Введение к работе
Актуальность темы. Современным направлением обеспечения продовольственной безопасности страны является модернизация производства продуктов питания путем применения новой техники и технологии, позволяющая повысить эффективность переработки сельскохозяйственного сырья, сократив при этом потери сырья, затраты энергетических и материальных ресурсов.
Процессы переноса массы и тепла в системе «жидкость-жидкость» широко распространены в пищевой технологии. В частности, эти процессы являются основными при переработке растительных масел при экстракционном разделении и очистке жидких сложных смесей, при тепловой обработке растительных масел, при селективном выделении ценных компонентов, таких как фосфолипиды, при проведении химических реакций для получения биотоплива, при рекуперации растворителей в экстракционных системах. Такие процессы осуществляются при взаимодействии двухфазных потоков, чаще всего при противоточном взаимодействии в колонных аппаратах. Между потоками, представляющими собой неоднородные системы, возникает раздел фаз – свободная поверхность, на которой действуют силы межфазного поверхностного натяжения, усложняющие гидродинамику процесса и существенно влияющие на процессы тепло- и массообмена. В зависимости от гидродинамического режима для двухфазного потока характер взаимодействия меняется. Так, с увеличением относительной скорости последовательно меняются режимы – капельный, пробковый, кольцевой и эмульсионный. При этом меняются перепад давления, удерживающая способность, точка инверсии фаз, межфазная турбулентность и продольное перемешивание. Все эти режимы определяют эффективность процессов тепло - и массообмена, которая в наибольшей степени зависит от величины межфазной поверхности.
Таким образом, актуальным является создание аппаратов со стабильной и высокой удельной межфазной поверхностью в единице объема с возможностью независимого установления и регулирования расходов взаимодействующих фаз. Представляется, что такую поверхность можно создать за счет применения мембранных перегородок. При этом от мембранных перегородок в первую очередь требуется создание высокой удельной поверхности и пониженного сопротивления переносу потоков массы и тепла.
Диссертационная работа выполнена в Майкопском государственном технологическом университете в рамках подпрограммы: «Разработка инновационных технологий и техники переработки сельскохозяйственного сырья и производства продовольствия на основе мембранных и экстракционных процессов» Республиканской целевой программы «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия», утвержденной постановлением Государственного Совета-Хасэ Республики Адыгея от 30 января 2008 года № 689-ГС.
Цель и задачи работы. Целью работы является научное обоснование, разработка процессов и создание оборудования для переноса массы и тепла системы «жидкость – жидкость» в аппаратах с объемом, структурированном мембранными перегородками, создание на этой основе технологии комплексной переработки растительных масел.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
- развить теорию непрерывного тепло - и массопереноса в контакторе с половолоконными мембранами для различного взаимного направления потоков с продольным перемешиванием во взаимодействующих фазах и получить зависимости концентрационных и температурных распределений по длине аппарата, на основе которых выполнить анализ эффективных режимов переноса массы и тепла;
- поставить и решить сопряженные задачи переноса массы и тепла диффузией и теплопроводностью через трубчатую мембрану;
- провести моделирование и обоснование обобщенных кинетических зависимостей переноса массы и тепла в трубчатых мембранах;
- получить математическое описание и промоделировать перенос потоков в мембранах под действием трансмембранного перепада давления;
- разработать методику и определить проницаемости половолоконных и трубчатых мембран;
- исследовать свойства компонентов, экстрагируемых из растительных масел и провести математическое моделирование процесса мембранной экстракции смеси триацилглицеринов и жирных кислот;
- исследовать процесс массопереноса в мембранном контакторе;
- провести математическое моделирование кинетики и свойств реакционной смеси при производстве биодизельного топлива из масел;
- построить математическую модель мембранного реактора для производства биотоплива и на этой основе провести оптимизацию процесса;
- обосновать конструкцию и математическую модель конденсатора с непористыми полипропиленовыми половолоконными мембранами для парогазовых смесей экстракционного производства;
- провести исследования теплообмена с непористыми полипропиленовыми половолоконными мембранами;
- обосновать технологическую схему переработки растительных масел с использованием разработанных мембранных процессов для мембранной экстракции, мембранного реактора и мембранного конденсатора;
- разработать практические рекомендации по созданию установки для рафинации растительных масел мембранной экстракцией с использованием двуокиси углерода;
- разработать практические рекомендации по созданию установки для производства биотоплива из растительных масел с использованием мембранного реактора.
Научная концепция. Основой совершенствования ряда технологических процессов тепло - и массообмена в системе «жидкость-жидкость», в частности при переработке масел и жиров, является научно обоснованное применение новых нетрадиционных процессов тепло- и массопереноса в аппаратах с объемом, структурированном мембранными перегородками, имеющими низкое сопротивление процессам переноса. Это создает управляемую организацию процесса со стабильно высокой удельной поверхностью раздела фаз и независимой гидродинамикой для взаимодействующих фаз.
Изложенная концепция открывает научное направление – создание новых процессов и аппаратов тепло- и массообмена в системе «жидкость-жидкость» со структурированием объема мембранными перегородками.
Методология исследований базируется на применении математического и физического моделирования для решения поставленных задач с целью разработки эффективных процессов в масложировой промышленности.
Научная новизна. На основе полученных зависимостей концентрационных и температурных распределений по длине аппарата для различного взаимного направления потоков и продольного перемешивания во взаимодействующих фазах проведен анализ эффективных режимов переноса массы и тепла в контакторе с половолоконными мембранами.
Поставлена и решена сопряженная задача переноса массы и тепла диффузией и теплопроводностью через трубчатые мембраны, проведено моделирование и обоснование обобщенных кинетических зависимостей переноса массы и тепла в трубчатых мембранах.
Развита теория переноса потоков в мембранных контакторах под действием трансмембранного перепада давления.
Развита теория экстракции в мембранном контакторе, получены зависимости концентрационных распределений и проведен 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 и систематизирована комплексная информация о взаимосвязанных физико-химических процессах, учитывающих давление и температуру, при экстракции двуокисью углерода жидкофазных материалов (жирных кислот и триацилглицеринов) в мембранном контакторе, влияющих на фазовые равновесия и коэффициенты диффузии.
Разработана методика идентификации вязкости компонентов реакционной смеси в процессе переэтерификации растительного масла с метанолом на основе применения математической модели кинетики реакции и модели вязкости смеси, при этом температурная зависимость вязкости компонентов определена по усовершенствованному методу Льюиса и Сквайрса.
Разработана математическая модель процесса многостадийной химической реакции переэтерификации растительного масла с метанолом в мембранном реакторе и определены рациональные режимы его работы.
Экспериментально получены значения коэффициентов внешней теплоотдачи в полипропиленовых половолоконных непористых мембранах, которые включены в математическую модель конденсатора с мембранами для парогазовых смесей.
Новизна технических решений подтверждена 3 патентами и свидетельствами РФ на полезные модели и 2 решениями о выдаче патентов РФ на изобретения.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в результатах теоретических и экспериментальных исследований, на основе которых разработана научно обоснованная технологическая схема переработки растительных масел, включающая мембранные процессы на основных операциях и позволяющая увеличить выход рафинированного масла, получить высококачественные пищевые фосфолипидные концентраты, обезжиренные фосфолипиды, жирные кислоты и биотопливо, а также сократить материальные и энергетические затраты.
Методом математического моделирования обоснованы и определены рациональные параметры проведения процесса экстракции двуокисью углерода свободных жирных кислот из растительных масел в мембранном контакторе.
Разработаны методики расчетов мембранного контактора для экстракции свободных жирных кислот из растительных масел двуокисью углерода, мембранного реактора для получения биотоплива и мембранного конденсатора для парогазовых смесей.
Результаты разработок использованы при проектировании установки для рафинации растительных масел с применением двуокиси углерода, мембранного реактора и мембранного конденсатора.
Разработанные технологическая схема переработки растительных масел и конструкции мембранных аппаратов приняты к внедрению в условиях филиала «Лабинский МЭЗ» ООО «МЭЗ Юг Руси», а также переданы Министерству сельского хозяйства Республики Адыгея для проектирования завода по переработке семян подсолнечника. Ожидаемый экономический эффект составит более 17 млн. рублей при переработке 15000 тонн нерафинированного подсолнечного масла в год.
Апробация работы. Результаты работы представлены на: Северо-Кавказской региональной научной конференции аспирантов и молодых ученых «Перспектива-98», г.Нальчик, 1998г.; II Международной научной конференции «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания», г.Орел, 1999г.; Международной научно-практической конференции «Индустрия продуктов здорового питания – третье тысячелетие (человек, наука, технология, экономика)», г.Москва, 1999г; Международной научно-практической конференции «Молодые ученые – пищевым и перерабатывающим отраслям АПК (технологические аспекты производства)», г.Москва, 2000г.; Международной научной конференции «Прогрессивные пищевые технологии – третьему тысячелетию = Advanced food technologies – to the third millennium», г.Краснодар, 2000г.; Международной научно-практической конференции «Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения», г.Краснодар, 2000г.; Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», г.С.-Петербург, 2001г.; Международной научно-практической конференции «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств», г.Краснодар, 2002г.; V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, докторантов и молодых ученых «Наука XXI веку» (II сессия) «IX Неделя науки МГТУ», г.Майкоп, 2004г.; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии в создании продуктов питания нового поколения», г.Краснодар, 2005г.; III Международной научно-технической конференции «Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2007)», г.Нальчик, 2007г.; Десятой международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств», г.Барнаул, 2007г.; IX Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», г.Казань, 2008г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 55 работ, из них 2 монографии, 37 научных статей, в том числе 24 научных статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, 11 работ в материалах конференций, получено 3 свидетельства и патента РФ на полезные модели и 2 решения о выдаче патента РФ на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, девяти глав, объединенных в три части, основных результатов и выводов, списка литературы, включающего 339 наименований, и приложений. Работа изложена на 347 страницах, включает 97 рисунков и 41 таблицы.
