ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МЕМБРАННОГО АППАРАТА ПРИ КОНЦЕНТРИРОВАНИИ КРАХМАЛЬНОГО МОЛОКА
Авторы:
1.
ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)»
2.
ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)»
3.
ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)»
Тип:
Статья
Страницы:
с 61
по 66
Статус:
Опубликован
Получено:
30.06.2015
Одобрено:
30.06.2015
Опубликовано:
30.06.2015
Классификаторы:
УДК 664.22:542.816
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
Мембранный аппарат, концентрирование, крахмальное молоко, технологические режимы, регрессионный анализ
Аннотация (русский):
Технологии разделения и очистки веществ нашли широкое применение во многих отраслях промышленности,где требуются выделение компонентов из смеси, концентрирование и получение высокочистых веществ, водоочистка и переработка отходов производства и т.д. Особое внимание при организации технологических процессов уделяется созданию безотходных технологий и замкнутых производственных схем. Одной из разновидностей технологии разделения и очистки жидких и газообразных сред являются мембранные методы. Переработка сырья мембранными методами в отличие от широко применяемых методов производится без фазовых превращений. Мембранные методы в ряде случаев оказываются не только более экономичными и менее энергоемкими по сравнению с другими методами, но часто позволяют полнее использовать сырье и энергию. Несмотря на преимущества мембранных методов, их использование в промышленности в настоящее время недостаточно. Это обусловлено невысокой производительностью мембранного оборудования вследствие образования в процессе переработки сред на поверхности мембраны слоя, содержащего задерживаемые вещества в концентрации выше, чем в основном потоке. В связи с этим разработка мембранного оборудования, в котором предусмотрено снижение толщины слоя задерживаемых веществ различными способами, является актуальной задачей. Разработана новая конструкция мембранного аппарата, включающая вставку, состоящую из несущего стрежня и конических элементов, в котором снижение толщины слоя задерживаемых веществ на мембране осуществляется гидродинамическим способом. Экспериментальные исследования мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока показали, что конструкция является работоспособной. Полученная регрессионная модель позволила определить рациональные значения параметров технологического режима работы мембранного аппарата (Т = 45 °С, Р = 0,25 МПа), при которых достигается максимально возможная производительность, равная 490∙10-6 м3/(м2∙с). В результате сравнительных экспериментальных исследований новой конструкции мембранного аппарата и прототипа установлено, что использование вставки в составе мембранного аппарата позволяет повысить его производительность по фильтрату в 1,6 раза.
Технологии разделения и очистки веществ нашли широкое применение во многих отраслях промышленности,где требуются выделение компонентов из смеси, концентрирование и получение высокочистых веществ, водоочистка и переработка отходов производства и т.д. Особое внимание при организации технологических процессов уделяется созданию безотходных технологий и замкнутых производственных схем. Одной из разновидностей технологии разделения и очистки жидких и газообразных сред являются мембранные методы. Переработка сырья мембранными методами в отличие от широко применяемых методов производится без фазовых превращений. Мембранные методы в ряде случаев оказываются не только более экономичными и менее энергоемкими по сравнению с другими методами, но часто позволяют полнее использовать сырье и энергию. Несмотря на преимущества мембранных методов, их использование в промышленности в настоящее время недостаточно. Это обусловлено невысокой производительностью мембранного оборудования вследствие образования в процессе переработки сред на поверхности мембраны слоя, содержащего задерживаемые вещества в концентрации выше, чем в основном потоке. В связи с этим разработка мембранного оборудования, в котором предусмотрено снижение толщины слоя задерживаемых веществ различными способами, является актуальной задачей. Разработана новая конструкция мембранного аппарата, включающая вставку, состоящую из несущего стрежня и конических элементов, в котором снижение толщины слоя задерживаемых веществ на мембране осуществляется гидродинамическим способом. Экспериментальные исследования мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока показали, что конструкция является работоспособной. Полученная регрессионная модель позволила определить рациональные значения параметров технологического режима работы мембранного аппарата (Т = 45 °С, Р = 0,25 МПа), при которых достигается максимально возможная производительность, равная 490∙10-6 м3/(м2∙с). В результате сравнительных экспериментальных исследований новой конструкции мембранного аппарата и прототипа установлено, что использование вставки в составе мембранного аппарата позволяет повысить его производительность по фильтрату в 1,6 раза.
Ключевые слова:
Мембранный аппарат, концентрирование, крахмальное молоко, технологические режимы, регрессионный анализ
Мембранный аппарат, концентрирование, крахмальное молоко, технологические режимы, регрессионный анализ
Введение Современная пищевая промышленность ориентируется на технологии глубокой переработки сы- рья. Одним из наиболее перспективных методов глубокой переработки жидких пищевых сред можно считать мембранные методы, позволяющие осуществлять концентрирование, очистку и фракционирование пищевых жидкостей с сохранением полезных свойств входящих в их состав компонен- тов. В частности, мембранные методы успешно применимы в процессе выработки крахмала на эта- пе рафинирования крахмального молока с целью более тонкой переработки крахмальной суспензии и снижения потерь крахмала [0, 0, 0]. В настоящее время существует разнообразное аппаратурное оформление мембранных процессов. Однако повышение производительности мембран- ного оборудования остается актуальной научной задачей. Целью данной статьи является описание новой конструкции мембранного аппарата, а также экспе- риментальные исследования аппарата, позволяю- щие определить его работоспособность, выявить рациональные значения технологических режимов его работы и провести сравнительный анализ с существующим мембранным оборудованием. Объект и методы исследования Объектом исследования является мембранный аппарат для переработки жидких пищевых сред (рис. 1), новизна которого защищена положитель- ным решением о выдаче патента РФ на полезную модель [0]. Прототипом послужил классический мембранный аппарат [0], который был реализован на базе исследовательской лаборатории ФГБОУ ВО «КемТИПП» для исследования процесса концен- трирования жидких пищевых сред. Прототип содержит корпус 1, выполненный в виде цилиндра. С одной стороны корпуса располагается патрубок 2 для подачи исходного потока среды, с другой - патрубок 3 для отвода конечного продукта в виде концентрата, а также патрубок 4 для отвода филь- трата. Внутри корпуса располагается коаксиально полупроницаемая мембрана 5. Прототип характеризуется низкой производительностью по фильтра- ту, что обусловлено накоплением слоя задерживае- мых веществ на поверхности мембраны. Новая конструкция мембранного аппарата отличается от прототипа тем, что в мембране располагается вставка, состоящая из несущего стержня 6, конических элементов 7 и фиксирующих колец 8. Каждый конический элемент позволяет локально повысить скорость потока перерабатываемой среды, что спо- собствует уменьшению слоя задерживаемых ве- ществ на поверхности мембраны и интенсифицирует мембранный процесс. Основными параметрами конического элемента являются длина (L, м), диаметры большего (D'', м) и меньшего (D', м) оснований. На основе результа- тов практической реализации математической мо- дели гидродинамических условий при обтекании жидкостью конической поверхности в цилиндрическом канале [0] выбраны следующие рациональные значения параметров: L = 0,004 м, D' = 0,001 м, D'' = 0,005 м. Рис. 1. Мембранный аппарат: 1 - корпус; 2 - патрубок для подачи исходного потока среды; 3 - патрубок для отвода конечного продукта в виде концентрата; 4 - патрубок для отвода фильтрата; 5 - полупроницаемая мем- брана; 6 - несущий стержень вставки; 7 - конические элементы вставки; 8 - фиксирующие кольца Экспериментальные исследования проводились на мембранной установке периодического дей- ствия, которая предусматривает циркуляцию всего концентрируемого раствора. Избыточное давление, необходимое для проведения процесса концентри- рования, создавалось при помощи циркуляционно- го насоса и дросселирующего вентиля. Контроль давления осуществлялся при помощи манометра. Постоянная температура процесса поддерживалась термостатом. В качестве перерабатываемой среды выбрано крахмальное молоко (крахмальная суспензия) с концентрацией сухих веществ С = 7 % масс. Результаты и их обсуждение На начальном этапе определено влияние скорости потока перерабатываемой среды в канале мем- браны на производительность аппарата. Здесь и далее указана скорость потока среды на входе в канал мембраны, т.е. в сечении меньшего основания конического элемента. В соответствии с расче- тами [0] по длине конического элемента происходит увеличение скорости потока. Кроме того, ре- зультаты расчета показали, что при скорости пото- ка более 0,7 м/с значение критерия Рейнольдса не опускается ниже 2300, что свидетельствует о пере- ходном режиме течения жидкости, когда турбулентное течение более вероятно. Максимальная скорость потока v = 1 м/с обусловлена технически- ми возможностями оборудования мембранной установки. Экспериментальные исследования про- водились при температуре крахмального молока Т = 25 ºС, избыточном давлении в канале аппарата Р = 0,25 МПа. Поскольку опыты в каждой точке повторялись не менее десяти раз, результаты ис- следований (рис. 2) представлены в виде диаграмм «box-and-whiskers» («ящик с усами»), характеризующих разброс экспериментальных данных. Экспериментально доказано, что увеличение скорости потока перерабатываемой среды приводит к повышению степени турбулизации потока, что, в свою очередь, снижает толщину слоя задерживае- мых веществ на поверхности мембраны и повыша- ет производительность мембранного аппарата. В нашем случае можем принять в качестве рекомендуемого при дальнейших исследованиях максимально возможное значение скорости потока, т.е. v = 1 м/с. 62 ISSN 2074-9414. Food Processing: Techniques and Technology. 2015. Vol. 37. № 2 ления в канале мембраны предварительно можно считать Р = 0,25 МПа. На следующем этапе определено влияние тем- пературы перерабатываемой среды на производи- тельность аппарата. Экспериментальные исследования проводились при ранее установленных зна- чениях избыточного давления в канале мембраны и скорости потока среды. Результаты исследований представлены на рис. 4. Рис. 2. Влияние скорости потока среды на производительность мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока (С = 7 % масс.) Т = 25 ºС, Р = 0,25 МПа На следующем этапе определено влияние дав- ления в канале мембраны на производительность аппарата. Экспериментальные исследования прово- дились при температуре крахмального молока Т = 25 ºС, скорости потока среды v = 1 м/с. Резуль- таты исследований представлены на рис. 3. Рис. 3. Влияние давления в канале мембраны на производительность мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока (С = 7 % масс.) Т = 25 ºС, v = 1 м/с Максимальная производительность мембранно- го аппарата наблюдается при Р = 0,25 МПа. Именно в этой точке достигается равновесие двух противо- действующих факторов. С одной стороны, повы- шение давления приводит к увеличению движущей силы процесса и, следовательно, способствует об- разованию фильтрата. С другой стороны, под дей- ствием давления происходит уплотнение слоя за- держиваемых мембраной веществ, что приводит к увеличению его сопротивления и, следовательно, снижению образования фильтрата. До указанной точки перевес имеет первый фактор, после - вто- рой. Таким образом, рациональным значением дав- Рис. 4. Влияние температуры среды на производитель- ность мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока (С = 7%масс.) Р = 0,25МПа, v = 1м/с Повышение температуры крахмального молока вызывает снижение вязкости воды и, следовательно, снижение вязкости суспензии, что способствует об- разованию фильтрата. При температуре до 40-45 °С зерна крахмала в составе крахмального молока набухают ограниченно, его вязкость практически не меняется [0, 0]. При температуре выше указан- ных значений зерна крахмала поглощают больше воды, увеличивается вязкость крахмального моло- ка, что приводит к снижению образования филь- трата. При нагревании крахмального молока выше 50-55 °С зерна крахмала поглощают значительное количество воды, увеличиваются в объеме в не- сколько раз. При этом происходит разрушение на- тивной структуры зерна, крахмальная суспензия превращается в клейстер. Экспериментально дока- зано, что при температуре 50-55 °С в крахмальном молоке начинается образование сгустков крахмала, имеющих вязкую структуру. Повышение темпера- туры до 60 °С сопровождается увеличением коли- чества сгустков, а также ростом объема отдельного сгустка. При температуре выше 60 °С образование сгустков носит массовый характер. Процесс мем- бранного концентрирования практически останав- ливается, так как образованные сгустки полностью закупоривают внутренний канал мембраны. Поэто- му при температурах выше 50-55 °С производи- тельность мембраны по фильтрату определить практически невозможно. Далее проведены исследования влияния темпе- ратуры перерабатываемой среды на производи- 63 ISSN 2074-9414. Техника и технология пищевых производств. 2015. Т. 37. № 2 тельность аппарата при различных давлениях в ка- нале мембраны. Результаты исследований пред- ставлены на рис. 5. В каждом случае повышение температуры крахмального молока в известных диапазонах ведет к повышению производительности мембранного аппарата. Рис. 5. Влияние температуры среды на производитель- ность мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока (С = 7 % масс.) v = 1 м/с Взаимное влияние температуры среды (X1 = T) и давления в канале мембраны (X2 = P) на производи- тельность мембранного аппарата (Y = G) может быть отражено регрессионной моделью второго порядка (1). (1) Для построения регрессионной модели прове- дены активные эксперименты на основе матрицы планирования ортогонального плана второго по- рядка для двух факторов (табл. 1), составленной в соответствии со стандартной методикой [0]. Таблица 1 Матрица планирования ортогонального плана второго порядка Результаты параметрической идентификации и статистической оценки параметров уравнения ре- грессии приведены в табл. 2. Таблица 2 Результаты параметрической идентификации и статистической оценки параметров уравнения регрессии Параметр Значение параметра Безразмерные коэффициенты b0 482,37 Безразмерные коэффициенты b`0 452,39 Безразмерные коэффициенты b1 29,46 Безразмерные коэффициенты b2 6,70 Безразмерные коэффициенты b12 0,62 Безразмерные коэффициенты b11 -10,07 Безразмерные коэффициенты b22 -34,89 Дисперсия воспроизводимости S2 восп 21,48 Дисперсия воспроизводимости fвосп 9 Расчетный критерий Стьюдента t0 312,23 Расчетный критерий Стьюдента t1 15,57 Расчетный критерий Стьюдента t2 3,54 Расчетный критерий Стьюдента t12 0,27 Расчетный критерий Стьюдента t11 2,29 Расчетный критерий Стьюдента t22 7,93 Критический критерий Стьюдента tкр 2,26 Дисперсия адекватности S2 ад 75,83 Дисперсия адекватности fад 4 Критерий Фишера Fрасч 3,53 Критерий Фишера Fкрит 3,60 Проверка значимости коэффициентов уравне- ния регрессии позволила исключить незначимый коэффициент уравнения (b12). Адекватность урав- нений подтверждена оценкой по критерию Фишера (Fкрит = 3,6; Fрасч = 3,53; Fкрит > Fрасч). Таким обра- зом, зависимость производительности мембранного аппарата по фильтрату от параметров технологиче- ского режима может быть описана регрессионной моделью в безразмерном (2) и натуральном (3) масштабах. G∙106 = 482,37 + 29,46∙T +6,70∙P - - 10,07∙T2 - 34,89∙P2 (2) G∙106 = -6,498∙102 +9,95∙T + 7,114∙103∙P - - 0,1∙T2 - 1,396∙104∙P2 (3) В результате анализа уравнения регрессии (2) в диапазоне изменения параметров T [25; 45] и Р [0,20; 0,30] выявлены их рациональные значе- ния Т = 45 ºС, Р = 0,25 МПа, при которых достига- ется максимально возможная производительность мембранного аппарата, равная 490∙10-6м3/(м2∙с). Максимум производительности явно просматрива- ется на поверхности (рис. 6). Экспериментально установлена максимально возможная производительность прототипа при концентрировании крахмального молока, которая составляет в среднем 300∙10-6 м3/(м2∙с). 64 ISSN 2074-9414. Food Processing: Techniques and Technology. 2015. Vol. 37. № 2 нию скорости образования фильтрата и интенси- фицирует мембранный процесс в целом. На рис. 7 приведены экспериментальные кривые производительности по фильтрату новой конструк- ции мембранного аппарата и прототипа при рациональных значениях параметров технологического режима, наглядно подтверждающие преимущество разработанной конструкции. Рис. 6. Зависимость производительности мембранного аппарата по фильтрату от параметров технологического режима при концентрировании крахмального молока Т = 45 ºС, Р = 0,25 МПа, v = 1 м/с Таким образом, использование вставки, состоя- щей из несущего стержня конических элементов, в составе мембранного аппарата позволило повысить его производительность в 1,6 раза. Это объясняется тем, что гидродинамический элемент конической формы позволяет локально повысить скорость по- тока перерабатываемой среды. При этом происхо- дит уменьшение слоя задерживаемых веществ на поверхности мембраны, что приводит к повыше- Рис. 7. Производительность мембранного аппарата без вставки и со вставкой при концентрировании крахмального молока (С = 7 % масс.) Т = 45 ºС, Р = 0,25 МПа, v = 1 м/с
1. Грачев, Ю.П. Математические методы планирования экспериментов / Ю.П. Грачев, Ю.М. Плаксин. - М.: ДеЛи Принт, 2005. - 296 с.
2. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: в 2 ч. Ч. 2: Массообменные процессы и аппара- ты / Ю.И. Дытнерский. - М.: Химия, 1995. - 368 с.
3. Положительное решение о выдаче патента РФ на полезную модель по заявке №2014105407/05(008622), МПК B65D88/68 от 13.02.2014. Мембранный аппарат / Л.Р. Хачатрян, Р.В. Котляров; заявитель и патентообладатель Федеральной государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)» - заявл. 13.02.2014. // М.: Роспатент, 2014.
4. Технология переработки продукции растениеводства / под ред. Н.М. Личко. - М.: Колос, 2000. - 552 с.
5. Технология пищевых производств / под ред. А.П. Нечаева. - М.: КолосС, 2005. - 768 с.
6. Хачатрян, Л.Р. Математическая модель гидродинамических условий при обтекании жидкостью конической по- верхности в цилиндрическом канале / Л.Р. Хачатрян, Р.В. Котляров, А.А. Крохалев // Техника и технология пищевых производств. - 2015. - № 1. - Т. 36. - С. 92-96.
7. BeMiller, J.N. Starch - Chemistry and Technology / J.N. BeMiller, R.L. Whistler. - Academic Press, 2009. - 894 p.
8. LeCorre, D. Ceramic membrane filtration for isolating starch nanocrystals / D. LeCorre, J. Bras, A. Dufresne // Carbohy- drate Polymers. - 2011. - Vol. 86. - P. 1565-1572.
