НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
ВЕРХОЛА ЛЕОНІД АРНОЛЬДОВИЧ
УДК 664.1.033
ВДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕПЛОВОЇ ОБРОБКИ БУРЯКОВОЇ СТРУЖКИ В ДИФУЗІЙНИХ УСТАНОВКАХ БУРЯКОЦУКРОВОГО ВИРОБНИЦТВА
05.18.12 – процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2007
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті цукрової промисловості.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Пушанко Микола Миколайович,
Національний університет харчових технологій,
кафедра технологічного обладнання харчових виробництв, професор
Офіційні опоненти: доктор технічних наук
Циганков Сергій Петрович
Інститут харчової хімії і технології НАН України,
заступник директора з наукової роботи та нової техніки
доктор технічних наук, професор
Хоменко Микола Дмитрович,
Інститут післядипломної освіти Національного університету харчових технологій, завідуючий кафедрою виробництва цукру і сахаридів
Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України, м Київ
Захист відбудеться “28” березня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 у Національному університеті харчових технологій за адресою: 01033, Київ -33, вул. Володимирська, 68, корпус А, ауд. 311.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: м.Київ, вул. Володимирська, 68.
Автореферат розісланий “20” лютого 2007 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
к.т.н., доцент Завґялов В.Л.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Бурякоцукрова галузь України має стратегічне значення для забезпечення потреб у цукрі інших галузей харчової промисловості, населення України, державного резерву. У 2005 році на Україні заготівля буряків становила 14,5 млн. т, виробництво цукру – 1,89 млн. т, працювало 120 цукрових заводів. Згідно останніх прогнозів Національної асоціації цукровиробників "Укрцукор" виробництво цукру з буряків у поточному році збільшиться не меньше як до 2,1 млн. т.
Початковим та найбільш визначаючим етапом бурякоцукрового виробництва є процес добування цукру із стружки шляхом протитечійного масообміну із єкстрагуючою рідиною в дифузійних установках.
На заводах України працюють 106 двошнекових, 40 колонних та 4 ротаційних дифузійних апарати. Встановлено, що значна кількість втрат цукру у виробництві припадає саме на втрати цукру на стадії вилучення його із стружки у дифузійних апаратах, при цьому втрати від розкладання прямо залежні від температурного режиму у дифузійній установці, особливо на стадії нагріву стружки.
Загальновизнано, що теплова обробка стружки у наявних на вітчизняних заводах двошнекових дифузійних апаратах та ошпарювачах колонних дифузійних установок не є ефективною.
У масштабах української цукрової промисловості підвищення втрат цукру у виробництві, спричинені недосконалістю процесу теплової обробки, можна мінімально оцінити у 5-8 тис. т цукру щорічно.
На більшості вітчизняних цукрових заводів наднормативними є витрати палива на технологічні потреби. Ефективним енергозберігаючим заходом, що дозволить отримати економію палива на 0,3% може бути впровадження в виробництво протитечіних ошпарювачів бурякової стружки, що забезпечують відповідний температурний режим.
Зазначені обставини підтверджують актуальність вдосконалення процесу теплової оборобки бурякової стружки, розробки та впровадження ефективних ошпарювачів в цукрову промисловість України.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Зазначені в дисертаційній роботі дослідження виконувались відповідно до тематики науково-дослідних робіт УкрНДІЦП для забезпечення виконання "Завдання по створенню та освоєнню нової техніки по системі машин та агрегатів для цукрової промисловості" згідно "Програми створення нових видів машин, приладів та обладнання для переробних галузей агропромислового комплексу та збільшення їх виробництва в 1988-1995 роках", затвердженої Радою Міністрів СРСР 19.04.1988 р.
Результати досліджень використано при виконанні робіт по темі "Розробити технічну документацію на дифузійний апарат з поліпшеним гідродинамічним режимом продуктивністю 3,0 тис. т буряку за добу" згідно Договору № 543 від 06.03.1992 р. між Українською академією аграрных наук та НВО "Цукор".
Автор особисто виконував лабораторні та промислові дослідження, обробку та аналіз результатів, розробку технічних рішень.
Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в удосконаленні процесу теплової обробки бурякової стружки в дифузійних установках цукрового виробництва.
Відповідно до поставленої мети були сформульовані такі завдання досліджень:
- на основі аналізу науково-технічної інформації встановити основні вимоги до апарату для попередньої теплової обробки бурякової стружки;
- провести аналітичні та експериментальні дослідження процесів, що відбу-ваються у буряковій тканині при нагріванні та розробити їх математичний опис ;
- встановити в умовах виробництва раціональні параметри комбінованого процесу теплообміну між дифузійним соком та буряковою стружкою у багатоступінному ошпарювачі зрошувального типу;
- визначити оптимальні параметри процесу екстракції при роботі промислової дифузійної установки з попереднім нагрівом стружки;
- провести порівняння технологічних показників роботи дифузійної установки DC_при роботі з багатоступінним ошпарювачем зрошувального типу та без нього;
- розробити нові конструкції апаратів для попередньої теплової обробки бурякової стружки.
Обґєкт дослідженя – процес екстракції цукру з бурякової стружки в дифузійних установках безперервної дії.
Предмет досліджень процес попередньої теплової оборобки бурякової стружки.
Методи дослідження. Експериментальна частина досліджень базувалась на електрометричному методі оцінки фізичного стану рослинної тканини. Для дослідження процесів у промислових дифузійних установках застосовувались затверджені методи хіміко-технічного контролю, лабораторні методи визначення коефіцієнта ступеню проникності бурякової тканини та інтервальний метод розрахунку процесу теплообміну у промислових дифузійних установках.
Наукова новизна роботи. Досліджено кінетику процесу теплової оборобки бурякової тканини, визначена швидкість розповсюдження біохімічних змін у обґємі зразку та розроблено моделюючу програму.
Експеріментальним шляхом знайдено коефіцієнти тепловіддачі від дифузійного соку до бурякової стружки у апараті зрошувального типу.
Визначено складові поліпшення технологічних показників роботи двохшнекової дифузійної установки при дооснащенні її багатоступінним ошпарювачем.
Теоретична значимість роботи. Одержані результати можуть бути використані:
- при подальшій розробці математичних моделей процесу екстракції цукру із бурякової стружки, які враховують розподіл по обєму бурякової стружки параметрів, що характеризують стан рослинних клітин;
- для проектування дифузійних установок, в яких нагрівання бурякової стружки відбувається при інтенсивному гідродинамічному режимі течії дифузійного соку через розділені шари бурякової стружки;
- у теплотехнічних та технологічних розрахунках роботи існуючих дифузійних установок при дооснащенні їх апаратами для інтенсивної теплової оборобки бурякової стружки.
Практична значимість роботи. Розроблено, виготовлено та досліджено нові апарати для інтенсивної теплової обробки бурякової стружки дифузійним соком у протитечійному режимі, два з яких запатентовано.
На основі даних виробничих випробувань показано суттєве покращення технологічних показників роботи промислового двошнекового дифузійного апарату типу DC_.
Розроблено та запропоновано для впровадження у промисловості схеми включення апаратів для інтенсивної теплової оборобки бурякової стружки дифузійним соком у протитечійному режимі у складі усіх типів дифузійних апаратів, що використовуються у вітчизняній промисловості (ротаційних, колонних та двохшнекових).
Дослідний зразок багатоступінчатого ошпарювача зрошувального типу виготовлено на Яготинському дослідно-механічному заводі.
Два ротаційних дифузійних апарати продуктивністю 300 т/добу із вбудованими протитечійними ошпарювачами та ротаційний протитечійний ошпарювач виготовлено на АТ "Гефес" (Болоховський машинобудівний завод), промислові випробування проведено на Яготинському цукровому заводі.
Ротаційний дифузійний апарат продуктивністю 2500 т/добу із вбудованим протитечійним ошпарювачем виготовлено АТ "Гефес" (Болоховський машинобудівний завод) для Ланнівського цукрового заводу.
Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблено методику проведення експериментів по електрометричним дослідженням процесу теплової обробки бурякової тканини.
Розроблено математичну модель для розрахунку процесів, які проходять у буряковій стружці при тепловій обробці. Цю модель реалізовано у вигляді програми для ЕОМ та використовано автором при проектуванні нових апаратів.
Здобувачем особисто розроблено нові технічні рішення при конструюванні нових апаратів для теплової оборобки бурякової стружки. Виконано патентування та здійснено особистий нагляд при розробці робочої конструкторської документації та виготовленні обладнання на машинобудівних заводах.
Автором особисто було проведено дослідження роботи нових апаратів на цукрових заводах. Виконано оборобку, аналіз та узагальнення отриманих експериментальних даних.
Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались:
на науково-технічній конференції молодих вчених та спеціалістів "Питання підвищення ефективності цукрового виробництва", Яготин, 1989 р;
на міжнародній науково-технічній конференції "Розробка та впровадження нових технологій та обладнання у харчовій та переробній промисловості", Київ, 1993 р;
на республіканській науково-технічній конференції "Розробка та впровадження високоефективних ресурсосберігаючих технологій, обладнання та нових видів харчових продуктів в харчову та переробні галузі АПК" Київ – 1991 р;
на 12-ому міжнародному конгресі по хімічній та процесній інженерії "CHISA 96", Прага, 1996 р;
на IX міжнародній науково-тенічній конференції "Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сьогодення і перспективи", Київ, 2005 р.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 друкованих робіт, з них 8 публікації в фахових виданнях, 2 патенти на винаходи, 6 тези доповідей на міжнародних та інших конференціях.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел та додатків. Її викладено на 129 сторінках основного тексту з 26 рисунками та трьома таблицями. Додатків – 14. Перелік використаних джерел вміщує 167 вітчизняних та зарубіжних публікацій.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
ВСТУП. Обґрунтовано актуальність роботи, дано опис предмету та обґєкту досліджень попередньої теплової обробки бурякової стружки. Встановлено ціль дослідження та окреслено задачі, які необхідно вирішити для вдосконалення апаратурного оформлення процесу екстракції цукру з буряку. Визначено методологічні основи та встановлено основні етапи виконання роботи. Внесені пропозиції щодо оцінки наукової та практичної значимості роботи, достовірності одержаних результатів. Перелічено заходи по апробації результатів роботи.
У першому розділі проведено аналіз літературних джерел за темою роботи. Показано, що при тепловій оборобці бурякової стружки у дифузійних установках відбуваються взаємоповґязані процеси, що мають різну природу. Вітчизняними та зарубіжними дослідниками визначено ряд явищ, що мають суттєве значення.
Процеси у клітинних мембранах рослинної тканини, що відбуваються під впливом тепла, призводять до суттєвих змін їх структури. Внутрішньоклітинний тиск знижується, а цукор отримує можливість вільно дифундувати крізь стінки клітин. Модуль пружності бурякової тканини після теплової обробки зменшується в декілька разів, що приводить до зміни гідродинамічних умов фільтрації сока крізь шар стружки.
На стадії теплової обробки стружки відбувається інтенсивне розкладення цукру. При цьому дослідники виділяють три складові втрат цукру: від інвертування ферментами, від мікробіологічної діяльності, від хімічного гідролізу.
На основі проведеного нами аналізу літературних джерел описані особливості температурного режиму в дифузійних: двошнекових, ротаційних, та зрошувального типу апаратах, ошпарювачах колонних установок, а також встановлено фактори, що обмежують інтенсивність теплообміну у них.
Показано актуальність розробки апарату для попереднього нагріву стружки дифузійним соком (ошпарювача) та оснащення ним існуючих дифузійних установок. На цій основі сформульовано комплекс питань та заходів необхіних для розробки нового обладнання, та визначення змісту та етапів виконання дисертації.
Розділ. 2. Проведено дослідження процесу денатурації бурякової стружки у початковий період екстракції, які проводились електрометричним методом, що оснований на взаємозвґязку між фізичним станом рослинної тканини та її ектропровідністю. Після денатурації клітинних мембран електричні заряди одержують можливість ріху як по міжклітинним каналам, так і крізь саму клітину. При цьому електропровідність рослинної тканини збільшується в 10_разів. У наших експериментах досліджувався також процес розповсюдження біохімічних змін у буряковій тканині від поверхні зразку до його центру, для чого давачі розташовувались на різній відстані від його поверхні.
Вимірювання електричного опору бурякової тканини здійснювались по схемі омметра при змінній напрузі 0,2 В з частотою 50 Гц.
При проведенні експериментів у центральній частині корнеплоду буряку вирізався зразок бурякової тканини 30 мм та довжиною 120_ мм, торці якого з обох боків закривались пластмасовими шайбами. Вимірювальне вічко уявляло собою гольчастий давач. Одинадцять давачів, змонтованих на одній колодці, вводились у зразок бурякової тканини. При цьому кінці голок входили у зразок на різну глибину (рис. ). Така конструкція дослідної установки дозволяла заміряти електропровідність одинадцяти шарів бурякової тканини, розташованих концентрично з кроком 1,5 мм. Вихідна електропровідністі бурякової тканини у різних точках зразку може відрізнятись, і тому використовувалась безрозмірна величина S – відносна електропровідність, яка характеризувала відносні зміни електропровідності ділянки бурякової тканини. Для вихідного стану бурякової тканини вона дорівнює 0, а для ошпареної – 1.
Для проведення експериментів було визначено діапазон температур від 55 до 95 С. Експерименти показали, що після занурення зразку у воду протягом перших 2_хв. електропровідність зростала приблизно на 30внаслідок прогріву від початкової температури (20 С) до температури експерименту (рис. ).
Рис. 1. Зразок бурякової тканини з гольчастими давачами:
1 - батарея гольчастих давачів;
2 - циліндричний зразок бурякової тканини мм;
3 - изолюючи шайби.
Рис. 2. Зміна відносної электропровідності S при різній температурі теплової обробки
Потім протягом деякого часу електропровідність практично не змінювалась. Тривалість цього періоду складає приблизно 40 хв. при 55 С, а при температурі вище 85 С він практично не спостерігається. Це – так званий індукційний період. Наявність індукційного періоду, що виражає зсув у часі між початком теплового впливу та зміною електропровідності тканини, повґязана з тим, що процеси денатурації відбуваються ступінчасто. Тому від початку теплового впливу до того ступіню денатурації, на якому починає змінюватися електропровідність, проходить певний період – тим меньший, чим вища температура теплового впливу. Після завершення індукційного періоду електропровідність збільшується лінійно з плином часу до деякого максимального значення. Після цього електропровідність змінюється мало, і характер цих змін може бути суттєво різним та обумовлюється складом клітинного соку.
Таким чином, у розвитку процесу денатурації чітко спостерігаються два характерних моменти, які можуть бути встановлені шляхом аналізу зміни електропровідності у часі: закінчення індукційного періоду та завершення денатурації клітинних мембран.
Одержані дані оброблені на ЕОМ методом найменших квадратів. Було одержано наступну залежність для тривалості індукційного періоду:
, (1)
де t - температура, С;
Tи - тривалість індукційного періоду, хв.
Експоненційна залежність тривалості індукційного періоду від температури узгоджується з результатами, одержаними при дослідженні реакції плодових клітин на температурний вплив.
Для того, щоб охарактеризувати процес розповсюдження змін від поверхні зразку до середини, було введено величину швидкості розповсюдження денатурації. Одержана наступна залежність цієї величини від температури:
, (2)
де K2 - швидкість розповсюдження денатурації, хв/мм;
t - температура, С.
Знайдена величина характеризує опір бурякової тканини поширенню денатурації вглиб зразку, він значно меньше, ніж швидкість поширення тепла.
Після закінчення індукційного періоду відносна електропровідність збільшується пропорційно плину часу до завершення денатурації. Для того, щоб описати цей процес, було введено величину швидкості денатурації. Обробка даних показала, що швидкість денатурації залежить від температури і не залежить від розташування точки в об’ємі зразку. У діапазоні 65-85С швидкість денатурації змінюється мало. Залежність швидкості денатурації від температури описується наступним виразом
, (3)
де K1 - швидкість денатурації, хв-1;
t - температура, С.
Оцінку теплової оборобки стружки зроблено за відносною кількістю денатурованих клітин. Відсоток денатурованих клітин визначається по формулах:
-
для необмеженого циліндру
; (4)
- для необмеженої пластини
, (5)
де А – кількість денатурованих клітин, %;
Si- відносна електропровідність і-того шару;
Ri- зовнішній радіус (товщина) і-того шару, м;
hТ- товща шару денатурованного при нарізанні буряку на стружку, м;
Rєкв- еквівалентний радіус (товщина) стружки, м.
Для розрахунку зміни А в процесі теплової оборобки було розроблено програму для ЕОМ, яка базується на залежностях (1) ). На рис. 3 представлені, для прикладу, розрахункові залежності зміни кількості денатурованих клітин А для стружки довжиною 100г 8 м (R=1,97310-3 м) при глибині травмованого шару hТ =0,2410-3 м.
Рис. 3. Зміна відносної кількості денатурованих клітин в процесі теплової обробки
При роботі екстракційних установок дуже важливим параметром є пружність бурякової стружки. В процесі теплової обробки при денатурації клітинних мембран значно знижується внутрішньоклітинний тиск, і відповідно знижується пружність бурякової тканини. Так, для свіжої бурякової тканини модуль пружності дорівнує 6,5_ Мпа, а для ошпареної знижується до 0,45_,80 Мпа.
Таким чином, і зміна ступіню ошпарювання бурякової стружки, і зміна пружності стружки визначаються зміною стану клітинних мембран при тепловій обробці. Розроблено програму для ЕОМ, яка розраховувує зміну жорсткості стружки в процесі теплової оборобки. В програмі використано залежності (1) ), стружка розглядаєть як балка, розрахунок ведеться по окремих шарах.
Становить практичний інтерес співставлення кінетики процесів нагріву стружки та зміни її жорсткості: бурякова тканина має високу температуропровідність, при нагріванні стружки шляхом протитечійного теплообміну з дифузійним соком тривалість нагрівання може складати менше однієї хвилини. За такий короткий термін навіть при температурі 75С процес денатурації не встигає розвинутися, і жорсткість стружки суттєво не змінюється. Визначення співвідношення між тривалістю нагрівання стружки та часом, що необхідний для її денатурації, дає основу для створення аппаратів, в яких процес теплообміну протягом усього терміну буде відбуватись при дуже сприятливих гідродинамічних умовах.
Розділ 3. Дослідження процесів тепло-масообміну у промисловій екстракційній установці проводились на Бовшівському цукровому заводі. Для теплової обробки бурякової стружки було використано багатоступінний стрічковий передошпарювач, розроблений та виготовлений НВО "Цукор".
Передошпарювач було використано у складі екстракційної установки з двошнековим екстрактором марки ДС-12 виробництва ПНР продуктивністю 3000 т буряку на добу (рис. ).
Рис. 4. Схема включення передошпарювача
Бурякова стружка стрічковим транспортером 1 подається в розподільчий пристрій і розподіляється по поверхні сітчастої стрічки багатоступеневого передошпарювача 2. Дифузійний сік із двошнекового апарату 4 насосом 5 подається до кожухотрубчастих підігрівачів 6. Підігрітий сік подається до передошпарювача 2, де розділяється на два рівні потоки, та поступає на переливні лотки. Після чотирикратного проходження крізь шар стружки охолоджений дифузійний сік поступає до сбірника 7 та насосом 8 подається на подальшу переробку. Підігріта стружка із передошпарювача 2 поступає до завантажувальної шахти двошнекового апарату 4.
Вкючення до складу двошнекової установки передошпарювача провадиться з метою здійснити інтенсивний нагрів стружки у передошпарювачі шляхом протитечійного теплообміну з підігрітим дифузійним соком. Бурякова стружка поступає до двошнекового апарату підігрітою до 60-70 С.
Для порівняння параметрів тепло-масообміну при роботі установки з передошпарювачем та без нього, було проведено такі дослідження:
- встановлено параметри процесу теплообміну у стрічковому передошпарювачі;
- замірено розподіл температур соко-стружкової суміші за поперечними перерізами дифузійного апарату ДС-12;
- визначено розподіл дифузійної проникливості бурякової стружки по ділянках екстракційної установки;
- розраховано коефіцієнти масовіддачі по ділянках двошнекового апарату;
- проведено порівняння технологічних показників роботи дифузійної установки в обох варіантах.
Встановлено, що у стрічковому передошпарювачі відбувається інтенсивний теплообмін. При тривалості перебування стружки від 80 с середній коефіцієнт тепловіддачі, розрахований для апроксимуючого протитечійного процесу, становить 183,6 Вт/(м2К). По окремим прямотечійним ступеням розрахунок показав, що коефіцієнт тепловіддачі дорівнює 315-360 Вт/(м2 К).
Одержаний результат свідчить про те, що у передошпарювачі мають місце сприятливі гідродинамічні умови процесу теплообміну
При роботі установки з передошпарювачем була в значній мірі усунута нерівномірність прогрівання соко-стружкової суміші в дифузійному апараті ДС-12. Максимальна різниця температур у першому перерізі зменшилась з 7,35 до 2,05 С, у другому перерізі – з 3,6 до 1,35 С.
Результати проведених досліджень (рис. ) показують, що при зміні температурного режиму з забезпеченням інтенсивного нагріву в початковий період процесу дифузійна проникливість бурякової стружки покращується не тільки в головній частині екстрактора, але і протягом всього процесу зберігає більш високі значення, ніж при повільному нагріванні. Це підтверджує, що при швидкому нагріванні стружки досягаються більш високі значення коеффіцієнта дифузії протягом усього часу.
Дифузійна проникливість зразків бурякової стружки визначалась двома методами: електрометричним по коєффіціентах дифузії. Одержані результати подібні при використанні обох методів. Це ще раз підтверджує, що використаний нами електрометричний метод дає достовірні результати та може використовуватись для дослідження роботи дифузійних установок.
При включенні в склад установки передошпарювача, що забезпечує інтенсивне нагрівання стружки, теплова обробка інтенсифікується, але температура процесу обмежується великим терміном перебування стружки в дифузійному апараті ДС-12.
Для аналізу дослідженні процесу масообміну між буряковою стружкою та естрагентом використовулась методика В.М.Лисянського.
При включенні до складу дифузійної установки передошпарювача коефіцієнт масовіддачі збільшується лише у головній частині апарату, на інших розрахункових інтервалах значення суттєво не змінюються.
Рис. 5. Розподіл по довжині дифузійної установки коефіцієнта ступені проникливості бурякової тканини (ошпарювання), визначеного електрометричним методом
Технологічні показники роботи екстракційної установки при роботі з передошпарювачем підвищилися, що підтверджують дані хіміко-технічного контролю (таблиця 1).
Таблиця 1.
Технологічні показники роботи дифузійної установки ДС-12 на Бовшівському цукровому заводі
Технологічні показники | З ошпарювачем | Без ошпарювача
Переробка буряку, т/зміну | 924,1 | 908,4
Дигестія стружки, % | 16,52 | 16,61
Довжина 100г стружки | 9,2 | 8,5
Відкачка дифузійного сока, % | 122,9 | 129,6
Втрати цукру в жомі, % до маси буряку | 0,38 | 0,39
Втрати цукру від разкладення, % до маси буряку | 0,147 | 0,273
Ефект очистки на диффузії, % | 15,00 | 11,22
Суттєвою перевагою застосування передошпарювача є те, що інтенсифікація процесу екстракції досягається без додаткових витрат тепла, а лише за рахунок раціонального перерозподілу потоків тепла в дифузійній установці.
Розділ 4. Розробка апаратів для теплової обробки бурякової стружки. Вона базувалась на результатах, наведених у розділах 1-3.
Багатоступінний ошпарювач зрошувального типу Ш1-П1416. Експериментальний зразок ошпарювача розроблено та виготовлено НВО "Цукор". Ошпарювач призначений для оснащення різних типів екстракційних установок, номінальна продуктивність яких до 3000 т буряків на добу.
Основною частиною апарату (рис. 6) є транспортер, нахилений під кутом 30 до горизонту. В якості тягових елементів застосовано втулково-каткові ланцюги з кроком 400 мм, що забезпечує надійність роботи апарату. Використання ковшової транспортної системи дозволило збільшити кут нахилу конвеєра та зменшити відстань між сусідніми зрошувальними пристроями, що зумовило суттєве зниження габаритів та маси апарату.
Рис. 6. Багатоступінний ошпарювач зрошувального типу Ш1-П1416:
1 - корпус;
2 - ковшовий конвеєр;
3 - завантажувальний лоток;
4 - самотечійний трубопровід;
5 - двощілинний витратомір.
Для роботи з апаратом колонного типу апарат оснащується змішувачем, у якому бурякова стружка, що вивантажується з ковшів у верхній частині ошпарювача, змішується з потоком циркуляційного соку.
У апараті, що розглядається, відбувається комбінований процес теплообміну, при якому на кожному окремому ступені при зрошуванні шара стружки соком процес відбувається у режимі, що близький до прямоточного, а перехід сока та стужки зі ступеня на ступінь – за принципом протитоку.
Багатоступінний ошпарювач зрошувального типу Ш1-П1416 добре компонується з наявними на вітчизняних цукрових заводах дифузійними установками різних типів. Очікуваний річний економічний ефект від застосування ошпарювача в складі колонної дифузійної установки – 332066 гривень, в складі дифузійної установки з двохшнековим апаратом типу DC – 546036 гривень.
Ротаційний дифузійний апарат з вбудованим теплообмінником. При його розробці було поставлено мета створити апарат, що задовільняє вимогам вітчизняної цукрової промисловості краще ніж зарубіжний аналог – ротаційний дифузійний апарат RT5-ETI.
З урахуванням цих вимог нами була розроблена конструкція вбудованого протитечійного теплообмінника, який займає лише одну секцію, на відміну від 7-8 секцій у апараті RT5-ETI. Теплообмінна секція ротаційного дифузійного апарату призначена для здійснення процесу протитечійного теплообміну між буряковою стружкою, що надходить до апарату, та дифузійним соком, який відбирається з дифузійного апарату та нагрівається перед подачею в теплообмінну секцію.
Схема руху потоків соку та стружки в теплообмінній секції (рис. 7) наближена до схеми руху потоків у багатоступінному ошпарювачі. В той же час зберігається основна перевага вбудованого теплообмінника – він не потребує додаткових опор та приводу.
Зрошення соком шарів стружки невеликої товщини створює сприятливий гідродинамічний режим процесу теплообміну, при якому сік стікає по поверхні стружки у вигляді плівки. Такий режим забезпечує інтенсивну тепловіддачу від рідини до поверхні стружки, у теплообмінній секції відбувається протитечійний процес теплообміну між буряковою стружкою, що рухається знизу вверх, та дифузійним соком, що рухається зверху вниз під дією сили тяжіння.
Рис. 7. Схема руху потоків соку та стружки в теплообмінній секції
Згаданою вище теплообмінною секцією було оснащено ротаційні дифузійні апарати марки Ш1-ПДА, продуктивністю 300 т буряку на добу. Апарат було розроблено НВО "Цукор", виготовлено АТ "Гефес" та змонтовано на Яготинському цукровому заводі. По результатах експлуатації апарату встановлено, що при терміні перебування стружки 40-60 с у теплообмінній секції відбувається інтенсивний теплообмін між соком та стружкою у протитечійному режимі.
АТ "Гефес" було виготовлено ротаційний дифузійний апарат марки АРДЛ продуктивністю 2500 т буряку на добу з вбудованим теплообмінником розробленої нами конструкції.
Конструкцію ротаційного дифузійного апарату з вбудованим теплообмінником захищено патентом Російської Федерації №1725561.
Ротаційний ошпарювач. Він призначений для нагрівання бурякової стружки шляхом протитечійного теплообміну з нагрітим дифузійним соком та може застосовуватись у складі екстракційних установок різних типів. Розроблений ротаційний ошпарювач принципово відрізняється від ротаційного ошпарювача типу RT та не має аналогів як у нашій країні, так і за кордоном.
Основною відміною такого ошпарювача є те, що у ньому сік та стружка рухаються за принципом протитоку не тількі при переході від секції до секції, але і в межах самої секції (рис. 8), подібно до описаної вище теплообмінної секції.
У ошпарювачі рівень соку знаходиться вище осі барабана та виключена неактивна фаза настоювання. Це дозволяє більш активно використовувати час перебування стружки у апараті для теплообміну. У нижній частині апарату стружка повністю занурюється у сік при будь-яких значеннях відкачки та пористості шару стружки. Незначний гідравлічний опір незалежних у гідродинамічному відношенні шарів стружки незначної товщини дозволяє змінювати швидкість обертання корпусу у широкому діапазоні та переробляти стружку із значним вмістом мезги та браку. Протитечійний рух соку та стужки зберігається і при значній неритмічності подачі стружки. Механічний вплив на стружку у апараті та, відповідно, її подрібнення є незначними.
Рис. 8. Схему руху потоків соку та стружки в ротаційному ошпарювачі
Дослідний зразок ошпарювача Ш1-ПДА продуктивністю 300 т буряку на добу розроблений НВО "Цукор", виготовлений АТ "Гефес" та випробуваний на Яготинському цукровому заводі.
Дослідження показали, що у апараті спостерігається стійкий протитік при переробці бурякової стружки довжиною 100 г від 8 до 24 м та швидкості обертання корпусу від 40 до 75 об/год. Тривалість теплообміну таким чином становила від 135 до 72 с. Ефективність теплообміну в одній секції була більша, ніж при простому змішуванні. Конструкція ошпарювача захищена патентом СРСР №1838961.
Розроблено ескізний проект ротаційного ошпарювача продуктивністю 3000 т/добу, для застосовування в складі дифузійних установок різних типів.
ВИСНОВКИ
1. Запропоновано математичний опис процесів, які відбуваються у буряковій стружці при тепловій обробці. Розрахунковим шляхом визначено ряд параметрів, які характеризують стан стружки під час нагріву, в тому числі тривалість індукційного періоду, протягом якого зберігається висока пружність бурякової тканини.
2. Експериментальним шляхом визначено локальні коефіцієнти тепловіддачі від соку до бурякової стружки для окремих прямотечійних ступеней, та для апроксимуючого протитечійного процесу в апараті зрошувального типу.
3. Випробуваннями в промислових умовах підтверджено, що застосування передошпарювача забезпечує істотне зниження таких технологічних показників, як: втрати цукру від розкладання, втрати цукру в жомі, відкачка дифузійного соку, а також підвищення ефекту очищення.
4. На основі двох запатентованих нами технічних рішень здійснено в промислових апаратах протитечійний теплообмін при фільтрації рідини послідовно крізь декілька незалежних у гідродинамічному відношенні шарів стружки.
5. Визначені значення коефіцієнтів тепловіддачі в апараті зрошувального типу можуть застосовуватися при розрахунку апаратів, в яких процес проходить у подібних гідродинамічних умовах.
6. Отримані наукові результати уточнюють існуючи теоретичні уявлення щодо екстракції цукру із буряку та дають можливість для науково обґрунтованого розрахунку процесів в дифузійних установках нових конструкцій.
7. Вперше в цукровій промисловості України було підвищено ефективність роботи двошнекової дифузійної установки за енергозберігаючою схемою без збільшення витрат пари.
8. Розроблений багатоступеневий ошпарювач зрошувального типу має набагато менші ніж в зарубіжних зразках габарити та матеріалоємність, та не потребує проміжних насосів для перекачування соку.
9. Запропонована конструкція ротаційного дифузійного апарату з вбудованим теплообмінником забезпечує швидкий нагрів бурякової стружки в протитечійному режимі.
10. Результати дослідження дозволяють значно знизити втрати цукру в існуючих дифузійних установках та зменшити витрати тепла на технологічні потреби.
11. Маємо вагомі підстави рекомендувати отримані в дисертації наукові та практичні результати до застосовання при розробці та впровадженні у виробництво нових моделей дифузійних установок для бурякоцукрового виробництва.
ПЕРЕЛІК РОБІТ, ЩО ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Верхола Л.А, Ярмилко В.Г., Осадчий Л.М. Повышение эффективности тепловой обработки свекловичной стружки Сборник научных трудов ВНИИСП "Пути интенсификации процессов свеклосахарного производства". – К., 1989. С. _.
Особистий внесок – запропоновано параметри, за якими оцінюється процес теплової обробки бурякової стружки в промислових дифузійних установках різних типів, розроблено математичну модель визначення ефективності теплообміну в ступінчастих ошпарювачах.
2. Верхола Л.А., Ярмилко В.Г., Дорохова М.А. Интенсификация работы диффузионных аппаратов за счет оптимизации температурного режима Сборник научных трудов ВНИИСП "Ресурсосберегающая технология свеклосахарного производства с применением химических веществ и прогрессивных методов ведения технологических процессов." К., 1990. С. 30-34.
Особистий внесок – проаналізовано вплив температури на процеси в дифузійній установці, визначено вплив стану мембран рослинних клітин на параметри роботи дифузійної установки, узагальнено результати електрометричних досліджень зміни проникливості бурякової тканини та визначено три характерних діапазони температур.
3. Ярмилко В.Г., Верхола Л.А., Осадчий Л.М., Литвин З.И., Гончаров С.И., Новоселецкий В.Д. Предварительная тепловая обработка свекловичной стружки Сахарная свекла: производство и переработка. 1991. № . С. .
Особистий внесок – проведено технологічний та теплотехнічний аналіз різних варіантів теплової обробки бурякової стружки в промисловій дифузійній установці типу ДС-12.
4. Верхола Л.А., Ярмилко В.Г., Гарус М.А. Расчет процессов, происходящих в свекловичной стружке Сахарная свекла: производство и переработка. 1991. № . С. .
Особистий внесок – проведено статистичний аналіз експериментальних даних, з використанням отриманих емпіричних коефіцієнтів розроблено імітуючу програму для розрахунку процесу теплової обробки бурякової стружки.
5. Верхола Л.А., Заєць Ю.О., Блаженко С.І. Робота дифузійної установки та прибуток цукрового заводу // Цукор України. . _№ . С. 7-12.
Особистий внесок – розроблена методика та проведено аналіз залежності технологічних параметрів від параметрів роботи дифузійних установок різних типів, на основі емпіричних даних визначено залежність втрат цукру в дифузійній установці від режиму її роботи.
6. Верхола Л.А., Заєць Ю.О., Куценко Б.О. Сучасні ротаційні дифузійні апарати // Цукор України. 1996. № . С. .
Особистий внесок – для існуючих типів ротаційних дифузійних апаратів розроблена конструкція секції-передошпарювача, в якій процес теплообміну провадиться в протитечійному режимі з інтенсивною фільтрацією соку крізь окремі шари стружки.
7. Пушанко М.М., Верхола Л.А. Масоперенесення у двошнековому дифузійному апараті з ошпарювачем зрошувального типу // Цукор України. 2005. № ). С. 16-18.
Особистий внесок – виконано дослідження в умовах цукрового заводу, отримано експериментальні дані, проведено розрахунки кінетичних коефіцієнтів процесу масоперенесення.
8. Верхола Л.А., Пушанко М.М. Ошпарювачі зрошувального типу Харчова промисловість. 2005. №4. С. 168.
Особистий внесок розроблено методику розрахунку багатоступінного ошпарювача зрошувального типу, розроблено конструкцію апарату.
9. Патент 1725561 Российской Федерации Ротационный диффузионный аппаратзаявка 47199900 Верхола Л.А., Полторак П.В., Ярмилко В.Г. Заявлено 19.07.1989; Зарегистрировано 22.03.1993
Особистий внесок – проаналізовано недоліки існуючих конструкцій ротаційних дифузійних апаратів, та з метою інтенсифікації теплової оборобки стружки запропоновано пристрій для її нагріванння виготовити у вигляді кільцевого жолобу, розділеного перегородками на секції.
10. Патент 1838961 СССР Ротационный диффузионный аппарат, заявка 4765356 Верхола Л.А., Ярмилко В.Г., Хоменко А.П., Буряк В.А., Товстенко Ю.В. Заявлено 05.12.1989; Зарегистрировано 13.10.1992.
Особистий внесок – визначено резерви підвищення ефективності існуючих конструкцій ротаційних апаратів, та з метою наближення процесу до протитечійного запропоновано в кожній камері апарату встановити ємності для підйому соку.
11. Верхола Л.А., Дорохова М.А., Ярмилко В.Г. Гидродинамические режимы процесса тепловой обработки свекловичной стружки в диффузионных установках различных типов Вопросы повышения эффективности сахарного производства: Тезисы докладов научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. К., 1989. С. .
Особистий внесок – проведено аналіз науково-технічної літератури, та проведено порівняльний аналіз параметрів теплообміну в дифузійних установках різних типів.
12.
Верхола Л.А., Дорохова М.А. Исследование процесса тепловой денатурации свекловичной ткани электрометрическим методом Вопросы повышения эффективности сахарного производства: Тезисы докладов научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. К., . С. .
Особистий внесок –розроблено методику досліджень, сконструйовано, виготовлено та налагоджено лабораторну установку.
13. Верхола Л.А., Ярмилко В.Г., Дорохова М.А. Новые конструкции аппаратов для тепловой обработки свекловичной стружки в свеклосахарной промышленности// Разработка и внедрение высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, оборудования и новых видов пищевых продуктов в пищевую и перерабатывающие отрасли АПК: Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции. К, . С. .
Особистий внесок – запропоновано в трьох варіантах апаратурне оформлення процесу ступінчастого теплообміну між дифузійним соком та буряковою стружкою– апарат на базі пластинчатого транспортеру, теплообмінна секція ротаційного апарату, ротаційний ошпарювач з протитечійними секціями.
14. Верхола Л.А., Ярмілко В.Г. Нова конструкція ротаційного дифузійного апарату для екстракції цукру// Розробка та впровадження нових технологій та обладнанння у харчову та переробну промисловість: Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції. Київ: КТІХП. – .
Особистий внесок – розроблена нова конструкція ротаційного дифузійного апарату з інтенсивним гідродинамічним режимом протитечіного нагріву стружки.
15. Zayets Y., Verkhola L., Blazhenko S. The designing of extractive-press plant for vegetable raw material // The 12th International Congress of Chemical and Process Engineering.- Praha (Czech Republic). . .
Особистий внесок – розроблена технологічна схема ротаційної дифузійної установки з протитечіним нагрівом стружки в секції-передошпарювачі ротаційного дифузійного апарату нової конструкції.
16. Пушанко М.М., Верхола Л.А. Теплова обробка стружки в ошпарювачах зрошувального типу // Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сьогодення та перспективи: Матеріали IX міжнародної науково-технічної конференції. Київ: НУХТ. – . Ч. . С. .
Особистий внесок – виконано дослідження в умовах цукрового заводу, отримано експериментальні дані, проведено розрахунки кінетичних коефіцієнтів процесу теплообміну.
Анотація
Верхола Л.А. Вдосконалення процесу теплової обробки бурякової стружки в дифузійних установках бурякоцукрового виробництва. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв – Національний університет харчових технологій, Київ, 2006.
Проаналізовано процес теплової обробки бурякової стружки, визначено процеси, яким належить суттєва роль в роботі дифузійних установок бурякоцукрового виробництва.
Досліджено розвиток процесів в обґємі бурякової стружки під дією температури від 55 до 95С. Встановлено, що біохімічні зміни в буряковій тканині відбуваються тільки через певний час після нагріву, розроблено математичний опис процесу.
По результатах промислових випробувань визначено позитивний вплив на технологічні показники роботи промислової дифузійної установки дооснащення її багатоступінчастим передошпарювачем зрошувального типу.
Розроблено, запатентовано, виготовлено та випробувано в промислових умовах нові зразки апаратів для інтенсивного нагріву бурякової стружки в протитечійному режимі.
Ключові слова:, теплообмін, бурякова тканина, дифузійний сік, теплова обробка, електрометричний метод, протитечія, ошпарювач, дифузійна установка, втрати цукрози від розкладання.
Аннотация
Верхола Л.А. Усовершенствование процесса тепловой обработки свекловичной стружки в диффузионных установках свеклосахарного производства. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 – процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств – Национальный университет пищевых технологий, Киев, 2006.
Диссертация содержит результаты теоретических, лабораторных и промышленных исследований, направленных на усовершенствование процесса тепловой обработки свекловичной стружки в диффузионных установках свеклосахарного производства.
Описаны особенности температурного режима в наклонных двухшнековых аппаратах, ошпаривателях колонных установок, ротационных аппаратах и аппаратах оросительного типа и определены факторы, ограничивающие интенсивность теплообмена в них.
Определены составляющие сложного теплообменного процесса, формирующие температурный режим в промышленных диффузионных установках.
Системный анализ процессов, происходящих в диффузионной установке, и рассмотрение диффузионной установки, как важной составляющей части теплоэнергетической схемы свеклосахарного завода, дал основания сделать следующие выводы: высокие технологические показатели процесса экстракции достигаются при быстром нагреве свекловичной стружки в начале процесса; рациональным является противоточный теплообмен стружки с отбираемым из установки диффузионным соком.
Таким образом, наиболее перспективными являются диффузионные установки, конструкция которых обеспечивает распределение стружки на гидродинамически независимые слои, противоточное перемещение сока и стружки и малую продолжительность нагрева.
Приведены результаты исследований процесса денатурации свекловичной ткани, проведенных электрометрическим методом, который основан на взаимосвязи между физическим состоянием растительной ткани и ее электропроводностью. Опыты проводились в диапазоне температур от 550 до 950 С с шагом 5 градусов.
Полученные данные были обработаны на ЭВМ методом наименьших квадратов и разработано математическое описание процесса в объеме свекловичной стружки.
Данные опытов показали, что существует некоторый (индукционный) период, в течение которого изменения в свекловичной ткани не фиксируются. Индукционный период при температуре 55 °С длится 22 минуты и сокращается по мере увеличения температуры, при температуре свыше 75 °С индукционный период практически отсутствует.
Результаты расчетов показали, что продолжительность нагрева стружки посредством противоточного теплообмена с диффузионным соком может составлять менее 1 минуты. За это время процесс денатурации не успевает развиться, и жесткость стружки существенно не изменяется. Такое соотношение между продолжительностью нагрева стружки и временем, необходимым для ее денатурации и снижения жесткости, позволяет разрабатывать аппараты, в которых процесс теплообмена будет происходить при благоприятных гидродинамических условиях на всем его протяжении.
Проведено исследование процесса тепло-массообмена в промышленной экстракционной установке DC-12, оснащенной многоступенчатым ленточным ошпаривателем на Бовшевском сахарном заводе.
Определено, что в ошпаривателе оросительного типа происходит интенсивный теплообмен при благоприятном гидродинамическом режиме, близком к пленочному. Установлено, что коэффициент теплоотдачи от сока к стружке составляет 315_ Вт/(м2К).
Температурный режим процесса экстрагирования в наклонном двухшнековом диффузионном аппарате DC-12 при работе с предошпаривателем нормализуется, устраняется и неравномерность
