Введение к работе
Актуальность работы Растительное масло играет чрезвычайно важную роль в питании человека, и уникальность состава делает его практически незаменимым Оно употребляется в пищу либо как самостоятельный продукт, либо является составляющей или основой других продуктов Жиры растительного происхождения служат не только источником энергии, но и целого ряда необходимых организму биологически активных веществ и жирорастворимых витаминов, кроме того, растительные масла в большом количестве перерабатываются для технических целей Производство растительных масел - динамично развивающееся звено среди продовольственных отраслей нашей страны В первую очередь, это связано с быстрым возобновлением производства сырья - семян масличных культур, что особенно важно в условиях резкого сокращения поголовья скота в России в последние годы По известным причинам на рубеже 90-х годов произошло падение производства по всем видам масложировой продукции После этого за прошедшие полтора десятилетия в результате сложных социально-экономических процессов, как по всей стране, так и в отрасли, постепенно произошло наращивание объемов выпуска продукции и уже к 2000 году восстановлен уровень конца 80-х годов В последние пять лет ежегодный прирост выпуска продукции составлял до 14-16% О масштабах говорят следующие цифры объем переработки - 3,7-4,0 миллиона тонн масличного сырья в год, а потенциал отечественной сырьевой базы только по семенам подсолнечника - более 6,0 млн тонн в год Отрасль включает в себя более пятидесяти крупных маслодобывающих предприятий, совокупная производительность которых по семенам - 12 тыст в сутки По нормам питания потребление растительного масла примерно 12-16 кг в год на душу населения, что составляет по стране около 2,4 млн т В настоящее время российской промышленностью выпускается растительных масел около 1,9 млнт в год, недостаток удовлетворяется за счет импорта
Хотя существующие мощности маслодобывающих предприятий России возможно могли бы обеспечить потребности населения и промышленности в растительном масле, многие из них устарели морально и физически, а в отдельных случаях не выпускают конкурентоспособную продукцию Безусловно, вопросы обеспечения страны растительными жирами в целом находятся на государственном уровне, и их решение возможно при оптимальной комбинации научно-технических, экономических, правовых и социальных факторов Национальные программы, принятые в Российской Федерации в последние годы, направлены на коренное перевооружение отечественного агропромышленного комплекса Серьезные фундаментальные и прикладные исследования являются основой создания передовых технологий и оборудования
Во всем мире на сегодняшний день основным примышленным способом производства растительных масел является экстракционный Последовательность процессов при этом включает прессование - извлечение масла из семян масличных культур в результате механического воздействия и экстракцию -извлечение масла из частично обезжиренного масличного материала с помощью органического растворителя и получение раствора, называемого мисцел-
лой, с массовой концентрацией масла 20-25% Далее следует дистилляция мисцеллы - последовательность операций разделения раствора на масло и растворитель При этом растворитель направляется на вторичное использование, а масло - на последующее использование В процессе дистилляции растворитель переводится в газообразное состояние при интенсивном подводе к мисцелле тепловой энергии По мере удаления растворителя соответственно увеличивается концентрация раствора и растет температура кипения мисцеллы, а из-за высокой термолабильности (чувствительности к температуре) растительных масел не удается проводить дистилляцию простым выпариванием Поэтому применяются две стадии, имеющие общепринятое название, предварительная и окончательная дистилляция мисцеллы, границей между ними является массовая концентрация 95-98% В первом случае основным процессом является кипение мисцеллы в обогреваемых каналах, а во втором это испарение растворителя, которое осуществляют при распыливании мисцеллы, с последующем распределением ее в тонких пленках и барботажем В качестве теплоносителя используется водяной пар различных параметров, а из-за высокой степени пожаро- и взрывоопасное производства к оборудованию предъявляются особые требования Примерная стоимость только одного дистиллятора без монтажа и наладки составляет несколько сотен тысяч евро
Производственный цикл выработки растительного масла, как правило, непрерывный - в три смены, при этом среднее предприятие перерабатывает около 500 т семян в сутки, оборудование для дистилляции имеет внушительные размеры до нескольких метров в высоту и длину и от 1,5 до 2-3 метров в диаметре Потребляются сотни кВт электроэнергии, сотни Гкал тепла, сотни кубометров воды В окружающую среду с тоннами выбросов и отходов сбрасывается значительное количество тепловой энергии
Классическая схема маслодобывания - многоэтапный и энергоемкий процесс, энергозатраты в производстве масла в целом составляют 30-50% стоимости всех затрат, и на процесс дистилляции мисцеллы выпадает значительная их часть Из всего цикла производства растительных масел при дистилляции применяются режимы с самым высоким уровнем рабочих температур и наибольшим временем пребывания масла в зонах интенсивной тепловой обработки На отдельных стадиях дистилляции мисцеллы масло контактирует с теплоносителем - водяным паром непосредственно Воздействие на масло таких основных факторов как температура, время процесса, скорости нагрева и охлаждения, наличие кислорода во многом определяет его конечное качество Важно в процессе производства сохранить в масле его наиболее ценные природные свойства Процессы тепло- и массообмена при дистилляции мисцеллы являются определяющими как при конструировании и модернизации оборудования, так и при создании методов управлении технологическими процессами
В условиях постоянно повышающихся цен на энергоносители и металл разработка и применение методов интенсификации процессов тепло- и массообмена становятся основой для создания конкурентоспособных систем дистилляции мисцеллы Улучшение качественных показателей выпускаемого масла и, что особенно важно для потребителей, стабильность этих показателей дает
возможность рассчитывать на успешную реализацию продукта и даже переход его в другую ценовую группу Можно существенно поднять производительность действующих систем дистилляции мисцеллы, и, тем самым, осуществить поэтапную модернизацию производства - в большинстве случаев, это единственно верный путь совершенствования Проникновение в сущность процессов, протекающих в уже существующих или вновь проектируемых технологических системах дистилляции мисцеллы, позволяет успешно решать одну из главных задач, а именно надежно обеспечивать необходимую интенсивность тепло- и массообмена в элементарных процессах, функциональная взаимосвязь которых определяет конструкцию узлов, аппаратов и технологический процесс как единое целое В общем случае предполагается не только сугубо качественное понимание процессов, но их количественное выражение и формулирование практических методик и рекомендаций для технологов, конструкторов, проектировщиков и экспертов
С учетом масштаба производства и важности производимой продукции -растительных масел, создание теоретических основ расчета параметров процессов дистилляции мисцеллы является крупной научной проблемой, решение которой имеет важное хозяйственное значение
Предметом и объектом исследования являются процессы тепло- и массообмена при дистилляции мисцеллы в маслоэкстракционном производстве, физические закономерности процесса разделения компонентов раствора с практически нелетучим компонентом - растительным маслом Путь исследования - это проведение экспериментов, построение физической модели, объединяющей физические концепции изучаемого явления, а также основные законы, описывающие процесс, построение математической модели путем постановки математической задачи, формулируемой с помощью количественных физических законов непосредственно или с привлечением дополнительных гипотез, выбор метода решения исходных уравнений и их решение, разработка методов улучшения и интенсификации процессов
Цель работы и задачи исследований Изучение процессов тепло- и массообмена при разделении компонентов мисцелл - растворов масел с низкокипя-щим углеводородным растворителем при их термической обработке, количественное описание характеристик тепло- и массообмена при различных формах распределения в пространстве жидкой и паровой фаз с разработкой методов интенсификации Достижение поставленной цели связано с проведением исследований, направленных на решение следующих задач и основных этапов работы
исходя из современных представлений о тепло- и массообмене в двухфазных многокомпонентных средах, произвести обзор материалов по проблеме обработки мисцелл в дистилляторах маслоэкстракционного производства,
разработать методы экспериментальных исследований и получить опытные данные по интенсивности теплоотдачи от греющей стенки к кипящей мис-целле в каналах и в большом объеме, по интенсивности удаления растворителя в режиме распыления мисцеллы в струе перегретого водяного пара, а также по процессам в двухфазной системе при барботаже,
разработать физические, математические модели и провести расчеты процессов разделения мисцелл для всех стадий дистилляции применительно к конструируемому оборудованию,
исследовать возможность дистилляции высококонцентрированной мис-целлы в условиях повышенной температуры,
изучить процессы в двухфазных системах при финишной обработке и охлаждении экстракционного растительного масла на выходе дистилляционнои установки,
реализовать обоснованные методы интенсификации тепло- и массообме-на в инженерной практике в новых конструкциях дистилляционного оборудования и технологических схемах
Методы исследования и достоверность полученных результатов обеспечены использованием в теоретических расчетах апробированных соотношений по гидродинамике, тепло- и массообмену двухфазных многокомпонентных сред Основные теоретические результаты подтверждены опытными данными, полученными с применением современных средств и методов измерений на экспериментальных стендах и установках, а также результатами независимых опытно-промышленных испытаний узлов, аппаратов и технологических процессов дистилляции мисцеллы
Научная новизна полученных результатов На основании комплексного экспериментального и теоретического изучения разделения компонентов мисцеллы растительного масла при дистилляции сформулированы принципы интенсификации тепло- и массообмена для всех стадий процесса
получены новые опытные данные по теплообмену и гидродинамике при фазовых превращениях мисцелл у нагретой стенки в большом объеме и в обогреваемых каналах, а также в струе водяного пара в распылительных форсунках, установлены режимы и параметры для формирования наиболее энергетически выгодных условий дистилляции,
впервые получены опытные данные о размерах, форме и скорости всплытия пузырей газа в растительном масле при барботаже и разработан метод управления тепловым режимом, позволяющий интенсифицировать процесс,
разработаны математические модели процессов разделения мисцеллы для всех стадий дистилляции, сформулированы условия рационального построения элементов, узлов и материальных потоков при конструировании и эксплуатации оборудования,
обоснована возможность перехода к высокотемпературному режиму обработки мисцеллы большой концентрации при окончательной дистилляции, что может существенно изменить применяемый производственный цикл, сократив время обработки масла и энергозатраты,
обоснованы методы финишной обработки и ускоренного охлаждения масла на выходе из дистилляционнои установки посредством формирования двухфазных потоков с применением перегретого водяного пара и азота, позволяющие улучшить показатели готового масла и интенсифицировать процессы
Практическая значимость Результаты работы в полной мере были использованы при выполнении Государственной научно-технической программы Министерства сельского хозяйства РФ и Россельхозакадемии под наименованием «Разработать научные основы систем технологического обеспечения хранения и комплексной переработки сельскохозяйственного сырья при производстве экологически безопасных конкурентоспособных пищевых продуктов общего и специального назначения на 2000-2005 гг »
В ходе исследований были получены результаты, примененные при разработке конструкций узлов, дистилляторов и новых модификаций технологических схем,
созданы новые экспериментальные методы исследования теплообмена при фазовых превращениях растворов масел, испарении капель и барботаже, применимые для работы с взрывоопасными жидкостями,
разработаны методики расчета теплообмена при движении двухфазного потока мисцеллы в обогреваемых и не обогреваемых трубах, при распылива-нии, при формировании пленок и барботаже,
разработаны способы перераспределения тепловых и материальных потоков при дистилляции мисцеллы, позволяющие конструировать новое оборудование и модернизировать действующее, улучшая управляемость процессами,
создана теоретическая основа для применения в конструкциях дистилляторов малоинерционных узлов, обеспечивающих гибкую регулировку рабочих параметров технологического процесса.
Внедрение результатов выполненной работы при проектировании, совершенствовании оборудования и при использовании в системах управления технологическим процессом в итоге может обеспечить улучшение качества готового продукта, повышение производительности технологической линии и снижение удельных энергозатрат
Личный вклад автора Разработка теоретических положений, постановка и проведение экспериментов, создание физических и математических моделей, выработка рекомендаций для проектирования опытно-промышленных образцов технологического оборудования, организация испытаний нового оборудования и новых технологических процессов, осуществлялись лично или при непосредственном участии автора
Апробация работы Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях, научных семинарах и совещаниях, в том числе YII, YIII Всесоюзных конференциях "Двухфазный поток в машинах и аппаратах" /Л 1985, 1990/, Всесоюзной конференции "Реахимтехника-2" /Днепропетровск 1985/, VI всесоюзной конференции "Теория и практика перемешивания в жидких средах" /Л 1990/, II Всесоюзной конференции "Теплофизика и гидродинамика процессов кипения и конденсации" /Рига 1988/, Всесоюзной конференции " Искусственный холод в отраслях агропромышленного комплекса " /Л 1987/, I, II, IV Международных форумах по тепломассообмену /Минск 1988, 1992, 2000/, 6-й Международной конференции масложировая индустрия - 2006 /Санкт-Петербург 2006/, на 4-й Научно-технической конференции-выставке с
международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» /Москва 2006/
Публикации Основные положения диссертационной работы отражены в 59 публикациях, в том числе 11 статьях в периодических научных и научно-технических изданиях, выпускаемых в Российской Федерации, в которых ВАК рекомендует публикацию основных результатов диссертаций, 24 статьях и материалах научных конференций и 14 авторских свидетельствах на изобретение
В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключалось в определении проблемы, постановке задач, разработке теоретических положений, проведении экспериментальных исследований, а также в непосредственном участии на всех этапах исследования
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, включает 195 страниц основного машинописного текста, 52 рисунка и 12 таблиц Список использованных источников содержит 261 наименование работ отечественных и зарубежных авторов
