ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

БЛАЖЕНКО СЕРГІЙ ІВАНОВИЧ

УДК 664.1.002.5

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОЦЕСУ СОКОДОБУВАННЯ В ЦУКРОВОМУ ВИРОБНИЦТВІ НА ОСНОВІ АПАРАТІВ СЕКЦІЙНОГО ТИПУ

Спеціальність 05.18.12 - Процеси та апарати харчових виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Заєць Юрій Олександрович, кафедра технологічного обладнання харчових виробництв, Український державний університет харчових технологій, доцент

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Ліпєц Антон Адамович, кафедра технології цукристих речовин, Український державний університет харчових технологій, професор

кандидат технічних наук

Данькевич Григорій Миколайович, ДП “Яготинський цукровий завод”, директор

Провідна установа: Інститут харчової хімії та технології НАН України та Міністерства агропромислового комплексу України (м.Київ).

Захист відбудеться “ 4 ” жовтня 2000 року о_1400___годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 Українського державного університету харчових технологій за адресою:

01033 Київ -33, вул. Володимирська, 68, корпус А, ауд. 311.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного університету харчових технологій за адресою:

01033 Київ -33, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий “ 1 ” вересня 2000 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент Зав’ялов В.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Цукрова промисловість є однією з найпотужніших у харчовій та переробній галузях як по обсягах випускаючої продукції, так і по витратах паливно-енергетичних ресурсів. Одне з актуальних питань, що стоять перед науково-технічними працівниками цукрової промисловості, зниження питомих витрат сировини, палива, вапняку та інших матеріалів, збільшення виходу продукції та поліпшення її якості за рахунок впровадження інтенсивних технологій, створення та забезпечення галузі високопродуктивним обладнанням, що повинно привести до збільшення ефективності виробництва в цілому.

Найважливішою ділянкою цукрового виробництва є екстрагування цукру з бурякової стружки. Більше половини всіх урахованих і неврахованих витрат цукру в технологічному процесі припадає саме на екстрагування цукру і залежить, у першу чергу, від попередньої теплової обробки бурякової стружки.

Ступінь вилучення цукру, екстракція розчинних нецукрів, перетворення нерозчинних протопектинів на розчинні та їхній подальший перехід у дифузійний сік далеко не всі технологічні показники, що залежать від ефективності проведення теплової обробки бурякової стружки.

Інтенсифікація теплової обробки стружки дає можливість збільшити тривалість активного екстрагування в загальному процесі і тим самим, за рівних інших умов, ступінь вилучення цукру з стружки, зменшити відкачку чи збільшити продуктивність установки.

Проведений аналіз процесу попередньої теплової обробки бурякової стружки показує, що в типових ошпарювачах суттєво порушується протитечійна взаємодія фаз, і в результаті, тепловий режим. Це призводить до погіршення показників роботи установки в цілому і не забезпечує необхідної продуктивності з переробки буряків. Основна причина недотримання технологічних параметрів процесу полягає в недосконалості конструктивних рішень, що були застосовані при розробці цих апаратів.

Найбільш раціональним засобом підвищення ефективності попередньої теплової обробки (ПТО) бурякової стружки є нагрівання її підігрітим соком у протитечійному секційному апараті з прямоточними ступенями контакту. Тому дослідження процесу нагрівання бурякової стружки в протитечійному режимі з прямотечією на ступенях, вплив ПТО на кінетику процесу масообміну та розробка на основі отриманих даних нового високоефективного підігрівника для дифузійної установки є актуальними завданнями сьогодення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження виконувалися згідно з держбюджетними і договірними господарськими НДР: “Шефмонтаж, отработка технологических режимов и испытание ротационного подогревателя стружки” №819/92 від 14.05.92., УДУХТ; “Створити та впровадити у виробництво пресово-дифузійну технологію сокодобування для цукрових заводів України” №13/92 від 27.02.92., УкрНДІЦП.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є підвищення ефективності процесу сокодобування за рахунок інтенсифікації ПТО та розробки ротаційного підігрівника бурякової стружки на основі результатів комплексного теоретичного та експериментального дослідження впливу різноманітних фізичних та технологічних факторів на тепло- масообміні процеси при комбінованій взаємодії фаз у системі бурякова стружка – дифузійний сік.

Відповідно до поставленої мети були сформульовані такі завдання досліджень:

-

-

-

-

-

- визначити заходи для підвищення ефективності роботи дифузійних установок та розробити конструкцію високоефективного секційного апарата для проведення попередньої теплової обробки бурякової стружки в цукровому виробництві.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено інтервально-ітераційний метод розрахунку кінетичних коефіцієнтів екстрагування цукру з бурякової стружки та пакет програм для оперативного моделювання масообмінних процесів на персональних комп`ютерах.

Розроблено метод визначення коефіцієнтів температуропровідності та теплообміну в системі бурякова стружка – дифузійний сік із застосуванням кінцево- різницевого методу.

Вивчено вплив дії температури на властивості бурякової тканини та визначено залежності коефіцієнта дифузії від температури теплової обробки і тривалості процесу.

Досліджено механізм тепло-масообміних процесів на одному ступені секційного апарата при різних технологічних режимах і визначено теплофізичні та дифузійні характеристики бурякової стружки під час комбінованого процесу теплообміну.

Розроблено конструкцію секційного апарата для ПТО бурякової стружки РП-2 та технологічну схему екстракційної установки в складі колонного дифузійного апарата.

Проведено промислові випробування та отримано тепло-масообмінні характеристики секційного ротаційного підігрівника ПР-2.

Практична цінність та реалізація результатів роботи. На основі результатів лабораторних та промислових досліджень тепло-масообміних процесів у секційних апаратах розроблено конструкції ротаційного підігрівника бурякової стружки ПР-2 (патент України №1571 від 15.09.93.) та ротаційної дифузії (патент України №12427 А від 28.02.97.).

Проведено промислові випробовування ротаційного підігрівника бурякової стружки ПР-2 у складі колонної дифузійної установки на ВАТ “Саливонківський цукровий завод” (акт промислових випробувань від 14.12.94р.).

Розроблено метод визначення кінетичних коефіцієнтів екстрагування в системі “тверде тіло - рідина” та програмний комплекс для персональних комп`ютерів (Акт прийому програмного засобу “Програма розрахунку кінетичних коефіцієнтів твердофазного екстрагування” у фонд алгоритмів і програм Академії наук України від 10.07.92.-інв.№АПО333.).

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблено алгоритми методів визначення кінетичних коефіцієнтів процесів тепло-масообміну, програмне забезпечення для персональних комп’ютерів та проведено апробацію в експериментальних роботах, розроблено експериментальні установки та методики досліджень тепло - масообмінних процесів, що відбуваються в секційних апаратах, досліджено технологічні та конструктивні параметри розробленого обладнання.

Розробка технічної документації при проектуванні технологічного обладнання, випробування ротаційного підігрівника бурякової стружки у виробничих умовах, проведено при безпосередній участі автора разом із к.т.н. Даценко М.М., к.т.н. Куценко Б.О. Аналіз та узагальнення результатів теоретичних та експериментальних досліджень виконано разом з науковим керівником Зайцем Ю.О.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на Республіканській науково-технічній конференції “Разработка и внедрение высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, оборудования и новых видов пищевых продуктов в пищевую и перерабатывающие отрасли АПК”.-Київ,1991); 11-му і 12-му міжнародних конгресах хімічної технології, обладнання та засобів автоматизації (Прага, 1993, 1996р.); VIII Республіканській конференції “Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств” (Дніпропетровськ, 1991); науково-практичній конференції “Научно-технический прогресс и распространение передового опыта перерабатывающих отраслей промышленности” (Київ,1990); 43-й студентській науковій конференції (Київ, 1998); 55-й, 58-й, 59-й наукових конференціях КТІХП (1989, 1992, 1993р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 9 друкованих праць, одержано 2 патенти України та Акт реєстрації програмного засобу у ФАіП АН України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списка використаних джерел і додатків. Дисертація викладена на 172 сторінках основного тексту, містить 67 рисунки, 6 таблиць та 4 додатки. Список використаних джерел містить 144 вітчизняних та зарубіжних найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обгрунтовано актуальність теми, визначено мету та основні завдання досліджень, наведено наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів.

Розділ 1. На основі аналізу літературних даних наведено основні закономірності процесу екстрагування цукру з бурякової стружки та характеристики найважливіших фізико-хімічних факторів: попередньої теплової обробки бурякової стружки, геометричних параметрів бурякової стружки та співвідношення витрат мас стружки і екстрагента, схеми взаємодії фаз у системі бурякова стружка – рідина, гідродинамічних умов проведення процесу, тривалості процесу екстрагування.

Попередня теплова обробка бурякової стружки та її режим проведення – один із визначальних факторів сокодобування, що впливає на хід і результати екстрагування цукру з буряків: продуктивність екстрактора, чистота дифузійного соку, рівень втрат цукру, витрати паливно – енергетичних ресурсів.

Проведено аналіз методів попередньої теплової обробки (ПТО) бурякової стружки та дано характеристику методам оцінки ефективності ПТО. Відзначено, що найповніше в кількісному і якісному відношенні процес перенесення речовини у тканині буряків характеризує коефіцієнт дифузії цукрози як основний показник для оцінки масопровідності бурякової стружки.

У частині аналізу оптимальних умов проведення ПТО з технологічного погляду встановлено що, найбільш вигідним є швидке нагрівання стружки, яке забезпечує досить повну денатурацію клітин на початку процесу екстрагування і тим самим значно її інтенсифікує. Досвід експлуатації екстракторів у режимі “головного гріву” та результати наукових досліджень переконливо підтверджують ефективність інтенсивного нагрівання стружки до 75-80 °С протягом 180-600с із наступним зниженням температури активного екстрагування до 70-72 °С, а на кінцевій стадії до 55-60 °С.

Проаналізовано конструктивні особливості серійних механізованих екстракторів - похилих, колонних, ротаційних та апаратів для теплової обробки бурякової стружки і названо недоліки, що не дають можливості провести попередню теплову обробку бурякової стружки в оптимальному режимі та причини їхньої незадовільної роботи.

На основі аналізу літературних даних сформульовано конкретні завдання досліджень і вибрано шляхи їхнього вирішення.

Розділ 2. Проведено аналіз фізико-математичних моделей та особливостей процесу екстрагування цукру з бурякової стружки. Для дослідження екстрагування цукру вибрано математичну модель, засновану на нестаціонарному диференційному рівнянні дифузії другого порядку

, (1)

де - надмірна концентрація у твердому тілі; D- молекулярний коефіцієнт дифузії; q- співвідношення витрат мас рідкої і твердої фаз; S-коефіцієнт, що залежить від схеми взаємодії фаз,

а також розподіленні концентрацій у твердому тілі у початковий момент часу

, (2)

граничних умовах третього роду

; (3)

- коефіцієнт масовіддачі; R- еквівалентний радіус бурякової стружки

та умови симетрії у розподіленні концентрацій

. (4)

Аналіз методів визначення кінетичних коефіцієнтів та попередні експериментальні дослідження показали недосконалість існуючих методів визначення кінетичних коефіцієнтів екстрагування. Це було поштовхом для розробки інтервально ітераційного методу визначення коефіцієнтів дифузії та масообміну для процесу екстрагування цільового компонента в системі тверде тіло – рідина. Метод заснований на рішенні крайової задачі (1)-(4), що має вигляд

, (5)

де z- симплекс концентрацій; Bi, Fo - дифузійні критерії Біо та Фур`є; - корені характеристичного рівняння.

Його суть в аналізі концентраційних кривих процесу екстрагування С(), що грунтується на застосуванні чисельних методів і результатом якого є визначення коефіцієнтів молекулярної дифузії та масовіддачі на часових ділянках, тобто з урахуванням змін властивостей бурякової стружки протягом процесу.

Для дослідження процесів теплообміну на стадії теплової обробки бурякової стружки та визначення технологічного оптимуму температур застосовано математичну модель у складі диференційного рівняння другого порядку за відповідних початкових та граничних умов третього роду. Рішення нелінійної задачі теплопровідності було отримано за допомогою одного з чисельних методів, а саме кінцево – різницевого, що дав можливість моделювати температурні поля в просторово – часових вимірах.

Для дослідження теплообмінних характеристик процесу теплообміну нами розроблено метод визначення кінетичних коефіцієнтів теплообміну в системі тверде тіло – рідина, який грунтується на чисельних методах і дає змогу розрахувати залежності коефіцієнта температуропроводності від температури стружки та визначити зміну коефіцієнта теплообміну за часом процесу.

Розділ 3. Присвячено експериментальним дослідженням тепло- масообміних характеристик бурякової стружки та гідродинамічним характеристикам процесів, що проходять на ступенях апаратів секційного типу.

Для дослідження впливу температури на дифузійні властивості бурякової стружки було створено лабораторну установку, до якої входили ошпарювач, ємності для рідини, термостат, насос та вимірювальні пристрої.

У результаті аналізу експериментальних даних з використанням інтервально-ітераційного методу було отримано залежності коефіцієнтів дифузії для стадії попередньої теплової обробки бурякової стружки (рис.1) та стадії екстрагування (рис.2).

З отриманих результатів чітко видно тенденцію збільшення значень коефіцієнта дифузії чи дифузійної здатності бурякової тканини до екстрагування цукру при збільшенні температури теплової обробки від 60 до 80°С. Значна зміна коефіцієнта на початковій стадії (60–120с) теплової обробки зумовлена конвективним вимиванням цукру з механічно зруйнованих клітин бурякової тканини, а також ефекту квазідифузії, що характерно для цього часового інтервалу процесу.

Характер залежності коефіцієнта дифузії від температури теплової обробки зберігається також і на стадії екстрагування (рис.2). Тут наочно видно переваги температурного інтервалу 70-80°С на стадії теплової обробки з погляду дифузії цукру і недостатність температури нагрівання менше 60°С для плазмолізу клітин тканини буряків.

Адекватність результатів математичного моделювання процесів тепло-масообміну в першу чергу залежить від точності значень теплофізичних характеристик матеріалу, зокрема, коефіцієнта температуропроводності. Нами були проведені досліди з вивчення зміни температуропроводності бурякової стружки під час тепло-масообміну при комбінованій взаємодії фаз.

Розроблений нами експериментальний комплекс для проведення дослідів по вивченню теплообміну в шарі бурякової стружки, що відбувається в секційних апаратах, показано на рис.3.

Установка складалася з коритоподібного апарата (1), у середині якого розміщені перемішувальні лопаті (2), закріплені на горизонтальному валу. Для виконання ізолюючої функції, а також для нагрівання сокостружкової суміші апарат мав паровий кожух (3). Місткість апарата 0,5м3, робоча місткість (вміст сокостружкової суміші) 0,15 м3. Збірники для теплоагента (7), оснащені паровими кожухами (6), мали фланці для під`єднання трубопроводів (4), (5) соку, пари, води. Місткість одного збірника 0,125м3, робоча місткість 0,06-0,1 м3.

Експериментальні дані аналізували з допомогою методу визначення коефіцієнтів температуропроводності, що грунтується на розв`язанні зворотної задачі теплопровідності (розд.2.). У результаті розрахунків отримано залежності коефіцієнта температуропроводності від температури a(T) (рис.4), а також коефіцієнта тепловіддачі () від часу для відповідної фізичної моделі комбінованого процесу теплообміну.

Залежність усереднених значень коефіцієнта температуро-проводності від температури має в цілому логарифмічний характер, незважаючи на те, що використовувалася лінеризація цієї залежності на кожній з розрахункових ділянок, і змінюється у межах (0,5-1,5)10-7 м2/с.

Процес теплової обробки бурякової стружки завжди супроводжується інтенсивною масовіддачею цукру, що впливає на характеристики нагрівання тканини буряків. Зважаючи на стримуючий ефект масообміну під час теплопередачі в системі тверде тіло – рідина, можна зробити висновок, що нами отримано залежності еквівалентних значень залежності коефіцієнта температуропроводності від температури.

Пряме перенесення результатів, отриманих за допомогою лабораторної моделі, на напівпромисловий чи промисловий апарат було б недостатньо коректне. Для дослідження характеристик процесу найефективнішим, на нашу думку, міг би бути експеримент на моделі, гідродинамічна схема процесу і розміри якої наближались до напівпромислового чи промислового апарата. Для цього було створено прямотечійну модель одного ступеня секційного апарата з днищем діаметром 3000 мм і завширшки 900 мм для моделювання процесу екстрагування у шарі бурякової стружки.

У результаті проведених експериментів та обробки даних було отримано зміни кінетичних характеристик за часом процесу. На рис.5 показано усереднену по серіях дослідів зміну значень коефіцієнта дифузії за часом для одностадійного і багатостадійного процесу.

Визначено, що стадія відокремлення твердої фази від рідини і її подальше занурення практично не впливають на екстрагування цукрози зі стружки (відхилення становить 3-6%), при тому, що ці стадії займають до 25-30% часу екстрагування. Результати дослідів показали, що для моделювання процесу масо-теплообміну в ротаційних секційних апаратах тривалістю екстрагування можна вважати такою, що дорівнює всій тривалості перебування бурякової стружки в апараті.

Розділ 4. Наведено результати математичного моделювання процесів тепло-масообміну, що проводилися з метою визначення раціональних технологічних та конструктивних параметрів апарата для теплової обробки бурякової стружки секційного типу.

Моделювання процесу теплообміну між буряковою стружкою і дифузійним соком було проведено відповідно до умов проходження його в ротаційному підігрівнику. Тобто, в його основу було покладено модель із комбінованим рухом фаз, із прямотечією на ступені і протитечією в цілому по апарату. Проектний розрахунок теплообміну проведено з допомогою математичної моделі, заснованій на чисельному методі кінцевих різниць.

Відповідно до різних режимів процесу теплообміну було виконано розрахунки і отримано залежності значень температури бурякової стружки і теплоагента від часу. За вихідні дані було взято теплофізичні коефіцієнти бурякової стружки та наступні інтервали основних параметрів теплообмінного процесу: кількість секцій апарата - 6-12; тривалість знаходження стружки на ступені підігрівача - 30-120 с; співвідношення твердої і рідкої фаз - 1,1-1,3; коефіцієнт тепловіддачі - 30-70 Вт/(м2К), температура дифузійного соку, що надходить в аппарат, - 78-84°С; температура стружки - 0-20°С.

Таким чином, проаналізувавши результати моделювання різних технологічних режимів, можна зробити висновки про конструктивні особливості ротаційного підігрівника й оптимальні параметри процесу теплообміну між стружкою і соком.

Так, стосовно кількості секцій і тривалості перебування на кожному ступені можна зазначити, що для переробки стружки різної якості і проведення процесу у форсованому режимі потрібно 8-10 секцій (з врахуванням завантаження-вивантаження) і перебування у межах 60-90 с в кожній секції (рис.6). Це дозволяє нагріти стружку до 74-76°С, що достатньо для закінчення денатурації білка протоплазми і недостатньо для зруйнування структури тканини і значної зміни пружності стружки. В оптимальному режимі співвідношення витрати фаз в апараті повинно бути близько 1,2, а коефіцієнт тепловіддачі підтримуватись у межах 50-60 Вт/(м2К).

До основних регулюючих величин теплообміну відносять температуру теплоносія, що надходить у підігрівник. За його допомогою можливо регулювати необхідну кінцеву температуру стружки. Для режимів із вище названими параметрами і особливостями конструкції апарата слід зазначити: температура 80-82°С достатня для теплової обробки, що гарантує якісне проведення процесу екстракції, а також стерилізацію середовища для пригнічення життєдіяльності бактерій і зменшення активності ферментів.

Для визначення масообмінних характеристик апарата нами було проведено проектні розрахунки екстрагування цукру в ротаційному підігрівнику.

Моделювання процесу масовіддачі з різною початковою концентрацією цукру у буряковій стружці дає можливість зробити висновок про те, що найбільш впливові параметри в процесі масовіддачі гідродинамічні, а не величина початкового вмісту цукру в стружці. Слід також підкреслити, що конструктивні та технологічні особливості, які застосовувалися в секційному апараті для ПТО, створюють гідродинамічне середовище, котре сприяє також ефективному проведенню масовіддачі цукру з бурякової стружки.

Обгрунтовано принципіальну конструктивну схему секційного апарата та описано конструктивні особливості ротаційного підігрівника бурякової стружки.

Апарат для ошпарювання бурякової стружки (рис.7) це горизонтально розташований циліндричний корпус 2, що обертається, із прикріпленими всередині його каналами для відведення соку і стрічковим шнеком, стрічка якого має вертикальні 4 та похилі до осі корпуса ділянки, сполучені між собою пластинами трикутної форми. Пластини, встановлені між вертикальними ділянками 4 витків, утворюють кишені, де знаходяться перфоровані ковші, що складаються із бокових стінок 6, торцевої перегородки 5 і перегородки 7, розташованої по твірній циліндра для підняття стружки та перевантаження її в наступний виток стрічки шнека на гофровану внутрішню частину корпуса 13. Підігрівник оснащено турнікетом 17 для подавання бурякової стружки у першу секцію по ходу стружки, вивантажувальним колесом 9 із жолобом 10 для вивантаження нагрітої стружки, а також збірником 16 для відведення охолодженого дифузійного соку та колектором 11 для підведення гарячого дифузійного соку. Циліндричний корпус 2 спирається двома бандажами 8 на роликові опори 12 і оснащений зубчастим вінцем 3, через який йому передається обертальний рух через шестерню 15 від приводу 14.

Розділ 5. У розділі наведено розроблену технологічно – апаратурну схему екстракційної установки з колонним дифузійним апаратом та представлено результати виробничих випробувань ротаційного підігрівника бурякової стружки.

Розроблена технологічна схема для проведення екстрагування цукру з бурякової стружки грунтується на колонному дифузійному апараті КДА-30 з ротаційним підігрівником бурякової стружки, що пройшла випробовування на ВАТ “Саливонківський цукровий завод”. Представлено технологічний регламент та основні параметри, за яких проходили виробничі випробування ротаційного підігрівника бурякової стружки в складі відділення сокодобування.

Виробничі випробування проводилися в два етапи. Під час першого етапу заводських випробувань було встановлено, що апарат забезпечує проведення процесу теплообміну між буряковою стружкою та дифузійним соком із прямотечійною взаємодією фаз у секції та протитечію в цілому по підігрівнику і виключає негативне повздовжнє перемішування твердої фази; розроблена конструкція камер кожної секції апарата реалізує прямоточну взаємодію і необхідне співвідношення фаз у межах 1:1,1-1:1,3; запроектована ситова поверхня підігрівника забезпечує проходження (фільтрацію) двох потоків дифузійного соку через кожен потік стружки, що дорівнює часу перебування в секції в межах 30-120 с.

Метою другого етапу заводських випробувань була перевірка роботи конструкції підігрівника в складі екстракційної установки сокодобувного відділення та визначення оптимального режиму роботи і експлуатаційних показників апарата.

Відповідно до результатів випробувань було встановлено, що використання ротаційного підігрівника бурякової стружки дозволяє інтенсифікувати теплову обробку стружки, знизивши час нагрівання в 1,5-1,6 рази і забезпечуючи при цьому задану температуру екстрагування, стабілізувати режим та сповільнити мікробіологічні процеси в дифузійному апараті.

У результаті застосування для нагрівання бурякової стружки ротаційного підігрівника з екстракційним апаратом КДА знизилася температура дифузійного соку на 10-15°С, що дає можливість використовувати низькопотенційні джерела тепла при використанні холодної схеми очистки дифузійного соку.

Результати виробничих випробовувань ротаційного підігрівника було проаналізовано також для визначення характеристик тепло-масообмінних процесів, що відбуваються в апараті.

Розраховані значення коефіцієнта температуропровідності за допомогою інтервального методу (розд.2) знаходяться в межах (0,95-1,1)10-7 м2/с і збігаються із залежностями, отриманими нами в лабораторних дослідах.

Для оцінки стадії конвективного теплообміну між буряковою стружкою і теплоагентом використовується інтегральна характеристика - критерій Bi, який для процесу теплообміну в ошпарювачах, що експлуатуються в промислових умовах, зазвичай, знаходиться в межах - 0,01-0,05. Показники цього критерію в ротаційному підігрівнику бурякової стружки в 3-5 рази вище. Це вказує на прискорення теплообміну на лімітуючій стадії за допомогою конструктивних елементів апарата та схеми проведення процесу: збільшення часу контакту фаз за рахунок скорочення стадії розділення фаз та збільшення навантаження на камеру; збільшення фільтрувальної здатності ситових поверхонь; збільшення швидкості обтікання стружки соком.

Визначений під час проведення промислових випробувань коефіцієнт теплообміну знаходиться в межах 15-30 Вт/(м2К), що перевищує в середньому показники в таких ошпарювачах, як ОС-25/30М та А2-ПОБ-30 (рис.8).

Як показують дослідження масовіддачі в різних типах обладнання, найбільш оптимальні гідродинамічні умови встановлюються в середині апарата. Це підтверджують отримані нами залежності коефіцієнта масовіддачі, максимальні значення яких досягаються всередині підігрівника. На початку і в кінці процесу коефіцієнти мають нижчі значення, що пов`язано зі зміною фізичних властивостей частинок і впливу технологічних параметрів на масовіддачу (замочування стружки, збільшення мезги в дифузійному соку, зменшення пружності та міцності тканини буряка і т.ін.), бо в механічному відношенні взаємодія частинок і рідини є однотипною і незалежною в кожній секції.

Установлено, що за тривалості стадії ПТО в 10% від часу перебування бурякової стружки в екстракційній установці, кількість вилученого цукру сягає 30-35%. Це свідчить про те, що крім вимивання цукру з механічно зруйнованих клітин (20-25%), відбувається процес екстрагування з денатурованих клітин бурякової стружки (5-10%) наприкінці процесу теплової обробки.

Згідно з результатами промислових досліджень очікувана економічна ефективність від використання ротаційного підігрівника бурякової стружки в складі екстракційної установки цукрового виробництва становить 53656 крб.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в інтенсифікації процесу теплової обробки бурякової стружки за рахунок покращення гідродинамічного середовища під час теплообміну та розробки конструкції секційного підігрівника бурякової стружки з комбінованою взаємодією фаз, що приводить до підвищення ефективності процесу сокодобування в цукровому виробництві.

2. Для збільшення точності розрахунків та скорочення обсягу експериментальних робіт розроблено інтервальноітераційний метод визначення кінетичних коефіцієнтів твердофазного екстрагування безпосередньо за залежностями концентрацій цукрози у твердій та рідкій фазах від тривалості процесу (концентраційними кривими) з урахуванням змін властивостей бурякової стружки протягом процесу, що грунтується на застосуванні чисельних методів. На основі інтервальноітераційного методу розроблено пакет прикладних програм для персональних комп’ютерів “FONDA-5” (Акт приймання у ФАП Академії наук України від 10.07.92. - інв. № АПО333), що є засобом для комплексної обробки експериментальних даних з метою математичного моделювання та оптимізації процесів екстрагування і використання його для оперативного керування дифузійним процесом у виробничих умовах.

3. На основі рішення зворотної задачі теплообміну розроблено інтервальний метод визначення кінетичних коефіцієнтів процесу теплообміну. У результаті застосування інтервального методу при аналізі результатів експериментальних досліджень отримано залежність еквівалентних значень коефіцієнта температуропроводності бурякової стружки від температури a=4Е-08Ln(T)-4E-08 (м2/с) для процесу теплообміну в системі тверде тіло рідина.

4. За допомогою інтервально-ітераційного методу розрахунку кінетичних коефіцієнтів екстрагування визначено залежності коефіцієнта дифузії від тривалості процесу теплової обробки в температурному інтервалі 60- 80 °С (при t=60 °С, D= (2,110,5)Е-9 м2/с; t= 70 °С, D= (3,090,75)Е-9 м2/с; t= 80 °С, D= (4,500,9)Е-9 м2/с). На стадії екстрагування, за тривалості процесу 3600 с, дифузійна здатність бурякової стружки значно більша при температурі попередньої теплової обробки 70-80 °С і зменшується до кінця процесу через погіршення фізико-механічних властивостей тканини. Розраховано значення коефіцієнта дифузії при різних значеннях температури ПТО (tт.обр.) на стадії екстрагування - tт.обр.=60 °С, D=1,38Е-10-1,37Е-02 м2/с; tт.обр.=70 °С, D=2,29Е-10-1,57Е-02 м2/с; tт.обр.=80 °С, D=2,27Е-10-1,30Е-02 м2/с. Отримані дані дають можливість зробити висновок про доцільність застосування теплоагента з межею температури 70-80 °С для стадії ПТО і температури процесу екстрагування 60-65 °С.

5. Встановлено, що в ротаційних секційних апаратах тривалість екстрагування можна вважати такою, що дорівнює всій тривалості перебування бурякової стружки в апараті, оскільки стадія відокремлення твердої фази від рідини та подальше занурення стружки практично не впливають на дифузію цукрози зі стружки (відхилення становить 3-6%) при тому, що ці стадії займають до 25-30% часу екстрагування.

6. На основі аналізу теоретичних і експериментальних даних визначено, що при розробці обладнання секційного типу для нагрівання бурякової стружки соком слід приділити увагу таким факторам: розвитку площі поверхні контакту фаз; збільшенню тривалості контакту фаз за рахунок скорочення тривалості сепарації; створенню і підтриманню гідродинамічної нестійкості міжфазної поверхні контакту; збільшенню швидкості обтікання стружки соком, які були застосовані при проектуванні конструкції ротаційного підігрівника РП-2 для теплової обробки бурякової стружки дифузійним соком (Патент України №1571 від 15.09.93.) та технологічного регламенту експлуатації апарата у виробничих умовах.

7. Встановлено, що конструкція ротаційного підігрівника для теплової обробки бурякової стружки порівняно з аналогічними апаратами має такі переваги:

а) швидше і рівномірніше нагрівається бурякова стружка, поліпшується відокремлення соку від стружки, що сприяє скороченню тривалості теплової обробки стружки, тобто скорочується тривалість її плазмолізу. Результати експериментальних досліджень свідчать про підсилення на 10-20% інтенсивності теплообміну за рахунок кращого перемішування сокостружкової суміші (залежно від швидкості обертання барабана), що дає можливість підвищити продуктивність не менш як на 20% (з урахуванням співвідношення тривалості стадії конвективного теплообміну і теплопровідності);

б) значно поліпшуються умови розділення соку і стружки за рахунок встановлення в ковшах перфорованих полиць, що дозволяє уникнути, особливо за форсованих режимів роботи, сильної рециркуляції соку між секціями, а також рівномірніше розподілити стружку по поверхні дна ковша;

в) підвищується ступінь заповнення апарата до 0,4 одиниць, що своєю чергою підвищує продуктивність і скорочує тривалість плазмолізу.

8.Відповідно до результатів випробувань ротаційного підігрівника ПР-2, за розробленою технологічною схемою екстракційної установки в складі колонного дифузійного апарата КДА-30, було встановлено, що використання ротаційного підігрівника бурякової стружки дозволяє інтенсифікувати теплову обробку стружки, знизивши час нагрівання в 1,5-1,6 рази і забезпечуючи при цьому задану температуру процесу екстрагування цукру, стабілізувати режим.

Спільна робота ротаційного підігрівника з екстракційним апаратом КДА дозволила знизити температуру дифузійного соку на 10-15 °С, що дає можливість використовувати низькопотенційні джерела тепла при використанні холодної схеми очистки дифузійного соку.

9. Визначені під час проведення промислових випробувань значення коефіцієнта теплообміну знаходяться в межах 15-30 Вт/(м2К) і перевищують в середньому показники в таких ошпарювачах, як ОС-25/30М та А2-ПОБ-30, а характер зміни значення коефіцієнта теплообміну по довжині апарата свідчить про стабільність гідродинамічного середовища взаємодіючих фаз у цілому по підігрівнику.

10. Отримані розрахункові показники критерію Біо в ротаційному підігрівнику бурякової стружки знаходяться на рівні 0,1-0,15, що в 3-5 рази вищі значень цього критерію для процесу теплообміну в ошпарювачах, які експлуатуються в цукровому виробництві. Це вказує на прискорення лімітуючої для процесу теплообміну стадії конвективного теплообміну між буряковою стружкою і теплоагентом за допомогою особливостей конструктивних елементів ротаційного підігрівника РП-2.

11. Встановлено, що за тривалості стадії ошпарювання в 10% (від перебування бурякової стружки в екстракційній установці) кількість вилученого цукру сягає 30%. Це свідчить про те, що крім вимивання цукру з механічно зруйнованих клітин (20-25%), відбувається процес екстрагування з денатурованих клітин бурякової стружки (5-10%) наприкінці процесу теплової обробки.

12.

13.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Блаженко С.І. Підвищення ефективності процесу сокодобування в цукровому виробництві на основі апаратів секційного типу. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - Процеси та апарати харчових виробництв. - Український державний університет харчових технологій. Київ, 2000.

Дисертацію присвячено питанню інтенсифікації процесів сокодобування в цукровому виробництві на основі застосування апаратів секційного типу. На базі теоретичних та експериментальних робіт визначено переваги процесу тепло-масообміну з комбінованою взаємодією фаз під час теплової обробки бурякової стружки, процесні та технологічні характеристики апаратів секційного типу, якісні показники отримуваних напівпродуктів. У результаті проведених робіт розроблено ротаційний підігрівник бурякової стружки секційного типу. Здійснено промислове випробування технологічної схеми екстракційної установки та конструкції ротаційного підігрівника, наведено дані про ефективність його використання.

Ключові слова: теплова обробка, екстрагування, ротаційний підігрівник, бурякова стружка, цукроза.

Blazhenko S.I. Increasing effectiveness of extraction process in sugar production by using sections apparatuses.

Thesis for a candidate’s degree of the technical sciences on the specialty 05.18.12 - Рrocesses and apparatuses for food production. - Ukrainian State University of food technologies, Kyiv, 2000.

The thesis is dedicated to a problem of intensification of an extraction processes in sugar production ground applications of a sectional apparatuses. On the basis theoretical and experimental researches the advantages heat- and mass- transfer with combined interaction of phases are determined during an annealing heat treatment of a sugar-beet cossettes of technical characteristics of a sectional apparatuses, quality indicators of received intermediates. As a result of the conducted activities the rotatory preheater of a sugar-beet cossettes of a sectional type is developed. The industrial tests of the technology extraction plant and designs of a rotatory preheater are conducted, the data about efficiency of its usage are submitted.

Key words: termal treatment, extraction, rotatory preheater, sugar beet cossets, sucrose.

Блаженко С.И. Повышение эффективности процесса сокодобывания в сахарном производстве на основании аппаратов секционного типа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств. - Украинский государственный университет пищевых технологий. Киев, 2000.

Диссертация посвящена вопросу интенсификации процессов сокодобывания в сахарном производстве на основании аппаратов секционного типа.

Приведены обзор существующих методов тепловой обработки свекловичной стружки и анализ роботы технологического оборудования, эксплуатируемого в настоящее время на сахарных заводах.

Определено, что предварительная тепловая обработка свекловичной стружки является одним из определяющих факторов сокодобывания, который влияет на ход и результаты экстрагирования сахара из свеклы: производительность экстрактора, чистоту диффузионного сока, уровень потерь сахара, использование топливно- энергетических ресурсов.

Для проведения теоретических исследований были использованы математические модели тепло-массообменных процессов, основанные на дифференциальных уравнениях второго порядка с граничными условиями третьего рода.

Современное развитие теории тепло-массообменных процессов, а также вычислительной техники дало возможность разработать новые методы получения кинетических коэффициентов на основании решения обратной задачи при помощи численных методов для тепло-массообменных процессов. Эти методы позволяют определить кинетические коэффициенты непосредственно из обработки полученных экспериментально концентрационных и температурных полей, исключая лабораторные исследования материала, что приводит к сокращению времени и уменьшению погрешности эксперимента. На базе методов разработаны программные комплексы по обработке экспериментальных данных на персональных ЭВМ.

Экспериментальные исследования, представленные в работе, были направлены на изучение тепло- массообменных характеристик процессов, которые происходят в аппаратах секционного типа. Были созданы лабораторные установки по исследованию влияния температуры на диффузионные свойства свекловичной стружки, а также по определению теплофизических характеристик свекловичной ткани. Исследования проводили на лабораторных установках, позволяющих моделировать тепло-массообменные процессы как на одной ступени, так и в целом в секционном аппарате.

На базе полученных экспериментальных данных и результатов математического моделирования тепло-массообменных процессов, а также необходимых конструктивных расчетов был разработан ротационный подогреватель свекловичной стружки секционного типа. Аппарат представляет собой конструкцию, состоящую из 10 секций и позволяющей проводить предварительную тепловую обработку свекловичной стружки подогретым диффузионным соком за время, равное 600-720 с.

Разработана технологическая схема использования ротационного подогревателя свекловичной стружки в составе экстракционной установки на базе колонного диффузионного аппарата КДА-30. Проведены промышленные испытания подогревателя в производственных условиях на ОАО “Саливонковский сахарный завод”.

Результаты испытаний позволяют сделать вывод об интенсификации предварительной тепловой обработки, что выражается в сокращении времени процесса, уменьшении количества подогретого диффузионного сока, получении соков на производство с низкой температурой.

Ключевые слова: тепловая обработка, экстрагирование, ротационный подогреватель, свекловичная стружка, сахароза.