилляции и возможным уменьшением энергозатрат на отгонку бензина из мисцеллы.
Указанные ранее отрицательные факторы насыщения свободного порового объема материала маслом отходящей мисцеллы предлагалось устранить подачей и пропиткой исходного материала чистым растворителем. Однако проведенный дополнительный анализ показал, что это предложение ведет к отклонению от противотока и снижению эффективности процесса.
Современные многоступенчатые экстрактора с орошением слоя материала на движущемся конвейере, к которым относится экстрактор системы «Краун», характеризуются повышенной концентрацией отходящей мисцеллы и это требует проанализировать стадию пропитки исходного масличного материала с повышенной температурой в более широком диапазоне концентраций и учесть особенности протекания этого процесса в слое материала.
Конечно, решение задачи работы экстрактора на материале с повышенной температурой можно решить, создав условия для понижения температуры материала. При этом приходится отказаться от температурной интенсификации процесса.
Таким образом, решение данной задачи требует комплексного анализа, как самого процесса экстракции, так и подготовительных операций. Необходимо изучить массообменные и тепловые процессы, прежде всего на стадии пропитки исходного масличного материала, а также провести математическое моделирование процесса в многоступенчатом экстракторе с различной организацией его работы с разработкой рекомендаций по совершенствованию экстракционной переработки масличных материалов.
Цель данной работы - математическое моделирование массообменных и тепловых процессов при экстракции масличных материалов и совершенствование на этой основе работы многоступенчатых экстракторов
*
системы «Краун» при переработке масличного материала с повышенной температурой.
Процесс кондиционирования материала по температуре в технологии и технике подготовки к экстракции
Как уже отмечалось, важным для эффективности экстракции является подготовка материала [15]. В существующей технологической схеме маслоэкстракционного производства подготовка заключается в том, что после форпрессования отжатый материал - жмых - прежде чем поступить на экстракцию проходит соответствующую обработку, целью которой является создание оптимальной внутренней и внешней структуры материала для извлечения масла экстракцией [22].
Главное - разрушить вторичные структуры в жмыхе, образовавшиеся в процессе влаготепловой обработки и прессования [22]. Для этого применяется дробление жмыха с получением жмыховой крупки, которую кондиционируют по температуре и влажности в чанных жаровнях с последующим получением лепестка на плющилках.
Существует широкий класс аппаратов, которых возможно кондиционировать дисперсный материал по влажности или температуре [27, 45, 59]. В случае необходимости кондиционирования материала только по температуре используются охладители. Дисперсный материал обрабатывается в виде неподвижного, малоподвижного или медленно перемещаемого слоя в аппаратах следующих типов: ленточных, полочных, шахтных и их разновидностях и модификациях [59]. Эти аппараты не относятся к высокоинтенсивным, но для кондиционирования масличных материалов они являются наиболее подходящими, т.к. надо исключить измельчение частиц с получением пылевидных фракций.
Отличительная особенность аппаратов этого класса - наличие камеры с прямоугольным или круглым поперечным сечением, поэтому многие из этих аппаратов иногда называют камерными. По конструктивным признакам все камерные аппараты можно разделить на чанные, полочные, шахтные и ленточные [59].
Для охлаждения жмыха после прессования использую чанный кондиционер [22], который представляет собой шестичанную жаровню [27] с тихоходными мешалками в каждом чане и подачей охлаждающей воды только в рубашки днищ. Особенностью чанного кондиционера является расположение перепускных отверстий для перепуска материала из чана в чан. Они располагаются попеременно: в верхнем чане и последующих нечетных чанах отверстия у вала, а у четных чанов - на периферии у обечайки чана. Все отверстия по окружности смещены одно по отношению к другому на 20 - 30. Конструкция мешалок позволяет в нечетных чанах перемещать материал от периферии к центру чана, а в четных - наоборот, от центра чана к периферии. Материал в чанном охладителе может быть охлажден с 90 до 60 С.
В камерном полочном аппарате с опрокидывающими полками системы Строганова В.И. [59] слои материала периодически пересыпаются с полки на полку, а агент сушильный или охлаждающий направляется снизу вверх, циркулируя между полками. Работает аппарат следующим образом.
Обрабатываемый материал специальным питателем подается равномерным слоем на полки, которые образованы системой пластин, способных поворачиваться на 90С. При синхронном повороте всех пластин, образующих полку, материал пересыпается на расположенную ниже полку, а пластины возвращаются в исходное положение. Последовательность и периодичность поворота обеспечивается специальным цепным приводом. Воздух подается вентилятором в нижнюю часть камеры и проходит между полками по зонам, постепенно поднимаясь вверх. По характеру движения материала внутри камеры эти аппараты называют также шахтными. Эти аппараты отличаются невысокой интенсивностью, повышенной металлоемкостью, низкой эксплуатационной надежностью и сложностью ремонта, поэтому они мало распространены.
Для охлаждения крупки или гранул форпрессового жмыха используют вертикальный шахтный охладитель [22] с тремя секциями жалюзей для распределения охлаждающего воздуха в движущийся с верху вниз поток материала. Производительность такого охладителя составляет 200 т/сутки и он укомплектован вентилятором для отсоса воздуха.
Шахтные аппараты не имеют транспортных средств. Материал в них перемещается сверху вниз под действием силы тяжести, свободно падая или пересыпаясь с полки на полку, или заполняя сплошным слоем все пространство камеры. Естественно, что этот способ транспортирования пригоден для хорошо сыпучих кусковых и зернистых материалов.
Шахтный аппарат работает следующим образом. Обрабатываемый материал поступает в аппарат сверху и движется вниз, заполняя весь объем камеры. Обрабатывается материал воздухом, подводимым через короба. Удаляется из аппарата материал через разгрузочный затвор, производительность которого определяет скорость перемещения обрабатываемого материала и время пребывания его в аппарате. Наличие чередующихся нагнетательных и отсасывающих коробов допускает большое число вариантов кондиционирования с промежуточным подогревом и рециркуляцией газового агента в различных зонах. Во избежание повышенного гидравлического сопротивления скорость газа в слое поддерживают обычно 0,2 - 0,3 м/с, а расстояние между нагнетательными и отсасывающими коробами принимают примерно равным 200 мм. Расстояние между коробами в плане должно быть достаточным для прохождения материала без зависания и сводообразования (обычно не менее 90 мм).
Экспериментальное определение свойств масличного материала как объекта пропитки
Определение свойств, необходимых для анализа эффективности различной организации процесса экстракции с пропиткой проведено для жмыховой фракции семян подсолнечника. В проведенных исследованиях использован методический подход, примененный в работе [37, 57].
Удельный объём свободных пор определяли путем погружения навески материала в растворитель (гексан) с последующим сливом избытка растворителя. Объём оставшегося растворителя в материале V2 приняли равным объёму свободных пор. Измерения проводились при температуре 19С. Варьировалась исходная навеска материала Р и исходный объём растворителя V]. В таблице 2.1 приведены результаты измерений на жмыховой фракции подсолнечных семян, которые перерабатывались на Лабинском МЭЗе в сезоне 2005-2006 годов.
Статистическая обработка результатов таблицы 2.1 позволила установить для жмыховой фракции \УР = 0,609 ± 0,090 мл/г.
Для определения коэффициента адсорбции экстрагируемого масла в порах жмыховой фракции (взят образец с исходной масличностью М = 18 %) выполнена при t = 55 С серия опытов простой многоступенчатой экстракции (т.е. с подачей чистого растворителя на каждую ступень) при различной длительности процесса на ступени (принято два уровня 1 час и 6 часов) и при различном соотношении материал-растворитель (принято четыре уровня 1:3; 1:4; 1:5 и 1:6, при этом исходный материал подвергался пропитке дополнительным количеством растворителя, и процесс вели с перемешиванием магнитной мешалкой в колбе с последующим разделением фаз фильтрацией на воронке через фильтровальную бумагу). В таблице 2.2 приведены результаты экспериментов при длительности процесса на ступени 1 час, а в таблице 2.3 - при длительности процесса на ступени 6 часов.
Полученные данные по параметру 3 для исследованных соотношений материал-растворитель представлены в таблице 2.6. Соответственно с учетом найденных значений рТ рассчитаны коэффициенты адсорбции Г. Как установлено, величина коэффициента адсорбции в исследованном диапазоне соотношений материал-растворитель мало меняется. Среднее значение коэффициента адсорбции масла в жмыховой крупке семян подсолнечника составляет Г=1,7.
Концентрацию мисцеллы, заполняющую свободный объем пор исходного материала в результате пропитки можно определить с учетом количества испаренного растворителя при контакте с нагретым материалом.
Из материального баланса можно определить степень концентрирования мисцеллы при испарительном охлаждения исходного нагретого масличного материала:
В диапазоне концентраций мисцеллы изменение плотности небольшое и для упрощения отношение плотностей взято средним значением рб/рми=0,933. В результате по уравнению (2.19) можно определить степень концентрирования мисцеллы в процессе её пропитки и представить ее в виде поверхностной диаграммы (рис. 2.6) от температурных параметров. С учетом того, что при пропитке свободного порового объема частицы мисцеллой, которая имеет концентрацию, отличающуюся от концентрации масла в объеме исходного масличного материала, после смешения этих растворов концентрация экстрагируемого масла в порах изменяется. С повышением температуры происходит испарение части растворителя из мисцеллы и ее концентрация должна увеличиться.
Концентрация масла в порах может быть рассчитана на основании соотношения объемов масла в порах до пропитки материала мисцеллой и после завершения этого процесса. Используя этот подход, определим значения коэффициентов регрессионного уравнения, по которому рассчитывается коэффициент концентрирования мисцеллы. В предельном случае, когда пропитка осуществляется маслом, концентрация масла в микропорах должна соответствовать исходной концентрации масла, так как в этом случае не происходит разбавление масла в микропорах растворителем или мисцеллой. Таким образом, значения коэффициентов регрессионных уравнений должны соответствовать этому предельному случаю. Учитывая, что с ростом концентрации мисцеллы влияние температуры поверхности и среды будет нивелироваться из-за снижения количества испаренной части мисцеллы и в предельном случае перестанет зависеть от этих параметров, значения коэффициентов регрессии связанные с этими параметрами будут стремиться к нулевому уровню.
Зависимость степени концентрирования мисцеллы после подачи на нагретый исходный материал, может быть представлена регрессионным уравнением второго порядка с ошибкой аппроксимации не более 0,1%
Где Тп - температура поверхности материала, К; Тс - температура среды в экстракторе (температура подаваемой мисцеллы), К.
Коэффициенты полиномов для двух концентраций мисцеллы в практически важном диапазоне представлены в таблице 2.7.
Влияние начальной концентрации мисцеллы сказывается и поэтому зависимости коэффициентов регрессии были аппроксимированы к параболическими уравнениями вида
Математическая модель пропитки пористых частиц масличного материала
В случае экстракции без предварительной пропитки на первой стадии происходит заполнение макропор растворителем. В работе [42] изучена кинетика пропитки пористого масличного материала и установлено, что концентрация мисцеллы не влияет на кинетику пропитки и влияет только температура. Механизм пропитки свободного пористого объема может быть принят диффузионным [87] и соответственно кинетическое уравнение может быть представлено уравнением ряда экспонент.
Экспериментальные данные [42] могут быть описаны зависимостью, которая описывает процесс пропитки с начального момента времени: = 1- ехрК-/И-Л)-ехр(-Ч-/) (3-18) м0 где М - количество поглощенной жидкой фазы в частице в определенный момент времени на единицу массы частиц и М0 максимальное предельное количество поглощенной жидкой фазы в частице на единицу массы частицы, t - время пропитки частицы; А0, Х\, Хг - параметры уравнения (3.18), которые определили оптимизационным расчетом, основанный на минимизации отклонений первых трех точек кривых пропитки обезжиренной форпрессовой крупки и данных по уравнению (см. Таблицу 3.4).
Механизм процесса экстракции при пропитке как представляется заключается в следующем. Для рассматриваемого жмыхового масличного материала внутренняя структура может быть принята как бидисперсная, т.е. состоит из макро- и микропор расположенных по коридорной схеме (модель Turner) - макропора представляет канал, к которому по всей длине подсоединяются микропоры. При этом макропоры в исходном масличном материале преимущественно свободны (пустые), а микропоры содержат масло. Поэтому подаваемая на пропитку жидкая фаза (в общем случае мисцелла) заполняет свободный объем исходного масличного материала путем продвижения в глубь частиц по каналу макропоры и при этом фронт пропитки последовательно продвигается мимо подсоединенных выходов микропор. Как только выход микропоры сообщается с жидкой фазой в макропоре, начинается процесс диффузии из микропоры в макропору и из нее происходит диффузия во внешний по отношению к частице объем жидкой фазы (мисцеллы). Как показано в разделе 3.1 скорость диффузии в макропоре на много больше, чем скорость диффузии в микропоре и поэтому не является лимитирующей стадией. Таким образом, представленная в разделе 3.1 математическая модель кинетики экстракции исходного масличного материала предварительно пропитанного может быть объединена с кинетикой пропитки следующим уравнением где К = — коэффициент извлечения; со и с - концентрации экстрагируемого Со масла в порах твердой фазы исходная и текущая, кг/м ; К и К() - коэффициенты извлечения без пропитки и с пропиткой; т - время.
На рисунке 3.9 две экспериментальные кривые кинетики экстракции [42] для жмыхового масличного материала, подвергнутого пропитке и без пропитки.
Видно, что в случае предварительной пропитки процесс экстракции начинается с большей скоростью, и в конце процесса кривые экстракции сближаются. Такой характер кривых подтверждает вышеописанный механизм процесса без предварительной пропитки.
С высокой точностью кривые экстракции могут быть описаны суммой двух экспонент о = 1-Л0-ехр(-Д,-0 (1-Л)-е р(- 0 (3.20) = l-Vexp(-VO-0--Bo)-exp(-VO (3.21)
Эти зависимости могут быть представлены с найденными по результатам экспериментов коэффициентами К0 =1-0,8 ехр(-9,2544-1(Г3-/)-0,2-ехр(-5,3485-10 -?) (3.22) /: = 1-0,58 ехр(-7,3753 Ю"3 /)-0,42 ехр(-6,3545-10-4) (3.23) и вместе с экспериментальными кривыми нанесены на рисунке 3.9.
Представленные зависимости показывают существенное отличие в средней части кривых, поэтому аппроксимировали их одной экспонентой. Особенностью данных кинетических зависимостей является, то, что они получены при условиях соответствующих 3-»0 и в случае использования зависимостей с одной экспонентой принимают вид: К0=1-Л ехр( Л )
Идентификация параметров математической модели по результатам работы экстрактора «Краун»
Экстрактор системы «Краун» реализует многоступенчатый противоточный процесс экстракции с наличием ступени пропитки. Поэтому представленная в разделе 4.1 математическая модель неравновесного многоступенчатого противоточного процесса со стадией пропитки может быть идентифицирована по результатам работы экстрактора и использована для моделирования работы экстрактора при изменении взаимодействия ступеней в его структуре и оценке его работы на материале с повышенной температуры исходного масличного материала.
Практически необходимо по эксплуатационным данным при известной концентрации экстрактивных веществ в материале на выходе из экстрактора (масличности шрота Мшр), соотношении растворитель - материал и числе ступеней определить коэффициенты извлечения К И Ко.
При выводе уравнения неравновесной экстракции сделано ряд допущений. Принято, что коэффициент извлечения одинаков на всех ступенях. Это соответствует случаю одинакового времени процесса на всех ступенях. Принято, что процесс экстракции на каждой ступени начинается с одинакового распределения концентраций. Для реального процесса экстракции такие допущения являются приблизительными. Однако использование при идентификации данных непосредственно работающего экстрактора позволяет рассматривать полученные параметры как эффективные, учитывающие сделанные допущения, и использовать их для оценки влияния структурных и режимных факторов работы экстрактора.
В эксплуатационном режиме работы экстрактора системы «Краун» в условиях Лабинского маслоэкстракционного завода показатели следующие: Производительность по семенам подсолнечника -1000 т/сутки Начальная масличность лепестка 20 % Конечная масличность шрота 1% Влажность лепестка до 9% Влажность шрота до 10% Бензоемкость шрота 33,5% Выход шрота (от количества переработанных семян) 40% Концентрация мисцеллы 18,2%» Расход растворителя (Нефрас 65/11) 650 л/мин Температура растворителя 45 С Температура исходного лепестка 60 С Температура мисцеллы 52 С Используя балансовые уравнения противоточной экстракции [7, 36] можно уточнить представленные данные по работе производственного экстрактора системы «Краун». В частности уточним производительность экстрактора по уравнению G= , G , , (4.15) где Gc - производительность экстрактора по сухому обезжиренному веществу, т/ч; Gp - подача растворителя в экстрактор (в нашем случае Gp = 630 т/сутки); тн и тк - соответственно, начальная и конечная масличность материала на единицу сухого обезжиренного вещества (в нашем случае тн = 0,25 и тк = 0,0112), доли; смц - концентрация мисцеллы (в нашем случае смц = 0,182), доли; Ьшр - бензиноемкость шрота на единицу сухого обезжиренного вещества (в нашем случае Ьшр = 0,5), доли.
Расчет по уравнению (4.15) позволил получить Gc = 400 т/сутки. С учетом масла в материале, поступающем на экстрактор, количество материала составляет GMaT = 526 т/сутки.
Основным параметром математической модели, выражаемой уравнением (4.14) является соотношение объемов взаимодействующих фаз Р=- =0,462 (4.16) GP где AV - свободная пористость исходного масличного материала (ДК =0,609 мл/г определена экспериментально и приведена в главе 2); рм - плотность масла, кг/м (определяется по уравнению р, =1185,6-0,7-7% приведенном в учебном пособии [27]); рр - плотность растворителя, кг/м (определяется по уравнению р =895,6-0,7-7 , приведенном в учебном пособии [27]).
Соответственно определяется приведенное соотношение объемов взаимодействующих фаз р =р-Г=0,т (4.17) где Г - коэффициент адсорбции (Г=1,7 определен экспериментально и приведен в главе 2). Параметр удельной свободной пористости определяется по соотношению # = =0,342 (4 J 8) GJPP С учетом отвода части растворителя на пропитку свободного объема пор исходного масличного материала на ступенях после стадии пропитки процесс экстракции происходит при изменившемся соотношении объемов взаимодействующих фаз (здесь пока не учитывается изменения соотношения, вызванные испарением части объема растворителя) /Го =/Л—=1,192 (4.19) 1-а Концентрация экстрагируемого масла в порах исходного материала может быть определена следующим образом cff= Gt m = 231,4 кг/м3 (4.20) Л, к Концентрация масла в порах проэкстрагированного материала определяется следующим образом gS?= Gc m = 10,4 кг/м3 (4.21) Р»
В начале рассмотрим вариант организации процесса действующего экстрактора «Краун». На стадию пропитки (ступень «0») подается со ступени «2» часть мисцеллы в количестве необходимом для заполнения объема свободных пор исходного материала, а оставшаяся часть мисцеллы подается на ступень «1» куда со ступени пропитки «0» транспортируется слой пропитанного материала и со ступени «1» стекает в мисцеллосборник мисцелла конечной концентрации. На последующих ступенях «2»-«8» материал орошается жидкой фазой по количеству равной исходному растворителю, подаваемому на ступень «8».
Таким образом, для этого случая в уравнении (4.14) общее число ступеней экстрагирования N=8, а ступень, с которой отводится мисцелла на пропитку М=2.
Коэффициенты извлечения на участке ступеней «2»-«8» К (экстракция без предварительной пропитки) и на ступени «1» К0 (экстракция с предварительной пропиткой) оцениваются через отношение F - КУК с учетом, что коэффициент К определяется при идентификации по данным работающего экстрактора. Отношение F определяется по результатам моделирования кинетики экстракции из частиц масличного материала после предварительной пропитки и без предварительной пропитки (см. глава 3). Учитывается кинетика пропитки (раздел 3.2) и производятся преобразования методике Аксельруда [1-4] на соответствующие параметры соотношения фаз.
