Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. В настоящее время экстракция отдельных компонентов из различных видов растительного сырья является одним из распространённых процессов во многих отраслях промышленности. Перспективными способами интенсификации этого процесса являются способы, обеспечивающие комплексное воздействие на сырьё. Такое воздействие значительно увеличивает скорость экстракции, повышает полноту извлечения целевого компонента, а также позволяет проводить процесс при пониженных температурах, что крайне важно при экстрагировании термолабильных компонентов из растительного сырья.
К оборудованию, реализующему комплексное воздействие на сырьё, в полной мере относятся роторно-пульсационные аппараты (РПА). В таких аппаратах обрабатываемый материал подвергается активному гидродинамическому воздействию: сдвиговым напряжениям в радиальном зазоре между поверхностями рабочих органов аппарата, большим знакопеременным нагрузкам и кавитации. Кроме того, твёрдые частицы при прохождении через прерыватель аппарата измельчаются, что также интенсифицирует извлечение целевого компонента.
Вместе с тем, в современной литературе практически отсутствует описание кинетики экстрагирования целевых компонентов из полидисперсных частиц растительного сырья в установках с РПА. Это существенно ограничивает практическое использование оборудования такого типа и не позволяет снижать энергозатраты на проведение процесса, поэтому моделирование подобных экстракционных установок является актуальным.
В связи с этим, целью настоящей работы является разработка метода расчёта процесса экстракции целевых компонентов, осложнённого механическим измельчением частиц растительного сырья в установке с РПА, и экспериментальное подтверждение работоспособности математического описания.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
определить гидродинамические закономерности работы РПА и их влияние на коэффициенты массообмена;
проанализировать механизм разрушения частиц растительного сырья при их прохождении через рабочие органы РПА и определить дисперсный состав частиц и площадь межфазной поверхности в установке экстракции;
усовершенствовать математическую модель извлечения целевого компонента из полидисперсных частиц растительного сырья сферической формы;
провести серии экспериментов с различными видами растительного сырья в установке с РПА и проверить адекватность разработанной математической модели;
сформулировать общие рекомендации по конструированию рабочих органов РПА для применения такого оборудования в целях интенсификации процесса извлечения целевого компонента из частиц растительного сырья.
Объектом исследования является процесс экстрагирования целевого компонента, осложнённый механическим измельчением частиц растительного сырья, протекающий в установке с РПА.
Методы исследования. При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, направленные на решение поставленных задач. Использовалось моделирование гидродинамических закономерностей течения жидкости в РПА на базе численного решения нестационарного уравнения Бернулли; изменения дисперсного состава частиц в прерывателе РПА на основании вероятностного подхода; материальных потоков в установке экстракции на базе ячеечной модели; кинетики извлечения целевого вещества на основе диффузионной модели. Применялся метод планирования полного факторного эксперимента.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
-
Впервые предложен метод расчёта процесса экстракции целевого компонента в установке с РПА с учётом механического разрушения частиц растительного сырья, позволяющий с высокой точностью прогнозировать кинетику извлечения.
-
Впервые предложена методика определения площади проходного сечения прерывателя для многоступенчатого РПА.
-
Разработана методика расчёта изменения дисперсного состава частиц растительного сырья в РПА, в рамках которой получены новые сведения о кинетике этого процесса в установке экстракции в целом.
-
Впервые показано, что вероятность разрушения частиц в прерывателе РПА существенным образом зависит от формы частиц и коэффициента трения частиц о рабочие органы аппарата.
-
На основе анализа положений частиц при их взаимодействии с рабочими органами РПА предложено новое аналитическое выражение, позволяющее определять размеры измельчённых частиц, прошедших через прерыватель аппарата.
Теоретическая значимость диссертационной работы. Предложенный подход для описания кинетики экстракции может быть применён и для установок, в которых ёмкостный аппарат и РПА соединены в любые технологические схемы: циркуляционную, перегрузок и с раздельной подачей компонентов. Кроме того, предложенный подход позволяет прогнозировать кинетику и других химико-технологических процессов с применением аппаратуры роторно-пульсационного типа.
Практическая значимость. Результаты работы позволяют значительно снизить энергозатраты на проведение процесса экстракции в установках с РПА при одновременном повышении полноты извлечения целевых компонентов из многих видов растительного сырья.
Достоверность результатов диссертационного исследования обеспечивается корректностью постановки задач исследования, их строгой физической обоснованностью; большим объёмом полученных экспериментальных данных, их логической взаимосвязью, наглядностью, непротиворечивостью и воспроизводимостью результатов; применением современной измерительной техники, а также статистической обработкой и анализом погрешности измерений по общепринятым методикам. Достоверность результатов численного моделирования подтверждается хорошей сходимостью расчётных и экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
-
Результаты моделирования площади проходного сечения прерывателя многоступенчатого РПА.
-
Методика расчёта дисперсного состава частиц, получаемого в результате воздействия на них рабочих органов РПА, и описание кинетики этого процесса в установке.
-
Математическая модель экстрагирования целевого компонента из частиц растительного сырья с учётом их измельчения в установке с РПА.
-
Результаты экспериментального исследования процесса извлечения инулина из клубней топинамбура, арабиногалактана из опилок лиственницы и лигнина из лиг- ноцеллюлозного материала.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (Бийск, 2010, 2011, 2012); молодёжной конференции-школе «Физико-химические методы изучения состава отходов химической переработки древесины и растительного сырья» (Санкт-Петербург, 2010); Всероссийской конференции «Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов» (Бийск, 2010); Всероссийской конференции, посвящённой памяти В.В. Бахирева, «Химия, технология и применение высокоэнергетических соединений» (Бийск, 2011); Всероссийской конференции с международным участием «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2012); Всероссийской научной молодёжной школе-конференции «Химия под знаком СИГМА: исследования, инновации, технологии» (Омск, 2012).
Личный вклад автора состоит в формировании научных идей, постановке задач и планировании исследований, разработке теоретической модели экстрагирования целевого компонента из растительного сырья в установке с РПА, в постановке и проведении экспериментов, обработке и интерпретации полученных данных, подготовке публикаций и докладов на конференции. Все основные результаты диссертации получены лично автором либо при его непосредственном участии в качестве ведущего исполнителя на всех этапах исследований.
Объём и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 116 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 47 рисунков.
Похожие диссертации на Разработка метода расчёта процесса экстракции целевых компонентов из растительного сырья в роторно-пульсационных аппаратах
-
-
-
