Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
СХАЛЯХОВ Анзаур Адамович
ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА МАССЫ И ТЕПЛА СИСТЕМЫ ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ В АППАРАТАХ С ОБЪЕМОМ, СТРУКТУРИРОВАННОМ МЕМБРАННЫМИ ПЕРЕГОРОДКАМИ
Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Краснодар - 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО Майкопский государственный технологический университет
Научный консультант: | доктор технических наук, профессор Блягоз Хазрет Рамазанович |
Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Шаззо Аслан Юсуфович |
доктор технических наук, профессор Антипов Сергей Тихонович | |
доктор технических наук, профессор Дворецкий Станислав Иванович |
Ведущая организация: Северо-Кавказский филиал Всероссийского научно- исследовательского института жиров Россельхозакадемии
Защита состоится "5" октября 2010 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.03 Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета
Автореферат диссертации разослан л3 сентября 2010 года
Ученый секретарь
диссертационного совета,
канд. техн. наук, доцент Жарко М.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современным направлением обеспечения продовольственной безопасности страны является модернизация производства продуктов питания путем применения новой техники и технологии, позволяющая повысить эффективность переработки сельскохозяйственного сырья, сократив при этом потери сырья, затраты энергетических и материальных ресурсов.
Процессы переноса массы и тепла в системе жидкость-жидкость широко распространены в пищевой технологии. В частности, эти процессы являются основными при переработке растительных масел при экстракционном разделении и очистке жидких сложных смесей, при тепловой обработке растительных масел, при селективном выделении ценных компонентов, таких как фосфолипиды, при проведении химических реакций для получения биотоплива, при рекуперации растворителей в экстракционных системах. Такие процессы осуществляются при взаимодействии двухфазных потоков, чаще всего при противоточном взаимодействии в колонных аппаратах. Между потоками, представляющими собой неоднородные системы, возникает раздел фаз - свободная поверхность, на которой действуют силы межфазного поверхностного натяжения, усложняющие гидродинамику процесса и существенно влияющие на процессы тепло- и массообмена. В зависимости от гидродинамического режима для двухфазного потока характер взаимодействия меняется. Так, с увеличением относительной скорости последовательно меняются режимы - капельный, пробковый, кольцевой и эмульсионный. При этом меняются перепад давления, удерживающая способность, точка инверсии фаз, межфазная турбулентность и продольное перемешивание. Все эти режимы определяют эффективность процессов тепло - и массообмена, которая в наибольшей степени зависит от величины межфазной поверхности.
Таким образом, актуальным является создание аппаратов со стабильной и высокой удельной межфазной поверхностью в единице объема с возможностью независимого установления и регулирования расходов взаимодействующих фаз. Представляется, что такую поверхность можно создать за счет применения мембранных перегородок. При этом от мембранных перегородок в первую очередь требуется создание высокой удельной поверхности и пониженного сопротивления переносу потоков массы и тепла.
Диссертационная работа выполнена в Майкопском государственном технологическом университете в рамках подпрограммы: Разработка инновационных технологий и техники переработки сельскохозяйственного сырья и производства продовольствия на основе мембранных и экстракционных процессов Республиканской целевой программы Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия, утвержденной постановлением Государственного Совета-Хасэ Республики Адыгея от 30 января 2008 года № 689-ГС.
Цель и задачи работы. Целью работы является научное обоснование, разработка процессов и создание оборудования для переноса массы и тепла системы жидкость - жидкость в аппаратах с объемом, структурированном мембранными перегородками, создание на этой основе технологии комплексной переработки растительных масел.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
- развить теорию непрерывного тепло - и массопереноса в контакторе с половолоконными мембранами для различного взаимного направления потоков с продольным перемешиванием во взаимодействующих фазах и получить зависимости концентрационных и температурных распределений по длине аппарата, на основе которых выполнить анализ эффективных режимов переноса массы и тепла;
- поставить и решить сопряженные задачи переноса массы и тепла диффузией и теплопроводностью через трубчатую мембрану;
- провести моделирование и обоснование обобщенных кинетических зависимостей переноса массы и тепла в трубчатых мембранах;
- получить математическое описание и промоделировать перенос потоков в мембранах под действием трансмембранного перепада давления;
- разработать методику и определить проницаемости половолоконных и трубчатых мембран;
- исследовать свойства компонентов, экстрагируемых из растительных масел и провести математическое моделирование процесса мембранной экстракции смеси триацилглицеринов и жирных кислот;
- исследовать процесс массопереноса в мембранном контакторе;
- провести математическое моделирование кинетики и свойств реакционной смеси при производстве биодизельного топлива из масел;
- построить математическую модель мембранного реактора для производства биотоплива и на этой основе провести оптимизацию процесса;
- обосновать конструкцию и математическую модель конденсатора с непористыми полипропиленовыми половолоконными мембранами для парогазовых смесей экстракционного производства;
- провести исследования теплообмена с непористыми полипропиленовыми половолоконными мембранами;
- обосновать технологическую схему переработки растительных масел с использованием разработанных мембранных процессов для мембранной экстракции, мембранного реактора и мембранного конденсатора;
- разработать практические рекомендации по созданию установки для рафинации растительных масел мембранной экстракцией с использованием двуокиси углерода;
- разработать практические рекомендации по созданию установки для производства биотоплива из растительных масел с использованием мембранного реактора.
Научная концепция. Основой совершенствования ряда технологических процессов тепло - и массообмена в системе жидкость-жидкость, в частности при переработке масел и жиров, является научно обоснованное применение новых нетрадиционных процессов тепло- и массопереноса в аппаратах с объемом, структурированном мембранными перегородками, имеющими низкое сопротивление процессам переноса. Это создает управляемую организацию процесса со стабильно высокой удельной поверхностью раздела фаз и независимой гидродинамикой для взаимодействующих фаз.
Изложенная концепция открывает научное направление - создание новых процессов и аппаратов тепло- и массообмена в системе жидкость-жидкость со структурированием объема мембранными перегородками.
Методология исследований базируется на применении математического и физического моделирования для решения поставленных задач с целью разработки эффективных процессов в масложировой промышленности.
Научная новизна. На основе полученных зависимостей концентрационных и температурных распределений по длине аппарата для различного взаимного направления потоков и продольного перемешивания во взаимодействующих фазах проведен анализ эффективных режимов переноса массы и тепла в контакторе с половолоконными мембранами.
Поставлена и решена сопряженная задача переноса массы и тепла диффузией и теплопроводностью через трубчатые мембраны, проведено моделирование и обоснование обобщенных кинетических зависимостей переноса массы и тепла в трубчатых мембранах.
Развита теория переноса потоков в мембранных контакторах под действием трансмембранного перепада давления.
Развита теория экстракции в мембранном контакторе, получены зависимости концентрационных распределений и проведен анализ эффективности по обеим фазам для различных направлений течения фаз и степени перемешивания фаз, решены уравнения массообмена по обеим фазам с переменным профилем концентрации на границе.
Получена и систематизирована комплексная информация о взаимосвязанных физико-химических процессах, учитывающих давление и температуру, при экстракции двуокисью углерода жидкофазных материалов (жирных кислот и триацилглицеринов) в мембранном контакторе, влияющих на фазовые равновесия и коэффициенты диффузии.
Разработана методика идентификации вязкости компонентов реакционной смеси в процессе переэтерификации растительного масла с метанолом на основе применения математической модели кинетики реакции и модели вязкости смеси, при этом температурная зависимость вязкости компонентов определена по усовершенствованному методу Льюиса и Сквайрса.
Разработана математическая модель процесса многостадийной химической реакции переэтерификации растительного масла с метанолом в мембранном реакторе и определены рациональные режимы его работы.
Экспериментально получены значения коэффициентов внешней теплоотдачи в полипропиленовых половолоконных непористых мембранах, которые включены в математическую модель конденсатора с мембранами для парогазовых смесей.
Новизна технических решений подтверждена 3 патентами и свидетельствами РФ на полезные модели и 2 решениями о выдаче патентов РФ на изобретения.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в результатах теоретических и экспериментальных исследований, на основе которых разработана научно обоснованная технологическая схема переработки растительных масел, включающая мембранные процессы на основных операциях и позволяющая увеличить выход рафинированного масла, получить высококачественные пищевые фосфолипидные концентраты, обезжиренные фосфолипиды, жирные кислоты и биотопливо, а также сократить материальные и энергетические затраты.
Методом математического моделирования обоснованы и определены рациональные параметры проведения процесса экстракции двуокисью углерода свободных жирных кислот из растительных масел в мембранном контакторе.
Разработаны методики расчетов мембранного контактора для экстракции свободных жирных кислот из растительных масел двуокисью углерода, мембранного реактора для получения биотоплива и мембранного конденсатора для парогазовых смесей.
Результаты разработок использованы при проектировании установки для рафинации растительных масел с применением двуокиси углерода, мембранного реактора и мембранного конденсатора.
Разработанные технологическая схема переработки растительных масел и конструкции мембранных аппаратов приняты к внедрению в условиях филиала Лабинский МЭЗ ООО МЭЗ Юг Руси, а также переданы Министерству сельского хозяйства Республики Адыгея для проектирования завода по переработке семян подсолнечника. Ожидаемый экономический эффект составит более 17 млн. рублей при переработке 15000 тонн нерафинированного подсолнечного масла в год.
Апробация работы. Результаты работы представлены на: Северо-Кавказской региональной научной конференции аспирантов и молодых ученых Перспектива-98, г.Нальчик, 1998г.; II Международной научной конференции Продовольственный рынок и проблемы здорового питания, г.Орел, 1999г.; Международной научно-практической конференции Индустрия продуктов здорового питания - третье тысячелетие (человек, наука, технология, экономика), г.Москва, 1999г; Международной научно-практической конференции Молодые ученые - пищевым и перерабатывающим отраслям АПК (технологические аспекты производства), г.Москва, 2000г.; Международной научной конференции Прогрессивные пищевые технологии - третьему тысячелетию = Advanced food technologies - to the third millennium, г.Краснодар, 2000г.; Международной научно-практической конференции Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения, г.Краснодар, 2000г.; Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке, г.С.-Петербург, 2001г.; Международной научно-практической конференции Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств, г.Краснодар, 2002г.; V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, докторантов и молодых ученых Наука XXI веку (II сессия) IX Неделя науки МГТУ, г.Майкоп, 2004г.; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием Инновационные технологии в создании продуктов питания нового поколения, г.Краснодар, 2005г.; III Международной научно-технической конференции Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2007), г.Нальчик, 2007г.; Десятой международной научно-практической конференции Современные проблемы техники и технологии пищевых производств, г.Барнаул, 2007г.; IX Международной конференции молодых ученых Пищевые технологии и биотехнологии, г.Казань, 2008г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 55 работ, из них 2 монографии, 37 научных статей, в том числе 24 научных статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, 11 работ в материалах конференций, получено 3 свидетельства и патента РФ на полезные модели и 2 решения о выдаче патента РФ на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, девяти глав, объединенных в три части, основных результатов и выводов, списка литературы, включающего 339 наименований, и приложений. Работа изложена на 347 страницах, включает 97 рисунков и 41 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и научная концепция, сообщаются основные направления исследований и положения, выносимые на защиту.
В первой главе, являющейся аналитическим обзором, рассмотрено состояние и направления развития процессов переноса массы и тепла в аппаратах с объемом, структурированным мембранными перегородками. Дана общая характеристика состояния мембранных технологий по следующим направлениям: мембранные технологии как основа развития производства, мембранные операции, мембранная экстракция, мембранные контакторы и реакторы, объединенные мембранные процессы, новые мембраны. Особое внимание уделено переработке растительных масел с использованием мембранной технологии. Рассмотрены вопросы гидравлики, массообмена и теплообмена в мембранных процессах.
По результатам анализа научно-технической литературы и патентной информации определены цель и задачи исследования, а также обоснована структурная схема исследования (рисунок 1).
Во второй главе проведен анализ процессов переноса массы и тепла в аппарате при контакте через половолоконную и трубчатую мембранную перегородку и примыкающим к ним внутренним и внешним областям аппаратов [1, 7- 9].
Рассмотрена мембранная экстракция компонента из растительного масла при условии переноса массы через трубчатую липофобную или трубчатую липофильную мембрану.
На рисунке 2 приведены схемы противоточного массопереноса через трубчатую липофобную мембрану, а на рисунке 3-схемы противоточного массопереноса через трубчатую липофильную мембрану.
На рисунке 4 приведены схемы прямоточного массопереноса через трубчатую липофобную мембрану, а на рисунке 5-схемы прямоточного массопереноса через трубчатую липофильную мембрану.
Рисунок 1 - Структурная схема исследования
а) б) Рисунок 2- Схемы противоточного массопереноса через трубчатую липофобную мембрану: а - масло снаружи липофобной мембраны; б - масло внутри липофобной мембраны | |
а) б) Рисунок 3- Схемы противоточного массопереноса через трубчатую липофильную мембрану: а - масло снаружи липофильной мембраны; б - масло внутри липофильной мембраны | |
На рисунке 6 приведена схема теплопереноса в половолоконной непористой мембране при различном направлении теплового потока.
а) б) Рисунок 4- Схемы прямоточного массопереноса через трубчатую липофобную мембрану: а - масло снаружи липофобной мембраны; б - масло внутри липофобной мембраны | |
а) | б) |
Рисунок 5- Схемы прямоточного массопереноса через
трубчатую липофобную мембрану:
а - масло снаружи липофильной мембраны;
б - масло внутри липофильной мембраны
Рисунок 6 - Схема теплообмена в половолоконной мембране при различном направлении теплового потока
Ниже приведены уравнения материального и теплового балансов:
в случае прямотока и противотока в трубном пространстве:
, (1)
в случае прямотока в межтрубном пространстве:
, (2)
в случае противотока в межтрубном пространстве:
. (3)
Распределение потенциалов в фазе трубного и межтрубного пространства мембран решается:
для прямотока с помощью системы уравнений (1) и (2):
, (4)
для противотока с помощью системы уравнений (1) и (3):
, (5)
, (6)
Общее решение с учетом перемешивания по обеим фазам для прямотока и противотока имеет вид:
, (7)
где αi определяется из решения характеристического уравнения для прямотока (верхний знак) и для противотока (нижний знак):
(8)
Коэффициенты для прямотока и противотока с учетом перемешивания находятся из матричного уравнения, приведенного на рисунке 7.
Проведен анализ эффективности (ε) для массо- и теплообмена по зависимости:
(9)
Рисунок 7 - Матричное уравнение для нахождения коэффициентов уравнения (8)
На рисунке 8 представлено изменение эффективности переноса массы и тепла для режима противотока и режима прямотока без перемешивания по обеим фазам. При противотоке эффективность выше при одинаковых соотношениях чисел единиц переноса по обеим фазам.
а | б |
Рисунок 8 - Изменение эффективности переноса массы и тепла при различных показателях чисел единиц переноса по фазе х, при отсутствии перемешивания и при различном Nx/Ny: а) режим противотока; б) режим прямотока | |
Был проведен анализ изменения эффективности от факторов перемешивания в полном факторном эксперименте (таблица 1), где факторами явились параметры перемешивания по фазе х и по фазе у (Pex и Pey), имеющие значения 10 и 50, при значении числа единиц переноса Nх = 2, при отношении чисел единиц переноса Ny/Nx = 0,15 и при режиме противотока.
Таблица 1 - Влияние параметров перемешивания в факторном эксперименте
Значение параметра перемешивания | Значение эффективности ε | |
Pex | Pey | |
- 10 | - 10 | 0,77 |
+50 | - 10 | 0,82 |
-10 | + 50 | 0,77 |
+50 | + 50 | 0,82 |
Из таблицы 1 видно, что в исследованном диапазоне увеличение Pey не влияет на эффективность, а увеличение Pex увеличивает эффективность переноса потенциалов.
В третьей главе рассмотрен сопряженный конвективный перенос тепла и массы от внутреннего потока с теплопроводностью и диффузией через мембранную перегородку [23-25].
Представлена постановка и решение сопряженной задачи переноса тепла от потока жидкости внутри трубы к наружным стенкам непроницаемых половолоконных мембран (рисунок 9).
Рисунок 9 - Основные параметры, характеризующие сопряженный процесс переноса тепла потока жидкости внутри мембраны
Для стационарного конвективного теплообмена в потоке и теплопроводности в стенке трубы рассматривалась вместе с граничными условиями первого рода, условиями сопряжения тепловых полей и тепловых потоков следующая система дифференциальных уравнений:
(10)
(11)
Система уравнений (10) и (11) определяет стационарное температурное поле установившегося теплового режима сопряженной задачи теплопереноса между движущейся жидкостью и трубой, наружная стенка которой интенсивно охлаждается до температуры внешней среды.
Для решения данной задачи методом конечных разностей определяем одномерную сетку (рисунок 10) по текущему радиусу r. Для упрощения последующих выкладок, узлы сетки определяем с равномерным шагом h, значение которого определяется из условий сходимости и устойчивости явной схемы решения задачи.
Рисунок 10 - Определение узлов сетки для области решения сопряженной задачи
Для расчета температурного поля ламинарного потока жидкости использовалось итерационное матричное уравнение следующего вида:
, (12) |
где коэффициенты матрицы mi,аj определяются коэффициентами уравнений:
(13) | ||||
(14) | ||||
(15) | ||||
Матричное уравнение (12), содержащее разряженную ленточную матрицу, решалось методом декомпозиции с использованием пакета MathCAD.
Рассмотрена постановка и решение сопряженной задачи конвективного массопереноса при течении жидкости в трубчатой мембране с диффузией в стенке мембраны (рисунок 11).
Рисунок 11 - Схема сопряженной задачи конвективного массопереноса при течении
жидкости в трубчатой мембране с диффузией в стенке мембраны
В зависимости от смачиваемости мембраны ее поры заполняются соответствующей фазой. Характерными размерами трубчатой мембраны являются внешний (Rст) и внутренний радиус (Rтр) мембраны. В этом случае для решения сопряженной задачи конвективной диффузии важно учитывать условия сопряжения конвективного потока внутри трубы и диффузионного потока в стенке мембраны.
Применяя метод конечных разностей, аналогично решенной задачи сопряженного теплообмена, построена схема решения задачи.
В качестве параметров варьирования использовались: температура потока жидкости в трубе, начальное давление потока жидкости в трубе, длина трубы, коэффициент сопротивления мембраны, внутренний и внешний радиус трубы.
В качестве плана численного эксперимента был выбран трехуровневый полный факторный план второго порядка по восьми переменным: температура жидкости в трубе, начальное давление в потоке жидкости в трубе, длина трубы, коэффициент сопротивления мембраны (отношение коэффициентов диффузий), внутренний и внешний радиус трубы.
В результате была построена степенная модель, определяющая влияние изучаемых параметров процесса на интенсивность массопереноса:
(16)
В четвертой главе представлены результаты исследования теплообмена в аппарате с непроницаемыми половолоконными мембранами [17, 25, 26, 39].
Результаты расчета по разработанной модели сопряженного теплообмена представлены в виде температурного поля на рисунке 12.
Рисунок 12 - Двумерное температурное поле сопряженной задачи теплообмена в половолоконной мембране
Как видно из представленных данных, температурное поле носит меняющийся характер и быстро выравнивается по оси потока, при этом разность температур стремится к нулю. Температурное поле на внутренней стенке имеет излом, характерный для задач сопряженного типа. Следовательно, расчетная схема достаточно подробно моделирует этот тип процесса теплообмена.
Представленные данные обобщены в виде степенной зависимости следующего вида:
(17) |
Для проведения экспериментальных исследований переноса тепла в теплообменнике с непроницаемыми половолоконными мембранами была создана экспериментальная установка, представленная на рисунке 13.
Рисунок 13 - Экспериментальная установка: 1 - теплообменник с полимерными половолоконными мембранами; 2 - термостат; 3 - приемный бак для воды; 4 - сливная воронка; 5 - записывающее устройство; T1, T2, T3, T4 - прибор для измерения температуры; Р1, Р2 - прибор для измерения расхода жидкости
На данной установке возможно исследовать теплообмен через половолоконные мембраны между потоками жидкости с различной температурой. После выхода установки на установившийся режим работы определяется расход жидкости и значения температуры обоих теплоносителей с помощью приборов для измерения температуры и расхода жидкости, установленных на входе и выходе мембранного модуля и передающих информацию на записывающее устройство.
Результаты проведенных исследований на экспериментальной установке приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты исследований на экспериментальной установке
Расход воды в мембранах, кг/сек | Расход воды в кожухе, кг/сек | Начальная температура в мембранах, К | Конечная температура в мембранах, К | Начальная температура в кожухе, К | Конечная температура в кожухе, К |
0,288 | 0,266 | 293,4 | 299,5 | 310,1 | 303,5 |
0,284 | 0,367 | 294,4 | 300,7 | 309,7 | 304,8 |
0,174 | 0,605 | 294,1 | 301,1 | 304,7 | 302,7 |
0,244 | 0,694 | 294,2 | 301,4 | 306,8 | 304,3 |
0,297 | 0,835 | 293,6 | 300,9 | 308,8 | 306,3 |
0,255 | 0,874 | 293,6 | 301,1 | 307,8 | 305,6 |
0,304 | 1,338 | 294,1 | 302,0 | 309,6 | 307,8 |
0,292 | 1,423 | 293,8 | 301,9 | 308,9 | 307,3 |
Мембранные модули были предоставлены фирмой Eidos (Чехия) и представляют собой мембранные пучки, состоящие из 1400 полипропиленовых половолоконных мембранных волокон, наружным диаметром 0,275 мм, внутренним диаметром 0,225 мм и длиной 0,75 м.
Использование сплайн аппроксимации тепловых свойств позволило значительно увеличить точность расчетов тепловых балансов в ходе обработки эксперимента. В процессе эксперимента варьировались температурные режимы и расходы потоков модуля (внешний) и мембран (внутренний), а также расходы по этим потокам. Контроль этих параметров позволил определить общий коэффициент теплопередачи.
С учетом определенных значений общего коэффициента теплопередачи и оценки значений коэффициента внутренней теплоотдачи по зависимости (18) получили значения коэффициентов внешней теплоотдачи.
На рисунке 14 приведена графическая зависимость внешнего теплообмена от степени упаковки волокна в модуле, влияние которой особенно существенно при низких значениях числа Reмод.
Рисунок 14 - Определение вида функциональной зависимости экспериментальных данных в группах с различной степенью упаковки волокон в модуле: 1 - ϕ=0,042;
2 - ϕ=0,052; 3 - ϕ=0,2
Полученные результаты обобщены зависимостью:
| (18) |
Среднее отклонение расчетных значений от экспериментальных значений составляет 11%.
В пятой главе получены зависимости поперечной фильтрации для определения проницаемости половолоконных и трубчатых мембран и проведено моделирование переноса потоков в мембранных контакторах под действием трансмембранного перепада давления [13, 16, 20, 37].
Для разделения жидких смесей с использованием половолоконных и трубчатых мембран важным является выбор мембран и оценка их основного показателя - проницаемости. Для описания процесса разделения на мембране использовали систему уравнения неразрывности потока жидкости и закон фильтрации Дарси, решение которой получено операторным методом:
(19)
С учетом найденных выражений A1 и A2 из начальных и граничных условий реализации потоков, уравнение (19) принимает вид:
(20)
Если давление снаружи мембраны и на выходе внутри мембраны совпадают (PK=Ps), то уравнение (20) принимает вид:
(21)
Характер зависимости изменения давления при поперечной фильтрации определен при следующих параметрах: длина волокна Lm=0,215 м; радиус волокна RL=1,15l0-4 м; проницаемость мембраны rp=6,210-15м; давление на входе в мембрану PН=2,026105 Па (2 бар); давление на выходе из мембраны PК=1,52105 Па (1,5 бар); давление снаружи мембраны PS=1,013105 Па (1 бар).
Как видно из представленных данных (рисунок 15) давление по длине мембраны меняется линейно как для случая при отличающихся значениях давления на выходе из мембраны и внешнего давления, так и при совпадающих значениях давления.
Рисунок 15 - Изменение давления при поперечной (1,2) и тупиковой (3) фильтрации в половолоконной мембране:1 - Рк Рs; 2 - Рк = Рs; 3 - тупиковая фильтрация
В случае тупиковой фильтрации, когда выход из внутреннего объема мембраны закрыт, зависимость изменения давления определяется по уравнению:
(22)
С учетом найденных постоянных интегрирования и уравнений объемных расходов поперечной фильтрации во входном и выходном сечении, получаем разность объемных расходов во входном и выходном сечениях (24), которую использовали для определения значения проницаемости полипропиленовых половолоконных мембран фирмы EIDOS (Чехия) РР - М5 rp =4,410-15м и РР - М6 rp =1,3310-14м.
(23)
Используя методику тупиковой фильтрации с помощью уравнения (25), определили значение проницаемости трубчатых керамических мембран произведенных фирмой НПО Керамикфильтр (Москва) - rp =7,4310-13м.
(24)
В работе также проведено моделирование переноса потоков в мембранных контакторах под действием изменяющегося трансмембранного перепада давления. Для этого операторным методом решена система дифференциальных уравнений, описывающих изменение давления во внутреннем и внешнем объеме мембран:
(25)
(26)
Эти уравнения содержат четыре постоянных интегрирования, что совпадает с числом точек контроля давлений на схеме (рисунок 16).
Рисунок 16 - Схема давлений в точках мембранного модуля
Значение этих постоянных определяется системой алгебраических уравнений, получаемых при подстановке граничных значений. Решение этих уравнений позволяет получить значения постоянных:
(27)
(28)
(29)
(30)
Для случая моделирования переноса потоков в мембранном контакторе с некоторыми закрытыми патрубками, граничные условия принимались как равенство нулю производных давления в этих патрубках.
Используя полученные уравнения, произведен расчет давлений для керамической мембраны с проницаемостью, изменяющейся от rp=7,410-13 м до rp=7,410-9 м, с длиной мембраны Lm=800 мм, внутренним радиусом мембраны RL=2 мм, внешним радиусом мембраны RM=5 мм, радиусом картриджа R=16 мм, вязкостью жидкости =8,910-4 Па с, начальным давлением PH = 0,2 МПа и конечным давлением PK = 0,1 МПа.
Графики изменения давлений потока и избыточного давления фильтрата по оси мембраны при различных величинах проницаемости представлены на рисунках 17 и 18.
Рисунок 17 - Изменение давления потока по оси мембраны
Значения проницаемости: - 7,410-13; - 7,410-12; - 7,410-11; - 7,410-10;
- 7,410-9
Рисунок 18 - Избыточное давление фильтрата по оси мембраны
Значения проницаемости: - 7,410-13; - 7,410-12; - 7,410-11; - 7,410-10;
- 7,410-9
Графики изменения расхода потока и расхода фильтрата при различных величинах проницаемости представлены на рисунках 19 и 20.
Рисунок 19 - Изменение расхода потока по оси мембраны
Значения проницаемости: - 7,410-13; - 7,410-12; - 7,410-11; - 7,410-10;
- 7,410-9
Рисунок 20 - Изменение расхода фильтрата по оси мембраны
Значения проницаемости: - 7,410-13; - 7,410-12; - 7,410-11; - 7,410-10;
- 7,410-9
В шестой главе определены данные по растворимости и коэффициентам диффузии в системе триацилглицерины - жирные кислоты - двуокись углерода, необходимые для определения параметров массообмена при экстракции в массообменнике с объемом, структурированном мембранными перегородками [1, 4-6, 22, 29, 33, 40, 41].
На основании уравнения состояния Пенга-Робинсона и уравнения растворимости Хрестила была создана модель растворимости растительного масла в двуокиси углерода.
Результаты моделирования представлены на рисунке 21.
Рисунок 21 - Результаты моделирования растворимости нерафинированного подсолнечного масла в двуокиси углерода: 1 - T=302 K; 2 - T=311 K; 3 - T=320 K
Видно, что растворимость жирного масла существенно увеличивается с ростом давления в исследуемом диапазоне давлений и температур.
Для предсказания бинарных коэффициентов диффузии использовалась зависимость:
, (31)
где
В результате использования уравнения состояния Пенга-Робинсона и уравнения (31) проведено моделирование поведения коэффициентов диффузии в сверхкритической области давлений и температур.
На рассматриваемой диаграмме (рисунок 22) выделяется гребень, так называемая квазиспинодаль, ось которого проходит через критическую точку и может быть представлен на рисунке линейным уравнением.
Рисунок 22 - Изменения коэффициентов диффузии жирных кислот при бесконечном разбавлении в СО2:
Область А - значения коэффициентов диффузии увеличиваются с ростом температуры и уменьшаются с уменьшением давления;
Область Б - значения коэффициентов диффузии не зависят от температуры и значительно уменьшаются с уменьшением давления
Наибольшие значения коэффициентов диффузии находятся на оси гребня и их значения увеличиваются с увеличением значения температуры.
С учетом специфики растворяемого вещества в уравнении (31), определяемое молекулярным весом, предложено универсальное для жирных кислот уравнение для расчета коэффициентов диффузии:
(32)
В работе получены значения коэффициентов распределения для жирных кислот в двуокиси углерода, которые представлены в таблице 3 для режимов (Р и Т), выбранных вдоль оси гребня на диаграмме (рисунок 19).
Таблица 3 - Значения коэффициента распределения в двуокиси углерода (ψxm) для различных жирных кислот
Наименование жирной кислоты | Режим 1 (Р=80бар, Т=308К) | Режим 2 (Р=120бар, Т=329К) | Режим 3 (Р=160бар, Т=351К) | Режим 4 (Р=200бар, Т=373К) |
Стеариновая кислота | 2,59⋅ 10-4 | 9,84⋅ 10-3 | 0,130 | 1,12 |
Олеиновая кислота | 0,326 | 2,172 | 8,253 | 25,7 |
инолевая кислота | 0,529 | 2,75 | 8,94 | 26,6 |
Получены уравнения для анализа массопереноса в мембранном контакторе:
по фазе x:
(33)
по фазе y:
(34)
Общее уравнение массопередачи представлено в виде обобщенных переменных при базовых параметрах переноса массы в фазе x:
, (35)
Для нахождения зависимости числа Шервуда по фазе х и по фазе у от числа единиц переноса по фазе х и отношения чисел единиц переноса фазы у к числу единиц переноса фазы х решали краевые задачи (33) и (34), определяли среднее число Шервуда вдоль продольной координаты, усредняли и проводили итерационные вычисления. В результате получили зависимости, приведенные на рисунках 23 и 24.
Рисунок 23 - Зависимость Shсрх от числа единиц переноса по фазе х и отношения числа единиц переноса по фазе х к числу единиц переноса по фазе у | Рисунок 24 - Зависимость Shсру от числа единиц переноса по фазе х и отношения числа единиц переноса по фазе х к числу единиц переноса по фазе у |
Для проведения экспериментальных исследований по экстракции жирных кислот из растительных масел в массообменнике с объемом, структурированном мембранными перегородками, была создана экспериментальная установка для экстракции двуокисью углерода.
В качестве сырья использовали нерафинированное прессовое подсолнечное масло со следующими исходными показателями: кислотное число - 3,79 мг КОН/г (содержание свободных жирных кислот 1,89 %); перекисное число - 7,85 ммоль активного кислорода/кг; массовая доля фосфолипидов - 0,65 %, анизидиновое число - 0,63.
В таблице 4 приведены значения показателей, полученных в результате экспериментов, а в таблице 5 представлена обработка экспериментальных данных.
Отмечается близость результатов экспериментов и расчетов по предложенной модели.
Таблица 4 - Результат проведенных экспериментальных исследований экстракции жирных кислот из нерафинированного подсолнечного масла двуокисью углерода
№ опыта | Характеристики режима экстракции | Расход масла, л/ч | Расход СО2, /ч | КЧ масла на выходе, мг КОН/г | |
Т, К | Р, бар | ||||
1 | 308 | 80 | 2,0 | 20 | 0,10 |
2 | 308 | 80 | 2,5 | 20 | 0,63 |
3 | 308 | 80 | 3,0 | 20 | 1,46 |
4 | 328 | 120 | 14,0 | 20 | 0,10 |
5 | 328 | 120 | 16,0 | 20 | 0,32 |
6 | 328 | 120 | 18,0 | 20 | 0,74 |
Таблица 5 ЦРезультаты обработки экспериментальных данных
№№ опытов | ε | Ny/Nx | Nx | Shэксп | Shрасч |
1 | 0,975 | 0,307 | 4,797 | 7,472 | 7,487 |
2 | 0,834 | 0,383 | 2,287 | 4,442 | 4,443 |
3 | 0,614 | 0,460 | 1,148 | 2,679 | 2,673 |
4 | 0,975 | 0,322 | 4,874 | 7,747 | 7,516 |
5 | 0,917 | 0,368 | 3,286 | 5,787 | 5,759 |
6 | 0,805 | 0,414 | 2,098 | 4,155 | 4,138 |
Согласно результатам экспериментальных исследований извлечение свободных жирных кислот из растительных масел методом экстракции двуокисью углерода при сверхкритических условиях в мембранном экстракторе обеспечивает эффективное удаление жирных кислот, при этом увеличение давления и температуры значительно повышает эффективность процесса.
На основе математического моделирования и экспериментальных данных разработан узел удаления свободных жирных кислот из нерафинированного подсолнечного масла с использованием мембранного экстрактора, который является одним из основных узлов комплексной линии переработки растительных масел.
В седьмой главе рассмотрена непрерывная схема работы мембранного реактора для производства биотоплива и ее обоснование на основе математического моделирования [2, 10, 15, 18, 21, 43].
В разработанной непрерывной схеме процесса мембранный реактор заключен в циркуляционный контур с насосом, промежуточной емкостью с датчиком уровня, который управляет подачей смеси исходных реагентов, и с теплообменником. При этом непрерывно через трубчатые мембраны отводятся продукты реакции.
Схема циркуляционного контура с мембранным реактором представлена на рисунке 25.
Рисунок 25 - Схема циркуляционного контура с мембранным реактором
Непрореагировавшая часть реагента остается в капельном состоянии и, предварительно подогретая в теплообменнике, рециркулирует на вход с помощью циркуляционного насоса.
В мембранном реакторе (рисунок 26) происходят химические реакции и мембранное разделение. Мембранный реактор состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого размещен пучок трубчатых мембран, закрепленных в трубчатых решетках. Патрубок для подвода реагентов внутрь трубчатых мембран и патрубок для отвода непрореагировавших реагентов находятся в крышках реактора. На цилиндрическом корпусе расположен патрубок для отвода продуктов реакции, содержащих биотопливо.
Рисунок 26 - Схема мембранного реактора для производства биотоплива
Математическая модель мембранного реактора представляется тремя взаимосвязанными блоками: модель кинетики реакции, модель вязкости, модель гидравлики.
Из модели кинетики получаем информацию о составе реакционной смеси, что является основой определения вязкости. Имея информацию о вязкости, получаем оценку разделения потоков на мембранах и уточняем время процесса.
В качестве математической модели кинетики реакции переэтерификации относительно каждого компонента использовалась система обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих протекание отдельных стадий реакции переэтерификации, для решений которых использовали численный метод Рунге-Кутта с фиксированным шагом четвертого порядка точности.
В процессе численного моделирования было исследовано влияние времени на эффективность реакции переэтерификации. Процесс моделировался при различных мольных соотношениях триацилглицеринов и метанола, которые варьировались от 1/5 до 1/7. При этом было установлено, что даже значительное увеличение концентрации метанола в исходной смеси не приводит к значительному увеличению глубины реакции.
Для пересчета вязкости по температурной шкале известной вязкости чистого компонента использовали метод Льюиса и Сквайрса, который представлен аналитической зависимостью (рисунок 27).
Рисунок 27 - Логарифмированный график Льюиса и Сквайрса с аналитической аппроксимацией
Зависимость вязкости компонента от температуры, которая определяется как сумма опорной температуры θ0 и разности между расчетной температурой t и температурой известной вязкости tн определяется по уравнению:
(36)
Для проверки метода получения температурных зависимостей вязкости сравнили известные значения вязкости при различных температурах c расчетными значениями, что представлено на рисунке 28.
Рисунок 28- Зависимости экспериментальных и расчетных данных вязкости от температуры для триацилглицеринов (ТАГ), глицерина (Г) и метанола (М):
1 - глицерин ( опыт; расчет); 2 - триацилглицерины ( опыт; расчет);
3 - метанол ( опыт; расчет)
Модель кинетики реакции переэтерификации можно связать с моделью вязкости системы, предполагая зависимость между вязкостью чистых компонентов ηi и мольным составом реакционной смеси Мi, в виде следующей зависимости:
(37)
Полученные зависимости вязкости от состава смеси позволяют определить долю фильтрационной составляющей по длине мембранного реактора и получить математическую модель процесса многостадийной химической реакции с фильтрацией продуктов через стенку мембранного реактора.
Проведено математическое моделирование мембранного реактора для производства биодизельного топлива из растительных масел.
Учитывая, что состав смеси, а, следовательно, и вязкость зависит от времени пребывания смеси в канале фильтрующего элемента, параметр вязкости смеси на выходе из аппарата определяется с учетом полученного состава реакционной смеси.
В этом случае расходы смеси на входе и выходе из фильтрационного канала определяют время ее пребывания в аппарате.
Итерационным пересчетом добивались совпадения прогнозируемой вязкости смеси и вязкости по данным состава на основе кинетики реакции. Для дополнительного контроля за сходимостью итераций контролировали расчетное значение времени контакта фаз.
При совпадении значения вязкости и времени с точностью до 0,1% итерации прекращались, и результат численного моделирования считался окончательным.
Используя полученную модель, определяли влияние конструктивных параметров мембран, а также установили влияние начального давления и перепада давлений на концах мембран на выходе целевого продукта.
На рисунке 29 приведены данные, характеризующие зависимость выхода целевого продукта от числа фильтрующих элементов.
Проведенные расчеты позволили создать многопараметрическую модель мембранного модуля для производства биотоплива.
Рисунок 29 - Выход целевого продукта в зависимости от числа фильтрующих
элементов: 1 - nM=4; 2 - nM=5; 3 - nM=6; 4 - nM=7
Относительный выход биотоплива, т.е. отношение выхода на моделируемом модуле к выходу на модуле такой же конфигурации, но при увеличении времени контакта фаз до бесконечности в зависимости от набора критериев, равен:
, (39)
где безразмерные критерии:
- степень заполнения поперечного сечения мембранами;
- удельная площадь мембран в единице объема модуля; - относительный перепад давления по длине мембраны; - относительный перепад давления поперек мембраны.
На основе математического моделирования и экспериментальных данных разработан узел получения биотоплива с использованием мембранного реактора, который является одним из основных узлов комплексной линии переработки растительных масел.
В восьмой главе рассмотрен теплообмен при конденсации парогазовых смесей и обоснована схема конденсатора с полимерными половолоконными мембранами в линии комплексной переработки растительных масел [11, 12, 14, 32, 36, 38, 42].
На рисунке 30 представлен принцип конденсации парогазовых смесей с полимерными половолоконными мембранами с внутренним источником тепла.
Рисунок 30 - Принцип конденсации парогазовых смесей:
а) принципиальная схема;
б) температурные профили потоков
Парогазовая смесь, поступив в трубу, охлаждаемую от размещенной на ее поверхности спиральной навивки из мембран, внутри которых проходит хладагент, уменьшает свою температуру и достигает состояния насыщения. Конденсация происходит во внешнем межтрубном пространстве. При этом тепло от поступающей в трубу парогазовой смеси передается к конденсируемой смеси в межтрубном пространстве, предохраняя от образования тумана, что возможно при наличии в смеси неконденсирующихся газов.
Половолоконные мембраны в качестве теплообменных элементов развивают поверхность для конденсации парогазового потока и позволяют осуществлять подачу хладагента во внутреннее пространство мембран, а формирование их в виде пучка способствует коалесценции капель жидкой фазы конденсирующегося пара, при этом на поверхности труб образуются пленки конденсата, которые увеличивают коэффициент теплопередачи.
Математическая модель процесса конденсации включает массовые и энергетические потоки в дифференциальном объеме мембранного конденсатора, представленные на рисунке 31 и поперечные профили температуры от смеси газ-пар, представленные на рисунке 32.
Рисунок 31 - Массовые и энергетические потоки в дифференциальном объеме мембранного конденсатора | Рисунок 32 - Поперечные профили температуры от смеси газ-пар |
На основе полученной математической модели разработана конструкция парогазового мембранного конденсатора, позволяющая реализовать процесс конденсации парогазовой смеси, используя половолоконные мембраны.
На рисунке 33 приведена конструкция мембранного конденсатора.
Разработанный мембранный конденсатор включен в узел получения обезжиренных фосфолипидов в комплексной линии переработки растительных масел.
Рисунок 33 - Мембранный конденсатор: 1 - цилиндрический корпус; 2 - фланец для подвода исходной смеси; 3 - фланец для отвода газовой фазы; 4 - фланец для отвода конденсата паровой фазы; 5,6 - крышка; 7,8 - фланец для подвода исходной смеси; 9 - стержень; 10, 11 - гайка; 12 - трубный пучок; 13, 14 - распределительные камеры; 15 - фланец для подвода хладагента; 16 - фланец для отвода хладагента; 17 - полипропиленовый непористый половолоконный мембранный пучок; 18, 19, 20 - поперечные перегородки; 21, 22, 23, 24 - фиксаторы |
В девятой главе обоснована технологическая схема и линия комплексной переработки растительных масел с применением мембранных аппаратов[43, 44].
На рисунке 34 приведена разработанная технологическая схема комплексной переработки растительных масел. Применение мембранных технологий позволяет получать высококачественные продукты переработки: жирные кислоты, являющиеся сырьем для мыловарения и этерификации, обезжиренные фосфолипиды, являющиеся физиологически ценными биологически активными добавками, рафинированное масло и биотопливо.
Рисунок 34 - Технологическая схема комплексной переработки растительных масел: 1- резервуар для нерафинированного масла; 2, 5, 8, 10, 16, 18, 24, 25, 27,30, 33, 36, 39, 40, 42 - насосы; 3 - мембранный экстрактор; 4 - резервуар для двуокиси углерода; 6, 9, 26, 37, 41 - выпарные аппараты; 7, 38 - конденсаторы; 11 - теплообменник; 12 - инжектор; 13 - экспозитор; 14 - отстойник для фосфолипидной эмульсии; 15 - вакуум - сушильный аппарат; 17 - резервуар для фосфолипидной эмульсии; 19 - ротационно - пленочный сушильный аппарат; 20 - экстрактор; 21 - резервуар для ацетона; 22 - чанный испаритель; 23 - мембранный парогазовый конденсатор; 28 - сборник смеси; 29 - резервуар для метанола; 31 - мембранный реактор; 32 Цдатчик уровня;
34 - теплообменник; 35 - отстойник
Показатели качества рафинированного масла, обезжиренных фосфолипидов, жирных кислот и биотоплива, полученных при проведении процессов на представленной линии, приведены в таблице 6.
Таблица 6 - Физико-химические показатели рафинированного подсолнечного масла, обезжиренных фосфолипидов, жирных кислот и биотоплива
Наименование показателя | Значение показателя | |
Традиционная схема | Разработанная схема | |
Рафинированное масло | ||
Кислотное число, мгКОН/г | 0,25 | 0,10 |
Перекисное число, ммоль активного кислорода / кг | 4,75 | 1,25 |
Массовая доля фосфолипидов, % | отсутствие | отсутствие |
Выход рафинированного масла, % к исходному нерафинированному маслу | 95,37 | 97,34 |
Обезжиренные фосфолипиды | ||
Массовая доля фосфолипидов в продукте, % | 94,50 | 98,70 |
Перекисное число, ммоль активного кислорода / кг | 3,78 | 0,25 |
Выход обезжиренных фосфолипидов, % к их содержанию в исходном нерафинированном масле | 53,84 | 84,61 |
Выход обезжиренных фосфолипидов, % к исходному нерафинированному маслу | 0,35 | 0,55 |
Жирные кислоты | ||
Массовая доля жирных кислот в продукте, % | 95,30 | 99,15 |
Выход жирных кислот, % к их содержанию в исходном нерафинированном масле | 80,50 | 97,35 |
Выход жирных кислот, % к исходному нерафинированному маслу | 1,48 | 1,85 |
Биотопливо | ||
Кислотное число, мгКОН/г | - | 0,10 |
Температура вспышки, оС | - | 118 |
Плотность при 15 оС, г/см3 | - | 0,883 |
Осуществление процесса извлечения свободных жирных кислот из нерафинированного масла двуокисью углерода в мембранном экстракторе позволяет эффективно организовать технологический процесс получения рафинированного растительного масла и жирных кислот, т.е. конструкция данного узла дает возможность получить конечный продукт - жирные кислоты и промежуточный продукт - масло - для дальнейшей гидратации, сушки, получения рафинированного масла, также являющегося конечным продуктом и получения фосфолипидной эмульсии, являющейся промежуточным продуктом для получения конечного продукта - обезжиренных фосфолипидов и промежуточного продукта - нейтрального масла.
Осуществление процесса конденсации паров ацетона из их смеси с азотом в мембранном парогазовом конденсаторе позволяет использовать инертной газ-азот на основных стадиях экстракционной технологии обезжиривания фосфолипидов.
Полученное при обезжиривании фосфолипидов масло является сырьем для получения биотоплива.
Таким образом, данное сочетание узлов и аппаратов в специальном расположении, взаимно влияющих и обусловливающих эффективную работу каждого из них, позволяет эффективно осуществлять технологический процесс с получением четырех высококачественных готовых продуктов: рафинированное масло, обезжиренные фосфолипиды, жирные кислоты и биотопливо.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Процессы переноса массы и тепла системы жидкость - жидкость в аппаратах с объемом, структурированном мембранными перегородками, обеспечивают стабильные и высокие удельные отношения площади поверхности раздела фаз к объему, что позволяет создать аппараты с независимыми по расходу и направлениям потоков, реализующие инновационные процессы комплексной технологии переработки растительных масел, позволяющие повысить степень энергосбережения, безотходности и экологической безопасности, что обеспечивает конкурентоспособность современного производства.
2. Анализ эффективных режимов переноса массы и тепла в контакторе с половолоконными мембранами на основе полученных зависимостей концентрационных и температурных распределений по длине аппарата для различного взаимного направления потоков и продольного перемешивания во взаимодействующих фазах определил условия достижения предельной эффективности в зависимости от чисел единиц переноса и Пекле по обеим фазам.
3. При анализе интенсивности процессов массо- и теплопереноса в аппаратах с объемом, структурированном мембранами, необходимо учитывать сопротивление мембран и формулировать задачу конвективного переноса в текущей среде как сопряженную с переносом потоков диффузией и теплопроводностью в стенке мембраны.
4. Решение сопряженных задач массо- и теплопереноса проведено методами конечных разностей, и результаты численного моделирования кинетических зависимостей представлены уравнениями в обобщенных переменных.
5. Описание переноса потоков через мембраны при изменении давления с обеих сторон мембраны получено решением методом операционного исчисления системы обыкновенных дифференциальных уравнений через давления с граничными условиями для любой комбинации патрубков внутреннего и внешнего объемов в модуле.
6. Зависимости для поперечной и тупиковой фильтрации позволяют определить по результатам экспериментов определения проницаемости мембран, которые в исследованном диапазоне (избыточное давление до 1 бар) практически не зависели от давления и соответственно составили для полипропиленовых половолоконных мембран фирмы EIDOS (Чехия): РР-М5 - 4,410-15 м; РР-М6 - 1,3310-14м и керамических трубчатых мембран произведенных фирмой НПО Керамикфильтр (Москва) - 7,4310-13м.
7. Растворимость нерафинированного растительного масла в двуокиси углерода в сверхкритической области растет с ростом давления и при температуре, близкой к критической. Растворимость жирных кислот растет с ростом давления и температуры, при этом растворимость ненасыщенных кислот на два порядка выше, чем растворимость насыщенных жирных кислот. Наибольшие значения относительной растворимости жирных кислот по отношению к триацилглицеринам достигается при давлении 80 бар и несколько снижается при 160 бар.
8. Для коэффициентов диффузии жирных кислот в двуокиси углерода в диапазоне изменения давления от 80 до 400 бар и температуры от 293 до 373 К выделяются две области, разделенных линейной зависимостью, проходящей через критическую точку. Ниже этой линии значения коэффициентов диффузии практически не зависят от изменения значения температуры и значительно снижаются со снижением значения давления. Выше этой линии значения коэффициентов диффузии увеличиваются с ростом температуры и уменьшаются при снижении давления.
9. При математическом моделировании кинетики реакции переэтерификации установлено время, достаточное для достижения равновесного состояния. Значительное увеличение концентрации метанола в исходной смеси не приводит к существенному увеличению глубины реакции.
10. Вязкость реакционной смеси определяется вязкостью ее компонентов и составом. Температурная зависимость вязкости компонентов определяется по усовершенствованному методу Льюиса и Сквайрса.
11. Математическая модель процесса многостадийной химической реакции переэтерификации с фильтрацией продуктов, с вязкостью, меняющейся от состава и температуры, через стенку мембранного реактора, позволяет определить долю фильтрационной составляющей продуктов реакции мембранного реактора и провести оптимизацию процесса.
12. Конденсатор с подводом дополнительного тепла от поступающей парогазовой смеси в зону конденсации и подачей хладагента через полипропиленовые половолоконные непористые мембраны позволяет осуществить конденсацию паров растворителя в присутствии неконденсирующегося инертного газа.
13. Полученные экспериментальные значения коэффициентов теплоотдачи в полипропиленовых половолоконных непористых мембранах, включающих объединенное тепловое сопротивление стенки, позволяют вести расчеты теплопередачи в полимерных половолоконных мембранных теплообменниках.
14. Построенная математическая модель конденсации парогазовой смеси в конденсаторе с полимерными половолоконными мембранами может быть использована для моделирования и анализа работы конденсатора.
15. Обоснована комплексная технология и система процессов переработки нерафинированных растительных масел с новым процессом физической рафинации мембранной экстракцией и экстракционной очисткой фосфолипидов в схеме, в которой применен мембранный конденсатор парогазовой смеси, а отделенное масло перерабатывается в мембранном реакторе с получением биотоплива. Разработаны и переданы для реализации в производство филиала Лабинский МЭЗ ООО МЭЗ Юг Руси комплексная технология переработки нерафинированного подсолнечного масла.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
, - безразмерные концентрации с обеих сторон мембраны; и - безразмерная температура с обеих сторон мембраны; и - числа единиц переноса массы по фазе в трубном и межтрубном пространстве; и - числа единиц переноса тепла по фазе в трубном и межтрубном пространстве; ψxm = x*/xп и ψym = y*/yп - коэффициенты распределения растворенного вещества; x*, xп и y*, yп - равновесные концентрации, относящиеся к условиям разных сторон поверхности мембраны между фазами; Wx и Wy - водяные эквиваленты обоих теплоносителей; Qx и Qy - объемные расходы фазы в трубном в межтрубном пространстве; L - длина мембран; F - площадь поверхности мембраны; S - сечение колонны; K - коэффициент массопередачи; х и у - безразмерное значение потенциалов переноса массы и тепла в мембранных трубках и межтрубном пространстве; KТ - коэффициент теплопередачи; и - безразмерные модифицированные числа Пекле, характеризующие перемешивание по каждой из обеих фаз; Dx и Dy - коэффициенты продольного перемешивания по каждой из обеих фаз; Тж и Ттр - соответственно температура потока жидкости в трубе и непроницаемой стенки трубы, К; Pнач и Pкон - давления в начале и конце трубы; λж, Cж, ρж, μж - соответственно, теплопроводность, теплоемкость, плотность и вязкость потока жидкости; Rтр и Rст - радиусы трубы и стенки, м; Lтр - длина трубы, м; λтр, Cтр, ρтр Ц соответственно теплопроводность, теплоемкость, плотность трубы; - число Пекле; - осевое число Рейнольдса потока жидкости; PL; PS и QL; QS - соответственно давления и расходы во внутреннем и внешнем объеме между мембранами; kx,S и kx,L - компоненты тензора проницаемости Дарси; - динамическая вязкость, Па с; rр мембранная проницаемость, м; RL внутренний радиус волокна, м; x координата по оси мембраны, м; n - количество мембран; Nuст - критерий Нуссельта стенки, учитывающий объединенное сопротивление тепловому потоку в стенке и внешней конвективной теплоотдачи; - критерий Рейнольдса; ϕ - степень упаковки половолоконных мембран в кожухе модуля - критерий Прандтля; ηo - опорная вязкость чистого компонента; θo - опорная температура чистого компонента, 0C; ТАГ - триацилглицерины; М - метанол; Г - глицерины.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
Монографии:
1. Схаляхов, А.А. Мембранная экстракция двуокисью углерода в пищевой технологии/А.А. Схаляхов; ред. журн. Известия ВУЗов. Пищевая технология.- Краснодар, 2007.- 159 с.: ил.- Библиогр.: с. 157-159 (141 назв.).- Деп. в ВИНИТИ 12.02.07, № 128-В2007.
2. Схаляхов, А.А. Производство биотоплива из масел и жиров: монография / А.А. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой; Федер. агентство по образованию, ГОУ ВПО МГТУ. - Майкоп: МГТУ, 2008. - 132 с.
Научные статьи в журналах, рекомендуемых ВАК:
3. Оценка развития научного направления Экстракция двуокисью углерода/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов, В.Ю. Чундышко//Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 1999. - № 1. - С. 8-11.
4. Поведение коэффициентов диффузии жирных кислот в CO2 при сверхкритических условиях/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Д.Э. Тихонов, Х.Р. Блягоз//Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 1999. - № 2-3. - С. 72-73.
5. Универсальная установка для экстракции двуокисью углерода/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов, В.Ю. Чундышко//Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 1999. - № 4. - С. 67-69.
6. Схаляхов, А.А. Коэффициенты диффузии триглицеридов и жирных кислот в двуокиси углерода при сверхкритических условиях/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз//Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 2000.- № 2-3. - С. 62-63.
7. Теоретический анализ экстракции в массообменнике с пористой перегородкой/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, В.С. Косачев, Х.Р. Блягоз//Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 2001. - № 5-6. - С. 66-68.
8. Схаляхов, А.А. Массообмен при экстракции в аппаратах с пористой перегородкой/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз//Известия ВУЗов. Пищевая технология.- 2003.- №5-6.- С. 82-84.
9. Схаляхов, А.А. Влияние продольного перемешивания во взаимодействующих фазах при десорбции в пленочном трубчатом противоточном аппарате/А.А. Схаляхов, А.Г. Верещагин, Е.П. Кошевой//Известия ВУЗов. Пищевая технология.- 2007.- № 2.- С. 71-73.
10. Схаляхов, А.А. Организация процесса переэтерификации в мембранном реакторе/А.А. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой//Новые технологии. - 2008. - Вып. 5. - С. 34-36.
11. Конденсатор для парогазовых смесей с полимерными половолоконными мембранами/А.А. Схаляхов, Е.П.Кошевой, В.С. Косачев, А.Г. Верещагин//Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 2009. - № 2-3 С. 68-70.
12. Конденсация парогазовых смесей с полимерными половолоконными мембранами/А.А. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, А.Г. Верещагин, Е.П. Кошевой//Новые технологии.- 2009.- Вып. 1.- С. 35-39.
13. Определение проницаемости половолоконных и трубчатых мембран/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, В.С. Косачев, Е.О. Никонов//Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 2009. - № 2-3 С. 96-98.
14. Разработка модели конденсации парогазовых смесей с полимерными половолоконными мембранами/А.А. Схаляхов, А.Г. Верещагин, В.С. Косачев, Е.П. Кошевой//Новые технологии.- 2009.- Вып. 1.- С. 39-43.
15. Схаляхов, А.А. Вязкость компонентов реакционной смеси при производстве биодизельного топлива из растительных масел/А.А. Схаляхов, В.С. Косачев, Е.П. Кошевой//Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 2009. - № 1. - С. 113-115.
16. Схаляхов, А.А. Математическое моделирование процесса разделения жидких смесей в мембранном модуле с различной организацией потоков/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, В.С. Косачев//Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 2009. - № 2-3.- С. 71-74.
17. Теплообмен с полимерными поволоконными мембранами/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, В.С. Косачев, А.Г. Верещагин//Известия ВУЗов. Пищевая технология. - 2009. - № 2-3.- С. 79-81.
18. Схаляхов, А.А. Математическое моделирование кинетики и свойств реакционной смеси при производстве биодизельного топлива из масел/А.А. Схаляхов//Новые технологии. - 2009. - № 3.- С. 29-35.
19. Схаляхов, А.А. Обоснование системы процессов получения фосфолипидных продуктов и биодизеля при переработке отходов гидратации масла/А.А. Схаляхов, А.Г. Верещагин, Е.А. Бутина//Новые технологии. - 2009. - № 3.- С. 39-42.
20. Схаляхов, А.А. Математическая модель гидравлики мембранного реактора в линии производства биодизеля/А.А. Схаляхов//Новые технологии. - 2009. - № 3.- С. 39-42.
21. Схаляхов, А.А. Результаты моделирования работы мембранного реактора для производства биодизельного топлива из масел/А.А. Схаляхов//Новые технологии. - 2009. - № 3.- С. 42-48.
22. Схаляхов, А.А. Оценка эффективных режимов работы массообменника с пористой перегородкой/А.А. Схаляхов//Новые технологии. - 2009. - № 3.- С. 48-54.
23. Схаляхов, А.А. Постановка сопряженной задачи переноса тепла через трубчатую мембрану от протекающего в ней потока/А.А. Схаляхов//Новые технологии. - 2009. - № 4.- С. 53-56.
24. Схаляхов, А.А. Численное решение сопряженной задачи переноса тепла через трубчатую мембрану/А.А. Схаляхов//Новые технологии. - 2009. - № 4.- С. 57-62.
25. Описание теплообмена в половолоконных мембранах для внутренней сопряженной задачи/А.А. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, В.С. Косачев//Новые технологии. - 2010. - № 1.- С. 54-59.
26. Перенос тепла в теплообменнике с непроницаемыми половолоконными мембранами/А.А. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, В.С. Косачев//Новые технологии. - 2010. - № 1.- С. 59-64.
Научные статьи и отчеты:
27. Двуокись углерода при сверхкритических условиях как растворитель для экстракционной очистки жиров/А.А. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, Д.Э. Тихонов//Процессы, аппараты и машины пищевой технологии: межвуз. сб. науч. тр. / М-во образования Рос. Федерации, С.-Петерб. гос. акад. холода и пищевых технологий. - СПб.,1999. - С. 153-159.
28. Анализ технологии и техники экстрагирования двуокисью углерода при сверхкритических условиях/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов, В.Ю. Чундышко//Новые технологии: [сб. науч. тр. МГТУ] / М-во образования и науки Рос. Федерации, Майкоп. гос. технол. ун-т. - Майкоп, 2005. - С. 178-180.
29. Массоперенос в массообменнике с пористой перегородкой (мембраной)/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов//Новые технологии: [сб. науч. тр. МГТУ] / М-во образования и науки Рос. Федерации, Майкоп. гос. технол. ун-т. - Майкоп, 2005. - С. 175-177.
30. Технология и техника экстрагирования двуокисью углерода при сверхкритических условиях/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов, В.Ю. Чундышко//Экономика и технологии. - 2005. - № 1. - С. 51-54.
31. Эффективность процессов экстракции и разделения в системе триацилглицерины-двуокись углерода-этанол/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов, В.Ю. Чундышко//Новые технологии: [сб. науч. тр. МГТУ] / М-во образования и науки Рос. Федерации, Майкоп. гос. технол. ун-т. - Майкоп, 2005. - С. 181-183.
32. Разработка конструкции конденсатора для смесей растворителя с неконденсирующимся газом/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, В.С. Косачев, А.В. Гукасян, А.Г. Верещагин//Новые технологии/М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. Агентство по образованию, Майкоп. гос. технол. ун-т.- Майкоп, 2006.- Вып. 2.- С. 90-92.
33. Схаляхов, А.А. Коэффициенты распределения жирных кислот в системе с двуокисью углерода при сверхкритических условиях/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз//Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств: междунар. науч.-практ. конф., Россия, Краснодар, 24-26 сент. 2002 г.: [материалы]. - Краснодар, 2002. - С. 29-31.
34. Схаляхов, А.А. Моделирование растворимости триглицеридов в смешанном растворителе при сверхкритических условиях/А.А. Схаляхов, В.Ю. Чундышко, А.Л. Яковлев//IX Неделя науки МГТУ: V Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов, докторантов и молодых ученых Наука XXI веку (II сессия).- Майкоп, 2004.- С. 125-129.
35. Технология получения фракционированных фосфолипидных продуктов/Е.А. Бутина, А.А. Схаляхов, В.В. Сорокина, Е.Н. Пахомова//Инновационные технологии в создании продуктов питания нового поколения: материалы Всерос. науч.- практ. конф. с междунар. участием.- Краснодар, 2005.- С.183-185.
36. Конструкции конденсатора для смесей паров ацетона с неконденсирующимся газом азотом/А.А. Схаляхов, А.Г. Верещагин, Е.П. Кошевой, В.С. Косачев, А.В. Гукасян//Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2007): материалы III Междунар. науч.-техн. конф. (Нальчик, 4-6 октября 2007 г.) / [редкол.: Батыров У. Д. (отв. ред. и др.)].- Нальчик, 2007.- Т. 1.- С. 221-224.
37. Схаляхов, А.А. Математическая модель гидравлики реактора с пористыми мембранами для производства биодизеля/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, В.С. Косачев//Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: материалы Десятой междунар. науч.-практ. конф. (11-12 декабря 2007 г.).- Барнаул, 2007.- С. 347-349.
38. Моделирование процесса конденсации смеси паров ацетона с инертным газом в парогазовом конденсаторе/А.А Схаляхов, А.Г. Верещагин, Е.П. Кошевой, В.С. Косачев//Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: материалы Десятой междунар. науч.-практ. конф. (11-12 декабря 2007г.).- Барнаул, 2007.- С.339-342.
39. Теплообменные характеристики половолоконных непористых мембран/А.А. Схаляхов, А.Г. Верещагин, Е.П. Кошевой, А.В. Гукасян//Наука, техника и технология XXI века (НТТ-2007): материалы III Междунар. науч.-техн. конф. (Нальчик, 4-6 октября 2007 г.)/[редкол.: Батыров У. Д. (отв. ред. и др.)].- Нальчик, 2007.- Т. 1.- С. 216-221.
Патенты и свидетельства:
40. Универсальная установка для экстракции двуокисью углерода/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов, В.Ю. Чундышко//Свидетельство на полезную модель № 16458. - 2001.
41. Экстрактор/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз//Свидетельство на полезную модель № 16503. - 2001.
42. Конденсатор/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, В.С. Косачев, А.Г. Верещагин, А.В. Гукасян//Патент на полезную модель № 61401.- 2006, БИ № 6, 2007.
43. Линия комплексной переработки растительного масла. Решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 2009141410 от 11.11.2009 г. Схаляхов А.А., Блягоз Х.Р., Кошевой Е.П., Бутина Е.А., Верещагин А.Г.
44. Линия получения биотоплива из растительного масла. Решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 2009141411 от 11.11.2009 г. Схаляхов А.А., Блягоз Х.Р., Кошевой Е.П., Бутина Е.А., Верещагин А.Г.
Материалы конференций:
45. Схаляхов, А.А. Оценка коэффициентов диффузии различных веществ в двуокиси углерода при сверхкритических условиях / А.А. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой//Тез. докл. Сев.-Кавк. регион. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Перспектива-98, 24-27 апр. 1998г./[редкол.: Шаков Х.Х. (отв. ред.) и др.]. - Нальчик, 1998. - С. 10-11.
46. Разработка оборудования для экстракции газами при сверхкритических давлениях/Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, Х.Р. Сиюхов, А.А. Схаляхов, В.Ю. Чундышко//Материалы II Междунар. науч. конф. Продовольственный рынок и проблемы здорового питания: тез. докл. - Орел, 1999. - С. 262.
47. Энергообеспечение экстракции газами на основе теплового насоса/Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов, А.А. Схаляхов, В.Ю. Чундышко//Индустрия продуктов здорового питания - третье тысячелетие (человек, наука, технология, экономика): междунар. науч. - практ. конф., 24-25 февр. 1999 г.: тез. докл. - М., 1999. - Ч.1. - С. 93-94.
48. Блягоз, Х.Р. Разработка процесса экстракции двуокисью углерода/Х.Р. Блягоз, А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой//Технология, химия и экологические проблемы Северного Кавказа: сб. науч. тр. по материалам регион. науч.-практ. конф. Неделя науки МГТИ/М-во образования Рос. Федерации, Майкоп. гос. технол. ин-т. - Майкоп, 2000. - С. 34-35.- Библиогр. в конце ст.
49. Проблемы в развитии экстракции двуокисью углерода/Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, Х.Р. Сиюхов, А.А. Схаляхов, В.Ю. Чундышко//Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. Молодые ученые - пищевым и перерабатывающим отраслям АПК (технологические аспекты производства), г. Москва, 18-19 декабря 2000 г. - М., 2000.- С. 173-174.
50. Рафинация растительных масел экстракцией двуокисью углерода/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, А.Б. Боровский, Х.Р. Блягоз //Прогрессивные пищевые технологии - третьему тысячелетию = Advanced food technologies - to the third millenium: междунар. науч. конф. [19-22 сент. 2000 г.: тез. докл./редкол.: Петрик А.А. (гл. ред.) и др.]. - Краснодар, 2000. - С. 172-173.
51. Совершенствование техники для экстракции двуокисью углерода/Е.П. Кошевой, А.А. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Х.Р. Сиюхов, В.Ю. Чундышко//Материалы междунар. науч. - практ. конф. Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения/Краснодар. НИИ хранения и перераб. с.-х. продукции; под ред. Сизенко Е.И. - Краснодар, 2000. - Ч.2. - С. 157-158.
52. Физическая рафинация растительных масел экстракцией двуокисью углерода в сверхкритическом состоянии/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, А.Б. Боровский, Х.Р. Блягоз//Материалы междунар. науч.-практ. конф. Продовольственная индустрия юга России. Экологически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения/Краснод. НИИ хранения и перераб. с.-х. продукции; под ред. Сизенко Е.И. - Краснодар, 2000. - Ч.1. - С. 137-138.
53. Энергообеспечение экстракционной установки с использованием теплового насоса/Е.П. Кошевой, Х.Р. Блягоз, Х. Р. Сиюхов, А.А. Схаляхов, В. Ю. Чундышко//Прогрессивные пищевые технологии - третьему тысячелетию = Advanced food technologies - to the third millenium: междунар. науч. конф. [19-22 сент. 2000 г.: тез. докл./редкол.: Петрик А.А. (гл. ред.) и др.]. - Краснодар, 2000.- С. 187-188.
54. Мембранная экстракция жидких смесей двуокисью углерода/А.А. Схаляхов, Х.Р. Блягоз, Е.П. Кошевой, В.С. Косачев//Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке: междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 70-летию С.-Петерб. гос. ун-та низкотемператур. и пищевых технологий, 6-7 июня 2001 г./[редкол.: Малышев А.А. и др.]. - СПб., 2001. - С. 170.
55. Схаляхов, А.А. Состояние и перспективы производства биодизеля/А.А. Схаляхов, Е.П. Кошевой, А.И. Хомяков//Тезисы IX Междунар. конф. молодых ученых Пищевые технологии и биотехнологии.- Казань, 2008.- С. 216.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям