Введение к работе
Актуальность работы. Развитие пищевой промышленности в нашей стране требует совершенствования техники и технологии для получения высококачественной продукции при одновременном снижении затрат. В этом случае обеспечивается конкурентоспособность производства, доходная часть которого основана на реализации доступных основной массе потребителей пищевых продуктов.
Процессы очистки (рафинации) широко применяются в промышленном производстве пищевых продуктов. Рафинация обеспечивает качество получаемых пищевых продуктов. Однако, на проведение рафинации расходуется значительное количество энергии и материальных ресурсов.
Масложировая промышленность в нашей стране в настоящее время работает в условиях роста стоимости сырьевых и энергетических ресурсов. В рыночной экономике развернувшая конкурентная борьба требует значительно повысить качество продукции и снизить ее стоимость, что определяет направления поиска решений в совершенствовании существующих и разработке новой техники и технологии, позволяющих получить высокаче-ственную продукцию при высоких технико-экономических показателях производства. Сложившиеся рыночные условия практически исключают реализацию сырых (нерафинированных) масел. Поэтому актуальной является разработка предложений по интенсификации процесса рафинации.
Процесс рафинации растительных масел в мыльно-щелочной среде распространен в промышленности и считается эффективным. Однако оборудование, для реализации данного процесса, громоздкое. Это связано с лимитированием общей скорости процесса стадией коалесценции капель рафинированного масла на границе раздела фаз. Практически на границе раздела рафинированного масла и мыльно-щелочного раствора образуется
слой эмульсии, и это вынуждает снижать подачу масла, а для устранения эмульсионного слоя прерывать процесс для удаления этого слоя.
Цель работы - математическое моделирование процесса щелочной рафинации и коалесценции капель растительного масла в мыльно-щелочной среде на основе ускорения стадии коалесценции с уточнением представлений о механизме процесса массопереноса в каплях, осложненного химической реакцией. Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной целью:
проанализировать и систематизировать комплексную информацию о взаимосвязанных физико-химических процессах массопереноса при щелочной рафинации масел;
усовершенствовать математическую модель массопередачи, лимитируемой по дисперсной фазе, осложненной быстрой химической реакцией с образованием поверхностно-активных веществ на поверхности капли применительно к процессу рафинации масел;
разработать алгоритм решения сложных задач массопереноса лимитируемых по дисперсной фазе, осложненной быстрой химической реакцией с образованием поверхностно-активных веществ на поверхности капли на основе метода понижения размерности, для использующий обобщенные координаты на основе изоконцентрационных поверхностей;
исследовать массопередачу между каплей и окружающей дисперсионной средой в условиях неустановившегося гидродинамического режима и определить влияние гетерогенной химической реакции, концентрации жирных кислот, щелочи и температуры процесса на скорость массопередачи, толщину и состав пленки мыла на поверхности капли до и на стадии коалесценции;
обосновать и определить рациональные значения основных геометрических параметров проведения процесса рафинации масел, повысить каче-
ство и эффективность процесса нейтрализации за счет интенсификации диффузии сопутствующих веществ и коалесценции при разделении фаз; - дать предложения по совершенствованию процессов и аппаратов, обеспечивающие интенсивное и устойчивое ведение процесса рафинации растительных масел. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: -обосновано представление математической модели нестационарного массопереноса в каплях, отличающихся от сферической формы, в виде одномерных уравнений в криволинейных координатах, как для внутреннего, так и внешнего объема на основе анализа метрических коэффициентов; -усовершенствовано математическое описание процесса массопереноса при щелочной рафинации в направлении постановки и решения задачи сопряженного массопереноса с химической реакцией в виде системы трех дифференциальных уравнений для описания массопереноса жирных кислот, мыла и щелочи.
-поставлены и решены методом Бубнова-Галеркина задачи массопереноса при щелочной нейтрализации капель масла;
-установлено три режима щелочной рафинации: начальный — формирование концентрационного поля; переходный — в котором происходит перемещение фронтальной плоскости реакции к поверхности масляной капли и регулярный — который характерен тем, что фронтальная плоскость реакции проходит по поверхности масляной капли и в этом режиме характер процесса нейтрализации практически одинаков для всех типов масел, -установлены зависимости коэффициентов диффузии жирных кислот, мыла и щелочи в процессе нейтрализации.
-решено дифференциальное уравнение кинетики стока мыла из коалесци-рующего слоя масляных капель методом Бубнова-Галеркина. -обосновано описание процесса в коалесцирующем слое масляных капель моделью системы массового обслуживания.
-получены зависимости между интенсивностью коалесценции и площадью зоны коалесценции при этом установлено значение интенсивности коалесценции при котором площадь распылительной части колонны и площадь зоны коалесценции будут равны.
-экспериментально подтверждена возможность интенсификации коалесценции масляных капель в дренирующем слое электрическим током, -определены принципы совершенствования процесса в установке для щелочной рафинации в мыльно-щепочном растворе за счет размещения в зоне дренажного слоя сетчатых электродов с подводом электрического тока. Практическая ценность работы заключается в результатах исследований, которые позволили разработать научно обоснованное техническое предложение по интенсификации стадии коалесценции процесса рафинации растительных масел в мыльно-щелочной среде и комплекс программ для ЭВМ, позволяющий выполнить расчет кинетики нейтрализации и коалесценции капель растительных масел.
Реализациянаучно-техническихрезультатовработывпромышленно-сти. Результаты исследований использованы при разработке технического предложения по установке для рафинации в мыльно-щелочной среде с интенсифицированной стадией коалесценции при разделении фаз электрообработкой.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на следующих научных и научно-практических конференциях: -на 2-ой международной научно-практической конференции «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания», Орел, 1999. -на международной научной конференции «Прогрессивные пищевые технологии - третьему тысячелетию», КубГТУ, Краснодар, 2000. -на всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива - 2002», Кабардино-Балкарский Университет, Нальчик, 2002.
-на международной научно-практической конференции «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств», КубГТУ, Краснодар, 2002.
-на всероссийской научно-технической конференции «Наука, техника и технология нового века», Кабардино-Балкарский Университет, Нальчик, 2003.
Публикация результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, вьшодов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 167 страницах, содержит 58 рисунков и 23_ таблицы. Список использованных источников включает 132 наименований на русском и иностранном языках.
